CN102828260A - 一种离心式无针头静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种离心式无针头静电纺丝装置，包括供液系统、纺丝系统、高压静电发生系统、供电系统、接收系统、传动系统和控制系统，其特征在于所述的纺丝系统主要由一个内圆辊、一个外圆筒和一个中心轴组成，所述内圆辊的外表面均布有外凸钉，且可由中心轴带动进行旋转运动，所述外圆筒为一个静态或固装的薄壁空心圆筒，外圆筒的内表面均布有内凸钉，外圆筒的形状尺寸可以套装在内圆辊之外，两者同轴组合配装，且使内圆辊的外凸钉与外圆筒的内凸钉相互交插嵌入分布，并留有适当间隙；同时，外圆筒的最高上表面处轴向均布开有1-3排纺丝孔。

Description

一种离心式无针头静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术，具体为一种离心式无针头静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种利用静电场力做驱动力对高聚物溶液或熔体进行牵伸制备纳米纤维材料的方法，主要由喂液系统、高压电源、纺丝系统、接收系统、传递系统和控制系统组成。其工艺原理是，经喂液系统喂入纺丝系统的喷针或喷嘴的聚合物纺丝液在高压电场作用下首先形成泰勒锥，再被电场力牵伸成纺丝射流；由于同种电荷的相互排斥作用和纺丝射流的鞭动不稳定性，纺丝射流进一步分裂成为无数小液滴；在向接收系统的相对极板运动的过程中，这些小液滴中的溶剂不断挥发，聚合物逐渐固化，最后沉积在接收器上，形成纳米纤维网/薄膜/非织造布材料。传统静电纺使用单针头作为纺丝部件进行纳米纤维材料的制备，但是速度慢、产量低，难以满足市场的需要。近几年出现的多针头和无针头规模化静电纺丝技术使纳米纤维材料的制备技术得到了质的飞跃，使静电纺纳米纤维材料的产率得到了大幅度提高。然而，多针头式静电纺虽然具有所得纤维细度较细、且产品均匀的优点，但是随着针头数量的增加，产量却并不能成比例地相应增大到期望值，原因是多针头之间存在强烈的静电干扰、最终导致了“end effect（边界效应）”现象。此外，针头式静电纺还存在针头易堵塞、难清理、易造成产品结构不匀、质量恶化等不足。

无针头式静电纺丝装置无需传统静电纺丝方法所需的毛细管（针头/喷嘴），避免了针头易堵塞和清洗困难等缺陷，具有制造简单，操作方便，利于节能环保，实施成本较低，便于工业化推广使用等优点。有关无针头式静电纺丝技术的权威代表是捷克的纳米蜘蛛静电纺丝机(WO2005/024101A1)，虽然该无针头式静电纺技术具有产量高、易操作的特点，不存在针头堵塞问题，纺丝头表面易清理，设备简单，但是所得纤维较粗、且细度分布不匀,而且纺丝电压偏高，造成生产成本较高，不利于实际应用。ZL200410025691.5、ZL200610117671.1、ZL200710036447.4、ZL200810032247.6和CN101275299B等中国专利中，采用了超声波技术、振动技术和气泡技术来实现无针头静电纺，该技术所得到的纳米纤维及产品均匀度控制较难，可加工聚合物材料受限。此外，Yarin等人（Polymer International2004,(45):2977-2980）提出过磁流体辅助式无针头静电纺丝方法，但装置复杂、两层液体的控制困难、射流中含有磁粉等杂质导致纤维直径偏差较大，应用受限。Dosunmu等人（Nanotechnology 2006,(17):1123-1127.）发明了多孔管状无针头静电纺丝方法，此方法需要气压装置辅助供液，结构较为复杂，且同样存在管孔内容易堵塞的问题。最近，CN102061530A描述了一种离心式无针头静电纺丝方法，原理是利用金属网制成的甩桶作为纺丝电极和纺丝头，得到筒状纳米纤维非织造布，但是结构复杂，所得纳米纤维直径在5nm～1000nm，离散较大，产品结构极为不匀，难以满足实际应用要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种离心式无针头静电纺丝装置，该装置可用于大规模生产纳米纤维，并可以有效提高静电纺丝过程的稳定性，所得纳米纤维细度、产品均匀度好，产量规模可满足实际需要，且所需纺丝电压较低，设备结构相对简单，不存在喷丝孔堵塞和清理问题。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种离心式无针头静电纺丝装置，包括供液系统、纺丝系统、高压静电发生系统、供电系统、接收系统、传动系统和控制系统，其特征在于：所述纺丝系统主要由一个内圆辊、一个外圆筒和一个中心轴组成，所述内圆辊的外表面均布有外凸钉，且可由中心轴带动进行旋转运动，所述外圆筒为一个静态或固装的薄壁空心圆筒，外圆筒的内表面也均布有内凸钉，外圆筒的形状尺寸可以套装在内圆辊之外，两者同轴组合配装，且使内圆辊的外凸钉与外圆筒的内凸钉相互交插嵌套分布，并留有适当间隙；同时，外圆筒的最高上表面处轴向均布开有1-3排纺丝孔。

