CN102650095A - 一种连续大量生产电纺纳米纤维膜的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续大量生产电纺纳米纤维膜的方法及设备，方法包括：1)使带电电极处于振动状态将聚合物溶液带入其上表面的无数个凸起，形成泰勒锥体，使其整个上表面构成纺丝表面，由此得到大的纺丝生产能力；2)将空气从两个电极之间的空间抽吸到对电极后面产生空气流促进纳米纤维受力漂移，并被抽吸铺置在连续接收网上成膜；3)空气流是加热后的干燥热空气。设备包括：聚合物容器，振动带电电极，连续接收网，对电极，负压室。振动带电电极上表面与液面高度基本一致.对电极由金属网或多孔金属板制成，负压室由罩、后气室、均衡板及空气抽吸泵组成。振动带电电极是一个金属网状平面或多孔金属平板，平面上有无数个孔和无数个高出平面的规律排列的小凸起。本发明有利于纳米纤维膜的规模化生产。

Description

一种连续大量生产电纺纳米纤维膜的方法及设备

技术领域

本发明涉及利用在电场中从聚合物溶液中连续大量生产纳米纤维膜的方法及设备。

背景技术

静电纺丝用来制造纳米尺寸纤维并不是一种最新的技术，早在1934年Formhals即提出相关专利，但由于当时设备相关条件缺乏，因此一直未被重视，直到近年来全球纳米热潮下，才又被学术界广泛地讨论与研究开发。

静电纺丝设备并不复杂，主要有注射马达、溶液导管、喷丝头、电压供应器及一个纤维收集载体。技术特征是将高分子聚合物溶液或熔体以马达控制传输速度，将高分子溶液推至毛细管端，由于喷丝口处设置一高压静电场(10000～50000伏特电压)，导致溶液形成Taylor锥顶状，当高分子溶液因电荷吸引力克服溶液在针尖的表面张力，即喷射至空气中，此时因高分子本身会产生静电，纤维丝条因斥力而变得更细，期间溶剂于细流喷射过程中蒸发，最后高分子固体落在接收载体表面上，形成类似不织布状的纤维毡。

这类聚合物纤维层的典型应用是气体和液体的过滤、用于截留亚微米颗粒、细菌和化学品的屏障材料，达到了很高的过滤效率。纳米纤维被用作电池隔板、复合物增强材料，并且在医药领域中被用作药物载体和组织植入物载体。

利用静电场将聚合物溶液成型的方法描述于中国专利200810062323，200510038562，200710065429，美国专利US6616435，US2002/0,175,449A1，US2002/084，世界专利W00,127,356、W00,250,346、按照这些技术方案，聚合物溶液被分配到内径0.3毫米到1毫米的纺丝喷嘴中，借助于静电力被吸引到对电极，并被拉长形成细丝，由于静电排斥进一步被分裂成更细的丝束，纺丝从一个喷嘴或者一系列静态的或者移动的喷嘴进行，纤维在对电极表面上或在其附近的接收装置上覆盖成膜。

所有上述用于生产纳米纤维的方法和装置的缺点是在一定时间隔内只能生产很少量的聚合物材料，大约一个喷丝头在一小时只可能加工0.5克左右的聚合物，无法实现工业化生产纳米纤维。

另外中国专利200810032247，200810039299，200710036447虽然纺丝生产能力得到提高，但是存在如下问题：或者液滴会直接飞溅到纤维接收网上，影响纤维非织造布的质量。或者构造复杂，圆筒电极中众多毛细孔极易堵塞，效率不高。或者液面波动不易控制稳定，造成纤维非织造布的质量下降。

发明内容

本发明的目的是创造一种在工业上可应用并且能够连续大量生产纳米纤维膜的方法及设备。

本发明提供一种能够连续大量生产纳米纤维膜的方法：使带电电极11在工作时处于振动状态，由于振动将聚合物溶液带入带电电极11上表面上的无数个凸起23，产生泰勒锥体，进入电场，形成纺丝.此时带电电极的整个上表面构成纺丝表面，由此得到大的纺丝生产能力。

