CN103993371B - 一种开闭诱导式批量电纺装置 - Google Patents

Abstract

一种开闭诱导式批量电纺装置，涉及一种静电纺丝装置。储料箱与供液装置连通，加热件和温度传感器设于储料箱内腔壁，加热件和温度传感器均与温控箱电连接，喷嘴阵列设于储料箱底部，各喷嘴内设有中心轴，各中心轴竖直贯穿储料箱，其下端均连接喷嘴盖，喷嘴盖位于喷嘴出口外部，其上端伸出储料箱上端面；储料箱上方设有驱动电机和多轴输出箱，驱动电机设于多轴输出箱上，驱动电机的输出轴与多轴输出箱的输入端连接，多轴输出箱的输出端与各中心轴上端连接，振动发生器的振动输出端与多轴输出箱刚性连接，导电金属条横纵间隔设于储料箱内底面，导电金属条接地或与高压电源电连接，收集装置设于储料箱下方，收集装置与高压电源电连接或接地。

Description

一种开闭诱导式批量电纺装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，尤其是涉及一种开闭诱导式批量化电纺装置。

背景技术

处于强静电场的聚合物液滴会克服自身表面应力，从泰勒锥锥尖产生射流，射流受到静电场力、粘滞阻力、表面张力等作用不断细化并达到微纳级别，向收集装置喷射，最终获得纳米纤维，这种制备纳米纤维的方法叫做静电纺丝法。静电纺丝技术因工序简单、设备要求较低，已经广泛用于制备各种聚合物纳米纤维。

实现基于静电纺丝技术的纳米纤维批量化生产一直是科研工作者们的研究重点，如已经公开的中国专利CN102383204A、CN103173873A等。传统静电纺丝装置的供液装置采用注射泵，喷射装置选用空心针头，当注射泵向空心针头推挤溶液时，空心针尖出现悬挂液滴，此时加上强电场后液滴出现泰勒锥并形成射流。选用注射泵直接对空心针头供液，空心针尖处液滴会出现微小脉动，影响泰勒锥的稳定度，电纺纤维均匀性较差，同时液滴的微小脉动导致出现滴液现象，严重影响纤维品质；选用空心针头作为喷射装置，启动电压高，电纺时针头易堵塞，导致产量低，为0.5g/h左右，而多针头阵列虽然可提高单次电纺的产量，但是针头之间的电场会互相干扰，严重影响射流稳定性和纤维品质。

发明内容

本发明的目的是提供利用喷嘴盖相对于喷嘴的“开—闭—开”循环动作和喷嘴盖的旋转动作对纺丝物料表面进行射流诱导，同时采用转动中心轴对喷嘴进行纺丝物料输送，能有效解决静电纺丝技术中启动电压高、产量低等问题，可实现多射流喷射并保证纤维品质的一种开闭诱导式批量化电纺装置。

本发明包括储料箱、供液装置、加热件、温度传感器、温控箱、喷嘴阵列、喷嘴盖、驱动电机、多轴输出箱、振动发生器、导电金属条、收集装置及高压电源；

储料箱与供液装置连通，加热件和温度传感器设于储料箱内腔壁，加热件和温度传感器均与温控箱电连接，喷嘴阵列设于储料箱底部，各喷嘴内设有中心轴，各中心轴竖直贯穿储料箱，各中心轴下端均连接1个喷嘴盖，喷嘴盖位于喷嘴出口外部，各中心轴上端伸出储料箱上端面，并通过密封件与储料箱密封配合；储料箱上方设有驱动电机和多轴输出箱，驱动电机设于多轴输出箱上，驱动电机的输出轴与多轴输出箱的输入端连接，多轴输出箱的输出端与各中心轴上端连接，振动发生器的振动输出端与多轴输出箱刚性连接，导电金属条横纵间隔设于储料箱内底面，导电金属条接地或与高压电源电连接，收集装置设于储料箱下方，收集装置与高压电源电连接或接地。

所述导电金属条最好是横纵等间距间隔设于储料箱内底面。

所述储料箱，用于储存纺丝物料。最好由绝缘材料制成，以免干扰电场。

所述供液装置，用于储存纺丝物料，并对储料箱供料。所述纺丝物料，可以是熔体，也可以是溶液，当纺丝物料选用熔体时，供液装置应具有加热功能。进行熔融静电纺丝，选用熔体挤出机作为供液装置；进行溶液静电纺丝，选用溶液注射泵、蠕动泵及恒流泵等作为供液装置。

