CN103628147A - 一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于利用静电纺丝技术制备微纳米纤维领域，特别涉及一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置。包括绝缘箱和设置于绝缘箱内的纺丝喷头、注射器、注射器固定器、金属连接轴、第一电机及收集装置，其中第一电机安装于绝缘箱的上部，所述第一电机的输出轴通过金属连接轴与注射器固定器连接，所述注射器固定器上设有多个注射器，各注射器上均设有纺丝喷头，所述纺丝喷头与高压电源的正极连接，所述收集装置安装于绝缘箱的下部、并位于各纺丝喷头的下方，所述收集装置与高压电源的负极连接。本发明利用相互独立纺丝喷头同时操作进行纺丝制备纤维束和绞线，纤维产量远远大于单纺丝喷头纺丝装置，一步操作制备纤维束和能够制备异质纤维束是本发明的最大特点。

Description

一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置

技术领域：

本发明属于利用静电纺丝技术制备微纳米纤维领域，特别涉及一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置。

背景技术：

静电纺丝是一种可以规模化制备有机高分子和无机化合物材料微纳米纤维（纤维直径在几个微米到几个纳米之间）的技术。因其装置相对简单、实验成本低廉、操作方便、纺丝效率高，近年来已成为研究的热点，而且，其潜在应用前景也非常广阔。例如：在生物医药方面，静电纺丝纤维可用来协助进行药物缓释等；在电子器件方面可利用电纺纤维比表面积大的特点制备传感器件。

静电纺丝的原理和设备非常简单：高压电源提供高压，正极接在注射器（纺丝溶液容器）的不锈钢针头上，负极（接地）接在作为收集板的铝箔上。所施加的电压一般在7-30千伏之间，针头到收集极的距离（工作距离）一般为8-20厘米。实验时，将纺丝溶液装入注射器内，并加上高电压。由于高压电场的作用，纺液在针头处形成“泰勒锥”。当电场力克服表面张力后，“泰勒锥”纺液形成被极化的纤维射流，朝收集板的方向快速移动。在高压电场中，纤维射流被拉伸细化或发生劈裂，同时溶剂快速挥发，在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维。

利用传统静电纺丝装置得到的微纳米纤维均为无序纤维毡，纤维排列十分凌乱，这给一些实际应用带来了不小的困难。近年来，科研人员致力于改进传统静电纺丝装置以制备形貌可控的纳米纤维。例如电纺有序纤维阵列、图案化等被陆续提出和报道。同时，针对单根电纺微纳米纤维易断裂的缺点，如何提高电纺纤维力学性能方面的研究也逐渐引起了研究人员的兴趣。解决的办法有选择合适的纺丝材料、添加碳纳米管等纳米增强体、增强纤维之间的粘结强度，等等。其中，制备由大量微纳米纤维构成的纤维束绞线结构也是一种较好的解决方案。例如，专利号为201110137420.0，申请日为2011年5月14日的中国发明专利《框架收集式制备纳米纤维绞线结构》，通过改进收集装置获得绞线结构。专利号为200910084009.4，申请日为2009年5月12日的中国发明专利《一种将静电纺丝制得的纤维绞成绞线的装置》，改进传统静电纺丝装置引进多组电机装置制备出绞线结构。利用双环作为收集极获得平行排列的纤维，然后转动双环（Polymer46(2005)611-614）也同样得到了绞线结构。对装置改进以获得绞线结构的还有离心静电纺丝法制备绞线结构（例如，专利号：201110137417.9，申请日为2011年5月14日的中国发明专利《一种制备纳米纤维绞线结构的装置》）等等。国内外诸多文献也涉及到纤维束和绞线的制备情况。水浴捞丝法（Polymer46(2005)2419　2423）可制备出连续的纤维束。通过控制交变电场（Appl.Phys.Lett.90(2007)263902）可制备出螺旋缠绕的纤维。此外还有交流静电纺丝（Adv.Mater.21(2009)349-354）等等都专门为制备纤维束和绞线做了大量研究。但是上述方法均存在工艺流程复杂等问题：先制备较为有序的纤维，再进行纤维的绞制，从而得到绞线结构，且制备的纤维束绞线都是同质材料。

发明内容：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置。该装置利用一步操作制备出螺旋缠绕的纤维束和绞线，在操作工艺上省掉一步流程，节省时间，方便操作。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，包括绝缘箱和设置于绝缘箱内的纺丝喷头、注射器、注射器固定器、金属连接轴、第一电机及收集装置，其中第一电机安装于绝缘箱的上部，所述第一电机的输出轴通过金属连接轴与注射器固定器连接，所述注射器固定器上设有多个注射器，各注射器上均设有纺丝喷头，所述纺丝喷头与高压电源的正极连接，所述收集装置安装于绝缘箱的下部、并位于各纺丝喷头的下方，所述收集装置与高压电源的负极连接。

