CN103924308A - 一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置 - Google Patents

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杨卫民
李好义
李小虎
安瑛
张有忱
何雪涛
丁玉梅
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Abstract

本发明公开了一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。主要包括喷头主体上部、螺栓、喷头主体下部、纺丝喷头、接收电极板、高压静电发生器和气流调节阀，进料口位于喷头主体上部，喷头主体下部包括内侧环形气流道、外侧环形气流道和进料流道，它们均为环形结构，进料流道中部均布一系列圆柱导流孔，纺丝喷头下端周向均布一圈纺丝喷嘴，接收电极板置于纺丝喷嘴的正下方，接收电极板与高压静电发生器相连，气流调节阀与进气口相连。本发明为一种组合式纺丝装置，熔体内外均有气流辅助，结构简单，可控性强，纺丝喷头下端周向均布一圈纺丝喷嘴，可连续制备超细纳米纤维，适用于多种溶液纺丝，且产量较单喷针提高数十倍以上。

Description

一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。
背景技术
静电纺丝技术是一种利用静电场力制备纳米纤维材料的技术，最早出现在1930年美国专利US1975504中，于1993年被定义为静电纺丝技术。由于其在制备纳米纤维中独特的优势，近年来成为国内外研究的热点，其工艺原理是：将聚合物溶液或熔体置于高压静电场中，在电场力的作用下形成泰勒锥，进而产生射流，细流在达到接收装置前产生高度拉伸，溶液中的溶剂蒸发或熔体固化，最后在接收装置上形成超细纤维。
无论是溶液还是熔体静电纺丝技术，纺丝纤维细度和纺丝产量始终是其产业化进程中的制约因素，溶液静电纺丝纤维直径细，却产量低，而熔体静电纺丝虽然产量高，但纤维直径较粗，如何在保证纺丝细度的前提下提高纺丝产量是一大难点。研究发现高速气流对纤维有明显的拉伸作用，如Eduard Zhmayev提出热风辅助可使纤维直径细化20倍，因此很多科研者提出高速气流辅助的静电纺丝装置，专利CN101126179B中提出一种超细聚合物纤维高速气流吹静电纺丝制备装置，该方法主要利用高速气流提高静电纺丝的纺丝速度，较普通毛细管静电纺丝，这种装置纺丝速度能提高10倍左右，但该方法依旧采用了传统的单根毛细管式结构，纺丝产量在数量级上没有明显的增加。
针对这一问题，本发明提出一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置。该装置采用可拆装的微分式无针喷头，在内外高速气流的辅助下可制备出超细纳米纤维，且大大提高了纺丝产量，纺丝喷头易更换，方便维修，避免了毛细管堵塞的问题。
发明内容
本发明目的是提出一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，采用内外环形气流道，辅助溶液微分喷头，相比单喷针毛细管纺丝，不仅解决了毛细管易堵塞的问题，同时纤维直径及纤维产量均有很大的提高。
本发明采用的技术方案是一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，包括喷头主体上部、螺栓、喷头主体下部、纺丝喷头、接收电极板、高压静电发生器和气流调节阀，喷头主体上部和喷头主体下部通过螺栓进行连接，进料口位于喷头主体上部，喷头主体下部包括内侧环形气流道、外侧环形气流道和进料流道，内侧环形气流道、外侧环形气流道和进料流道均为环形结构，进料流道中部均布一系列圆柱导流孔，纺丝喷头与喷头主体下部通过螺纹连接，纺丝喷头下端周向均布一圈纺丝喷嘴，接收电极板置于纺丝喷嘴的正下方，接收电极板与高压静电发生器相连，气流调节阀与进气口相连。
本发明一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，内侧环形气流道与外侧环形气流道均为环状结构，流道底部边缘与纺丝喷嘴外锥面相平行，形成一定的锥度，引导气流流动。
本发明一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，进料流道中间采用进料导流孔设计，既能保证喷头主体的一体性，又能起到对进料均分的作用。
本发明一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，纺丝喷头下端周向均布一系列纺丝喷嘴，纺丝喷嘴边缘为锥面结构，形成尖端，易于泰勒锥的形成。
本发明一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，熔体内外均有气流辅助，结构简单，可控性强，纺丝喷头下端周向均布一圈纺丝喷嘴，可连续制备超细纳米纤维，适用于多种溶液纺丝，且产量较单喷针提高数十倍以上。
附图说明
图1是本发明一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置剖面示意图；
图2是图1所示的A-A向断面图；
图3是图1所示的纺丝喷头三维侧视图；
图4是图1所示的纺丝喷头等轴示意图。
图中：1-喷头主体上部、2-进料流道、3-螺栓、4-喷头主体下部、5-纺丝喷头、6-纺丝喷嘴、7-接收电极板、8-高压静电发生器、9-内侧环形气流道、10-外侧环形气流道、11-外流道气流调节阀、12-进料导流孔、13-内流道气流调节阀。
具体实施方式
本发明一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，如图1～4所示的示意图，主要包括喷头主体上部1、螺栓3、喷头主体下部4、纺丝喷头5、接收电极板7、高压静电发生器8、外流道气流调节阀11和内流道气流调节阀13。喷头主体上部1和喷头主体下部4通过螺栓3进行连接，纺丝喷头5与喷头主体下部4通过螺纹进行连接，接收电极板7置于纺丝喷嘴6的正下方，接收电极板7与高压静电发生器8相连，外流道气流调节阀11和内流道气流调节阀13与进气口相连。为实现装置可加工性，纺丝喷头采用一体式设计，如图2所示，进料流道2中间采用进料导流孔12设计，既能保证喷头主体的一体性，又能起到对进料均分的作用，内侧环形气流道9与外侧环形气流道10均为环状结构，流道底部边缘与纺丝喷嘴6外锥面相平行，形成一定的锥度，引导气流流动，纺丝喷头5可自由拆装，下端均布一系列纺丝喷嘴6，纺丝喷嘴6边缘为锥面结构，形成尖端，易于泰勒锥的形成。
一个具体实施例如图1所示，以丙酮/乙酸(体积比为2:1)为溶剂，配制质量分数为8％的醋酸纤维素溶液，通过进料流道2输送纺丝溶液，待溶液通过分流孔12流至纺丝喷嘴边缘时，打开高压静电发生器8和内、外流道气流调节阀，开始纺丝。接收电极板7至纺丝喷嘴6的距离为12cm，纺丝电压为30kV，气流量为8L/min，可同时纺出十六根直径为500nm以下的超细纳米纤维。