与现有技术相比，本发明离心式无针头静电纺丝装置是利用离心力辅助喂液和辅助静电纺的装置，主要用于纳米纤维网/薄膜/非织造布材料的生产，可实现纳米纤维材料的规模化、连续化生产，有效减少电能损耗、降低生产成本、提高产品质量；该静电纺装置采用薄壁微孔金属滚筒作为无针头式静电纺丝头和纺丝电极，避免了其它无针头静电纺丝方法由于表面电荷密度较小而引起的所需电压较高造成的能源浪费；纺丝溶液在静电纺丝之前得到充分剪切搅拌，实现了均匀混合，不会产生相分离，所得纳米纤维均匀稳定；纺丝头一边连续纺丝，一边沿幅宽方向进行往复横动，避免了其他无针头静电纺丝技术的产品不均匀现象；采用双计量泵的供液方法可以实现对纺丝组件供液的微量喂入和精度控制，生产出只有针头式静电纺才能生产出来的较细且均匀的纳米纤维；本发明静电纺丝装置处于封闭状态，有效减轻了生产过程中环境因素对纺丝液中溶剂挥发引起纺丝液变稠的影响。

附图说明

图1为本发明离心式无针头静电纺丝装置一种实施例的整体主视及剖面结构示意图。

图2为本发明离心式无针头静电纺丝装置一种实施例的整体侧视及剖面结构示意图。

图3为本发明离心式无针头静电纺丝装置一种实施例的外圆筒局部俯视图。

图4为本发明离心式无针头静电纺丝装置一种实施例的纳米纤维产品SEM图片图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步阐述本发明。

本发明设计的离心式无针头静电纺丝装置（简称装置，参见图1、2），主要包括供液系统、纺丝系统、高压静电发生系统、供电系统、接收系统、传动系统和控制系统，其特征在于所述的纺丝系统主要由一个内圆辊45、一个外圆筒65和一个中心轴70组成，所述内圆辊45的外表面均布有外凸钉60，且可由中心轴70带动进行旋转运动，所述外圆筒65为一个静态或固装的薄壁空心圆筒，外圆筒65的内表面也均布有内凸钉50，外圆筒65的形状尺寸可以套装在内圆辊45之外，两者同轴组合配装，且使内圆辊45的外凸钉60与外圆筒65的内凸钉50相互交插嵌套分布，并留有适当间隙；同时，外圆筒65的最高上表面处轴向均布开有1-3排纺丝孔90。在静电纺丝过程中，纺丝液10位于旋转的内圆辊45和静止的外圆筒65之间。当纺丝电压达到或超过临界纺丝电压时，所述的纺丝系统利用静电场力和旋转内圆辊45离心力的联合作用，使纺丝液10从纺丝孔90中喷出，并对纺丝液10进行牵伸，形成纺丝射流。