所述第一电机与电机调速器连接。所述收集装置为第一铝箔收集极。

所述收集装置为反向旋转收集装置，所述反向旋转收集装置包括第二铝箔收集极和第二电机，其中第二电机安装在绝缘箱的下部、并输出端设有第二铝箔收集极，所述第二铝箔收集极与高压电源的负极连接，所述第二电机的旋转方向与纺丝喷头的旋转方向相反。

所述收集装置为转动滚筒收集装置，所述转动滚筒收集装置包括支撑架、第三电机、塑料滚筒及环铝箔收集极，其中支撑架安装在绝缘箱的下部，所述第三电机安装在支撑架上，所述塑料滚筒的一端转动安装在支撑架上，另一端与第三电机的输出端连接，所述塑料滚筒的轴线与纺丝喷头垂直，所述塑料滚筒上设有环铝箔收集极，所述环铝箔收集极与高压电源的负极连接。

所述绝缘箱为木箱。

本发明的优点及有益效果是：

1）本发明利用相互独立纺丝喷头同时操作进行纺丝制备纤维束绞线，由于喷头之间的静电排斥力，使得各个喷头纺出纤维的独立性能够保持。

2）本发明采用一步操作即可制备螺旋缠绕纤维束，操作方便，中间环节大大省略。

3）本发明可制备较长的纤维绳（用固定收集极收集可达35cm长）。

4）收集极可以根据需要灵活配置。例如利用反向旋转收集装置收集纤维，提高制备效率；利用转动滚筒收集装置收集，可获得更长的纤维束绞线。

5）本发明可根据需要在不同注射器中装载不同成分的纺丝液，从而制备异质材料的纤维束绞线，获得多功用复合材料。

附图说明：

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明中反向旋转收集装置的结构原理示意图；

图3为本发明中转动滚筒收集装置的结构原理示意图；

图4为本发明实施例一制备的PVDF螺旋缠绕纤维束SEM照片；

图5为本发明实施例二制备的复合纳米纤维束光学图。

其中：1为纺丝喷头，2为注射器，3为注射器固定器，4为金属连接轴，5为第一电机，6为绝缘箱，7为第一铝箔收集极，8为电机调速器，9为第二铝箔收集极，10为第二电机，11为支撑架，12为第三电机，13为塑料滚筒，14为环铝箔收集极。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明包括绝缘箱6和设置于绝缘箱6内的纺丝喷头1、注射器2、注射器固定器3、金属连接轴4、第一电机5及收集装置，其中第一电机5安装于绝缘箱6的上部，第一电机5的输出轴通过金属连接轴4与注射器固定器3连接，所述注射器固定器3上设有多个注射器2，各注射器2上均设有纺丝喷头1，各纺丝喷头1通过由穿过金属连接轴4中心孔道的电线与高压电源的正极连接。所述收集装置安装于绝缘箱6的下部、并位于各纺丝喷头1的下方，所述收集装置与高压电源的负极连接，所述收集装置为第一铝箔收集极7。绝缘箱6可采用木箱，第一电机5与电机调速器8连接。

如图2所示，所述收集装置可采用反向旋转收集装置，所述反向旋转收集装置包括第二铝箔收集极9和第二电机10，其中第二电机10安装在绝缘箱6上、并输出端设有第二铝箔收集极9。图2所示收集装置全部为金属材料。直接将第二电机10与高压电源负极相连。则纺丝纤维可在第二铝箔收集极9上获得。纺丝过程中设置第二电机10的旋转方向与纺丝喷头1的旋转方向相反，便可在第二铝箔收集极9上形成纤维束。反向旋转提高了纤维束成形效率。

如图3所示，所述收集装置可采用转动滚筒收集装置，所述转动滚筒收集装置包括支撑架11、第三电机12、塑料滚筒13及环铝箔收集极14，其中支撑架11安装在绝缘箱6的下部，第三电机12安装在支撑架11上，塑料滚筒13的一端转动安装在支撑架11上，另一端与第三电机12的输出端连接。塑料滚筒13的轴线与纺丝喷头1垂直，塑料滚筒13上设有环铝箔收集极14，环铝箔收集极14通过电线与塑料滚筒13的内部转轴相连，与转轴相连的第三电机12与高压电源的负极连接。第三电机12带动塑料滚筒13旋转，纺丝过程中会形成很长的纤维束缠绕在塑料滚筒13上，可制备更长的纤维束。

