CN103215660B - 静电纺丝纳米纤维设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝纳米纤维设备，包括高压静电发生器、静电纺丝发生装置和收集装置；所述的静电纺丝发生装置包括溶液槽和设置在溶液槽上部的回转纺丝机构，所述的回转纺丝机构具有中心旋转轴以及沿中心旋转轴平行的多个纺丝电极；所述的中心旋转轴由驱动机构驱动旋转，并带动所述多个纺丝电极转动并将溶液槽中的聚合物溶液带入所述纺丝电极与收集装置之间的电场中，生成纳米纤维并被收集装置所接收；所述收集装置包括绝缘基座，所述基座底部相对的两侧设置有线性滑轨，线性滑轨上可分别设置低速收集装置或高速收集装置。本发明的静电纺丝纳米纤维设备可保持匀速循环运动，每一个薄片电极都增大了纺丝的面积，提高了纺丝的效率和质量。

Description

静电纺丝纳米纤维设备

技术领域

本发明涉及静电纺丝的技术领域，更具体的说，本发明涉及一种生产纳米纤维的静电纺丝纳米纤维设备。

背景技术

静电纺丝又称为静电纺、电纺，顾名思义其含义就是利用高分子流体静电雾化形成聚合物微小射流，并最终固化成为纤维。近年来，通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料已经成为世界材料科学技术领域最重要的课题之一。

现今静电纺丝技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、工艺可控性等优点，成为了有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。在制备过程中，聚合物溶液被送入带有高压的喷丝头，由于高压的作用，在喷丝头和电极接收板之间就会产生静电力将溶液拉入Taylor锥内。如果聚合物溶液具有足够的粘稠度，在静电力的引导下，聚合物溶液就会形成射流，之后通过外电场和喷丝内部电荷排斥力之间的相互作用使喷丝弯曲并旋转，最终形成纳米纤维并沉积在收集装置上。到目前为止，研究人员已经成功制备了种类丰富的多种纳米纤维，包括有机纳米纤维、无机纳米纤维和有机/无机复合纳米纤维。静电纺丝制备的纳米纤维在复合材料增强体、微/纳电子器件、纳米传感器、过滤与分离、生物医学、防护服等诸多领域具有广泛的潜在的应用。

然而传统的针式静电纺丝系统由于是在喷丝头上直接施加直流电压，且喷丝针直径小，一旦电压高了就容易产生放电现象，安全风险很高；另一方面，单个喷丝针只能生产一根聚合物喷丝，产量很低。如果要提高产量就需要大量的喷丝针，而这又会导致设备庞大，系统繁杂，生产管理困难。因此，从工业生产的角度来看，要生产大量质优的纳米纤维仍然是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种静电纺丝纳米纤维设备。

为了提高产量并且改善施加到喷丝头上电压的均匀性，本申请的发明人设计了一组固定于中心轴周向且能绕其匀速转动的纺丝电极；并将该组纺丝电极的一部分浸没在聚合物溶液中，然后通过纺丝电极绕中心轴匀速旋转并将聚合物溶液带入电场，并产生纳米纤维，之后通过库仑力的作用被带到集电极。同时，没有消耗掉的聚合物溶液又随转动返回到溶液槽中，避免了聚合物溶液的浪费。而且所述的纺纱电极的中心轴由绝缘材料制成，有利于防止双重电场的影响。该方案的优点在于，由该纺丝系统制成的设备更加小巧，安全性能更高，纤维层在基本材料上的附着更加均匀。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种静电纺丝纳米纤维设备，包括高压静电发生器、静电纺丝发生装置和收集装置；其特征在于：所述的静电纺丝发生装置包括具有上部敞口的溶液槽和设置在溶液槽上部的回转纺丝机构，所述的回转纺丝机构具有由绝缘材料制成的中心旋转轴、一对与所述中心旋转轴垂直设置的一对绝缘端面，以及从所述绝缘端面之间延伸形成的沿中心旋转轴平行设置的多个纺丝电极；所述高压静电发生器为纺丝电极与收集装置之间提供电场；所述的中心旋转轴由驱动机构驱动旋转，并带动所述多个纺丝电极转动并将溶液槽中的聚合物溶液带入所述纺丝电极与收集装置之间的电场中，生成纳米纤维并被收集装置所接收；所述收集装置包括绝缘基座，所述基座底部相对的两侧设置有线性滑轨，线性滑轨上可分别设置低速收集装置或高速收集装置。

