CN104088022B - 一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域，装置由熔体喷头、带圈电极、溶液喷头、接收装置、高压静电发生器和框架组成，熔体喷头安装在框架的最上端，带圈电极位于熔体喷头下面，带圈电极的中心轴和熔体喷头所在中心轴同轴，多个溶液纺丝喷头所在平面与带圈电极平面平行，多个溶液纺丝喷头所在平面位于平面与带圈电极平面下侧，多个溶液纺丝喷头沿着带圈电极所在轴周向均匀分布，接收装置在带圈电极下面一定距离处，高压静电发生器有两个，一个高压输出端接到带圈电极上，另一个高压输出端接到串联的溶液喷头上，接收装置及熔体喷头接地。本发明实现了多级超细纤维的制备，为新材料开发提供了多种操作空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。
背景技术
静电纺丝技术制备的连续超细纤维由于具有高比表面积、高孔隙率和微/纳级的纤维直径和纤维间隙，被广泛应用于高性能过滤、微机电系统、锂电池隔膜及电极材料、生物医药和生化防护等方面。
静电纺丝技术分为熔体静电纺丝技术和溶液纺丝技术。其中溶液静电纺丝技术制备的纤维较细，纤维直径大部分在100-1000nm之间，纤维致密，纤维间孔隙也大都处在1μm以内，具有很高的比表面积；而熔体静电纺丝制备的纤维细度相对较粗，纤维直径大部分在1-10μm之间，甚至有些高粘度材料制备的纤维在几十微米，但是其纤维强度高，孔隙率一般高于90％，纤维间隙在几微米到数百微米，和溶液电纺纤维膜相比，比表面积要小几倍甚至数十倍。在很多应用领域如生物医药支架、功能性负载材料等方面，需要纤维立体支架结构即具备高强度、高孔隙率，又需要较高的比表面积和较大的纤维孔隙，而互相缠绕掺杂的微米/亚微米级的熔体电纺纤维和纳米级的溶液电纺纤维正好满足这一应用需要。
目前能满足这一需求的制备工艺和装置的文献和专利报道较少。Kidoa-kiS等通过移动接收装置在多喷头下进行连续接收，制备了不同材料互相掺混的网状物(KidoakiS,KwonIK,MatsudaT.Biomaterials,2005,26:37-46)。
本发明将熔体静电纺丝装置和溶液纺丝装置结合起来，通过设计实现纳米级纤维在微米级纤维上的缠绕，即多级结构的织构，将为不同应用开发提供很大的空间。
发明内容
本发明目的是提出一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置及方法，将静电纺丝的溶液纺丝喷头和熔体纺丝喷头安装在特定的位置，通过对熔体静电纺丝喷头和溶液静电纺丝喷头工艺参数的合理配置，使得纳米级别的溶液静电纺丝射流在电荷吸引的作用下，粘附缠绕在微米级别的熔体静电纺丝射流上，并最终以平板、旋转辊子或三维运动接收平台的接收方式，收集获得多级超细纤维材料。新的复合材料具备溶液静电纺丝和熔体静电纺丝的共同优点，具有更高的比表面积、抗拉强度和孔隙率，同时具备溶液电纺纤维表面纳米级孔洞和熔体电纺丝纤维间微米级间距，将为高效过滤、医药支架、高强度催化剂负载等方面的应用提供有力支撑。
本发明的技术方案是，一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其主要组成有：熔体喷头、带圈电极、溶液喷头、接收装置、高压静电发生器和框架。熔体喷头安装在框架的最上端，带圈电极位于熔体喷头的下面，带圈电极的中心轴和熔体喷头所在的中心轴同轴，多个(≥2)溶液喷头轴线所在平面与带圈电极平面平行，多个溶液喷头在带圈电极平面下侧，多个溶液喷头沿着带圈电极所在轴周向均匀分布，接收装置在带圈电极下面一定距离处，高压静电发生器有两个，一个高压输出端接到带圈电极上，另一个高压输出端接到串联的溶液喷头上，接收装置及熔体喷头接地。
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其中熔体喷头可以为单射流或者是多射流，并具有气流辅助设备，射流在气流辅助的作用下穿过带圈电极，然后与溶液电纺射流汇合，熔体喷头与熔体塑化装置相连，熔体塑化装置向熔体喷头连续供料，熔体塑化装置的类型很多，有单螺杆和多螺杆，在熔体喷头与塑化装置间还可以连接熔体泵，使熔体喷头获得足够压力和流量的聚合物熔体。
