CN104032383B - 一种双向螺旋静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种双向螺旋静电纺丝装置，涉及一种静电纺丝装置。设有双向螺纹导杆、储液滑块、竖直滑杆、导轨、机架、可控注射装置、液体导管、分液装置、高压电源、气泵、调压阀、气体导管、隔板、电机、从动带轮、主动带轮、V形带、气孔阵列和收集装置。利用双向螺纹导杆实现大面积、多射流喷射，以进一步提高静电纺丝效率，减小纺丝射流间的静电干扰和电场集中现象，促进纳米纤维在收集板上的均匀分布，提高所收集到的纳米纤维薄膜厚度均匀性，改善纳米纤维薄膜的质量，确保多射流的稳定快速喷射，实现大面积均匀纳米薄膜的收集。适用于不同双向螺纹导杆长度、数量、形状以及不同螺纹形状的喷射装置。

Description

一种双向螺旋静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，尤其是涉及利用双向螺纹导杆实现大面积、多射流喷射的一种双向螺旋静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术能将大部分聚合物及其共聚物、嵌端共聚物、衍生物等成功地制备成3nm～5μm范围的电纺纤维，其原理是：在高压静电发生器作用下，纺丝液喷射装置和纳米纤维接收装置之间形成高压静电场；聚合物溶液在高压电场作用下充电而受电场力拉伸，变形产生Taylor锥；当电场力足够大时，带点液滴克服表面张力形成带电射流，朝收集器加速运动；伴随溶剂挥发发生弯曲和拉伸，带电射流被拉伸变细、固化形成纳米纤维结构。

近几年来，静电纺丝技术以其连续、方便、快速、工艺简单、成本低廉的特点逐渐成为纳米纤维制造的主流技术；静电纺丝纳米纤维具有形貌可控、比表积大、透气性好等诸多优势，己在过滤材料、防护材料、酶载体、传感器膜等领域获得了广泛应用。但是，传统的静电纺丝装置只能进行单射流纺丝，产量只有0.1～1g/h，效率非常低，难以适应静电纺丝技术产业化的需要。因此，改变纺丝喷射电极结构实现多射流喷射是目前静电纺丝技术批量生产研究的重点。目前，提高静电纺丝效率的方法主要是采用多针头静电纺丝装置(J.C.AlmekindersandC.Jones.Multiplejetelectrohydrodynamicsprayingandapplications[J].J.Aerosol.Sci.,1999,17:969-971)来进行批量制造，从而提高纳米纤维生产效率。但是，多纺丝喷头的阵列排布易产生不均匀电场，喷头之间相互电导播抑制影响，各个喷头的喷射状态不一致，难以保证各个喷嘴同时进行持续稳定射流喷射；并且，射流之间的静电排斥作用也增加了射流的不稳定性，从而导致各个喷头所喷射获得的纳米纤维形态尺寸差异很大，影响了所制备纳米纤维薄膜的质量。此外，传统静电纺丝装置大多采用标准注射纺丝喷头作为喷嘴，具有易于堵塞、清洗困难等缺点，阻碍了其工业化推广。

发明内容

本发明的目的在于提供利用双向螺纹导杆实现大面积、多射流喷射的一种双向螺旋静电纺丝装置。

本发明设有双向螺纹导杆、储液滑块、竖直滑杆、导轨、机架、可控注射装置、液体导管、分液装置、高压电源、气泵、调压阀、气体导管、隔板、电机、从动带轮、主动带轮、V形带、气孔阵列和收集装置；

所述双向螺纹导杆装夹固定于机架上，每根双向螺纹导杆的端部均安装有从动带轮，从动带轮通过V形带与安装于电机主轴的主动带轮连接，实现电机同时带动多根双向螺纹导杆的旋转运动，V形带实现远距离动力传输；所述储液滑块的侧孔与双向螺纹导杆配合，在双向螺纹导杆上自由往复运动，储液滑块的底孔与竖直滑杆配合，竖直滑杆下端在安装于机架的轨道上水平移动，竖直滑杆上端穿过储液滑块的底孔直接与双向螺纹导杆螺旋线接触，双向螺纹导杆的旋转运动带动竖直滑杆水平移动，实现储液滑块在双向螺纹导杆上的往复运动；