由所述聚合物溶液在带电电极的纺丝表面上，在静电场作用下生产的纳米纤维12在静电场力的作用下朝向对电极21拉伸迁移，并在到达对电极21前，被铺置在连续接收网20上形成纳米纤维膜。该方法能够生产具有高质量的纳米纤维膜。

通过将空气从电极11，21之间的空间抽吸到对电极21后面产生空气流促进纳米纤维受力漂移，并被抽吸铺置在连续接收网20上成膜。

所述空气流是加热后的干燥热空气，经由热空气入口7供入带电电极11和对电极21之间的空间。

权利要求5的装置描述了用于实施上述方法的设备的基本特征，要点是：

所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置由聚合物容器9，振动带电电极11，连续接收网20，对电极21，负压室19组成。振动带电电极11置于盛有聚合物原料10的容器9内，振动带电电极11上表面与聚合物原料10的液面高度基本一致，并连接高压静电发生器正极和振动源。连续接收网20由退绕设备17和卷绕设备6驱动，位于振动带电电极11上方，对电极21由金属网或多孔金属板制成，并位于连续接收网的上方，并尽可能贴近连续接收网20，负压室19在连续接收网上部，由罩1、后气室3、均衡板4及空气抽吸泵2组成，罩1的下沿紧贴连续接收网20。

所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置的振动带电电极11是一个金属网状平面或多孔金属平板，平面上有无数个孔22和无数个高出平面的规律排列的小凸起23，孔及小凸起可以是圆形，椭圆形，条形，长方形，三角形，四边形以及多边形。

所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置的振动带电电极11下表面固定有多根圆柱或条状板13用以在振动时充分搅动聚合物溶液使其浓度均匀。

所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置，固定在带电电极四角的圆柱或条状板14具有弹性并延长到容器9底部并固定在容器9底部。

所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置，均衡板(4)有多个不规则、方向及大小不同的孔，以使负压室19各处气压趋于一致。

所述对电极21及连续接收网20是多孔透气的。

有益效果：

处于振动状态的带电电极11.更容易将聚合物溶液带入其上表面上的无数个凸起23，产生泰勒锥体，进入电场，形成纺丝.此时带电电极的整个上表面构成纺丝表面，由此得到大的纺丝生产能力。

带电电极11平面上的无数个规律排列的小凸起23的有规律的振动有利于生产具有孔隙均匀的高质量的纳米纤维膜。

通过抽吸空气来产生平行于静电场的空气流，气流连同电场的共同作用促进了纤维向着对电极的漂移，有效克服了纳米纤维间静电排斥，提高了成膜的均匀性及生产率。

侧吹空气流垂直于静电场，使所述纳米纤维细丝向着对电极的路线发生偏移，容易被导向透气的连续接收网上覆盖成膜。

为了进一步提高装置的生产率，侧吹空气流是干燥热空气，使聚合物溶剂从纳米纤维蒸发得到加速。

带电电极的有利的实施方案描述于权利要求6到8中，并且目的是使设备获得可能的最高的纺丝效率。

附图说明：

图1是静电纺丝装置的原理图；

图2是表示带电电极上表面的各种实施方案的正面视图；

具体实施方式

一种用于通过静电纺丝在电场中从聚合物溶液生产纳米纤维的装置，所述电场由带电电极和对电极之间的电势差产生，所述装置由以下组成：容器9，其中装有聚合物溶液10，振动带电电极11置于容器9内，振动带电电极11上表面与聚合物原料10的液面高度基本一致，振动带电电极11通过众所周知的未显示的方法连接到直流电压源一极，对着带电电极11上表面，定位有对电极21连接到直流电压源另一极。