其中，所述纺丝电极为薄片状纺丝电极。

其中，所述静电纺丝发生装置还包括用于支撑所述溶液槽的支撑座，所述的支撑座底部安装有升降机构，用于调节所述纺丝电极与收集装置之间的距离。

其中，所述溶液槽为1个或2个以上。

其中，所述低速收集装置包括收集模块组件和定位连接组件，所述定位连接组件将收集模块组件安装在所述基座的线性滑轨上；所述收集模块组件包括首尾连接的耐高温金属网带、驱动所述耐高温金属网带往复运动的主动辊和从动辊、调节所述耐高温金属网带松紧的张紧辊、为主动辊提供驱动的步进电机、设置在所述耐高温金属网带内部的热风管和电极接收板。

其中所述高速收集装置包括收集模块组件和定位连接组件，所述定位连接组件将收集模块组件安装在所述基座的线性滑轨上；所述收集模块包括滚筒，设置在所述滚筒圆周表面的金属网筒、设置在所述滚筒第一平面上的热风进风口，以及设置在所述滚筒第二平面上并驱动所述滚筒旋转的伺服电机。

其中，所述静电纺丝纳米纤维设备，还包括柜体，并且所述高压静电发生器设置在柜体的底层；所述静电纺丝发生装置设置在柜体的中间层；所述收集装置设置在柜体的顶层。

其中，所述中间层的四周具有透明防护玻璃，左右两侧设置有透明夜幕卷帘；所述顶层上设置有可视玻璃窗口。

其中，所述顶层上还设置有聚合物收集器。

其中，所述底层的外壁一侧具有操作平台；并且所述的操作平台上设置有触摸屏交互界面、高压电源的电压表、高压电源的电流表、电压调节旋钮、高压电源开关、高压电源指示灯、设备电源总开关和紧急停止按钮。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的静电纺丝纳米纤维设备，将静电纺丝发生装置和收集装置均设置在密闭的柜体内，保障了操作的安全性，也防止了聚合物溶液对周围环境和人体的污染和危害；而且本发明的设备结构合理，安全性高，操作简便，适用于实验室操作。

(2)本发明的静电纺丝发生装置，可以应用于通过水或者聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置；而且所述的静电纺丝发生装置，可保持匀速循环运动，特殊的薄片纺丝电极摈弃了传统的丝状电极设计，不仅增大了纺丝的面积，而且还出乎意料的克服了丝状电极放电不均的影响，显著提高了纺丝的效率和纤维的质量；另外，本发明的静电纺丝设备采用了回转纺丝电极和与之相匹配的多种收集装置。

(3)本发明的静电纺丝纳米纤维设备能够实现纳米纤维的混纺并形成复合纳米纤维结构；而且所述的升降机构用于调节纺丝电极和接收电极之间的距离，从而能够得到不同直径的纳米纤维材料，从而极大的丰富了纳米纤维材料的种类。

附图说明

图1为实施例1所述静电纺丝纳米纤维设备的结构示意图。

图2为实施例1所述静电纺丝发生装置的结构示意图。

图3为实施例1所述高速收集装置的结构示意图。

图4为实施例1所述低速收集装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的阐述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1-4所示，本实施例所述的实验室制纳米纤维的静电纺丝设备，包括柜体10，所述柜体10的底层12容纳有高压静电发生器；柜体的中间层14容纳有静电纺丝发生装置20；柜体的顶层16容纳有收集装置和聚合物收集器18；并且所述中间层的四周具有透明防护玻璃17以及透明夜幕卷帘；所述顶层上设置有可视玻璃窗口19。所述底层的外壁一侧具有操作平台13；并且所述的操作平台13上设置有触摸屏交互界面、高压电源的电压表、高压电源的电流表、电压调节旋钮、高压电源开关、高压电源指示灯、设备电源总开关和紧急停止按钮。所述的静电纺丝发生装置20包括具有上部敞口的溶液槽21和设置在溶液槽上部的回转纺丝机构22，所述的溶液槽根据实际需要可以为1个或2个以上，所述的回转纺丝机构22具有由绝缘材料制成的中心旋转轴23、一对与所述中心旋转轴垂直设置的一对绝缘端面24，以及从所述绝缘端面之间延伸形成的沿中心旋转轴平行设置的多个薄片状纺丝电极25；所述溶液槽由支撑座支撑，而且所述支撑座底部安装有升降机构，用于调节所述纺丝电极与收集装置之间的距离。所述高压静电发生器为纺丝电极与收集装置之间提供电场；所述的中心旋转轴由驱动机构驱动旋转，并带动所述多个纺丝电极转动并将溶液槽中的聚合物溶液带入所述纺丝电极与收集装置之间的电场中，生成纳米纤维并被收集装置所接收；所述收集装置包括绝缘基座30，所述基座30底部相对的两侧设置有线性滑轨32，线性滑轨32上可分别设置低速收集装置或高速收集装置。其中，所述低速收集装置包括收集模块组件40和定位连接组件41，所述定位连接组件41将收集模块组件40安装在所述基座30的线性滑轨32上；所述收集模块组件40包括首尾连接的耐高温金属网带42、驱动所述耐高温网带往复运动的主动辊43和从动辊44、调节所述耐高温网带松紧的张紧辊45、为主动辊提供驱动的步进电机46、设置在所述耐高温金属网带内部的热风管47和电极接收板48。其中，所述高速收集装置包括收集模块组件50和定位连接组件51，所述定位连接组件51将收集模块组件50安装在所述基座30的线性滑轨32上；所述收集模块50包括滚筒52，设置在所述滚筒52圆周表面的金属网筒53、设置在所述滚筒第一平面上的热风进风口54，以及设置在所述滚筒第二平面上并驱动所述滚筒旋转的伺服电机55。

