CN103173873A

CN103173873A - 一种多喷头组合式喷气静电纺丝机

Info

Publication number: CN103173873A
Application number: CN2013101016040A
Authority: CN
Inventors: 何建新
Original assignee: Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Henan medium fiber new material technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN103173873B

Abstract

一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，主要由纺丝单元、输气管、输液管、导线、高压静电发生器、横流气泵、计量泵、接收装置和储液罐组成；纺丝单元安插在基座上，纺丝单元上的进气口通过输气支管和输气管连通，纺丝单元上的进液口通过输液支管与输液管连通，输气管的两端分别与横流气泵连通，输液管的两端分别通过计量泵与储液罐连通；纺丝单元上方设有接收装置，纺丝单元的金属材质部分通过导线与高压静电发生器的正极连接，接收装置通过导线与高压静电发生器的负极连接。本发明显著提高了纳米纤维产量；设备简单、生产效率高的优点，可实现纳米纤维的连续化、大批量生产。

Description

一种多喷头组合式喷气静电纺丝机

技术领域

本发明属于纤维加工设备领域，涉及涉及一种大批量生产纳米纤维的多喷头组合式喷气静电纺丝机。

背景技术

静电纺丝是聚合物溶液或熔体在高压电场作用下产生射流形成纳米级纤维的一种纺丝方法，是目前唯一能连续制备有机和无机纳米纤维的最直接方法。静电纺纳米纤维及其制品具有比表面积大、孔径尺寸小、透气性好、适用范围广等优点，在纺织服装、过滤材料、组织工程支架、药物释放材料、传感器、电子器件等多个领域有广阔的运用前景，然而，传统的单针头静电纺丝装置生产效率极低，纳米纤维的产量仅在0.1~1.0g/h 之间，无法达到工业化的要求，开发能够产业化的静电纺技术和设备正成为国内外研究者的主要目标。

目前批量制造纳米纤维的主要途径是设计多针头静电纺丝装置，如中国专利CN200910031948.2、CN200720076954.6、CN200710172744.1、CN200610157106.8等，通过增加针头的数量来提高静电纺纳米纤维的产率，不过这些装置中针头的内径一般不超过1mm，纳米纤维的产量要达到产业化的要求就需要数量巨大的针头，并且针头的堵塞现象十分棘手，另外，由于针头之间的静电斥力作用，形成的纤维网厚度不均匀。批量制造纳米纤维的另一个重要途径是设计无针头静电纺丝装置，主要包括滚筒式、振动式、磁场扰动式、气泡式、多孔管、溅射式等，如中国专利CN200610117671.1、CN200610010181.1、CN200710036447.4、CN200910056750.X等。这些装置是通过各种原理在纺丝溶液自由表面形成大量凸起（泰勒锥），然后在电场作用下牵伸形成纤维。无针头静电纺避免了传统针头静电纺中针头堵塞的问题，然而由于泰勒椎突起的大小和形状很难控制，出现了纳米纤维直径不均匀等新的问题，此外，无针头静电纺中泰勒锥形成在自由的液面上，易造成溶剂的挥发，导致纺丝液浓度的变化。

发明内容

本发明所要解决技术问题是提供一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，可用于大批量生产静电纺纳米纤维，并且克服现有多针头静电纺丝装置易堵塞针头、产量低的问题，也避免了目前无喷头静电纺丝装置中泰勒椎形状难控制、溶剂易挥发、溶液浓度不稳定，纤维直径不均匀等问题。

为了解决上述问题采用以下技术方案：一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，主要由纺丝单元、输气管、输液管、导线、高压静电发生器、横流气泵、计量泵、接收装置和储液罐组成；纺丝单元安插在基座上，纺丝单元上的进气口通过输气支管和输气管连通，纺丝单元上的进液口通过输液支管与输液管连通，输气管的两端分别与横流气泵连通，输液管的两端分别通过计量泵与储液罐连通；纺丝单元上方设有接收装置，纺丝单元的金属材质部分通过导线与高压静电发生器的正极连接，接收装置通过导线与高压静电发生器的负极连接。

