CN104099674A - 一种气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，包括纺丝箱体和静电发生系统，纺丝箱体内部为加工空腔，加工空腔中部安装接收系统的接收辊，接收辊上设有负极端，静电发生系统的负极与负极端连接，气流助力式组合喷头包括喷头组件和小储液箱，喷头组件的前端喷孔出口伸入加工空腔内，各个喷头组件的前端喷口出口距离接收辊之间的距离均相等，喷头组件的后端与小储液箱连通，小储液箱设有液体接口和气体接口，液体接口通过纺丝计量泵与供液系统连接，气体出口通过气体流量阀与高压供气系统连接，小储液箱设有正极端，静电发生系统的正极与正极端连接。本发明有效适用于高浓度纺丝液的纳米纤维膜的生产、生产效率较高、均匀性良好。

Description

一种气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维膜静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术作为目前微米、纳米纤维成型的一种最新颖、便捷的技术，已日益受到重视，在国内外得到了广泛的研究。但其产量仅只有熔融纺丝的千分之一，极大限制了产业化的进程。其主要的工艺原理是：在直流高压静电场作用下，溶液中高分子链被极化而产生同性电荷，溶液在喷头出口分子链电荷相互排斥形成泰勒锥状，克服液滴的表面张力与粘弹性力，以射流的形式喷出，在电场的作用下，奔向反向电极收集辊，进一步加速、微拉伸、自然弯曲、进而形成螺旋路径行进，伴随溶剂的挥发逐步凝固过程，纳米纤维丝落到接收辊上凝固而形成纳米纤维膜。

目前，静电纺丝技术分为针头式和无针头式两大类。无针头式静电纺丝机的主要代表是捷克Elmarco公司的静电纺丝设备，称纳米蜘蛛，专利为wo2005/024101A，但其加工的纳米纤维直径较粗，且大量产生的纳米纤维为短纤维，致使形成的纳米纤维毡强度差，均匀性不够，且纺丝溶液的利用率很低，不利于产业化生产。

多针头静电纺丝技术主要是利用毛细管来进行静电纺丝，是实现规模化纳米纤维材料生产的一个有效方法。该技术的一个最主要的代表就是wo2007035011，该方法共设的38880个喷头。针头式静电纺丝具有产品均匀、纤维直径较细的优点，但是由于针头孔直径小，每个针头的喷丝速度、喷丝量都很小，导致了生产效率低下，且很难进行高浓度、高粘度电纺丝溶液的静电纺丝。

发明内容

为了克服已有静电纺丝装置的无法适用于高浓度纺丝液、生产效率较低、均匀性较差的不足，本发明提供了一种有效适用于高浓度纺丝液的纳米纤维膜的生产、生产效率较高、均匀性良好的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，包括纺丝箱体和静电发生系统，所述纺丝箱体内部为加工空腔，所述加工空腔中部安装接收系统的接收辊，所述接收辊上设有负极端，所述静电发生系统的负极与所述负极端连接，所述静电纺丝装置还包括气流助力式组合喷头，所述气流助力式组合喷头包括喷头组件和小储液箱，所述喷头组件的前端喷孔出口伸入所述加工空腔内，各个喷头组件的前端喷口出口距离所述接收辊之间的距离均相等，所述喷头组件的后端与所述小储液箱连通，所述小储液箱设有液体接口和气体接口，所述液体接口通过纺丝计量泵与供液系统连接，所述气体出口通过气体流量阀与高压供气系统连接，所述小储液箱设有正极端，所述静电发生系统的正极与所述正极端连接。