本发明装置所述外圆筒65（也称为纺丝头）可由薄壁金属材料制成，例如不锈钢、铝合金或铜等，薄壁金属材料或外圆筒65的壁厚为0.1～5mm，较好是0.5～3mm；外圆筒65的外径为150～1000mm，较好是200～500mm，上表面最高处轴向均布开有1～3排纺丝孔90，孔径为0.1～1mm。纺丝孔90孔径的大小取决于聚合物原料种类和产品规格要求：纺制较细纳米纤维材料或采用较低粘度的纺丝液时，可选用较小的纺丝孔径，纺制较粗纳米纤维材料或采用较高粘度的纺丝液时，可选用较大的纺丝孔径；纺丝孔90的孔间距为0.5～10mm，具体孔间距90的大小取决于纳米纤维细度和产量要求。

本发明装置所述的内圆辊45的直径为100～800mm，较好是150～450mm，但更重要的是内圆辊45的直径与外圆筒65的直径应当配套设计，内圆辊45套装在外圆筒65之内后，应当使两者的凸（即外凸钉60和内凸钉50）钉相互交错插入一定深度，并留有适当间隙。内圆辊45可由金属或PTFE塑料、陶瓷等耐高温、耐腐蚀和与有机溶剂不反应的材料制成。所述的中心轴70由不锈钢制成，其转速为50～50000rev/min，较好是500～5000rev/min,根据产品规格要求选用：纺制较细纳米纤维可选用较低转速，纺制较粗纳米纤维可选用较高转速。所述的凸钉（包括外凸钉60和内凸钉50）的高度范围是10～100mm，较好的为20～50mm，其中，内圆辊45上的外凸钉60高度为10～80mm，较好是20～60mm；间距为5～50mm，较好是10～40mm；外圆筒65上的内凸钉50高度为1～10mm，较好是2～5mm；间距为30～70mm，较好是40～60mm。所述凸钉的纵截面形状可以是矩形、等腰三角形、等腰梯形、圆弧形或正方形等几何形状。

所述的内圆辊45在中心轴70的带动下匀速旋转，产生的离心力可将纺丝液10从外圆筒65上的纺丝孔90高速甩出，同时来自总计量泵30的供液压力（类似于液压泵的液压）也可以对内圆辊45和外圆筒65之间的纺丝液10施加压力，使纺丝液10从外圆筒65上的纺丝孔90中泵出，这两种驱动力的联合作用使纺丝液10很容易从纺丝孔90中喷射挤出，并在电场力的作用下形成泰勒锥，因此可有效减少电能的使用。

本发明装置的特征还在于所述的纺丝系统还包括有4块隔板100，所述隔板100把外圆筒65上表面（纺丝表面68）的纺丝孔90围挡在其之内，并固装在外圆筒65上表面与接收电极80的下表面之间，且隔板100的上端面与接收电极80之间留有缝隙，该缝隙允许基布95和沉积其下表面上的纳米纤维顺利传输通过。所述隔板100可有效防止外界环境对纺丝过程的干扰。所述的隔板100由介电性良好的材料制成，包括PTFE、陶瓷、玻璃和有机玻璃等，较好是玻璃和有机玻璃材料，不但不会干扰静电纺丝，还具有透明性，有利于对静电纺丝状态的观察和监控。在隔板100上的适当位置开有一个小孔，将高压静电发生器88的正极引入到外圆筒65（纺丝头兼纺丝电极）的纺丝表面68（外圆筒65的金属上表面），其另一极与接收电极80相连接。所述的纺丝表面68由导电性良好的铜、铝或不锈钢等金属的薄壁材料构成，位于外圆筒65的正上部，其上面开设有1～3排微孔，即纺丝孔90。外圆筒65的其它部分由高性能的PTFE（聚四氟乙烯）构成，以减小静电纺丝过程中，外圆筒65材质对电场强度和分布的干扰。