所述喷嘴，可选用空心锥形喷嘴、空心柱状喷嘴等，喷嘴出口内径范围为0.3～10mm。

所述中心轴上端(露出喷嘴的部分)的直径可为0.3～10mm；中心轴下端(伸入喷嘴的部分)最好具有锥度，锥度可为1∶5～1∶30，且最好具有较大表面粗糙度，便于韦森堡效应旋转供液。所述的韦森堡效应，是指当旋转轴(什么的旋转轴)插入聚合物溶液或熔体时，聚合物溶液或熔体受到旋转剪切的作用产生法向应力差，从而沿轴爬升的现象。

所述喷嘴盖所处平面最好与中心轴轴心线垂直，喷嘴盖最好为圆柱状，喷嘴盖与喷嘴口两者相接触部分的形状最好相同，喷嘴盖厚度范围可为0.2～2mm。

所述驱动电机的输出转速可为60～2000rpm，驱动电机带动喷嘴盖的方式可以是定向定速旋转，可以是间歇式定向旋转，也可以是以设定频率变换旋转方向的旋转，还可以是变速旋转等旋转方式。

所述的振动发生器，可选用激振器、机械振动发生器或超声波振动发生器等，振动频率可为10Hz～500kHz连续可调，振幅范围可为0.1～20mm。

所述收集装置，最好具有高度调节功能，即可调整收集装置与喷嘴之间的距离，以改变纺丝间距。

与现有技术比较，本发明的工作原理及有益效果如下：

使用时，驱动电机通过多轴输出箱带动各中心轴及喷嘴盖同时转动，同时振动发生器通过多轴输出箱将振动传递至中心轴和喷嘴盖，使喷嘴盖发生竖直方向的直线振动，高压电源用于产生静电场。产生诱导射流的方式：一、驱动电机驱动喷嘴盖旋转，纺丝物料在喷嘴盖的离心力、强电场作用下，诱导产生射流；二、振动发生器驱动喷嘴盖相对于喷嘴进行“开—闭—开”循环动作(或竖直振动，振动时喷嘴盖不碰触喷嘴)进行射流诱导。上述两种诱导方式，本发明内容可以单独实施，也可以同时实施合成复杂运动。本发明所述技术方案中，纺丝物料由供液装置、储料箱、喷嘴、喷嘴与喷嘴盖的间隙进入强电场，最后在电场的作用下向收集装置喷射。其中，当纺丝物料经过喷嘴时，在转动中心轴的韦森堡效应作用下进一步向喷嘴输送，增强溶液输送效率。

本发明具有以下显著效果：

1)当中心轴转动时，周围的纺丝物料将沿探针外表面向喷嘴处输送，实现自主供液，提高溶液的输送速度；

2)喷嘴盖相对于喷嘴做“开—闭—开”循环动作时，暴露在强电场中的纺丝物料表面积将突变，进而引起纺丝物料表面张力发生突变，最终诱导多根射流形成，启动电压较现有批量电纺低，同时能提高批量静电纺丝的产量；

3)喷嘴盖做旋转动作时，喷嘴盖处的纺丝物料在离心力的作用下也会引起其表面张力也发生突变，诱导射流形成，同样可以提高批量静电纺丝的产量；

4)控制中心轴转速、中心轴直径、中心轴形状，中心轴表面粗糙度等条件，进而影响纺丝物料在旋转中心轴上的供液速度，达到控制纺丝物料的输送速度的目的；

5)控制喷嘴盖转速、喷嘴盖形状、喷嘴盖表面粗糙度、喷嘴盖的振动频率与振幅等，可以控制射流的诱导效果。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。图1中各标号表示：1、收集装置；2、喷嘴盖；3、喷嘴；4、温控箱；5、振动输出轴；6、振动发生器；7、驱动电机；8、多轴输出箱；9、中心轴；10、密封件；11、储料箱；12、供液装置；13、高压电源。

图2为本发明实施例的储料槽内部结构示意图。图2中各标号表示：14、金属导电条；15、内壁加热层；16、内底面加热层。

图3为本发明实施例的喷嘴盖“开—闭—开”式上下循环动作示意图。

具体实施方式

参见图1～3，本实施例设有储料箱11、供液装置12、加热件(包括内壁加热层15与内底面加热层16)、温度传感器(未画出)、温控箱4、喷嘴阵列3、喷嘴盖2、驱动电机7、多轴输出箱8、振动发生器6、导电金属条14、收集装置1及高压电源13；