本发明的静电纺丝设备，将静电纺丝发生装置和收集装置均设置在密闭的柜体内，保障了操作的安全性，也防止了聚合物溶液对周围环境和人体的污染和危害；而且本发明的设备结构合理，安全性高，操作简便，适用于实验室操作。另外，本发明的静电纺丝设备采用了回转纺丝电极和与之相匹配的多种收集装置，显著提高了纳米纤维的纺丝效率。本发明的静电纺丝发生装置，可以应用于通过水或者聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置；而且所述的静电纺丝发生装置，可保持匀速循环运动，特殊的薄片纺丝电极摈弃了传统的丝状电极设计，不仅增大了纺丝的面积，而且还出乎意料的克服了丝状电极放电不均的影响，显著提高了纺丝的效率、纤维的质量和种类。

虽然具体实施方式部分已经通过具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细阐述，但本领域的普通技术人员应当理解可以在不脱离本发明公开的范围以内，可以采用等同替换或等效变换形式实施。因此，本发明的保护范围并不限于具体实施方式部分的具体实施例，只要没有脱离发明实质的实施方式，均应理解为落在了本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种静电纺丝纳米纤维设备，包括高压静电发生器、静电纺丝发生装置和收集装置；其特征在于：所述的静电纺丝发生装置包括具有上部敞口的溶液槽和设置在溶液槽上部的回转纺丝机构，所述的回转纺丝机构具有由绝缘材料制成的中心旋转轴、一对与所述中心旋转轴垂直设置的一对绝缘端面，以及从所述绝缘端面之间延伸形成的沿中心旋转轴平行设置的多个纺丝电极；所述高压静电发生器为纺丝电极与收集装置之间提供电场；所述的中心旋转轴由驱动机构驱动旋转，并带动所述多个纺丝电极转动并将溶液槽中的聚合物溶液带入所述纺丝电极与收集装置之间的电场中，生成纳米纤维并被收集装置所接收；所述收集装置包括绝缘基座，所述基座底部相对的两侧设置有线性滑轨，线性滑轨上分别设置低速收集装置或高速收集装置；其中，所述低速收集装置包括第一收集模块组件和第一定位连接组件，所述第一定位连接组件将第一收集模块组件安装在所述基座的线性滑轨上；所述第一收集模块组件包括首尾连接的耐高温金属网带、驱动所述耐高温金属网带往复运动的主动辊和从动辊、调节所述耐高温金属网带松紧的张紧辊、为主动辊提供驱动的步进电机、设置在所述耐高温金属网带内部的热风管和电极接收板；所述高速收集装置包括第二收集模块组件和第二定位连接组件，所述第二定位连接组件将第二收集模块组件安装在所述基座的线性滑轨上；所述第二收集模块包括滚筒，设置在所述滚筒圆周表面的金属网带筒、设置在所述滚筒第一平面上的热风进风口，以及设置在所述滚筒第二平面上并驱动所述滚筒旋转的伺服电机。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述纺丝电极为薄片状纺丝电极。

3.根据权利要求2所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述静电纺丝发生装置还包括用于支撑所述溶液槽的支撑座，所述的支撑座底部安装有升降机构，用于调节所述纺丝电极与收集装置之间的距离。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述溶液槽为1个或2个以上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述静电纺丝纳米纤维设备，还包括柜体，并且所述高压静电发生器设置在柜体的底层；所述静电纺丝发生装置设置在柜体的中间层；所述收集装置设置在柜体的顶层。

6.根据权利要求5所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述中间层的四周具有透明防护玻璃，左右两侧设置有透明夜幕卷帘；所述顶层上设置有可视玻璃窗口。

7.根据权利要求6所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述顶层上还设置有聚合物收集器。

8.根据权利要求7所述的静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于：所述底层的外壁一侧具有操作平台；并且所述的操作平台上设置有触摸屏交互界面、高压电源的电压表、高压电源的电流表、电压调节旋钮、高压电源开关、高压电源指示灯、设备电源总开关和紧急停止按钮。