CN102181946A - 装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置 - Google Patents

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朱文斌
史晶晶
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Abstract

一种装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置，包括微量注射泵、高压发生装置、圆锥形辅助电极、注射器、金属喷头、金属接收装置、聚四氟乙烯喷丝板、基布、聚四氟乙烯支架板。在金属喷头附近安装两个完全相同的圆锥形辅助电极，同时固定在聚四氟乙烯喷丝板上。在静电纺丝过程中，辅助电极的存在降低了喷头间电场的相互干扰，从而制得的纳米纤维更细，纤网更均匀。

Description

装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置
技术领域
本发明属于纺织领域，涉及到一种带有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置，通过在喷头附近安装辅助电极，降低喷头间电场的相互干扰并且得到的纳米纤维更细，纤网更均匀。
背景技术
静电纺丝是目前制备聚合物纳米纤维的一种有效、便捷的方法。其工作原理是在喷丝头上加上几千伏甚至几万伏的电压，随着电压的加大，接收装置和喷头间电场强度不断增大，喷头尖端液体被逐渐拉长，形成泰勒锥。当电场强度达到某临界值时，电场力克服溶液或熔融体表面张力，射流从泰勒锥表面喷出。射流初始阶段较为稳定，呈现直线状。随着溶剂的蒸发、电场强度下降等因素的影响，射流开始以螺旋状向前运动，最终无序地分布在接收装置上。目前单喷头静电纺丝的产量低，而多喷头静电纺丝中射流间相互影响，从而使得纺丝过程中射流的连续性较差，且纤网分布不均匀，进而给静电纺丝走向产业化造成了一定的阻力，而装有辅助电极的多喷头静电纺丝装置的研发是实现其高产量和稳定射流的一个重要的方向。
W.E.Teo等人通过刀锋型辅助电极得到高度排列的静电纺纳米纤维。喷头前设置与一般静电纺丝装置大致类似。接收装置则采用两个尖端绝缘的、边缘锋利的不锈钢板。静电纺丝时在两板间引入负电，当带正电的射流沿一定螺旋轨迹向下运动并接近接收装置时，由于带负电的两不锈钢板的库仑力作用，射流在两板间沿电场排列，从而获得具有高度排列的纳米纤维。这是一种获得具有高度排列的纳米短纤维的方法。
Xuefen Wang等人采用与经典静电纺丝理论不同的自集束静电纺丝理论，即引入接地的金属针制备纳米纤维，并且用圆柱状转鼓收集纤维。用羟基丁酸、羟基戊酸共聚物、聚丙烯腈、左旋聚乳酸、聚间苯二甲酰间苯二胺四种聚合物进行静电纺丝实验，结果发现可以获得排列性很好的纤维。L.Buttafoco等人在静电纺丝时引入了第二电场，即在喷头处加了一个接相同极性电压的金属环，结果发现第二电场引入减少了射流的不稳定性。
Huan Pan等人采用了在一组针头分别加正负电压进行静电纺丝，从两个针头所喷出的纤维因为带相反的电荷而发生互相吸引而粘结在一起，经圆柱型转鼓收集形成纳米纤维。利用该种办法制备的纤维连续、单轴排列好，且随着转速的提高，纤维的排列程度也会增加。
目前在多喷头静电纺丝过程中使用辅助电极用以改善相邻电场，稳定射流，减小纤维直径的研究方向进展较慢，且效果不明显。射流的不稳定性和纤网分布不均匀的问题依然没有得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置，通过辅助电极的引入，改善了喷头之间的电场分布，使得射流间的电场干扰下降，从而带有相同电荷的喷射流间的相互排斥作用减小。与此同时静电纺丝的连续性更好，纤网分布更均匀，纤维直径更细。
本发明所述的装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置，包括具有圆锥形辅助电极1、金属喷头2、聚四氟乙烯板3、橡皮管4、储液槽5、输液口6、聚四氟乙烯支架板7、接收装置8、微量注射泵9、高压发生装置10。
多喷头，穿过聚四氟乙烯喷丝板固定其上，各喷头之间以一定的位置关系配置；辅助电极，把多个相同的辅助电极分别套住各喷头，其下表面固定在聚四氟乙烯喷丝板上。喷头尖端伸出圆锥形辅助电极上表面1～2mm。本发明所述的装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置，还包括聚四氟乙烯支架板、储液槽和橡皮管，储液槽水平固定在聚四氟乙烯支架板上，橡皮管用于连接储液槽和装有辅助电极的多喷头。
在上述装置的静电纺丝过程中，辅助电极用于改善电场，辅助电极和喷头均固定在聚四氟乙烯喷丝板上，并通过聚四氟乙烯喷丝板调整两者之间的配合关系。
本发明实现的有益效果：本发明通过具有圆锥形辅助电极、聚四氟乙烯喷丝板、聚四氟乙烯支架板、橡皮管、多喷头、储液槽等装置实现了静电纺丝的过程。在喷头附近加装了导电金属辅助电极之后，静电纺丝的连续性较好，且不易受外界因素的干扰。所纺得的纤网分布均匀，纤维直径细小。
本发明通过圆锥形辅助电极，改善了多喷头静电纺丝过程中多喷头之间的电场分布，从而起到稳定射流、均匀纤网的作用。
附图说明
图1为本发明所述装有导电金属辅助电极的多喷头静电纺丝装置(以三喷头为例)部分结构俯视图；
图2为本发明所述装有导电金属辅助电极的多喷头(以三喷头为例)静电纺丝装置正视图；
图3为本发明所述有无辅助电极作用下双喷头静电纺丝纤网对比图；
图4为本发明所述有无辅助电极作用下单喷头静电纺丝纤网对比图；
图5为有无辅助电极作用下多喷头静电纺丝纤维直径分布图；
图6为有无辅助电极作用下单喷头静电纺丝纤维直径分布图
图7为无辅助电极作用下双喷头静电纺丝电场仿真化示意图
图8为辅助电极作用下双喷头静电纺丝电场仿真化示意图。
图9为有无辅助电极作用双喷头静电纺丝中各喷头周围电压分布对比图
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体方法，该方法不受实施例的限制。
实施例1
如图1、图2所示，本发明所述的装有圆锥形辅助电极的双喷头静电纺丝装置，包括具有圆锥形辅助电极1、金属喷头2、聚四氟乙烯板3、橡皮管4、储液槽5、输液口6、聚四氟乙烯支架板7、接收装置8、微量注射泵9、高压发生装置10。
喷头2穿过聚四氟乙烯喷丝板3固定其上，圆锥形辅助电极1套在喷头2上并固定于聚四氟乙烯喷丝板3上，两个圆锥形辅助电极1和喷头2都必须水平配置。聚四氟乙烯喷丝板3和储液槽5固定在聚四氟乙烯支架板7上，橡皮管4连接储液槽5和喷头2，高压发生装置10在喷头2末端加上电压，微量注射泵9向储液槽5输出纺丝液。
实施例2
分别配制了PVA浓度为10％的水溶液和吡咯烷酮浓度为10％无水乙醇溶液，通过如图1的装有圆锥形辅助电极的双喷头静电纺丝装置进行纺丝，我们发现相比于没有辅助电极的多喷头静电纺丝其纺丝连续性更好，纤网分布更为均匀且纳米纤维直径有所减小，见图3、图4、图5、图6。