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其中带圈电极可以是铜、铁、铝等导电性良好的金属材料，带圈电极为圆环状，内圈直径为10-200mm，外圈直径为20-400mm。为了增强电场对熔体的拉伸作用，内圈的直径可以小一些，只要熔体丝摆动时不碰到为宜。当溶液喷头较多时，溶液丝射向熔体丝，内圈和外圈的直径都稍大一些，所以内圈和外圈的直径都有一个合理的范围。
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其中溶液喷头为单射流喷头，溶液喷头为注射针头，其流量由微流量泵控制，多个溶液喷头可以喷射一种物料，也可以喷射多种物料，每种物料连接一个微流量泵，物料相同的溶液喷头，其流道相同，在微流量泵的作用下均匀连续地喷料。
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其中接收装置为接地金属材质，可以是平板接收，可以是辊子接收，也可以是X-Y-Z运动工作台接收。
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其另一种电压加载方式也可以是在熔体喷头上加载高压正极或负极，而在溶液喷头上加载相反极性的高压电极，带圈电极和接收装置接地。溶液喷头与熔体喷头、溶液喷头与接收装置间、溶液喷头与带圈电极间都存在电压差，熔体丝在气流和电场的作用下被接收装置收集，熔体丝在到达接收装置的过程中与溶液丝相遇，溶液丝射向熔体丝，溶液丝与熔体丝粘接和缠绕，一起到达接收装置。溶液丝直径分布在纳米级，熔体丝直径分布在微米或亚微米级，最终得到的即为多级超细纤维。
采用本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置制备多级超细纤维的方法，其操作步骤为：熔体塑化装置向熔体喷头供料，等熔体连续稳定供给后，打开熔体喷头气流辅助设备，接通与带圈电极相连的静电发生器的电源，使带圈电极带电，调节电压，使得熔体电纺射流产生，然后打开溶液喷头连续供给装置，并让与溶液喷头相连的另一个高压静电发生器通电，多个溶液喷头产生溶液电纺射流，多个溶液喷头在电场力的作用下向中心熔体电纺射流喷射，当摆动的熔体射流和鞭动的溶液射流相遇后，溶液电纺的丝与熔体电纺的丝粘附并缠绕后收集在接收装置上。溶液丝中的溶剂在到达接收装置前挥发，在接收装置上的复合纤维多级超细纤维。
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置制备及方法通过溶液喷头和熔体喷头的位置设计和参数调控，通过组合静电纺丝装置，溶液电纺的丝与熔体电纺的丝粘附并缠绕后收集在接收装置上，实现了多级超细纤维的制备，为新材料开发提供了多种操作空间，从而满足不同应用领域对纤维结构特殊要求。新的复合材料具备溶液静电纺丝和熔体静电纺丝的共同优点，具有更高的比表面积、抗拉强度和孔隙率，同时具备溶液电纺纤维表面纳米级孔洞和熔体电纺丝纤维间微米级间距，将为高效过滤、医药支架、高强度催化剂负载等方面的应用提供有力支撑。
附图说明
图1是本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置示意图
1-熔体喷头，2-带圈电极，3-溶液喷头，4-接收装置，5-静电发生器。
具体实施方式
本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，如图1所示，其主要组成有：熔体喷头1、带圈电极2、溶液喷头3、接收装置4、高压静电发生器5和框架。其中带圈电极2和熔体喷头1所在的中心轴同轴，多个(≥2)溶液喷头3轴线所在平面与带圈电极平面平行，溶液喷头3在带圈电极平面下侧，多个溶液喷头3沿着带圈电极2所在轴周向均匀分布，多个溶液喷头3通过导电材料连接在一起，接收装置4在多个溶液喷头3下面一定距离处，高压静电发生器5有两个，一个高压输出端接到带圈电极2上，另一个高压输出端串联接到溶液喷头3上，接收装置4及熔体喷头1接地，多个溶液喷头3都带电。