进一步，在所述流助力式组合喷头的侧边安装从喷头方向顺着喷丝方向的鼓风头，所述鼓风头与所述鼓风管连通，所述鼓风管与温度及湿度可控的鼓风系统连接。

再进一步，所述接收系统包括接收辊、导向辊和牵引带，所述牵引带套装在所述接收辊、导向辊上。

所述牵引带还套装在收卷辊上，所述导向辊与收卷辊之间的牵引带侧边安装静电消除机构。

所述静电消除机构包括反向电荷除静电棒。

或者是：所述静电消除机构包括装有表面活性剂的喷嘴。也可以联合使用。

所述接收辊为镜面圆柱接收辊或是履带式镜面接收钢带。

所述加工空腔的横截面为半圆形，所述气流助力式组合喷头有至少两个，气流助力式组合喷头等圆弧间隔设置在所述半圆形加工空腔。

本发明的有益效果主要表现在：利用气流助力，提高每个喷头的喷液量与喷丝速度，在泰勒锥形成后溶剂挥发迅速，加快了纳米纤维到达的接收辊的速度。而且本发明的静电纺丝装置，同时可胜任高浓度的纺丝液的电纺纳米纤维膜的生产，可大幅度提高纳米纤维膜的产量和产品表观均匀度。

附图说明

图1是气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，包括纺丝箱体1和静电发生系统，所述纺丝箱体1内部为加工空腔，所述加工空腔中部安装接收系统的接收辊11，所述接收辊11上设有负极端10，所述静电发生系统的负极与所述负极端10连接，所述静电纺丝装置还包括气流助力式组合喷头，所述气流助力式组合喷头包括喷头组件(20、21、22)和小储液箱(61、62、63)，所述喷头组件(20、21、22)的前端喷孔出口伸入所述加工空腔内，各个喷头组件(20、21、22)的前端喷口出口距离所述接收辊11之间的距离均相等，所述喷头组件(20、21、22)的后端与所述小储液箱(61、62、63)连通，所述小储液箱(61、62、63)设有液体接口和气体接口，所述液体接口通过纺丝计量泵(31、32、33)与供液系统连接，所述气体出口通过气体流量阀(41、42、43)与高压供气系统(81、82、83)连接，所述小储液箱(61、62、63)设有正极端(91、92、93)，所述静电发生系统的正极与所述正极端(91、92、93)连接。

进一步，在所述流助力式组合喷头的侧边安装从喷头方向顺着喷丝方向的鼓风头(51、52、53)，所述鼓风头(51、52、53)与所述鼓风管连通，所述鼓风管与温度及湿度可控的鼓风系统连接。

再进一步，所述接收系统包括接收辊11、导向辊12和牵引带13，所述牵引带13套装在所述接收辊11、导向辊12上。

所述牵引带还套装在收卷辊16上，所述导向辊12与收卷辊16之间的牵引带侧边安装静电消除机构。

所述静电消除机构包括反向电荷除静电棒15。

或者是：所述静电消除机构包括装有表面活性剂的喷嘴14。也可以联合使用。

所述接收辊11为镜面圆柱接收辊或是履带式镜面接收钢带。

所述加工空腔的横截面为半圆形，所述气流助力式组合喷头有至少两个，气流助力式组合喷头等圆弧间隔设置在所述半圆形加工空腔。

本发明中，供液系统为现有技术，包括纺丝计量泵(30、31、32)和一端与计量泵相连的供液箱，通过供液箱对针头集约化的组合喷丝头集中供液，这样可以保证每个喷头中纺丝液的一致性。供液箱处于纺丝机的上方，纺丝液经底部出口通过连接管道流向纺丝喷头。

所述的静电发生系统采用市售高压直流电源，电压范围为0～120KV。所述静电发生系统中高压正极分别与气流助力式组合喷头的正极端(90、91、92)相连，高压负极与接收辊11的负极端10相连。

所述纺丝箱体1的外部为长方体形状，内部为半圆形空腔，且半圆形空腔与接收系统中的接收辊的半圆是对应且等距可调的。

所述的温度可控的气流助力式系统为气流助力式组合喷头、组合喷头分别装在半圆形纺丝空腔内，根据纳米纤维膜所要求的厚度及速度，每个组合喷头设计的针头数量为8到25个针头。每个组合喷头后面有二个接口，一个接口与供液系统相连，中间接有一个纺丝计量泵(30、31、32)，以控制纺丝液的流量达到对纺丝量的精确控制。另一个接口与气流助力系统相连，接口与气流助力系统之间按装有一个气体流量阀(40、41、42)，可以调节气体的压力，通过气体流量阀的调节可以对纺丝液进行气流加压，加快纺丝液从组合喷头喷出速度及喷出量，加快纺丝速度，从而达到高纺丝量的效果。

