CN102383204A - 一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米纤维的静电纺丝装置，尤其是一种可大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置。属于纺织机械领域。自吸静电纺丝装置由存放纺丝溶液或熔体的贮液池、高压静电发生器、纳米纤维的接收装置与传送装置，自吸喷头组成，本发明的自吸静电纺丝装置中自吸喷头采用毛细管的原理，利用自吸喷头的浸润毛细作用力使自吸喷头中纺丝溶液或熔体的液面上升，在自吸喷头上端面上纺丝溶液或熔体的液面与接收极板之间形成局部强电场，实现静电纺。自吸喷头与纺丝溶液或熔体之间的毛细作用力自动补充纺丝溶液或熔体，自吸喷头不易堵塞，生产效率高，可以实现纳米纤维的大批量生产，同时，减少了设备，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维的静电纺丝装置，尤其是一种可大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置。属于纺织机械领域。
技术背景
目前广泛使用的静电纺纳米纤维的装置有很多种：单喷头或多喷头针筒式、振动静电纺丝装置(专利号：CN100516321C)；气泡静电纺丝装置(专利号：CN100503905C)，旋转线圈式(Xin Wang，Haitao Niu，Tong Lin，XungaiWang，Wire Coil eedleless Electrospinning of Polymer Nanofibers，InternationalConference on Fibrous Materials 2009，Shanghai，P.R.China)，磁流体静电纺丝装置。
无论是单喷头或多喷头针筒式纺丝方法，由于喷孔直径小，存在纺丝效率和产量低下，喷丝孔易堵且清洗困难，无法满足大批量生产和产品应用的要求等缺陷，同时需另加喷头纺丝液的推泵。振动静电纺丝装置，气泡静电纺丝装置，旋转线圈式和磁流体静电纺丝装置随无需喷头，纺丝效率和产量有一定的提高，但分别需要大功率的超声振动设备，连续工作的气泵，线圈旋转的驱动装置和扰动磁场发生器，共同的缺陷是增加了设备，增大了能耗，纺丝效率和产量也有待进一步提高。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是要解决现有静电纺丝装置存在的不足或缺陷，提供一种既可用于大批量生产纳米纤维，又可简化装置降低能耗的自吸静电纺丝装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置，自吸静电纺丝装置由存放纺丝溶液或熔体的贮液池、高压静电发生器、纳米纤维的接收装置与传送装置，自吸喷头组成，所述自吸喷头为一组以上，自吸喷头均匀排列，垂直固定在贮液池内的纺丝溶液或熔体中，自吸喷头通过电极线与高压静电发生器相连，接收极板通过接地电极接地形成负极，与自吸喷头上端面的纺丝溶液或熔体的液面之间形成静电场，自吸喷头露出纺丝溶液或熔体面的高度小于或等于纺丝溶液或熔体在自吸喷头中能上升的高度。
所述的自吸喷头为管状物或两块平行板组成的狭缝，自吸喷头采用金属或导电材料，管状物的内直径为0.1-2mm，两块平行板组成的狭缝宽度为0.1-2mm 。
由于采用了以上技术方案，本发明的自吸静电纺丝装置中自吸喷头采用毛细管的原理，利用自吸喷头的浸润毛细作用力使自吸喷头中纺丝溶液或熔体的液面上升，在自吸喷头上端面上纺丝溶液或熔体的液面与接收极板之间形成局部强电场，实现静电纺。自吸喷头固定于存放纺丝溶液或熔体的贮液池中，自吸喷头的上端低于贮液池的上沿高度，自吸喷头的结构、材料特征与纺丝溶液或熔体一定时，纺丝溶液或熔体在自吸喷头中由于毛细作用能上升的高度是一定的，而纺丝溶液或熔体在自吸喷头中由于毛细作用能上升的高度也因自吸喷头的结构、材料特征与纺丝溶液或熔体的特性而变化，通过控制贮液池中纺丝溶液或熔体的量来控制贮液池中的液面高度，使自吸喷头露出纺丝溶液或熔体面的高度小于或等于纺丝溶液或熔体在自吸喷头中能上升的高度，就实现了纺丝溶液或熔体注满自吸喷头，同时自吸喷头采用金属或导电材料制备，自吸喷头通过电极线与高压静电发生器相连，接收极板通过接地电极接地形成负极，与自吸喷头上端面的纺丝溶液或熔体的液面之间形成静电场，实现静电纺，有效的消除了现有喷头式静电纺纺丝液由推泵控制，较难以实现纺丝液的推出量与静电纺的速度一致，使得喷丝孔频繁被堵，需频繁更换或清洗喷丝孔，
自吸喷头为管状物或两块平行板组成的狭缝，自吸喷头与纺丝溶液或熔体之间的毛细作用力自动补充纺丝溶液或熔体，自吸喷头不易堵塞，自吸喷头采用两块平行板组成的狭缝时，两块平行板组成的狭缝间距可调，清洗方便，自吸喷头为一组以上，均匀排列，生产效率高，可以实现纳米纤维的大批量生产，同时，相比振动静电纺丝装置，气泡静电纺丝装置，旋转线圈式和磁流体静电纺丝装置的无喷头静电纺丝，减少了设备，降低了能耗。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图