本发明提出的本发明一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝方法，其操作步骤为：等熔体连续稳定供给后，打开熔体喷头1气流辅助设备，接通与带圈电极2相连的静电发生器的电源，使带圈电极2带电，调节电压，使得熔体电纺射流产生，然后打开溶液喷头连续供给装置，并让与溶液喷头3相连的另一个高压静电发生器5通电，多个溶液喷头3产生溶液电纺射流，多个溶液喷头3在电场力的作用下向中心熔体电纺射流喷射，当摆动的熔体射流和鞭动的溶液射流相遇后，溶液电纺的丝与熔体电纺的丝粘附并缠绕后收集在接收装置4上。
一个实施例如图1所示，熔体喷头1为内锥面喷头，内锥面下端沿直径为26mm，气流辅助速度为8m/s，带圈电极2内径为40mm，外圈为80mm，熔体射流根数为60根，熔体为聚丙烯(PP)，熔体温度260℃，熔体流量13g/h，带圈电极2与熔体喷头1的距离为20mm，带圈电极2加载电压为20kV；溶液喷头3为注射针头，针头内径0.41mm，纺丝原料采用完全醇解聚乙烯醇(PVA1799)10％质量分数的水溶液，3个溶液喷头3环向直径200mm，围绕熔体喷头1所在轴环向均布，溶液喷头3所在面与带圈电极的距离为240mm，高压静电发生器5有两个，接收装置4采用辊子结构，接收装置4与带圈电极2的距离为200mm,获得纤维为平均直径为300nmPVA和1.8μm的PP多级掺杂纤维。
Claims (9)
1.一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：主要由熔体喷头、带圈电极、溶液喷头、接收装置、高压静电发生器和框架组成，熔体喷头安装在框架的最上端，带圈电极位于熔体喷头的下面，带圈电极的中心轴和熔体喷头所在的中心轴同轴，多个溶液喷头轴线所在平面与带圈电极平面平行，多个溶液喷头在带圈电极平面下侧，多个溶液喷头沿着带圈电极所在轴周向均匀分布，接收装置在带圈电极下面一定距离处，高压静电发生器有两个，一个高压输出端接到带圈电极上，另一个高压输出端接到串联的溶液喷头上，接收装置及熔体喷头接地。
2.根据权利要求1所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：熔体喷头为单射流喷头或多射流喷头，并具有气流辅助设备。
3.根据权利要求1所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：带圈电极是铜、铁或铝。
4.根据权利要求3所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：带圈电极为圆环状，内圈直径为10-200mm，外圈直径为20-400mm。
5.根据权利要求1所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：溶液喷头为单射流喷头，其流量由微流量泵控制。
6.根据权利要求1所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：接收装置为接地金属材质。
7.根据权利要求6所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：接收装置是平板接收，或是辊子接收，或是X-Y-Z运动工作台接收。
8.根据权利要求1所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置，其特征在于：电压加载方式改变为在熔体喷头上加载高压正极或负极，在溶液喷头上加载相反极性的高压电极，带圈电极和接收装置接地。
9.采用权利要求2所述的一种制备多级超细纤维的组合静电纺丝装置进行纺丝的方法，其操作步骤为：首先熔体塑化装置向熔体喷头供料，等熔体连续稳定供给后，打开熔体喷头气流辅助设备，接通与带圈电极相连的静电发生器的电源，使带圈电极带电，调节电压，使得熔体电纺射流产生，然后打开溶液喷头连续供给装置，并让与溶液喷头相连的另一个高压静电发生器通电，多个溶液喷头产生溶液电纺射流，多个溶液喷头在电场力的作用下向中心熔体电纺射流喷射，当摆动的熔体射流和鞭动的溶液射流相遇后，溶液电纺的丝与熔体电纺的丝粘附并缠绕后收集在接收装置上。
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