在示于图1中的实施方案的实例中，对电极21由穿孔的导电材料制成，例如金属网或多孔金属板，其形成负压室19的前端，负压室19经均衡板4被连接到空气抽吸泵2，靠近带电电极11的对电极21的表面的一部分起到透气连续接收网20的输送器的作用。连续接收网20定位在退绕设备17和卷绕设备6上，退绕设备17安装在负压室19的一侧，卷绕设备6安装在负压室19的另一侧。

聚合物溶液10的容器9是敞开的，其下部装配有至少一个聚合物溶液进口8和上部至少一个聚合物溶液出口15，用来提供聚合物溶液10的循环，并且保持聚合物溶液10在容器9中的水平面的高度恒定。

干燥热空气入口7指向带电电极11和对电极21之间的空间，根据需要其可以按照公知的方式被加热，来自带电电极11和对电极21之间的干燥热空气被大部分吸入负压室19，其余部分经由另一侧的热空气出口16逸出。

振动带电电极11上表面的大部分被浸没在聚合物溶液10中，仅露出其上表面上的无数个凸起23，这些凸起在振动中将聚合物溶液10从所述容器9中带出，进入带电电极11和对电极21之间的电场空间，在此电场空间，在带电电极11的上表面由所述聚合物溶液9形成了具有高稳定性的泰勒锥体，所生成的纳米纤维12借助于电场的作用漂移到对电极21，并沉积在连续接收网20的表面上，形成纳米纤维膜。该膜的厚度由退绕设备17和卷绕设备6的速度控制。

借助于干燥热空气流促进纳米纤维12离开带电电极11向着对电极21漂移，该空气流从外部空间经过连续接收网20和对电极21吸入负压室19。

带电电极11是一个金属网状平面或多孔金属平板，平面上有无数个孔22和无数个高出平面的规律排列的小凸起23，孔及小凸起可以是圆形，椭圆形，条形，长方形，三角形，四边形以及多边形。适合于带电电极11的表面形状的实例描述于图2a至2f，但这些形状不限制所有可能的实施方案，而只是作为例子。

实施例1：

以聚偏氟乙烯为溶质，二甲基甲酰胺与丙酮作溶剂，制成质量浓度为7％的聚合物溶液，将其装入图1的设备中的容器9中。聚合物溶液通过进口8流入所述容器9，并且通过出口15流出，这样利用出口15的位置使所述容器9中的聚合物溶液10的水平面高度得到保持，带电电极11由图2d的实施方案中的多孔金属平板组成，并且其以0.2HZ频率作水平振动，振幅为5cm。带电电极11被连接到35千伏直流电压源，所述设备按照图1制造，并且在其中放置透气的连续接收网20，由于在透气的对电极21后面存在负压室19中的低压，因此所述连续接收网20被抽吸靠近对电极21，这样形成连续接收网的输送器。振动带电电极11上表面上的无数个凸起23在振动中将聚合物溶液10从所述容器9中带出，进入带电电极11和对电极21之间的电场空间，在此电场空间，在带电电极11的上表面由所述聚合物溶液9形成了具有高稳定性的泰勒锥体，所生成的纳米纤维12借助于电场的作用漂移到对电极21，并沉积在连续接收网20的表面上形成纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度可以借助于连续接收网20的运动速度来控制。将温度为50℃的干燥热空气经入口7供入电极之间的空间，对于1.2m宽度的带电电极11，制得的纳米纤维膜的宽度也是1.2m。纳米纤维膜的生产量为1.7g/m。纤维直径分布在40到300纳米之间。