为了更好地向纺丝系统定量提供纺丝液，本发明装置设计了双泵供液系统。其主要包括内装纺丝液10的储液槽20、总计量泵30和回流计量泵40。其中，总计量泵30的进液管口通入储液槽20的纺丝液10内，其出液管有两个管口，其中一个出液管口与回流计量泵40的进液管口相连接，另一个出液管口与纺丝系统的进液口43相连接；所述的回流计量泵40的出液管口也通入储液槽20的纺丝液10内，且理想的是总计量泵30和回流计量泵40相同规格，便于调整控制。该供液系统的特点是可以实现任何微小喂液速度和喂液量的精确供液，无需考虑现有市售计量泵的规格和供液速度，解决了静电纺丝供液量小、精度要求高的难题。

本发明装置的高压静电发生系统负责对纺丝系统提供足够的纺丝电压，使得纺丝系统能够正常进行静电纺丝。高压静电发生系统本身为现有技术。本发明实施例的高压静电发生系统88由1～2台直流高压电源组成，如果采用1台时，为正高压电源；如果采用2台时，为一正一负两台高压电源；正高压电源的电压范围为0～100kV，负高压电源的电压范围为0～□40kV。每台高压电源的电流强度最低为2mA。需要生产较细纤维时，可使用正负高压2台电源组合。

本发明装置的接收系统负责收集来自纺丝系统的纳米纤维，采用常规公知的技术。实施例的所述的纤维接收系统由接收电极80、同向旋转的4个导辊110、基布95、传输网帘105和负压吸风机120组成。所述接收电极80由常规透气性微孔结构或金属网帘构成，以便于采用负压吸风机120将所形成的纳米纤维薄膜牢牢地吸附在基布95的下表面，并且使基布表面平整、不下垂。所述基布95可以是常规透气性柔性材料，例如机织布、针织布、非织造布、塑料、纸、皮革等制品；传输网帘105为常规材料制成。

本发明装置的传动系统负责为所述总计量泵30和回流计量泵40、中心轴70、接收基布95、传输网帘105和负压吸风机120等部件提供常规驱动。

本发明装置的控制系统负责为供液系统和传动系统提供常规传动控制。

本发明装置的工作原理和过程是（参见附图1、2和3）：工作时，先在储液槽20中装入按要求配好的适当浓度的聚合物溶液（纺丝液10），铺设好基布95，打开总计量泵30和回流计量泵40，调节两个计量泵的转速（总计量泵30的速度略大于回流计量泵40的速度）对纺丝系统进行供液，使得纺丝液10能够经进液口43流入内圆辊45和外圆筒65之间区域；打开中心轴70的控制开关，逐渐提高其转速至适当速度，即能够观察到外圆筒65的上表面纺丝孔90有液体喷出，此时，内圆辊45和外圆筒65的外内凸钉60和50之间的相对运动可对纺丝液10提供机械搅拌作用和切向剪切力，有利于纺丝液10的均匀混合和粘度下降，将纺丝液10顺利喂入纺丝孔90；而薄壁微孔式的纺丝孔90结构利于纺丝液10的顺利挤出；

打开高压静电发生器88，缓慢调整电压旋钮，在外圆筒65（纺丝头）和接收电极80之间施加静电场；缓慢调节总计量泵30的转速，当供液速度和纺丝电压相匹配时，可以在纺丝孔90上产生半圆形液滴即泰勒锥，进一步增大电压时，泰勒锥被牵伸成纺丝细流92，并向电势较低的接收电极80运动；

在此期间，由于同种电荷相互排斥以及纺丝射流的鞭动不稳定性（Rayleighinstability），使得射流分裂成无数微小液滴，同时溶剂迅速挥发；到达接收电极80时，溶剂挥发殆尽，聚合物凝固成纳米纤维沉积在接收基布95上，形成纳米纤维材料。当观察到有纳米纤维材料在基布95上形成时，打开基布95输送电源开关，设定好输送速度，开始连续稳定地接收纳米纤维材料。

