CN103993370B - 一种琴弦式静电纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种琴弦式静电纺丝装置及方法，属于纺丝领域，其装置主要包括纺丝弦、自动拨弦装置、接收极板、溶液池、伺服溶液供给系统和高压静电发生器，其中纺丝弦等间距排列于溶液池顶端，纺丝弦位于距离溶液水平面上或下一段距离范围内；自动拨弦装置由拨头、导轨、传动轮和传动带组成，置于纺丝弦上方；拨头由橡胶触头与凸轮组成，拨头等间距排列于导轨上，橡胶触头的尖端置于纺丝弦上使其周期性的上下振动，在波峰处，振动力与电场力共同作用，促使泰勒锥更加容易生成，从而降低了需要产生泰勒锥的电场力。通过控制平行纺丝弦的长度、线密度和张力以及拨头的旋转速度、个数和间距来改变纺丝弦的固有频率和波形，实现对纺丝过程的定量控制。

Description

一种琴弦式静电纺丝装置及方法

技术领域

本发明涉及一种琴弦式静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

纳米纤维因其纤维直径细，比表面积大，孔隙率高等特性在当今世界有着广泛的应用。利用静电纺丝法制备纳米纤维简单易行且电纺纤维具有良好的可控性。然而传统的针孔式静电纺丝装置纺丝效率低，仅为300mg/h左右，同时针孔易堵塞，不利于静电纺丝的产业化发展。为此人们开始研究无针式静电纺丝装置，包括滚筒式、圆盘式、螺旋线式、内外锥面式等。该技术通过在宽阔的液体自由表面上施加高压电场产生多根泰勒锥，可极大地提高静电纺丝的产量。《一种气泡静电纺丝装置》(专利号CN201310693050)、《旋转纺丝电极》(专利号US8573959B2)、《静电纺丝装配》(专利号WO2010043002A1)等无针式静电纺丝装置虽然提高了电纺纤维的产量，但纺丝过程中，从宽阔的液面形成泰勒锥需要巨大的电场力，一般工作电压为80-200KV，容易引起电极间电弧放电或者空气击穿，也导致该过程较大的功率损耗。因此目前急需一种批量化生产纳米纤维的装置及方法，降低无针纺丝电压，实现纺丝过程安全可靠和较低能耗。

发明内容

本发明提出一种琴弦式静电纺丝装置及方法，利用纺丝弦的振动力和高压电场的静电力在纺丝线表面产生泰勒锥。由于振动力的作用，降低了产生泰勒锥所需的电压，从而降低了能耗，同时无针喷头的设计提高了电纺纤维的产量。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，主要包括纺丝弦、自动拨弦装置、接收极板、溶液池、伺服溶液供给系统和高压静电发生器。其中纺丝弦等间距排列于溶液池顶端，与溶液水平面保持-5mm至+14mm的距离，即距离溶液水平面上或下一段距离范围内，在这个范围内纺丝弦可由于振动在溶液水平面上下跳动，纺丝弦在溶液水平面下太深，纺丝弦跳动太低，电场力容易作用到溶液水平面上，纺丝弦在溶液水平面上太高，纺丝弦跳动时携带的溶液太少；自动拨弦装置由拨头、导轨、传动轮和传动带组成，置于纺丝弦上方；拨头由橡胶触头与凸轮组成，为螺纹连接，拨头等间距排列于导轨上，橡胶触头的尖端置于纺丝弦上3-6mm处；传动轮和传动带组成带轮传动系统，控制导轨和拨头产生旋转运动；接收极板置于溶液池上方4-30cm处。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，纺丝弦为导电金属丝，可以是钢、铜、金等导线，直径为0.1-1.6mm，具有一定的抗拉强度和弹性模量，同时长期使用不会生锈。根据弦振动公式通过控制纺丝弦的长度、线密度和张力可以控制纺丝弦的固有频率。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，自动拨弦装置由塑料等绝缘的材料制备，传动源为绝缘带轮间接远距离传动。橡胶触头需有一定的韧性，使之能拨动纺丝弦，同时不会在转动时被纺丝弦卡住。橡胶触头与凸台的螺纹连接保证了橡胶触头的互换性。通过控制橡胶触头的旋转速度、个数和间距可以控制纺丝弦振动时的频率、振幅和波长。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，接收极板接地或高压静电发生器负极，通过调节接收极板与纺丝弦间的距离可以得到不同直径和表面形态的电纺纤维。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，高压静电发生器正极与多条并行排列的纺丝弦相连，保证施加于并行排列的纺丝弦上的电压一致。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，伺服溶液供给系统不断向溶液池供料，使液面始终与纺丝弦静止时保持一定距离。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置的使用方法的步骤为：第一步，配置聚合物溶液作为纺丝原料；第二步，纺丝时先开启带轮传动系统拨动纺丝弦，带轮传动系统控制导轨和拨头旋转，每旋转一周，橡胶触头拨动纺丝弦一次，使之产生上下振动；第三步，橡胶触头周期性的拨动使纺丝弦产生周期性的上下振动，形成三角函数的波；第四步，等波幅稳定后再开启高压静电发生器进行纺丝，同时开启伺服溶液供给系统，保证溶液池液面高度稳定；第五步，当纺丝弦的波峰越出液面时，纺丝弦上附着的溶液在高电场力和振动力的作用下形成泰勒锥，进而被电场力拉伸为溶液射流，射流在飞向接收极板的过程中溶剂不断挥发，最终射流固化成纳米纤维并被接收极板接收。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置及方法。其有益效果为：