所述分液装置的一端通过液体导管与可控注射装置连接，分液装置的另一端与储液滑块连接，纺丝液由可控注射装置供给，充满分液装置后流向各个储液滑块，随着储液滑块的往复运动，在双向螺纹导杆上均匀涂布；

所述隔板位于机架进气口上方，与机架底面构成气腔，气体导管与气泵相连，气泵通过进气口向气腔内供气，调压阀调节辅助气流气压大小；

每一根双向螺纹导杆对应的机架底面位置均开有导轨槽，导轨槽内安装有导轨，竖直滑杆一端在导轨上水平运动，竖直滑杆另一端沿双向螺纹导杆的螺旋线运动，使双向螺纹导杆的旋转运动转变为竖直滑杆的水平往复运动；

所述高压电源的正极通过导线与双向螺纹导杆连接，高压电源的接地端与收集装置连接。

所述辅助气流可通过隔板上的气孔阵列向上传输，有助于提高射流喷射的稳定性。

所述双向螺纹导杆可由两条方向相反的螺纹构成，双向螺纹导杆的牙型可为三角形或锯齿形等，尖角位置越尖锐越有助于电荷聚集形成高电场实现射流喷射。

相邻双向螺纹导杆间的距离可为0.5～2cm。所述双向螺纹导杆的形状可为直杆或弯杆；弯杆能够改变电场的空间分布，减弱相邻双向螺纹导杆间的静电干扰，比直杆结构更有利于实现射流的稳定持续喷射；各个双向螺纹导杆可以采用同一个电机带动运行，也可以分别采用多台电机进行独立带动运行，或是采用不同电机进行分组带动运行。

不同双向螺纹导杆上的储液滑块可以呈现直线分布或呈现波浪形交错分布。

所述储液滑块上可设有回流槽。

多根双向螺纹导杆通过机架装夹固定，机架制约了双向螺纹导杆导杆的水平窜动，使双向螺纹导杆只可进行旋转运动，并对整个装置起支撑作用。此外，在与每一根双向螺纹导杆对应的机架底面位置都开有导轨槽，槽内安装有导轨，使竖直导杆能够在导轨上往复运动。

电机主轴连接主动带轮，电机的转动带动主动带轮转动，主动带轮的转动通过V形带传动带动从动带轮的转动，每一根双向螺旋导轨均连接一个从动带轮，从而实现电机同时带动多根导杆进行旋转运动。带传动可以实现远距离动力传输，使电机远离高压电源，以免高压对电机工作产生干扰。

竖直滑杆一端可在导轨运动，另一端穿过储液滑块与双向螺纹导杆的螺旋线接触并可沿螺旋线运动，双向螺纹导杆的旋转运动带动竖直滑杆在导轨上往复运动，从而使储液滑块在双向螺纹导杆上往复运动，储液滑块中的纺丝液随着双向螺纹导杆的旋转运动均匀涂布在双向螺纹导杆上。储液滑块上设有回流槽，防止双向螺纹导杆与滑块侧壁接触不紧密处出现漏液现象。储液滑块在双向螺纹杆上的滑动不仅实现了纺丝溶液的持续稳定供给和涂布；并且储液滑块与双向螺纹杆的相对运动破坏了液面的稳定，也将诱使促进纺丝射流的高效快速喷射；同时，储液滑块限制了双向螺纹杆表面的液面形貌，提高了纺丝射流喷射过程的稳定性和电纺纳米纤维的均匀性。

储液滑块在双向螺纹导杆上的初始位置可以处于直线分布，也可以初始位置不同，如呈现波浪形交错分布，交错排布的储液滑块有利于减小射流间干扰作用，使静电纺丝纳米纤维的过程更加持续稳定。

