CN103215665A - 一种复式环形电极静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于静电纺丝设备技术领域，涉及一种复式环形电极静电纺丝装置，主体结构包括电机、液刷、绝缘带、金属轴、金属环形电极、微纳米纤维、金属收集极、高压电源负极、绝缘滑轮、高压电源正极、绝缘轴、高压电源、供液系统、分流管、收集衬底、进料滚筒和出料滚筒；金属轴上有金属环形电极，金属轴一端通过高压电源正极与高压电源连接；绝缘轴上有绝缘滑轮，电机与绝缘轴联动带动绝缘滑轮旋转并通过绝缘带带动金属环形电极转动；分流管与供液系统连通其开口处安装有绝缘带穿过的液刷，两端有进料滚筒和出料滚筒的金属收集极在金属环形电极的正上方；其装置结构简单，原理可靠，制备成本低，效果好，条件易控，环境友好。

Description

一种复式环形电极静电纺丝装置

技术领域：

本发明属于静电纺丝设备技术领域，涉及一种大规模制备微纳米纤维的复式环形电极静电纺丝装置，采用复式环形电极定点供液方式，实现快速、规模化制备静电纺丝微纳米纤维。

背景技术：

目前，制备连续一维微纳米纤维的主要手段之一是静电纺丝技术，静电纺丝技术在过滤材料、隔音吸音材料、特种防护服、电子传感器、纺织工程等领域都具有良好的发展前景，运用静电纺丝法制备的微纳米纤维具有传统拉伸法、熔喷法等手段制备的纤维所不具备的比表面积大、孔隙率高等诸多特点，但是现有的单针头静电纺丝由于产量太低，无法满足产业化需求。现有技术中提高纺丝产率的主要手段是喷丝方式的改进设计，例如中国专利200910031948.2公开的阵列多喷头静电纺丝设备和中国专利200310109222.9公开的共轴复合连续微/纳米纤维的多喷头静电纺丝装置都是通过增加喷丝针头数目来提高纺丝效率；中国专利201210177134.1公开的气泡静电纺丝装置是利用爆炸气泡产生多股射流的方式来实现静电纺丝的快速制备；捷克ELMARCO公司生产的第一代“纳米蜘蛛”系列设备采用圆柱形旋转电极系统和线型旋转电极系统，通过在一维或二维方向上增加溶液与喷丝头的接触面积来增加射流数目从而提高产率；以上公开的技术在理论上都可以实现静电纺丝的快速生产，但实际应用效果并不是很好，例如多针头喷丝装置由于针头容易堵塞，无法实现长时间均匀的电纺，在产业化领域并不被看好；在气泡静电纺丝装置和第一代“纳米蜘蛛”系列设备的开放式设计中，由于纺丝溶液的高挥发性，无法实现对供液釜里的溶液进行有效保护，从而导致电纺纤维过程中溶液浓度和纤维直径随电纺时间变化较大，致使同批次的产品性能具有差异性，而且第一代“纳米蜘蛛”系列设备所采用的电极浸入待纺溶液的设计，无法实现纺丝液的100%利用，虽然ELMARCO公司生产的第二代“纳米蜘蛛”设备采用静置线型电极系统设计，避免了第一代设备的待纺溶液溶剂挥发问题，但还是没能实现纺丝溶液利用率和产品性能的有效提升。因此寻求设计一种大规模制备微纳米纤维的复式环形电极静电纺丝装置，对实现快速、大规模制备微纳米纤维具有良好的现实意义和经济价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种复式环形电极静电纺丝装置，以实现微纳米纤维的快速、规模化制备的同时避免溶剂挥发和溶液浪费。