图2为自吸喷头位于纺丝溶液或熔体中的示意图
图3为自吸喷头为管状物在纺丝溶液或熔体中的俯视图
图4为自吸喷头为两块平行板组成的狭缝在纺丝溶液或熔体中的俯视图
图5为本发明的静电纺丝装置制备的聚乙烯醇纳米纤维的扫描电镜图
具体实施方式
下面结合结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。
本发明的一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置，自吸静电纺丝装置由存放纺丝溶液或熔体2的贮液池1、高压静电发生器3、纳米纤维的接收装置与传送装置，自吸喷头4组成。传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成。所述自吸喷头4为一组以上，每组之间相互平行，自吸喷头4通过整体支架垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，自吸喷头4的上端低于贮液池1的上沿高度，自吸喷头4通过整体支架垂直固定在贮液池1中有利于保证自吸喷头4上端在同一水平平面上，所述的自吸喷头4可以是采用金属或导电材料制备的管状物4′或两块平行板组成的狭缝4″。管状物4′的内直径为0.1-2mm，两块平行板组成的狭缝4″宽度为0.1-2mm。自吸喷头4为管状物4′时，每组中管状物4′不少于三个，自吸喷头4为两块平行板组成的狭缝4″时，每个金属平行板组成的狭缝4″为一组。纺丝溶液或熔体2在自吸喷头4中由于毛细管作用能上升的高度也因自吸喷头4的结构，材料特征与纺丝溶液或熔体2的特性而变化，通过控制贮液池1中纺丝溶液或熔体2的量来控制贮液池1中的液面高度，使自吸喷头4露出纺丝溶液或熔体2的液面高度小于或等于纺丝溶液或熔体2在自吸喷头4中能上升的高度，就实现了纺丝溶液或熔体2注满自吸喷头4，同时自吸喷头4采用金属或导电材料制备，自吸喷头4通过电极线与高压静电发生器3相连，接收极板10通过接地电极接地形成负极6，与自吸喷头4上端面的纺丝溶液或熔体2的液面之间形成静电场，调整高压静电发生器3的输出电压高低及纳米纤维的接收装置与自吸喷头4之间的距离，实现纺丝，在纺丝过程中在贮液池1不断补充纺丝溶液或熔体2保持贮液池1中的液面高度，使纺丝溶液或熔体2能注满自吸喷头4。传送装置和接收装置设在贮液池1的正上方，接收装置中的接收帘5紧贴接收极板10和导辊7，由接收极板10和导辊7提供张力和部分传送动力，接收极板10和导辊7与接地电极6相连，接收帘5一端连接退绕棍轴8，另一端与卷绕棍轴9连接。
在静电纺过程中，从自吸喷头4上端面的纺丝溶液或熔体2的液面上有极细的纺丝溶液或熔体2射流喷出，射向接收极板10，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
具体实施例
实施例一：
纳米纤维的自吸静电纺丝装置，在上端开口的绝缘的贮藏池1中，通过整体支架将内径为2mm的金属管状物4′垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，金属管状物4′的上端在同一水平平面上，金属管状物4′阵列在纺丝溶液或熔体2中，如图3，金属管状物4′采用五个为一组，八组之间相互平行排列组成阵列。金属管状物4′组成的阵列通过金属电极与高压静电发生器3相连，纺丝溶液2为5wt％的聚乙烯醇水溶液，金属管状物4′阵列垂直固定于纺丝溶液2中，一端露出纺丝溶液2表面，一端浸入纺丝溶液2内部，通过控制贮藏池1中所加纺丝溶液2的量使金属管状物4′露出纺丝溶液2表面的高度小于纺丝溶液2在金属管状物4′中能上升的高度，使纺丝溶液2注满金属管状物4′。打开高压静电发生器3，调节电压，同时调整纳米纤维的接收装置与金属管状物4′之间的距离。金属管状物4′中上升的纺丝溶液2在高压静电作用下获得最强的极化，电荷将集中在金属管状物4′上端面上的液面上，形成泰勒锥，贮藏池1上端口一定距离有一传送装置和接收装置，传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成，形成负极，与金属管状物4′上端面上的液面之间形成电场，由于静电力的作用，从泰勒锥顶端有极细的纺丝溶液2射流喷出，射向负极板，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区，接收帘5上纳米纤维直径为200nm。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
通过该实施例制备的聚乙烯醇纳米纤维的扫描电镜图(见图5)。
实施例二：