(1)纺丝时，纺丝弦作周期性的上下振动。在波峰处，振动力与电场力共同作用，促使泰勒锥更加容易生成，从而降低了需要产生泰勒锥的电场力，降低电压节约电能。

(2)与单根喷针式溶液静电纺丝装置，该无针式静电纺丝装置极大地提高了产量并消除了喷头易堵塞的现象。

(3)通过控制平行纺丝弦的长度、线密度和张力以及拨头的旋转速度、个数和间距来改变纺丝弦的固有频率和波形，实现对纺丝过程和电纺纤维的定量控制。

(4)本发明装置及方法使用简单，成本低廉，耗能少，且可模块化地任意扩展，能适用于产业化生产或实验室研究。

附图说明

图1是本发明一种琴弦式静电纺丝装置的示意图。

图2是本本发明一种琴弦式静电纺丝装置的自动拨弦装置示意图。

图3是本发明一种琴弦式静电纺丝装置的不锈钢线与自动拨弦装置局部示意图。

图4是本发明一种琴弦式静电纺丝装置的橡胶触头与旋转凸台示意图。

图5是本发明一种琴弦式静电纺丝装置作业示意图。

图中：1-自动拨弦装置，2-接收极板，3-溶液池，4-伺服溶液供给系统，5-高压静电发生器，6-拨头，7-导轨，8-传动轮，9-传动带，10-纺丝弦，11-橡胶触头，12-旋转凸轮，13-纤维射流。

具体实施方式

本发明一种琴弦式静电纺丝装置及方法，如图1所示，它主要包括纺丝弦10、自动拨弦装置1、接收极板2、溶液池3、伺服溶液供给系统4、高压静电发生器5。其中纺丝弦10等间距排列于溶液池3顶端，与溶液保持-5mm到+14mm的距离；自动拨弦装置1由拨头6、导轨7、传动轮8和传动带9组成，置于纺丝弦10上方；拨头6由橡胶触头11与旋转凸轮12组成，为螺纹连接，拨头6等间距排列于导轨7上，其中橡胶触头11的尖端置于纺丝弦10上3-6mm处；传动轮8和传动带9组成带轮传动系统，控制导轨7和拨头6产生旋转运动；接收极板2置于溶液池3上方4-30cm处。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置及方法，其使用方法步骤为：配置聚合物溶液作为纺丝原料。纺丝时，先开启带轮传动系统拨动纺丝弦10，等波幅稳定后再开启高压静电发生器5进行纺丝，同时开启伺服溶液供给系统4，保证溶液池液面高度稳定。带轮传动系统控制导轨7和拨头6旋转，每旋转一周，橡胶触头11拨动纺丝弦10一次，使之产生上下振动。橡胶触头11周期性的拨动使纺丝弦10产生周期性的上下振动，形成三角函数的波。当纺丝弦10的波峰越出液面时，纺丝弦10上附着的溶液在高电场力和振动力的作用下形成泰勒锥，进而被电场力拉伸为溶液射流，射流在飞向接收极板2的过程中溶剂不断挥发，最终射流固化成纳米纤维并被接收极板2接收。