Claims (4)

1.一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，其特征在于：主要包括喷头主体上部、螺栓、喷头主体下部、纺丝喷头、接收电极板、高压静电发生器和气流调节阀，喷头主体上部和喷头主体下部通过螺栓进行连接，进料口位于喷头主体上部，喷头主体下部包括内侧环形气流道、外侧环形气流道和进料流道，内侧环形气流道、外侧环形气流道和进料流道均为环形结构，进料流道中部均布一系列圆柱导流孔，纺丝喷头与喷头主体下部通过螺纹连接，纺丝喷头下端周向均布一圈纺丝喷嘴，接收电极板置于纺丝喷嘴的正下方，接收电极板与高压静电发生器相连，气流调节阀与进气口相连。
2.根据权利要求1所述的一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，其特征在于：内侧环形气流道与外侧环形气流道均为环状结构，内侧环形气流道与外侧环形气流道的流道底部边缘与纺丝喷嘴外锥面相平行。
3.根据权利要求1所述的一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，其特征在于：进料流道中间采用进料导流孔设计。
4.根据权利要求1所述的一种内外高速气流辅助的溶液微分静电纺丝装置，其特征在于：纺丝喷头下端周向均布一系列纺丝喷嘴，纺丝喷嘴边缘为锥面结构，形成尖端。
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