所述的纺丝单元主要由喷丝管通过中间连接体与气室连接而成，中间连接体上装配有与气室连通的垂直向上的喷气管；喷丝管的下方有进液口，进液口低于喷气管的上端面，气室的下方设有进气口；喷丝管的上方装有防止溶液外溢的保护环。

所述的喷丝管和气室的内径均为1-45 mm，喷丝管的高度为15-500 mm，气室的高度为10-450 mm，喷气管的内径为喷丝管内径的0.1-0.8倍，喷气管的上端面低于喷丝管上端面至少5 mm。

纺丝单元中，喷丝管为金属材质，喷丝管外侧由下而上套有绝缘材料，绝缘材料的高度为喷丝管高度的1/3~1倍；保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口均为绝缘材料。

所述的纺丝单元的数量为至少一个，呈直线、同心圆或矩阵方式排列安插在基座上。

所述的导线为有绝缘层的电线，与高压静电发生器的正极相连的导线上设有支线，直线分别与各个纺丝单元中喷丝管的金属材质部分相连接。

所述的纺丝单元的进气口和进液口上均装有绝缘材质制成的用于调节流量的微量阀；横流气泵的气流流速范围为0~100 m/s。

所述的接收装置为接收板、履带式或滚筒式；喷丝管上端面与接收装置之间的距离调节范围为：0.1~100cm，高压静电发生器的输出电压为1~200kV。

在高压电场作用下极化电荷将聚集在中空溶液凸起的顶端形成泰勒锥。

工作时储液罐中的纺丝溶液通过同排纺丝单元两侧的计量泵以相同速度相向均速地输入到输液管，以保证通过输液支管输入到各个喷丝管中的纺丝溶液均有相同的溶液流量，喷丝管中溶液的液面低于喷丝管的上端面、高于喷气管的上端面；同排纺丝单元两侧的横流气泵将空气以相同速度相向匀速地送入到输气管，以保证通过输气支管输入到各个气室中的气流均有相同的通气流量。

本发明的多喷头组合式喷气静电纺丝机，纺丝溶液处于封闭的体系中，避免了溶剂的挥发，纺丝时可保持溶液浓度的稳定；本发明的静电纺丝机中喷丝管的孔径较大，通过喷气管的连续通气，气体的流动可避免喷丝管的堵塞；每个纺丝单元可喷射多股射流，显著提高了纳米纤维产量；通过控制通气速度和纺丝溶液的流量，能方便的控制纺丝椎体的大小和形状，有利于形成直径均匀的纳米纤维；该静电纺丝机由多个纺丝单元简易组装而成，具有设备简单、生产效率高的优点，可实现纳米纤维的连续化、大批量生产。

附图说明

图1 本发明实施例1的多喷头组合式喷气静电纺丝机

图2 本发明实施例2的多喷头组合式喷气静电纺丝机

图3 本发明实施例3的多喷头组合式喷气静电纺丝机

图4 本发明实施例4的多喷头组合式喷气静电纺丝机

图5 本发明的多喷头组合式喷气静电纺丝机中纺丝单元的结构示意图

其中：0-基座；1-纺丝单元；2-输气管；3-输液管；4-导线；5-高压静电发生器；6-横流气泵；7-计量泵；8-接收装置；9-储液罐；10-保护环；11-喷丝管；12-喷气管；13-进液口；14-中间连接体；15-气室；16-进气口

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1：参照附图1和附图5，一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，包括基座0，纺丝单元1、输气管2、输液管3、导线4、高压静电发生器5、横流气泵6、计量泵7、接收极板8和储液罐9。

纺丝单元1由喷丝管11通过中间连接体14与气室15连接而成，中间连接体14上装配有与气室15连通的垂直向上的喷气管12。喷丝管11的下方有进液口13，进液口13低于喷气管12的上端面，气室15的下方有进气口16。喷丝管11的上方装有保护环10，在纺丝的时候其可以防止溶液外溢。喷丝管11和气室15的内径为10 mm，喷丝管11的高度为40 mm，气室15的高度为40 mm，喷气管12的内径为喷丝管11内径的0.3倍，喷气管12的上端面低于喷丝管11上端面20 mm。纺丝单元1的数目为12个，安插在基座0中，呈直线排列。纺丝单元1中，除喷丝管11为金属材质外，且喷丝管11外侧由下而上套有绝缘材料，绝缘材料的高度为喷丝管15高度的2/3倍；其余的保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口等均为绝缘材料。