实施例2：

以聚偏氟乙烯为溶质，二甲基甲酰胺与丙酮作溶剂，制成质量浓度为8％的聚合物溶液，将其装入图1的设备中的容器9中。聚合物溶液通过进口8流入所述容器9，并且通过出口15流出，这样利用出口15的位置使所述容器9中的聚合物溶液10的水平面高度得到保持，带电电极11由图2b的实施方案中的多孔金属网组成，并且其以1kHZ频率作水平振动，振幅为4mm。带电电极11被连接到50千伏直流电压源，所述设备按照图1制造，并且在其中放置透气的连续接收网20，由于在透气的对电极21后面存在负压室19中的低压，因此所述连续接收网20被抽吸靠近对电极21，这样形成连续接收网的输送器。振动带电电极11上表面上的无数个凸起23在振动中将聚合物溶液10从所述容器9中带出，进入带电电极11和对电极21之间的电场空间，在此电场空间，在带电电极11的上表面由所述聚合物溶液9形成了具有高稳定性的泰勒锥体，所生成的纳米纤维12借助于电场的作用漂移到对电极21，并沉积在连续接收网20的表面上形成纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度可以借助于连续接收网20的运动速度来控制。将温度为60℃的干燥热空气经入口7供入电极之间的空间，对于1.2m宽度的带电电极11，制得的纳米纤维膜的宽度也是1.2m。纳米纤维膜的生产量为1.9g/m。纤维直径分布在60到500纳米之间。

Claims (10)

1.一种连续大量生产电纺纳米纤维膜的方法，其特征在于使带电电极(11)在工作时处于振动状态。由于振动将聚合物溶液带入带电电极(11)上表面上的无数个凸起(23)，形成泰勒锥体，进入电场，形成纺丝。此时带电电极的整个上表面构成纺丝表面，由此得到大的纺丝生产能力。

2.权利要求1的方法，其特征在于，在带电电极(11)的凸起(23)上从聚合物溶液(10)产生的纳米纤维(12)，在静电场力的作用下朝向对电极(21)拉伸迁移，并在到达对电极(21)前，被铺置在连续接收网(20)上形成纳米纤维膜。

3.权利要求1、2的方法，其特征在于，通过将空气从电极(11)，(21)之间的空间抽吸到对电极(21)后面产生空气流促进纳米纤维受力漂移，并被抽吸铺置在连续接收网(20)上成膜。

4.权利要求3的方法，其特征在于，所述空气流是加热后的干燥热空气，经由热空气入口(7)供入带电电极(11)和对电极(21)之间的空间。

5.根据权利要求1、2所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置，其特征在于该装置由聚合物容器(9)，振动带电电极(11)，连续接收网(20)，对电极(21)，负压室(19)组成。振动带电电极(11)置于盛有聚合物原料(10)的容器(9)内，振动带电电极(11)上表面与聚合物原料(10)的液面高度基本一致。连续接收网(20)由退绕设备(17)和卷绕设备(6)驱动，位于振动带电电极(11)上方，对电极(21)由金属网或多孔金属板制成，并位于连续接收网(20)的上方，并尽可能贴近连续接收网，负压室(19)在连续接收网上部，由罩(1)、后气室(3)、均衡板(4)及空气抽吸泵(2)组成。罩(1)的下沿紧贴连续接收网(20)。

6.根据权利要求1、2所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置，其特征在于振动带电电极(11)是一个金属网状平面或多孔金属平板，平面上有无数个孔(22)和无数个高出平面的规律排列的小凸起(23)，孔及小凸起可以是圆形，椭圆形，条形，长方形，三角形，四边形以及多边形。

7.根据权利要求1、2所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置，振动带电电极(11)下表面固定有多根圆柱或条状板(13)用以在振动时充分搅动聚合物溶液使其浓度均匀。

8.根据权利要求1、2所述的连续大量生产电纺纳米纤维膜的装置，固定在带电电极四角的圆柱或条状板(14)具有弹性并延长到容器(9)底部并固定在容器底部。

9.权利要求5的装置，其特征在于，均衡板(4)有多个不规则、方向及大小不同的孔，以使负压室(19)各处气压趋于一致。

10.权利要求2的装置，其特征在于，所述对电极(21)及连续接收网(20)是多孔透气的。

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