为了实现上述目的，本发明涉及的静电纺丝装置主体结构包括电机、液刷、绝缘带、金属轴、金属环形电极、微纳米纤维、金属收集极、高压电源负极、绝缘滑轮、高压电源正极、绝缘轴、高压电源、供液系统、分流管、收集衬底、进料滚筒和出料滚筒；圆挂式金属轴上固定安装有同心的4-8组金属环形电极，金属轴的一端通过高压电源正极与高压电源电连接；绝缘轴上固定安装有同心的4-8组绝缘滑轮，电机的输出轴与绝缘轴联动并带动所有的绝缘滑轮旋转，绝缘滑轮旋转时通过绝缘带带动金属环形电极转动；高压电源的电荷通过高压电源正极和金属轴传输到金属环形电极上；分流管的一端与供液系统连通，分出的多条管的开口处分别固定安装有液刷，绝缘带穿过液刷携带出溶液，带有收集衬底的金属收集极置于金属环形电极的正上方；高压电源负极与金属收集极电连接；金属收集极、收集衬底、进料滚筒和出料滚筒共同组成金属环形电极顶端的电纺纤维传送装置，其中进料滚筒和出料滚筒分别设置在金属收集极的两端，收集衬底由进料滚筒送入金属收集极的下方一侧用来接收来自金属环形电极的微纳米纤维，并通过出料滚筒回收；本装置使用时，先进行溶液配制并将配好的溶液放入供液系统内，打开控制绝缘滑轮转动的电机，使绝缘滑轮开始转动并通过绝缘带带动金属环形电极旋转；然后接通高压电源的，调节到30-50千伏电压，此时高压正电荷经过高压电源正极和金属轴到达金属环形电极上，高压负电荷经过高压电源负极到达金属收集极上，使得在金属环形电极和金属收集极之间形成高压静电场；再连通金属环形电极顶端的电纺纤维传送装置，使收集衬底开始移动，同时打开供液系统并调节好流量，当溶液到达液刷的内部时会粘附在绝缘带上并由其携带出来，当溶液经过金属环形电极时带上电荷并在电荷作用下形成射流，射流在空气中经拉伸固化形成微纳米纤维并沉积在收集衬底上，最后微纳米纤维连同收集衬底一起卷在出料滚筒上，然后对装置进行拆卸清理备用。

本发明与现有技术相比，采用液刷式定点供液设计，能够有效保护和充分利用供液系统的纺丝液，避免溶剂挥发而改变溶液浓度；以绝缘带为载体采用溶液传送的方式，避免高压正电极与供液系统的直接接触，尤其对于非导电纺丝液，不会使储存槽里的纺溶液带上大量电荷，以减少高压损坏仪器或对人体造成伤害；通过复式环形电极的叠加实现多组环形电极喷头纺丝，以提高纺丝产率；环形电极长度可调，能够实现不同宽度纤维膜的制备；其装置结构简单，原理可靠，制备成本低，制备效果好，制备条件易控，制备效率高，环境友好。

附图说明：

图1为本发明装置的主体正视结构原理示意图。

图2为本发明装置的主体右视结构原理示意图。

图3为本发明制备的聚乙烯吡咯烷酮PVP微纳米纤维的光学显微镜照片。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作详细说明。

实施例1：

本实施例的主体结构包括电机1、液刷2、绝缘带3、金属轴4、金属环形电极5、微纳米纤维6、金属收集极7、高压电源负极8、绝缘滑轮9、高压电源正极10、绝缘轴11、高压电源12、供液系统13、分流管14、收集衬底15、进料滚筒16和出料滚筒17；圆挂式金属轴4上固定安装有同心的4-8组金属环形电极5，金属轴4的一端通过高压电源正极10与高压电源12电连接；绝缘轴11上固定安装有同心的4-8组绝缘滑轮9，电机1的输出轴与绝缘轴11联动并带动所有的绝缘滑轮9旋转，绝缘滑轮9旋转时通过绝缘带3带动金属环形电极5转动；高压电源12的电荷通过高压电源正极10和金属轴4传输到金属环形电极5上；分流管14的一端与供液系统13连通，分出的多条管的开口处分别固定安装有液刷2，绝缘带3穿过液刷2携带出溶液，带有收集衬底15的金属收集极7置于金属环形电极5的正上方；高压电源负极8与金属收集极7电连接；金属收集极7、收集衬底15、进料滚筒16和出料滚筒17共同组成金属环形电极5顶端的电纺纤维传送装置，其中进料滚筒16和出料滚筒17分别设置在金属收集极7的两端，收集衬底15由进料滚筒16送入金属收集极7的下方一侧用来接收来自金属环形电极5的微纳米纤维6，并通过出料滚筒17回收；本装置使用时，首先进行溶液配制并将配好的溶液放入供液系统13内，打开控制绝缘滑轮9转动的电机1，使绝缘滑轮9开始转动并通过绝缘带3带动金属环形电极5旋转；然后接通高压电源12的，调节到30-50千伏电压，此时高压正电荷经过高压电源正极10和金属轴4到达金属环形电极5上，高压负电荷经过高压电源负极8到达金属收集极7上，使得在金属环形电极5和金属收集极7之间形成高压静电场；再连通金属环形电极5顶端的电纺纤维传送装置，使收集衬底15开始移动，同时打开供液系统13并调节好流量，当溶液到达液刷2的内部时会粘附在绝缘带3上并由其携带出来，当溶液经过金属环形电极5时带上电荷并在电荷作用下形成射流，射流在空气中经拉伸固化形成微纳米纤维6并沉积在收集衬底15上，最后微纳米纤维6连同收集衬底15一起卷在出料滚筒17上，然后对装置进行拆卸清理备用。