导线4为有绝缘层的电线，与高压静电发生器2的正极相连的导线4上设有支线，支线分别与各个纺丝单元1中喷丝管11的金属材质部分相连接。输气管2和输液管3均为绝缘材质，输气管2的两端与横流气泵6相连接，输气管2上有输气支管与各个纺丝单元1的进气口16相连接；输液管3的两端与计量泵7相连接，输液管3上有输液支管与各个纺丝单元1的进液口13相连接。每个纺丝单元1的进气口16和进液口13上均装有绝缘材质的微量阀用于调节流量。

喷丝管11上端面与接收极板8之间的距离调节范围为：0.1~100 cm，横流气泵6的气流流速范围为0~100 m/s，高压静电发生器5的输出电压为1~200 kV，接收极板8通过导线与高压静电发生器5的负极相连。

工作时储液罐9中的纺丝溶液通过同排纺丝单元1两侧的计量泵7以相同速度相向均速地输入到输液管3，溶液通过输液支管以相同流量输入到各个喷丝管11，喷丝管11中溶液的液面稍低于喷丝管11的上端面、高于喷气管12的上端面；同排纺丝单元1两侧的横流气泵6将空气以相同速度相向匀速地送入到输气管2中，气流通过输气支管以相同流量输入到各个气室15中，气流经喷气管12向上喷出，这样纺丝溶液在喷丝管11的上端形成中空溶液凸起，打开高压静电发生器5，调节到一定的电压，高压电场形成在喷丝管11和接收板8之间，在高压电场作用下极化电荷将聚集在中空溶液凸起的顶端，形成泰勒锥，中空泰勒锥进一步破裂，喷射出多股射流，经静电力拉伸形成纳米纤维，沉积在接收板8上。

实施例2：参照附图2和附图5，一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，包括基座0，纺丝单元1、输气管2、输液管3、导线4、高压静电发生器5、横流气泵6、计量泵7、接收滚筒8’和储液罐9。

纺丝单元1由喷丝管11通过中间连接体14与气室15连接而成，中间连接体14上装配有与气室15连通的垂直向上的喷气管12。喷丝管11的下方有进液口13，进液口13低于喷气管12的上端面，气室15的下方有进气口16。喷丝管11的上方装有保护环10，在纺丝的时候其可以防止溶液外溢。喷丝管11和气室15的内径为15 mm，喷丝管11的高度为100 mm，气室15的高度为90 mm，喷气管12的内径为喷丝管11内径的0.5倍，喷气管12的上端面低于喷丝管11上端面50 mm，纺丝单元1的数目为10个，安插在基座0中，呈直线排列。纺丝单元1中，除喷丝管11为金属材质外，其余部分保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口等均为绝缘材质，且喷丝管11外侧由下而上套有绝缘材料，绝缘材料的高度为喷丝管15高度的1/2倍。

导线4为有绝缘层的电线，与高压静电发生器2的正极相连的导线4上有支线，支线与各个纺丝单元1中喷丝管11的金属材质部分相连接。输气管2和输液管3均为绝缘材质，输气管2的两端与横流气泵6相连接，输气管2上有输气支管与各个纺丝单元1的进气口16相连接；输液管3的两端与计量泵7相连接，输液管3上有输液支管与各个纺丝单元1的进液口13相连接。每个纺丝单元1的进气口16和进液口13上均装有绝缘材质的微量阀用于调节流量。

喷丝管11上端面与接收滚筒8之间的距离调节范围为：0.1~100 cm，横流气泵6的气流流速范围为0~100 m/s，高压静电发生器5的输出电压为1~200 kV，接收滚筒8’通过导线与高压静电发生器5的负极相连。