本发明生产装置的特征是，该装置为封闭式纺丝系统。由于所述的外圆筒65上表面和接收电极80之间，设有防止环境干扰的环境隔板100，只是为了基布和纳米纤维薄膜的传输方便才在接近基布的位置留有适当微小间隙；外圆筒65垂直上方的局部侧圆柱面的薄壁上开有一定数量、均匀分布的微细纺丝孔90，且静电纺丝过程中，所述的纺丝液10位于旋转内圆辊45和静止外圆筒65之间，因此整个纺丝过程是一个接近封闭式的系统，纺丝液和纺丝状态鲜受环境干扰，利于稳态静电纺丝过程和产品质量稳定。

本发明生产装置的进一步特征是，所述的内圆辊45随中心轴70进行匀速旋转的同时，还沿着其轴线方向（产品幅宽方向）在一定距离内进行匀速往复横动，同时与之装配成一体的外圆筒也沿其轴线方向（产品幅宽方向）同步作直线匀速往复横动（只作直线往复横动，不旋转）。这种设计，可以得到质地更均匀的纳米纤维网。所述的匀速往复横动可采用常规传动和控制技术来实现。

本发明生产装置的进一步特征是，所述的隔板100具有高度调节功能，即隔板100的高度可以在一定范围内调节，以便调节接收距离或所述缝隙的大小。同理，纺丝系统的整体位置也可以做一定范围内的上下升降调节，以便对接收距离或所述缝隙的大小进行适当调整，适应不同静电纺丝工艺的要求。由于接收距离或所述缝隙的大小与隔板100的高度调节和纺丝系统整体位置的升降调节均相关，因此实际操作应当进行两者同步配套的高度调节，以获取更佳纺丝效果。

本发明装置通过调整静电纺丝工作区（即外圆筒65的纺丝表面68）的宽度或/和长度以及纺丝孔的直径、密度和排数等，可实现对产品产率、纤维细度、形貌和均匀度的有效控制。

此外，本发明装置所述的（静电）纺丝头可以根据产品需要进行多纺丝头的不同排列组合，如并列（平行）配置，以提高产品厚度和克重；串联配置，以提高产品幅宽，或者同时采用前述的两种配置方法同时提高产品的厚度、克重、幅宽和总产量。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步说明本发明，不构成对本发明申请权利要求的限制。

实施例1

采用聚乙烯醇（PVA）的水溶液进行静电纺丝，PVA的聚合度为1700，醇解度为99mol%，分子量74800。纺丝溶液是通过将PVA粉末加入去离子水在80℃下溶解2小时并静置2小时制得的。

接收电极80为透气性薄壁多孔铝板，基布95为熔喷非织造布。静电纺丝装置（参见图1、2和3）的纺丝系统的内圆辊45直径为200mm,转速500rev/min；外圆筒65的直径300mm，内圆辊45和外圆筒65沿幅宽方向的同步直线运动速度为25m/min。内圆辊45和外圆筒65上的外、内凸钉60，50为矩形截面，其高度均为40mm，其中内圆辊45上的外凸钉60高度为40mm，间距为10mm；外圆筒65上的内凸钉50高度为2mm，间距为50mm，上部薄壁厚度为2mm，沿着外圆筒65的外表面开设有3排直径为0.6mm、中心线间距为10mm的纺丝孔90。

在储液槽20内放入前述的PVA水溶液，浓度为20%w/v，在纺丝头（外圆筒65）和接收电极80之间引入35kV直流高压，接收距离15cm。调节两个纺丝计量泵30和40的供液速度差，对纺丝系统进行供液。当观察到有纳米纤维材料沉积在基布95表面时，设定传输网帘105及基布95的速度为10m/min。静电纺丝后得到平均直径为101nm、CV=12%的PVA纳米纤维材料，以及过滤效率为99.999%的纳米纤维/熔喷非织造布复合材料（参见图4）。