纳米纤维的自吸静电纺丝装置，在上端开口的绝缘的贮藏池1中，通过整体支架将内径为1mm的金属管状物4′垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，金属管状物4′的上端在同一水平平面上，金属管状物4′采用三个为一组，五组之间相互平行排列组成阵列。导电毛细管4组成的阵列通过金属电极与高压静电发生器3相连，纺丝溶液2为10wt％的聚乙烯醇水溶液，金属管状物4′阵列垂直固定于纺丝溶液2中，一端露出纺丝溶液2表面，一端浸入纺丝溶液2内部，通过控制贮藏池1中所加纺丝溶液2的量使金属管状物4′露出纺丝溶液2表面的高度小于纺丝溶液2在金属管状物4′中能上升的高度，使纺丝溶液2注满金属管状物4′。打开高压静电发生器3，调节电压，同时调整纳米纤维的接收装置与金属管状物4′之间的距离，金属管状物4′中上升的纺丝溶液2内部自由电荷在高压静电作用下获得最强的极化，电荷将集中在金属管状物4′上端面上的液面上，形成泰勒锥，贮藏池1上端口一定距离有一传送装置和接收装置，传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成，形成负极，与金属管状物4′上端面上的液面之间形成电场，由于静电力的作用，从泰勒锥顶端有极细的纺丝溶液2射流喷出，射向负极板，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
实施例三：
纳米纤维的自吸静电纺丝装置，在上端开口的绝缘的贮藏池1中，通过整体支架将内径为0.1mm的导电玻璃管状物4′垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，导电玻璃管状物4′的上端在同一水平平面上，导电玻璃管状物4′采用三个为一组，五组之间相互平行排列组成阵列。导电玻璃管状物4′组成的阵列通过金属电极与高压静电发生器3相连，纺丝溶液2为10wt％的聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，导电玻璃管状物4′阵列垂直固定于纺丝溶液2中，一端露出纺丝溶液2表面，一端浸入纺丝溶液2内部，通过控制贮藏池1中所加纺丝溶液2的量使导电玻璃管状物4′露出纺丝溶液2表面的高度小于纺丝溶液2在导电玻璃管状物4′中能上升的高度，使纺丝溶液2注满导电玻璃管状物4′。打开高压静电发生器3，调节电压，同时调整纳米纤维的接收装置与导电玻璃管状物4′之间的距离。导电玻璃管状物4′中上升的纺丝溶液2内部自由电荷在高压静电作用下获得最强的极化，电荷将集中在导电玻璃管状物4′上端面上的液面上，形成泰勒锥，贮藏池1上端口一定距离有一传送装置和接收装置，传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成，形成负极，与导电玻璃管状物4′上端面上的液面之间形成电场，由于静电力的作用，从泰勒锥顶端有极细的纺丝溶液2射流喷出，射向负极板，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
实施例四：
纳米纤维的自吸静电纺丝装置，通过整体支架将缝间距为2mm的两块金属平行板组成的狭缝4″垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，两块金属平行板组成的狭缝4″的上端在同一水平平面上，每个金属平行板组成的狭缝4″为一组，八组之间相互平行排列组成阵列。金属平行板组成的狭缝4″组成的阵列在纺丝溶液或熔体2中，如图4。金属平行板组成的狭缝4″组成的阵列通过金属电极与高压静电发生器3相连，纺丝溶液2为5wt％的聚乙烯醇水溶液，金属平行板组成的狭缝4″阵列垂直固定于纺丝溶液2中，一端露出溶液2表面，一端浸入纺丝溶液2内部，通过控制贮藏池1中所加纺丝溶液2的量使金属平行板组成的狭缝4″露出纺丝溶液2表面的高度小于纺丝溶液2在金属平行板组成的狭缝4″中能上升的高度，使纺丝溶液2注满金属平行板组成的狭缝4″。打开高压静电发生器3，调节电压，同时调整纳米纤维的接收装置与金属平行板组成的狭缝4″之间的距离。金属平行板组成的狭缝4″中上升的纺丝溶液2内部自由电荷在高压静电作用下获得最强的极化，电荷将集中在金属平行板组成的狭缝4″上端面上的液面上，形成泰勒锥，贮藏池1上端口一定距离有一传送装置和接收装置，传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成，形成负极，与金属平行板组成的狭缝4″上端面上的液面之间形成电场，由于静电力的作用，从泰勒锥顶端有极细的纺丝溶液2射流喷出，射向负极板，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
实施例五：