工作时储液罐9中的纺丝溶液通过同排纺丝单元1两侧的计量泵7以相同速度相向均速地输入到输液管3，溶液通过输液支管以相同流量输入到各个喷丝管11，喷丝管11中溶液的液面稍低于喷丝管11的上端面，高于喷气管12的上端面；同排纺丝单元1两侧的横流气泵6将空气以相同速度相向匀速地送入到输气管2中，气流通过输气支管以相同流量输入到各个气室15中，气流经喷气管12向上喷出，这样纺丝溶液在喷丝管11的上端形成中空溶液凸起，打开高压静电发生器5，调节到一定的电压，高压电场形成在喷丝管11和接收滚筒8之间，在高压电场作用下极化电荷将聚集在中空溶液凸起的顶端，形成泰勒锥，中空泰勒锥进一步破裂，喷射出多股射流，经静电力拉伸形成纳米纤维，沉积在接收滚筒8’上。

实施例3:参照附图3和附图5，一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，包括基座0，纺丝单元1、输气管2、输液管3、导线4、高压静电发生器5、横流气泵6、计量泵7、接收板8和储液罐9。

纺丝单元1由喷丝管11通过中间连接体14与气室15连接而成，中间连接体14上装配有与气室15连通的垂直向上的喷气管12。喷丝管11的下方有进液口13，进液口13低于喷气管12的上端，气室15的下方有进气口16。喷丝管11的上方装有保护环10，在纺丝的时候其可以防止溶液外溢。喷丝管11和气室15的内径为20 mm，喷丝管11的高度为125 mm，气室15的高度为100 mm，喷气管12的内径为喷丝管11内径的0.56倍，喷气管12的上端面低于喷丝管11上端面75 mm，纺丝单元1的数目为24个，安插在基座0中，呈8×3矩阵式排列。纺丝单元1中，除喷丝管11为金属材质外，且喷丝管11外侧由下而上套有绝缘材料，绝缘材料的高度为喷丝管15高度的4/5倍, 其余部分保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口等均为绝缘材质。

工作时储液罐9中的纺丝溶液通过同排纺丝单元1两侧的计量泵7以相同速度相向均速地输入到输液管3，溶液通过输液支管以相同流量输入到各个喷丝管11，喷丝管11中溶液的液面稍低于喷丝管11的上端面，高于喷气管12的上端面；同排纺丝单元1两侧的横流气泵6将空气以相同速度相向匀速地送入到输气管2中，气流通过输气支管以相同流量输入到各个气室15中，气流经喷气管12向上喷出，这样纺丝溶液在喷丝管11的上端形成中空溶液凸起，打开高压静电发生器5，调节到一定的电压，高压电场形成在喷丝管11和接收极板8之间，在高压电场作用下极化电荷将聚集在中空溶液凸起的顶端，形成泰勒锥，中空泰勒锥进一步破裂，喷射出多股射流，经静电力拉伸形成纳米纤维，沉积在接收极板8上。

实施例4：参照附图4和附图5，一种大批量生产纳米纤维的多喷头组合式喷气静电纺丝机，包括基座0，纺丝单元1、输气管2、输液管3、导线4、高压静电发生器5、横流气泵6、计量泵7、履带式接收装置8”和储液罐9。

纺丝单元1由喷丝管11通过中间连接体14与气室15连接而成，中间连接体14上装配有与气室15连通的垂直向上的喷气管12。喷丝管11的下方有进液口13，进液口13低于喷气管12的上端面，气室15的下方有进气口16。喷丝管11的上方装有保护环10，在纺丝的时候其可以防止溶液外溢。喷丝管11和气室15的内径为12 mm，喷丝管11的高度为80 mm，气室15的高度为80 mm，喷气管12的内径为喷丝管11内径的0.45倍，喷气管12的上端面低于喷丝管11上端面45 mm，纺丝单元1的数目为32个，安插在基座0中，呈8×4矩阵式排列。纺丝单元1中，除喷丝管11为金属材质外，且喷丝管11外侧由下而上套有绝缘材料，绝缘材料的高度为喷丝管15高度的2/3倍；其余部分保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口等均为绝缘材质。