储料箱11与供液装置12连通，供液装置12向储料箱11定量、定速地喂入纺丝物料。储料箱11的内壁和内底面铺设加热层(内壁加热层15与内底面加热层16)，对储料箱11内的纺丝物料进行加热、保温。加热层及储料箱11内腔设温度传感器(图中未画出)，用于测量周围环境的温度值。加热层、温度传感器均与温控箱4电性连接，通过温控箱4的调控，内壁加热层15、内底面加热层16以及温度传感器对储料箱11进行温度控制，使纺丝物料处于恒定的温度环境。

储料箱11底部设喷嘴阵列3，各喷嘴为空心柱状喷嘴，各喷嘴3内设中心轴9。中心轴9竖直贯穿储料箱11，中心轴9下端伸出3喷嘴，中心轴9下端设喷嘴盖2，喷嘴盖2位于喷嘴3出口正下方，其形状、尺寸与喷嘴3口径一致。喷嘴盖2可以设定频率对喷嘴3口执行“开—闭—开”循环动作(如图3所示，图3中的双向箭头表示喷嘴盖2上下开闭动作)或者竖直振动动作(不触碰喷嘴3)。中心轴9上端伸出储料箱11上端面，中心轴9与储料箱11之间设有密封件10。

储料箱11上方设多轴输出箱8。驱动电机7刚性固定于多轴输出箱8上，可随着多轴输出箱8上下振动。驱动电机7的输出轴与多轴输出箱8的输入端传动连接，多轴输出箱8的输出端5与中心轴9上端传动连接。多轴输出箱8可以满足驱动电机7同时驱动多根中心轴9转动的工作需要。

振动发生器6的振动输出端5与多轴输出箱8刚性连接，设定振动发生器6的输出频率和振幅，可以将振动传递到多轴输出箱8，进而将振动传递到中心轴9、喷嘴盖2，2喷嘴盖2发生竖直方向的直线振动。

储料箱11内底面设多条横纵等间距分布的导电金属条14，导电金属条14接地(可根据实际需要选择与高压电源13电连接或接地)。当导电金属条与电极电性连接时，11储料箱内电场均匀分布。

储料箱11正下方设有电纺收集装置1。收集装置1与高压电源13电连接，用于收集纤维。

下面给出本实施例的电纺工作步骤：

1)按照图1、2所示，装配好装置；

2)向供液装置11中加入纺丝原料，纺丝原料被输送至储料箱11；

3)在温控箱4上设定内壁加热层15、内底面加热层16的温控温度值，同时通过温度传感器监测各区域的温度，使储料箱11处于恒定的温度环境；

4)设定驱动电机7驱动喷嘴盖2的运动方式，如定向定速旋转、定向间歇旋转、换向定速旋转等，实现喷嘴盖2的旋转动作；

5)设定振动发生器6的输出频率和振幅，使喷嘴盖2以设定的频率和振幅在喷嘴3口下端竖直振动，实现喷嘴盖2与喷嘴3的“开—闭—开”循环动作；

6)将高压电源13与装置进行电性连接，喷嘴3与收集装置1之间产生强电场；

7)在喷嘴盖2的诱导动作和高压电源13提供的强电场等作用下，喷嘴3口的纺丝物料从喷嘴3处形成射流，并向收集装置1喷射、沉积，最后形成纤维。

进一步阐述上述第1)步骤，选用一组喷射系统(即1个喷嘴3、中心轴9、喷嘴盖2)时，可以在实验室中进行纤维喷射、沉积，应用于熔融静电纺丝、溶液静电纺丝。选用多组喷射系统阵列时，可以进行批量静电纺丝，实现静电纺丝工业化。

进一步阐述上述第2)步骤，本装置既能用于溶液静电纺丝，又能用于熔融静电纺丝。当所述供液装置选用溶液注射泵，向注射器中装入纺丝溶液，能定量、定速地向储料箱11提供纺丝溶液，纺丝溶液经过储料箱11、3喷嘴、3喷嘴与2喷嘴盖的间隙，最后在高压电场的作用下进行溶液静电纺丝；当所述供液装置选用熔体挤出机，物料从料斗进入挤出机后在熔体挤出机内受热达到熔融状态，最后被输送至11储料箱，纺丝熔体经过11储料箱、3喷嘴、3喷嘴与2喷嘴盖的间隙，最后在高压电场的作用下进行熔融静电纺丝。