所述气流助力式组合喷头包括一个小的储液箱(60、61、62)和组合喷头(20、21、22)。所述的组合喷头(20、21、22)中每个组合喷头都设计有8到25个针头。小储液箱(60、61、62)的作用是可以对气流形成一个缓冲作用，不致使气流直接从喷头喷出而使得纺丝液中断造成纺丝形成纳米纤维丝为短纤维，降低了纳米纤维膜的强度与均匀性。

所述的气流助力系统还包括一个与组合喷头相连的高压供气系统及一个从喷头方向顺着喷丝方向的温度及湿度可控的鼓风系统，其中高压供气系统中的气体为不与纺丝液发生反应的气体，鼓风系统可与高压供气系统连在一起也可为一单独系统，且鼓风系统可进行温度及湿度控制，通过鼓风系统(50、51、52)向接收辊鼓风，纺丝箱体上方加有一负压的排气口，可加快纺丝液中溶剂的挥发速度，加快纺丝纤维以更快的速度到达接收辊11，同时也能增加纳米纤维的预拉伸。

所述的高压供气所系可为高压惰性气体钢瓶供气，也可以为压缩空气供气。

所述接收系统由一个接收宽度为0.5m～1m，直径为500mm的镜面圆柱接收辊11，或是履带式镜面接收钢带组成。接收辊11的转动速度可根据所要求的纳米纤维膜的厚度自由调节。

所述传动系统由接收辊11、导向辊12及牵引带13组成，其中牵引带13可为无纺布膜、金属膜、纸质膜、聚合物膜等。纺丝开始时，导向辊12通过牵引带13将接收辊11上已成型的纳米纤维膜传递至收卷辊16。牵引带也可退出收卷辊后进入接收辊。

所述后处理系统由反向电荷除静电棒15和装有表面活性剂的喷嘴14组成，可分别从物理及化学角度有效消除静电。

本发明中，所述的静电纺丝装置工作时，将配好的纺丝液传输到供液箱中，打开纺丝计量泵(30、31、32)，让纺丝液流入纺丝喷头前的小储液箱(60、61、62)，直至充满。打开静电发生器，调节静电纺丝装置中(90、91、92)三个正极的电压到所需值，调节静电纺丝装置中的负极10的电压到所需值，开始纺丝。

根据所需要的纺丝速度，打开所述的气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)对小储液箱中的纺丝液进行气流加压。经加压后的纺丝液在静电场和气流压力的共同作用向喷向接收辊11，进行静电纺丝，同时鼓风系统(50、51、52)根据所需要的膜厚度及接收速度，调节温度及湿度，向接收辊鼓风，加快溶剂的挥发，对纺丝纤维进行预拉伸。调节传动系统，使接收辊11、导向辊12和收卷辊16以一定的速度运转，在牵引带13的作用下，接收辊11上的纳米纤维膜经导向辊12传送至收卷辊16，在到达收卷辊16前，反向电荷除静电棒15向纳米纤维膜进行反向电荷除静电处理，经反向电荷除静电处理后再通过喷嘴14对纳米纤维膜进行表面活性剂的喷涂处理。分别从物理及化学角度有效消除静电。

与现有多针静电纺丝机以及无针静电纺丝机相比，本发明设计的气流助力式静电纺丝装置可胜任高浓度的纺丝液的电纺纳米纤维膜生产，且生产效率高，喷丝量大，易清洗。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步说明本发明，不构成对本发明申请权利的限制。

实施例1

将称量好的PVDF(FR904)粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺和丙酮体积比为7:3的混合溶剂中，配制成固含量为14％的PVDF电纺丝溶液,在恒温60℃～80℃之间搅拌溶解形成均一透明溶液。