喷丝管11上端面与履带式接收装置8”之间的距离调节范围为：0.1~100 cm，横流气泵6的气流流速范围为0~100 m/s，高压静电发生器5的输出电压为1~200 kV，履带式接收装置8”通过导线与高压静电发生器5的负极相连。

工作时储液罐9中的纺丝溶液通过同排纺丝单元1两侧的计量泵7以相同速度相向均速地输入到输液管3，溶液通过支管以相同流量输入到各个喷丝管11，喷丝管11中溶液的液面稍低于喷丝管11的上端面，高于喷气管12的上端面；同排纺丝单元1两侧的横流气泵6将空气以相同速度相向匀速地送入到输气管2中，气流通过支管以相同流量输入到各个气室15中，气流经喷气管12向上喷出，这样纺丝溶液在喷丝管11的上端形成中空溶液凸起，打开高压静电发生器5，调节到一定的电压，高压电场形成在喷丝管11和履带式接收装置8之间，在高压电场作用下极化电荷将聚集在中空溶液凸起的顶端，形成泰勒锥，中空泰勒锥进一步破裂，喷射出多股射流，经静电力拉伸形成纳米纤维，沉积在履带式接收装置8”上。

Claims

1.一种多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：主要由纺丝单元、输气管、输液管、导线、高压静电发生器、横流气泵、计量泵、接收装置和储液罐组成；纺丝单元安插在基座上，纺丝单元上的进气口通过输气支管和输气管连通，纺丝单元上的进液口通过输液支管与输液管连通，输气管的两端分别与横流气泵连通，输液管的两端分别通过计量泵与储液罐连通；纺丝单元上方设有接收装置，纺丝单元的金属材质部分通过导线与高压静电发生器的正极连接，接收装置通过导线与高压静电发生器的负极连接。

2.根据权利要求1所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：所述的纺丝单元主要由喷丝管通过中间连接体与气室连接而成，中间连接体上装配有与气室连通的垂直向上的喷气管；喷丝管的下方有进液口，进液口低于喷气管的上端面，气室的下方设有进气口；喷丝管的上方装有防止溶液外溢的保护环。

3.根据权利要求2所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：所述的喷丝管和气室的内径均为1-45 mm，喷丝管的高度为15-500 mm，气室的高度为10-450 mm，喷气管的内径为喷丝管内径的0.1-0.8倍，喷气管的上端面低于喷丝管上端面至少5 mm。

4.根据权利要求2所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：纺丝单元中，喷丝管为金属材质，喷丝管外侧由下而上套有绝缘材料，绝缘材料的高度为喷丝管高度的1/3~1倍；保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口均为绝缘材料。

5.根据权利要求1~4所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：所述的纺丝单元的数量为至少一个，呈直线、同心圆或矩阵方式排列安插在基座上。

6.根据权利要求5所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：所述的导线为有绝缘层的电线，与高压静电发生器的正极相连的导线上设有支线，支线分别与各个纺丝单元中喷丝管的金属材质部分相连接。

7.根据权利要求1所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：所述的纺丝单元的进气口和进液口上均装有绝缘材质制成的用于调节流量的微量阀；横流气泵的气流流速范围为0~100 m/s。

8.根据权利要求1所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：所述的接收装置为接收板、履带式或滚筒式；喷丝管上端面与接收装置之间的距离调节范围为：0.1~100cm，高压静电发生器的输出电压为1~200kV。

9.根据权利要求1所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：在高压电场作用下极化电荷将聚集在中空溶液凸起的顶端形成泰勒锥。

10.根据权利要求1所述的多喷头组合式喷气静电纺丝机，其特征在于：工作时储液罐中的纺丝溶液通过同排纺丝单元两侧的计量泵以相同速度相向均速地输入到输液管，以保证通过输液支管输入到各个喷丝管中的纺丝溶液均有相同的溶液流量，喷丝管中溶液的液面低于喷丝管的上端面、高于喷气管的上端面；同排纺丝单元两侧的横流气泵将空气以相同速度相向匀速地送入到输气管，以保证通过输气支管输入到各个气室中的气流均有相同的通气流量。