进一步阐述上述第3)步骤，当装置用于溶液静电纺丝时，储料箱11内的温控系统可以关闭，此时溶液处在室温环境中进行批量电纺。当装置用于熔融静电纺丝时，应开启11储料箱内的温控系统，以保证储料箱11中的熔体处于熔融状态。

进一步阐述上述第4)步骤，驱动电机7带动中心轴9发生旋转运动，进而驱动喷嘴盖2旋转。中心轴9与喷嘴盖2旋转时处于同一条旋转轴线，旋转轴线与储料箱11底面垂直。喷嘴盖2旋转方式有多种：可以是定向定速旋转，可以是间歇式定向旋转，也可以是以设定频率变换旋转方向的旋转，还可以是变速旋转。喷嘴盖2执行不同的旋转方式，离心诱导的效果不同。驱动电机7输出的转动速度、转动方向、转动换向频率都可以设定、调控。第4)步骤有如下两种效果：一、利用转动中心轴9的溶液输送特性(韦森堡效应)对喷嘴3口进行供液，加快批量静电纺丝的溶液补给；二、纺丝物料在喷嘴盖2的离心力、强电场作用下，诱导产生射流。

进一步阐述上述第5)步骤，振动发生器6驱动中心轴9在竖直方向发生振动，喷嘴盖2可以对喷嘴3口执行“开—闭—开”循环动作(如图3所示)或者竖直振动动作，喷嘴盖2振动的频率、振幅均可设定。喷嘴盖2振动运动到竖直方向最高点时，此时纺丝物料暴露在强电场中的表面积达到最小值(若执行“开—闭—开”循环动作，喷嘴盖2与喷嘴3口此时互相碰触，形成密闭内腔)。喷嘴盖2运动到竖直方向最低点时，喷嘴盖2与喷嘴3口的距离最远，此时纺丝物料暴露在强电场中的表面积达到最大值。开启第5)步，利用喷嘴盖2的上下振动对纺丝物料表面实行射流诱导。

所述第4)步骤、第5)步骤既可以独立开启，又可以同时开启。

进一步阐述上述第6)步骤，本装置产生强静电场有两种方式：一、金属导电条14、喷嘴3接地，收集装置1与高压电源13输出端电性连接；二、收集装置1接地，金属导电条14、喷嘴3与高压电源14输出端电性连接，采用本连接方式需要储料箱11与外接设备进行电气隔离。

Claims (5)

1.一种开闭诱导式批量化电纺装置，其特征在于，包括储料箱、供液装置、加热件、温度传感器、温控箱、喷嘴阵列、喷嘴盖、驱动电机、多轴输出箱、振动发生器、导电金属条、收集装置及高压电源；

储料箱与供液装置连通，加热件和温度传感器设于储料箱内腔壁，加热件和温度传感器均与温控箱电连接，喷嘴阵列设于储料箱底部，各喷嘴内设有中心轴，各中心轴竖直贯穿储料箱，各中心轴下端均连接1个喷嘴盖，喷嘴盖位于喷嘴出口外部，各中心轴上端伸出储料箱上端面，并通过密封件与储料箱密封配合；储料箱上方设有驱动电机和多轴输出箱，驱动电机设于多轴输出箱上，驱动电机的输出轴与多轴输出箱的输入端连接，多轴输出箱的输出端与各中心轴上端连接，振动发生器的振动输出端与多轴输出箱刚性连接，导电金属条横纵间隔设于储料箱内底面，导电金属条接地或与高压电源电连接，收集装置设于储料箱下方，收集装置与高压电源电连接或接地。

2.如权利要求1所述一种开闭诱导式批量化电纺装置，其特征在于，所述导电金属条是横纵等间距间隔设于储料箱内底面。

3.如权利要求1所述一种开闭诱导式批量化电纺装置，其特征在于，所述喷嘴选用空心锥形喷嘴或空心柱状喷嘴。

4.如权利要求1所述一种开闭诱导式批量化电纺装置，其特征在于，所述喷嘴盖所处平面与中心轴轴心线垂直，喷嘴盖为圆柱状。

5.如权利要求1所述一种开闭诱导式批量化电纺装置，其特征在于，所述的振动发生器选用激振器、机械振动发生器或超声波振动发生器。