Claims (4)

1.一种装有圆锥形辅助电极的多喷头静电纺丝装置，其特征在于包括导电金属辅助电极、聚四氟乙烯喷丝板、聚四氟乙烯支架板、橡皮管、金属喷头、储液槽，其中
聚四氟乙烯喷丝板，水平固定于聚四氟乙烯支架板上；
金属喷头，穿过聚四氟乙烯喷丝板并固定其上，伸出聚四氟乙烯喷丝板表面的距离为15mm；
辅助电极，把形状相同的圆锥形辅助电极分别套在每个金属喷头上，并同时将辅助电极下底面固定在聚四氟乙烯喷丝板上；
储液槽，水平固定在聚四氟乙烯支架板上；
橡皮管，连接储液槽和喷头。
2.根据权利要求1所述的装有辅助电极的多喷头静电纺丝装置，其特征在于采用导电金属辅助电极屏蔽喷头间电场干扰。圆锥形辅助电极尺寸范围：高13mm、上底面半径1mm，下底面半径4～8mm。
3.根据权利要求1或2所述的装有辅助电极的多喷头静电纺丝装置，其特征在于所述的金属喷头要伸出圆锥形辅助电极上表面1～2mm。
4.根据权利要求1或3所述的装有辅助电极的多喷头静电纺丝装置，其特征在于装有辅助电极的多喷头静电纺丝中各喷头的相互位置关系，例如三喷头的正三角位置、四喷头的正方形位置，即使得各喷头之间位置关系形成一个轴对称图形。
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