将配制好的固含量为14％的PVDF电纺丝溶液打入供液箱，根据要求预设纺丝条件：电压80kv，接收辊与喷头之间的距离为200mm，接收辊的转速为0.3rpm，三组喷头，每组喷头16个针头。将液体打入小储液箱(60、61、62)中，打开气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)到0.2MPa，对小储液箱中的纺丝液进行气流加压，同时打开鼓风气体流量阀到0.4MPa,开始进行静电纺丝。

得到的纳米纤维膜通过除静电，喷涂表面活性剂，进一步在一定温度下进行辊轧热处理，放入80℃的真空干燥箱中放置2天，得到最终的纳米纤维膜。通过测量，纳米纤维膜的厚度为20-25um左右，纤维的平均直径为100-300um，拉伸强度为12-16MPa.孔隙率为50-60％。

实施例2

将称量好的PVDF(FR904)粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺和丙酮体积比为7:3的混合溶剂中，配制成固含量为20％的PVDF电纺丝溶液,在恒温60℃～80℃之间搅拌溶解形成均一透明溶液。

将配制好的固含量为20％的PVDF电纺丝溶液打入供液箱，根据要求预设纺丝条件：电压100kv，接收辊与喷头之间的距离为200mm，接收辊的转速为0.3rpm，三组喷头，每组喷头16个针头。将液体打入小储液箱(60、61、62)中，打开气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)到0.4MPa，对小储液箱中的纺丝液进行气流加压，同时打开鼓风气体流量阀到0.4MPa,开始进行静电纺丝。

得到的纳米纤维膜通过除静电，喷涂表面活性剂，进一步在一定温度下进行辊轧热处理，放入80℃的真空干燥箱中放置2天，得到最终的纳米纤维膜。通过测量，纳米纤维膜的厚度为20-25um左右，纤维的平均直径为100-400um，拉伸强度为12-19MPa.孔隙率为50-60％。

实施例3

将称量好的PVDF(FR904)粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺和丙酮体积比为7:3的混合溶剂中，配制成固含量为25％的PVDF电纺丝溶液,在恒温60℃～80℃之间搅拌溶解形成均一透明溶液。

将配制好的固含量为25％的PVD电纺丝溶液打入供液箱，根据要求预设纺丝条件：电压120kv，接收辊与喷头之间的距离为200mm，接收辊的转速为0.3rpm，三组喷头，每组喷头16个针头。将液体打入小储液箱(60、61、62)中，打开气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)到0.4MPa，对小储液箱中的纺丝液进行气流加压，同时打开鼓风气体流量阀到0.4MPa,开始进行静电纺丝。

得到的纳米纤维膜通过除静电，喷涂表面活性剂，进一步在一定温度下进行辊轧热处理，放入80℃的真空干燥箱中放置2天，得到最终的纳米纤维膜。通过测量，纳米纤维膜的厚度为20-25um左右，纤维的平均直径为200-500um，拉伸强度为15-26MPa.孔隙率为45-55％。

实施例4

将称量好的PAN(聚丙烯腈)溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，配制成固含量为14％的PAN电纺丝溶液,在恒温75℃～85℃之间搅拌溶解形成均一溶液。

将配制好的固含量为14％的PAN电纺丝溶液打入供液箱，根据要求预设纺丝条件：电压80kv，接收辊与喷头之间的距离为200mm，接收辊的转速为0.3rpm，三组喷头，每组喷头16个针头。将液体打入小储液箱(60、61、62)中，打开气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)到0.2MPa，对小储液箱中的纺丝液进行气流加压，同时打开鼓风气体流量阀到0.4MPa,开始进行静电纺丝。

得到的纳米纤维膜通过除静电，喷涂表面活性剂，进一步在一定温度下进行辊轧热处理，放入80℃的真空干燥箱中放置2天，得到最终的纳米纤维膜。通过测量，纳米纤维膜的厚度为20-25um左右，纤维的平均直径为100-300um，拉伸强度为11-16MPa.孔隙率为50-65％。