收集装置位于双向螺纹导杆平面上方，其底面平行于多根双向螺纹导杆组成的平面。高压电源的正极输出连接双向螺纹导杆，使双向螺纹导杆带有高电压，收集装置接地，从而在螺纹导杆与收集装置间形成高压静电场。螺纹的尖角处聚集电荷产生高电场，在电场力的作用下，双向螺纹导杆上的纺丝液被拉伸形成带电射流。伴随溶液挥发，在收集板上上收集到大面积均匀纳米纤维薄膜。

隔板由竖直滑杆水平移动的孔道以及辅助气流向上传输的气孔阵列组成。隔板位于机架的进气口上方，与机架固定连接，和机架底面构成气室。气体导管一端连接气泵，另一端连接机架，通过调压阀调节气压大小。通过进气口向机架与隔板之间的气室通气，辅助气流通过气孔向上传输，气孔对辅助气流有约束作用，促进射流向上喷射，提高纺丝射流的稳定性和持续性；并促使未形成射流的多余纺丝液掉落于机架内，防止其干扰射流的长时间稳定喷射。

本发明利用双向螺纹导杆实现大面积、多射流喷射，以进一步提高静电纺丝效率，减小纺丝射流间的静电干扰和电场集中现象，促进纳米纤维在收集板上的均匀分布，提高所收集到的纳米纤维薄膜厚度均匀性，改善纳米纤维薄膜的质量，确保多射流的稳定快速喷射，实现大面积均匀纳米薄膜的收集。

本发明适用于不同双向螺纹导杆长度、数量、形状以及不同螺纹形状的喷射装置。本发明通过电机带动多根双向螺纹导杆的连续旋转进行大面积、多射流静电纺丝，大大提高了静电纺丝效率，实现了纳米纤维薄膜的批量连续生产。利用储液滑块在双向螺纹导杆上的往复运动，减小了纺丝射流间的静电干扰和电场集中现象，促进了纳米纤维在收集板上的均匀分布，提高了所收集到的纳米纤维薄膜厚度均匀性，辅助气流有利于提高纺丝射流的持续稳定喷射，改善纳米纤维薄膜的质量。通过利用双向螺纹导杆进行静电纺丝，消除了传统静电纺丝中喷嘴清洗的困难，可较好的实现多射流高效喷射提高纳米纤维生产效率，并且克服了纺丝过程中喷嘴堵塞的问题，拆卸、更换方便，装置简单，容易实现自动化控制。

附图说明

图1是本发明实施例的俯视结构示意图。

图2是双向螺纹导杆局部放大图。

图3是带传动示意图。

图4是本发明实施例的主视结构示意图。

图5是隔板结构示意图。

图6是储液滑块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1～6，本发明实施例设有双向螺纹导杆4、储液滑块5、竖直滑杆14、导轨15、机架9、可控注射装置1、液体导管2、分液装置3、高压电源6、气泵10、调压阀11、气体导管12、隔板16、电机8、从动带轮17、主动带轮18、V形带7、气孔阵列19和收集装置13。

所述双向螺纹导杆4装夹固定于机架9上，每根双向螺纹导杆4的端部均安装有从动带轮17，从动带轮17通过V形带7与安装于电机8主轴的主动带轮18连接，实现电机8同时带动多根双向螺纹导杆4的旋转运动，V形带7实现远距离动力传输；所述储液滑块5的侧孔与双向螺纹导杆4配合，在双向螺纹导杆4上自由往复运动，储液滑块5的底孔与竖直滑杆14配合，竖直滑杆14下端在安装于机架9的轨道上水平移动，竖直滑杆14上端穿过储液滑块5的底孔直接与双向螺纹导杆4螺旋线接触，双向螺纹导杆4的旋转运动带动竖直滑杆14水平移动，实现储液滑块5在双向螺纹导杆4上的往复运动。

所述分液装置3的一端通过液体导管2与可控注射装置1连接，分液装置3的另一端与储液滑块5连接，纺丝液由可控注射装置1供给，充满分液装置3后流向各个储液滑块5，随着储液滑块5的往复运动，在双向螺纹导杆4上均匀涂布。