Claims (10)

1.一种离心式无针头静电纺丝装置，包括供液系统、纺丝系统、高压静电发生系统、供电系统、接收系统、传动系统和控制系统，其特征在于：所述纺丝系统主要由一个内圆辊、一个外圆筒和一个中心轴组成，所述内圆辊的外表面均布有外凸钉，且可由中心轴带动进行旋转运动，所述外圆筒为一个静态或固装的薄壁空心圆筒，外圆筒的内表面也均布有内凸钉，外圆筒的形状尺寸可以套装在内圆辊之外，两者同轴组合配装，且使内圆辊的外凸钉与外圆筒的内凸钉相互交插嵌套分布，并留有适当间隙；同时，外圆筒的最高上表面处轴向均布开有1-3排纺丝孔。

2. 根据权利要求1所述离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的纺丝系统还包括有4块隔板，所述隔板把外圆筒上表面的纺丝孔围挡在其之内，并固装在外圆筒上表面与接收电极的下表面之间，且隔板的上端面与接收电极之间留有缝隙，该缝隙允许基布和沉积其下表面上的纳米纤维顺利传输通过。

3. 根据权利要求1所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述供液系统包括内装纺丝液的储液槽、总计量泵和回流计量泵，所述总计量泵的进液管与储液槽内的纺丝液连通，其出液管有两个管口，一个与回流计量泵的进液管连通，另一个与纺丝系统的进液管连通，所述回流计量泵的出液管也与储液槽内的纺丝液连通。

4. 根据权利要求3所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述总计量泵和回流计量泵规格相同。

5. 根据权利要求1所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的内圆辊随中心轴进行匀速旋转的同时，还沿着其轴线方向在一定距离内进行匀速往复横动，同时与之装配成一体的外圆筒也沿其轴线方向同步作直线匀速往复横动。

6. 根据权利要求1所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述隔板的高度可以在一定范围内调节；所述纺丝系统的整体位置也可以做一定范围内的上下升降调节。

7.根据权利要求1所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述外圆筒由薄壁金属材料制成，薄壁金属材料的壁厚为0.1～5mm；外圆筒的外径为150～1000mm，上表面最高处轴向均布开有1～3排纺丝孔，孔径为0.1～1mm，纺丝孔的孔间距为0.5～10mm；所述内圆辊的直径为100～800mm，内圆辊的直径与外圆筒的直径配套设计，内圆辊套装在外圆筒之内后，应当使两者的凸钉相互交错插入一定深度，并留有适当间隙；所述的凸钉的高度范围是10～100mm，其中，内圆辊上的外凸钉高度为10～80mm，间距为5～50mm；外圆筒上的内凸钉高度为1～10mm，间距为30～70mm。

8. 根据权利要求7所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述薄壁金属材料的壁厚为0.5～3mm，外圆筒的外径是200～500mm；所述内圆辊的直径为150～450mm；所述凸钉的高度范围是20～50mm，其中，内圆辊上的外凸钉高度为20～60mm，间距为是10～40mm；外圆筒上的内凸钉高度为2～5mm，间距为40～60mm。

9. 根据权利要求1所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述纺丝系统还包括有4块隔板，所述隔板把外圆筒上表面的纺丝孔围挡在其之内，并固装在外圆筒上表面与接收电极的下表面之间，且隔板的上端面与接收电极之间留有缝隙，该缝隙允许基布和沉积其下表面上的纳米纤维顺利传输通过。

10. 根据权利要求1所述的离心式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述外圆筒上的纺丝表面由导电性良好的铜、铝或不锈钢薄壁材料构成，且在该纺丝表面上开设有1～3排纺丝孔，外圆筒的其它部分则由高性能的聚四氟乙烯构成。

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