纳米纤维的自吸静电纺丝装置，通过整体支架将缝间距为1mm的两块金属平行板组成的狭缝4″垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，两块金属平行板组成的狭缝4″的上端在同一水平平面上，每个金属平行板组成的狭缝4″为一组，八组相互平行排列组成阵列。金属平行板组成的狭缝4″组成的阵列通过金属电极与高压静电发生器3相连，纺丝熔体2为聚乳酸熔体，金属平行板组成的狭缝4″阵列垂直固定于纺丝熔体2中，一端露出纺丝熔体2表面，一端浸入纺丝熔体2内部，通过控制贮藏池1中所加纺丝熔体2的量使金属平行板组成的狭缝4″露出纺丝熔体2表面的高度小于纺丝熔体2在金属平行板组成的狭缝4″中能上升的高度，使纺丝溶液2注满金属平行板组成的狭缝4″。打开高压静电发生器3，调节电压，同时调整纳米纤维的接收装置与金属平行板组成的狭缝4″之间的距离。金属平行板组成的狭缝4″中上升的纺丝熔体2内部自由电荷在高压静电作用下获得最强的极化，电荷将集中在金属平行板组成的狭缝4″上端面上的熔体液面上，形成泰勒锥，贮藏池1上端口一定距离有一传送装置和接收装置，传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成，形成负极，与金属平行板组成的狭缝4″上端面上的熔体液面之间形成电场，由于静电力的作用，从泰勒锥顶端有极细的纺丝熔体2射流喷出，射向负极板，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
实施例六：
纳米纤维的自吸静电纺丝装置，通过整体支架将缝间距为0.1mm的两块导电玻璃平行板组成的狭缝4″垂直固定在贮液池1内的纺丝溶液或熔体2中，两块导电玻璃平行板组成的狭缝4″的上端在同一水平平面上，每个导电玻璃平行板组成的狭缝4″为一组，五组相互平行排列组成阵列。导电玻璃平行板组成的狭缝4″组成的阵列通过金属电极与高压静电发生器3相连，纺丝溶液2为3wt％的聚偏氟乙烯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，导电玻璃平行板组成的狭缝4″阵列垂直固定于纺丝溶液2中，一端露出溶液2表面，一端浸入纺丝溶液2内部，通过控制贮藏池1中所加纺丝溶液2的量使导电玻璃平行板组成的狭缝4″露出纺丝溶液2表面的高度小于纺丝溶液2在导电玻璃平行板组成的狭缝4″中能上升的高度，使纺丝溶液2注满导电玻璃平行板组成的狭缝4″。打开高压静电发生器3，调节电压，同时调整纳米纤维的接收装置与导电玻璃平行板组成的狭缝4″之间的距离。导电玻璃平行板组成的狭缝4″中上升的纺丝溶液2内部自由电荷在高压静电作用下获得最强的极化，电荷将集中在导电玻璃平行板组成的狭缝4″上端面上的液面上，形成泰勒锥，贮藏池1上端口一定距离有一传送装置和接收装置，传送装置由接收极板10，退绕棍轴8，卷绕棍轴9和导辊7组成，纳米纤维的接收装置由接收帘5，接地电极6，和接收极板10组成，形成负极，与导电玻璃平行板组成的狭缝4″上端面上的液面之间形成电场，由于静电力的作用，从泰勒锥顶端有极细的纺丝溶液2射流喷出，射向负极板，沉积在接收帘5上，形成大量的纳米纤维，随着传动装置被带离纤维沉积区。接收帘5卷绕在退绕棍轴8，另一端连接在卷绕棍轴9上，随着纺丝的进行，以一定的速度进行退绕和卷绕，从而保证均匀的纤维毡被带离纺丝区并卷绕在卷绕棍轴9上。
Claims (4)
1.一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置，包括用于存放纺丝溶液或熔体的贮液池(1)、高压静电发生器(3)、纳米纤维的接收装置与传送装置，其特征在于：还包括自吸喷头(4)，所述自吸喷头为一组以上，自吸喷头均匀排列，垂直固定在贮液池内的纺丝溶液或熔体(2)中，自吸喷头(4)通过电极线与高压静电发生器(3)相连，接收极板(10)通过接地电极接地形成负极(6)，与自吸喷头(4)上端面的纺丝溶液或熔体的液面之间形成静电场，自吸喷头(4)露出纺丝溶液或熔体面的高度小于或等于纺丝溶液或熔体(2)在自吸喷头(4)中能上升的高度。
2.根据权利要求1所述的一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置，其特征在于：所述的自吸喷头(4)为管状物(4′)或两块平行板组成的狭缝(4″)。
3.根据权利要求2所述的一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置，其特征在于：所述的管状物(4′)的内直径为0.1-2mm，所述的两块平行板组成的狭缝(4″)宽度为0.1-2mm。
4.根据权利要求2所述的一种可用于大批量生产纳米纤维的自吸静电纺丝装置，其特征在于：所述的自吸喷头(4)采用金属或导电材料。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120321 |