所述隔板16位于机架9进气口上方，与机架9底面构成气腔，气体导管12与气泵10相连，气泵10通过进气口向气腔内供气，调压阀11调节辅助气流气压大小。

每一根双向螺纹导杆4对应的机架9底面位置均开有导轨槽，导轨槽内安装有导轨15，竖直滑杆14一端在导轨15上水平运动，竖直滑杆14另一端沿双向螺纹导杆4的螺旋线运动，使双向螺纹导杆4的旋转运动转变为竖直滑杆14的水平往复运动。

所述高压电源6的正极通过导线与双向螺纹导杆4连接，高压电源6的接地端与收集装置13连接。

所述辅助气流可通过隔板16上的气孔阵列19向上传输，有助于提高射流喷射的稳定性。

所述双向螺纹导杆可由两条方向相反的螺纹构成，双向螺纹导杆的牙型可为三角形或锯齿形等，尖角位置越尖锐越有助于电荷聚集形成高电场实现射流喷射。

相邻双向螺纹导杆间的距离可为0.5～2cm。所述双向螺纹导杆的形状可为直杆或弯杆；弯杆能够改变电场的空间分布，减弱相邻双向螺纹导杆间的静电干扰，比直杆结构更有利于实现射流的稳定持续喷射；各个双向螺纹导杆可以采用同一个电机带动运行，也可以分别采用多台电机进行独立带动运行，或是采用不同电机进行分组带动运行。

不同双向螺纹导杆上的储液滑块可以呈现直线分布或呈现波浪形交错分布。

所述储液滑块上可设有回流槽。

可控注射装置1可以控制纺丝液的供给速度，连接液体导管2一端，液体导管2另一端与分液装置3输液口相连接。每一个储液滑块5的进液口53分别与分液装置3的出液口相连接。双向螺纹导杆4与储液滑块5的侧孔相配合，可以自由进行旋转运动。双向螺纹导杆4装夹固定于机架9上，只可进行旋转运动，其轴向窜动受到限制。高压电源的正极输出通过导线与各根双向螺纹导杆4相连，使其带有高电压。电机8的主轴旋转运动通过V形带7传输动力带动双向螺纹导杆4的旋转。

图2局部放大双向螺纹导杆4，双向螺纹导杆由两条方向相反的螺纹构成，牙型可为锯齿形、三角形等。竖着滑杆14沿一条螺旋线运动，当到达终点时，可于两条螺旋线交点处沿反方向螺旋线继续运动，从而实现双向螺纹导杆4单向旋转条件下储液滑块5的往复运动。

图3表示电机8与双向螺纹导杆4之间利用V形带7传输动力的过程。电机8上装有主动带轮18，每一根双向螺纹导杆上都装有从动带轮17，主动带轮18与从动带轮17之间通过V形带7连接，通过V形带7的动力传输作用将主动带轮18的旋转运动传递给从动带轮17，从而带动双向螺纹导杆4的旋转。

在图4中，每一根双向螺纹导杆对应的机架9底面位置都开有导轨槽，槽内安装有导轨15。竖直滑杆14一端在导轨15上水平运动，另一端沿双向螺纹导杆4的螺旋线运动，使双向螺纹导杆4的旋转运动转变为竖直滑杆14的水平往复运动。竖直滑杆14与储液滑块5底面小孔相配合，穿过储液滑块5底面的小孔与双向螺纹导杆4相接触，竖直滑杆14的水平往复运动带动储液滑块5沿双向螺纹导杆4的水平往复运动。收集装置13位于双向螺纹导杆4组成平面的上方，其底面平行于多根双向螺纹导杆4组成的平面。气泵10通过调压阀11控制气压大小，通过气体导管12向机架9与隔板16之间的气室通气，辅助气流通过隔板上的气孔阵列19向上传输，促进射流向上喷射及未喷射溶液的掉落，有助于静电纺丝过程的持续稳定进行。

图5表示隔板16的结构，孔道对应于竖直滑杆14的位置，竖直滑杆14可沿孔道做往复运动。隔板上均匀分布有可供辅助气流向上传输的气孔阵列19，气孔对辅助气流具有约束作用，有助于射流的向上喷射以及未喷射溶液的向下掉落，可提高纺丝射流的持续稳定喷射，对于提高纳米纤维薄膜的质量具有辅助作用。