本发明的工作过程和原理是：

本发明在纺丝过程中由第一电机5提供动力，并通过金属连接轴4连接注射器固定器3并带动其转动。第一电机5固定在绝缘箱6的上面。铝箔接地（负极）作为收集极。在静电纺丝过程中，由高压电源提供20千伏的高压电通过电线连接到纺丝喷头1，第一电机5的转速由电机调速器8控制。

本发明旨在利用一种纺丝喷头相互独立的旋转式多纺丝喷头静电纺丝装置，制备静电纺丝纤维束绞线结构。由于纺丝喷头的相互独立，因此可利用其进行不同组分纺丝材料纤维束绞线的制备。而且，通过纺丝喷头的旋转，本发明在电纺的同时即可制得纤维束绞线结构，而不需要二次操作，相比以往的方法，工艺流程有所简化。

实施例1

制备单组分螺旋缠绕纤维束

本实施例所选取的纺丝液为含质量分数20%的聚偏氟乙烯(PVDF)的丙酮，N-N-二甲基甲酰胺溶液。首先称量2.0g PVDF，称量完后将其转移到锥形瓶中。然后向锥形瓶中加入4.0g丙酮和4.0g N-N-二甲基甲酰胺。最后放入搅拌磁子，在50°C水浴加热磁力搅拌2小时。即可得到均匀透明的质量分数为20%的静电纺丝前驱体溶液。

用一次性塑料吸管吸取纺丝液滴加到5ml注射器2中，准备进行静电纺丝实验。调整和固定第一铝箔收集极7的位置，设置第一铝箔收集极7与纺丝喷头1之间的垂直距离（本次试验设置为35cm）并接地。纺丝喷头1通过电线连接高压电源的正极。实验中，先启动第一电机5，第一电机5的转速由电机调速器8设置为400转/分钟。然后，再启动高压电源，设置输出电压为20千伏，进行静电纺丝实验。实验结束后，先关掉高压电源开关，然后再停止第一电机5的转动，最后即可收集到制备的纤维。

在实验过程中会出现螺旋缠绕纤维束，实验结束后，用玻璃片收集纤维束，做SEM照片观察其形貌，如图4所示。

实施例2

制备多组分螺旋缠绕纤维束

配置3份质量分数为20%的PVDF溶液，其中一份加入荧光素（荧光素质量：PVDF质量=1:50）；一份加入罗丹明B（罗丹明B质量：PVDF质量=1:50）；一份不加任何物质。分别用一次性塑料吸管滴加到三个注射器2中进行静电纺丝，其他条件与实施例1相同。图5为制备的复合纳米纤维光学图。其中：红色为掺杂的罗丹明B激发的，黄色为掺杂的荧光粉激发的。

Claims (6)

1.一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，其特征在于：包括绝缘箱（6）和设置于绝缘箱（6）内的纺丝喷头（1）、注射器（2）、注射器固定器（3）、金属连接轴（4）、第一电机（5）及收集装置，其中第一电机（5）安装于绝缘箱（6）的上部，所述第一电机（5）的输出轴通过金属连接轴（4）与注射器固定器（3）连接，所述注射器固定器（3）上设有多个注射器（2），各注射器（2）上均设有纺丝喷头（1），所述纺丝喷头（1）与高压电源的正极连接，所述收集装置安装于绝缘箱（6）的下部、并位于各纺丝喷头（1）的下方，所述收集装置与高压电源的负极连接。

2.按权利要求1所述的制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，其特征在于：所述第一电机（5）与电机调速器（8）连接。

3.按权利要求1所述的制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置为第一铝箔收集极（7）。

4.按权利要求1所述的制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置为反向旋转收集装置，所述反向旋转收集装置包括第二铝箔收集极（9）和第二电机（10），其中第二电机（10）安装在绝缘箱（6）的下部、并输出端设有第二铝箔收集极（9），所述第二铝箔收集极（9）与高压电源的负极连接，所述第二电机（10）的旋转方向与纺丝喷头（1）的旋转方向相反。

5.按权利要求1所述的制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置为转动滚筒收集装置，所述转动滚筒收集装置包括支撑架（11）、第三电机（12）、塑料滚筒（13）及环铝箔收集极（14），其中支撑架（11）安装在绝缘箱（6）的下部，所述第三电机（12）安装在支撑架（11）上，所述塑料滚筒（13）的一端转动安装在支撑架（11）上，另一端与第三电机（12）的输出端连接，所述塑料滚筒（13）的轴线与纺丝喷头（1）垂直，所述塑料滚筒（13）上设有环铝箔收集极（14），所述环铝箔收集极（14）与高压电源的负极连接。

6.按权利要求1所述的制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，其特征在于：所述绝缘箱（6）为木箱。

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