实施例2：

本实施例以聚乙烯吡咯烷酮PVP溶液为例进行详细说明，设置环境温度为24.5°C，环境相对湿度为43%RH，选取质量百分比为13%的聚乙烯吡咯烷酮PVP溶液作为纺丝溶液；先将13克聚乙烯吡咯烷酮（PVP，其分子量为130万）颗粒在磁力搅拌下缓慢加入87克无水乙醇中，在室温下磁力搅拌4-5小时然后静置0.5-1小时，即可制得均匀透明的质量百分比为13%的PVP静电纺丝前躯体溶液；然后将配好的PVP溶液放入供液系统13内，打开控制绝缘滑轮9转动的电机1，使绝缘滑轮9开始转动并通过绝缘带3的带动使金属环形电极5旋转；然后接通高压电源12，调节电压到30千伏，此时高压正电荷经过高压电源正极10和金属轴4到达金属环形电极5上，高压负电荷经过高压电源负极8到达金属收集极7上，使得在金属环形电极5和金属收集极7之间形成高压静电场；再连通金属环形电极5顶端的电纺纤维传送装置，使收集衬底15开始移动，同时打开供液系统13并调节好流量，当PVP溶液到达液刷2的内部时会粘附在绝缘带3上并由其携带出来，当PVP溶液经过金属环形电极5时会带上大量的电荷并在高压静电场的作用下形成PVP溶液射流，该PVP溶液射流在空气中经拉伸、溶剂挥发和固化等过程形成PVP微纳米纤维（如图3所示）并沉积在收集衬底15上，最后该PVP微纳米纤维连同收集衬底15一起卷在出料滚筒17上，然后对装置进行拆卸清理。

Claims (2)

1.一种复式环形电极静电纺丝装置，其特征在于主体结构包括电机、液刷、绝缘带、金属轴、金属环形电极、微纳米纤维、金属收集极、高压电源负极、绝缘滑轮、高压电源正极、绝缘轴、高压电源、供液系统、分流管、收集衬底、进料滚筒和出料滚筒；圆挂式金属轴上固定安装有同心的4-8组金属环形电极，金属轴的一端通过高压电源正极与高压电源电连接；绝缘轴上固定安装有同心的4-8组绝缘滑轮，电机的输出轴与绝缘轴联动并带动所有的绝缘滑轮旋转，绝缘滑轮旋转时通过绝缘带带动金属环形电极转动；高压电源的电荷通过高压电源正极和金属轴传输到金属环形电极上；分流管的一端与供液系统连通，分出的多条管的开口处分别固定安装有液刷，绝缘带穿过液刷携带出溶液，带有收集衬底的金属收集极置于金属环形电极的正上方；高压电源负极与金属收集极电连接；金属收集极、收集衬底、进料滚筒和出料滚筒共同组成金属环形电极顶端的电纺纤维传送装置，其中进料滚筒和出料滚筒分别设置在金属收集极的两端，收集衬底由进料滚筒送入金属收集极的下方一侧用来接收来自金属环形电极的微纳米纤维，并通过出料滚筒回收。

2.根据权利要求1所述的复式环形电极静电纺丝装置，其特征在于该装置使用时，先进行溶液配制并将配好的溶液放入供液系统内，打开控制绝缘滑轮转动的电机，使绝缘滑轮开始转动并通过绝缘带带动金属环形电极旋转；然后接通高压电源的，调节到30-50千伏电压，此时高压正电荷经过高压电源正极和金属轴到达金属环形电极上，高压负电荷经过高压电源负极到达金属收集极上，使得在金属环形电极和金属收集极之间形成高压静电场；再连通金属环形电极顶端的电纺纤维传送装置，使收集衬底开始移动，同时打开供液系统并调节好流量，当溶液到达液刷的内部时会粘附在绝缘带上并由其携带出来，当溶液经过金属环形电极时带上电荷并在电荷作用下形成射流，射流在空气中经拉伸固化形成微纳米纤维并沉积在收集衬底上，最后微纳米纤维连同收集衬底一起卷在出料滚筒上，然后对装置进行拆卸清理备用。

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