图6表示储液滑块5的结构，导杆孔(侧孔)54与双向螺纹导杆4相配合，双向螺纹导杆4能在孔内自由旋转。滑杆孔(底孔)52与竖直滑杆14相配合，竖直滑杆14穿过底孔上与双向螺纹导杆4的螺旋线接触，下与导轨15接触，通过竖直滑杆14在导轨15上的滑动将双向螺纹导杆4的旋转运动转变为储液滑块5的水平移动。储液滑块5的侧壁上开有回流槽51，可以防止储液滑块5与双向螺纹导杆4的接触处发生漏液现象影响纺丝过程。

本实施例在使用时，纺丝液由可控注射装置供给，通过液体导管流入分液装置，充满后均匀流入各个储液滑块。电机主轴转动通过带传动带动双向螺纹导杆旋转，通过竖直滑杆沿螺旋线在导轨上的运动带动储液滑块的双向螺纹导杆上移动，随着双向螺纹导杆的旋转，溶液均匀涂布在双向螺纹导杆上。双向螺纹导杆通过导线与高压电源连接，高电压在双向螺纹导杆的螺纹尖角处产生高电场，使纺丝液形成射流喷射。根据实际需要，辅助气流大小通过调压阀调节，辅助气流促进纺丝射流向上喷射，沉积在上方的收集装置，得到大面积的纳米纤维薄膜。

Claims (8)

1.一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于设有双向螺纹导杆、储液滑块、竖直滑杆、导轨、机架、可控注射装置、液体导管、分液装置、高压电源、气泵、调压阀、气体导管、隔板、电机、从动带轮、主动带轮、V形带、气孔阵列和收集装置；

所述双向螺纹导杆装夹固定于机架上，每根双向螺纹导杆的端部均安装有从动带轮，从动带轮通过V形带与安装于电机主轴的主动带轮连接，实现电机同时带动多根双向螺纹导杆的旋转运动，V形带实现远距离动力传输；所述储液滑块的侧孔与双向螺纹导杆配合，在双向螺纹导杆上自由往复运动，储液滑块的底孔与竖直滑杆配合，竖直滑杆下端在安装于机架的轨道上水平移动，竖直滑杆上端穿过储液滑块的底孔直接与双向螺纹导杆螺旋线接触，双向螺纹导杆的旋转运动带动竖直滑杆水平移动，实现储液滑块在双向螺纹导杆上的往复运动；

所述分液装置的一端通过液体导管与可控注射装置连接，分液装置的另一端与储液滑块连接，纺丝液由可控注射装置供给，充满分液装置后流向各个储液滑块，随着储液滑块的往复运动，在双向螺纹导杆上均匀涂布；

所述隔板位于机架进气口上方，与机架底面构成气腔，气体导管与气泵相连，气泵通过进气口向气腔内供气，调压阀调节辅助气流气压大小；

每一根双向螺纹导杆对应的机架底面位置均开有导轨槽，导轨槽内安装有导轨，竖直滑杆一端在导轨上水平运动，竖直滑杆另一端沿双向螺纹导杆的螺旋线运动，使双向螺纹导杆的旋转运动转变为竖直滑杆的水平往复运动；

所述高压电源的正极通过导线与双向螺纹导杆连接，高压电源的接地端与收集装置连接。

2.如权利要求1所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于所述辅助气流通过隔板上的气孔阵列向上传输，有助于提高射流喷射的稳定性。

3.如权利要求1所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于所述双向螺纹导杆由两条方向相反的螺纹构成。

4.如权利要求1或3所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于双向螺纹导杆的牙型为三角形或锯齿形。

5.如权利要求1或3所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于相邻双向螺纹导杆间的距离为0.5～2cm。

6.如权利要求1或3所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于所述双向螺纹导杆的形状为直杆或弯杆。

7.如权利要求1所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于不同双向螺纹导杆上的储液滑块呈现直线分布或呈现波浪形交错分布。

8.如权利要求1所述一种双向螺旋静电纺丝装置，其特征在于所述储液滑块上设有回流槽。