伺服溶液供给系统4主要包括储液箱、伺服微量泵、液位测量装置及溶液管道，液位测量装置安装在溶液池3上能实时检测溶液池3中的液面高度，液位测量装置控制伺服微量泵的开启，伺服微量泵将溶液不断通过溶液管道输入到溶液池3中。

本发明的一个具体实施例，如图5所示，配制质量分数为10％的聚乙烯醇(PVA)溶液作为纺丝原料。溶液池上装有四组并排的不锈钢纺丝弦，线密度6.2g/m，弦长60cm，张力30N，弦上等间距分布有四个拨头，拨头旋转速度为20r/min。对纺丝弦施加45KV的电压，接收极板距纺丝弦15cm。纺丝弦振幅0.8cm，纺丝弦和液面平齐，弹拨纺丝弦后，纺丝弦波长2.8cm，频率57.97HZ，每半个波长纺丝弦上约有8-10根泰勒锥，每根纺丝弦泰勒锥总数可达180根左右。该设备总产量可达72g/h，纺丝直径在80-400nm之间。

Claims (7)

1.一种琴弦式静电纺丝装置，其特征在于：主要包括纺丝弦、自动拨弦装置、接收极板、溶液池、伺服溶液供给系统和高压静电发生器，其中纺丝弦等间距排列于溶液池顶端，纺丝弦位于距离溶液水平面上或下一段距离范围内；自动拨弦装置由拨头、导轨、传动轮和传动带组成，置于纺丝弦上方；拨头由橡胶触头与凸轮组成，为螺纹连接，拨头等间距排列于导轨上，橡胶触头的尖端置于纺丝弦上；传动轮和传动带组成带轮传动系统，控制导轨和拨头产生旋转运动；接收极板置于溶液池上方；接收极板接地或高压静电发生器负极，高压静电发生器正极与多条并行排列的纺丝弦相连；伺服溶液供给系统不断向溶液池供料，使液面始终与纺丝弦静止时保持一定距离，纺丝弦为导电金属丝。

2.根据权利要求1所述的一种琴弦式静电纺丝装置，其特征在于：纺丝弦是钢、铜或金的导线，直径为0.1-1.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种琴弦式静电纺丝装置，其特征在于：自动拨弦装置由塑料制备，传动源为绝缘带轮间接远距离传动。

4.根据权利要求1所述的一种琴弦式静电纺丝装置，其特征在于：橡胶触头的尖端置于纺丝弦上3-6mm处。

5.根据权利要求1所述的一种琴弦式静电纺丝装置，其特征在于：纺丝弦与溶液水平面保持-5mm至+14mm的距离。

6.采用如权利要求1所述的一种琴弦式静电纺丝装置进行纺丝的方法，其特征在于：第一步，配置聚合物溶液作为纺丝原料；第二步，纺丝时先开启带轮传动系统拨动纺丝弦，带轮传动系统控制导轨和拨头旋转，每旋转一周，橡胶触头拨动纺丝弦一次，使之产生上下振动；第三步，橡胶触头周期性的拨动使纺丝弦产生周期性的上下振动，形成三角函数的波；第四步，等波幅稳定后再开启高压静电发生器进行纺丝，同时开启伺服溶液供给系统，保证溶液池液面高度稳定；第五步，当纺丝弦的波峰越出液面时，纺丝弦上附着的溶液在高电场力和振动力的作用下形成泰勒锥，进而被电场力拉伸为溶液射流，射流在飞向接收极板的过程中溶剂不断挥发，最终射流固化成纳米纤维并被接收极板接收。

7.根据权利要求6所述的一种琴弦式静电纺丝装置进行纺丝的方法，其特征在于：伺服溶液供给系统主要包括储液箱、伺服微量泵、液位测量装置及溶液管道，液位测量装置安装在溶液池上能实时检测溶液池中的液面高度，液位测量装置控制伺服微量泵的开启，伺服微量泵将溶液不断通过溶液管道输入到溶液池中。