实施例5

将称量好的PAN溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，配制成固含量为20％的PAN电纺丝溶液,在恒温75℃～85℃之间搅拌溶解形成均一溶液。

将配制好的固含量为20％的PAN电纺丝溶液打入供液箱，根据要求预设纺丝条件：电压100kv，接收辊与喷头之间的距离为200mm，接收辊的转速为0.3rpm，三组喷头，每组喷头16个针头。将液体打入小储液箱(60、61、62)中，打开气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)到0.4MPa，对小储液箱中的纺丝液进行气流加压，同时打开鼓风气体流量阀到0.4MPa,开始进行静电纺丝。

得到的纳米纤维膜通过除静电，喷涂表面活性剂，进一步在一定温度下进行辊轧热处理，放入80℃的真空干燥箱中放置2天，得到最终的纳米纤维膜。通过测量，纳米纤维膜的厚度为20-25um左右，纤维的平均直径为100-400um，拉伸强度为12-19MPa.孔隙率为50-60％。

实施例6

将称量好的PAN溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，配制成固含量为25％的PAN电纺丝溶液,在恒温75℃～85℃之间搅拌溶解形成均一溶液。

将配制好的固含量为25％的PVD电纺丝溶液打入供液箱，根据要求预设纺丝条件：电压120kv，接收辊与喷头之间的距离为200mm，接收辊的转速为0.3rpm，三组喷头，每组喷头16个针头。将液体打入小储液箱(60、61、62)中，打开气流助力系统，调节气体流量阀(40、41、42)到0.4MPa，对小储液箱中的纺丝液进行气流加压，同时打开鼓风气体流量阀到0.4MPa,开始进行静电纺丝。

得到的纳米纤维膜通过除静电，喷涂表面活性剂，进一步在一定温度下进行辊轧热处理，放入80℃的真空干燥箱中放置2天，得到最终的纳米纤维膜。通过测量，纳米纤维膜的厚度为20-25um左右，纤维的平均直径为200-500um，拉伸强度为15-26MPa.孔隙率为45-55％。

Claims (8)

1.一种气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，包括纺丝箱体和静电发生系统，所述纺丝箱体内部为加工空腔，所述加工空腔中部安装接收系统的接收辊，所述接收辊上设有负极端，所述静电发生系统的负极与所述负极端连接，其特征在于：所述静电纺丝装置还包括气流助力式组合喷头，所述气流助力式组合喷头包括喷头组件和小储液箱，所述喷头组件的前端喷孔出口伸入所述加工空腔内，各个喷头组件的前端喷口出口距离所述接收辊之间的距离均相等，所述喷头组件的后端与所述小储液箱连通，所述小储液箱设有液体接口和气体接口，所述液体接口通过纺丝计量泵与供液系统连接，所述气体出口通过气体流量阀与高压供气系统连接，所述小储液箱设有正极端，所述静电发生系统的正极与所述正极端连接。

2.如权利要求1所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：在所述流助力式组合喷头的侧边安装从喷头方向顺着喷丝方向的鼓风头，所述鼓风头与所述鼓风管连通，所述鼓风管与温度及湿度可控的鼓风系统连接。

3.如权利要求1或2所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：所述接收系统包括接收辊、导向辊和牵引带，所述牵引带套装在所述接收辊、导向辊上。

4.如权利要求3所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：所述牵引带还套装在收卷辊上，所述导向辊与收卷辊之间的牵引带侧边安装静电消除机构。

5.如权利要求4所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：所述静电消除机构包括反向电荷除静电棒。

6.如权利要求4所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：所述静电消除机构包括装有表面活性剂的喷嘴。

7.如权利要求3所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：所述接收辊为镜面圆柱接收辊或是履带式镜面接收钢带。

8.如权利要求1或2所述的气流助力式连续纳米纤维膜静电纺丝装置，其特征在于：所述加工空腔的横截面为半圆形，所述气流助力式组合喷头有至少两个，气流助力式组合喷头等圆弧间隔设置在所述半圆形加工空腔。