CN104120499B - 一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法，其装置主要包括旋转喷头、接收板、凹型支架、毛刷供料系统、挡板、电机和静电发生器，凹型支架由凹型槽和支撑轴承组成，旋转喷头置于支撑轴承上；毛刷供料系统由毛刷、注射腔和微流量计量泵组成，毛刷尖端直线与旋转喷头轴心线平行，且毛刷与旋转喷头接触；挡板置于凹型槽上，其上圆柱形刮片与旋转喷头相距一定距离；电机通过带传动控制旋转喷头进行旋转运动；接收板置于旋转喷头上端；静电发生器高压输出端连接支撑轴承，静电发生器接地端和接收板同时接地；接收板由导电金属制成。本发明方法中纺丝溶液通过毛刷被均匀地刷到旋转喷头上，形成厚度可控溶液膜，毛刷结构克服喷头式易堵塞现象。

Description

一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法
技术领域
本发明涉及一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。
背景技术
纳米纤维毡直径小，孔隙率高，比表面积大，因此可被应用于空气过滤、水处理、锂电池隔膜等众多领域。然而传统针孔式静电纺丝装置在产业化道路上有两大瓶颈。一是持续纺丝时针孔易堵塞，需要定时清理，耗时耗力。二是单针孔纺丝效率极低，仅为100-1000mg/h。而多针孔纺丝装置流道设计复杂，设备成本较高。无针式静电纺丝装置为近年来静电纺丝领域的研究热点，研究者们先后提出滚筒式、圆盘式、螺旋线式、锥面式、线型式纺丝喷头。近年来专利包括《螺旋叶片纳米纤维发生器及静电螺旋纺丝装置》(申请号201020650021.5)、《一种直线型高效静电纺丝喷头》(申请号201220629729.1)、《一种线性射流无喷头式静电纺丝装置》(申请号201310596562.2)等。这类装置一般是利用喷头的旋转或熔体在圆面的流动附着等供料方式形成溶液或熔体自由表面，在静电场的作用下溶液或熔体自由表面形成多个泰勒锥，最后泰勒锥被电场力拉伸为超细纤维。然而这类供料方式无法精确控制溶液自由表面膜的厚度和均匀性。同时，这类供料方式的溶液池一般为开放状态，纺丝时池中溶液迅速挥发，会影响纺丝溶液的浓度和纺丝纤维的均匀性。因此目前急需一种精确控制溶液膜厚度的封闭型供料方式的静电纺丝装置及方法，以实现纳米纤维的产业化生产。
发明内容
本发明提出一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法，利用毛刷在喷头上的旋转运动，将溶液均匀地刷到喷头上，通过调节毛刷和挡板与喷头的距离，实现溶液膜厚度的可控性同时防止了溶液的挥发。
实现上述目的的方案是，一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，主要包括旋转喷头、接收板、凹型支架、毛刷供料系统、挡板、电机和静电发生器。其中凹型支架由凹型槽和支撑轴承组成，旋转喷头置于支撑轴承上；毛刷供料系统由毛刷、注射腔和微流量计量泵组成。毛刷尖端直线与旋转喷头轴心线平行，且毛刷与旋转喷头接触；挡板置于凹型槽上，其上圆柱形刮片与旋转喷头相距一定距离，一般可选0.3-1mm；电机通过带传动控制旋转喷头进行旋转运动；接收板置于旋转喷头上端，保持接收距离为10-40mm；静电发生器高压输出端连接支撑轴承，静电发生器接地端和接收板同时接地。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中旋转喷头可为滚筒式或螺旋线式，并由钢、铜等导电金属制成，当旋转喷头为滚筒式时，滚筒中部可为空心或实心。旋转喷头直径为100-500mm，长为100-1000mm，当旋转喷头为螺旋线式时，螺旋线直径为3-10mm，并保证一定的强度和刚度。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中接收板由钢、铜等导电金属制成，接收面为边长大于旋转喷头长度100-300mm的正方形，通过调节接收板与旋转喷头的间距可以得到不同直径和表面形态的电纺纤维。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中凹型槽内径比旋转喷头内径大1-5mm，以便收集从旋转喷头上滴落的溶液，防止溶液滴落在容器外面。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中支撑轴承内径为10-30mm，静电发生器正极与支撑轴承相连。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中毛刷由动植物纤维或化纤制成，具有一定的强度和弹性，可抵抗纺丝溶液的腐蚀。毛刷的刷毛顶端直线长度略小于旋转喷头长度，纺丝时，刷毛顶端与旋转喷头紧密接触。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中注射腔由有机玻璃制成，其上有刻度，可精确控制溶液的使用量。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中微流量计量泵控制纺丝溶液的供料速率，实现微流量供料。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其中挡板顶端为圆柱形结构，过厚溶液膜滑过挡板时被挂下来，从而实现旋转喷头上溶液膜最大厚度的可控性。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其使用方法步骤为：先配置好纺丝溶液，并注入注射腔中；然后调节好挡板与旋转喷头的间距；纺丝时，开启电机带动旋转喷头转动，再开启微流量计量泵；此时纺丝溶液通过毛刷被均匀地刷到旋转喷头上，形成一层厚度可控的溶液膜；最后开启静电发生器，溶液膜表面在高压电场的作用下于旋转喷头上形成众多泰勒锥；溶液射流从泰勒锥中喷出，被接收板接收，形成纳米纤维。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法，其有益效果为：
(1)与针孔式静电纺丝装置相比，该装置结构简单，同时成倍地提高了产量并消除了针孔喷头易堵塞的现象。
(2)与溶液附着式供料系统相比，该装置可精确控制溶液膜厚度，同时防止溶液的挥发，实现了电纺纤维直径的均匀性。
(3)本发明装置及方法使用简单，且具有模块化扩展性，能用于产业化生产或实验室研究等各个领域。
附图说明
图1是本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置结构示意图。
图2是图1所示本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置的凹型支架和毛刷供料系统示意图。
图3是图1本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置的挡板示意图。
图中：1-旋转喷头，2-接收板，3-凹型支架，4-毛刷供料系统，5-挡板，6-电机，7-静电发生器，8-毛刷，9-注射腔，10-微流量计量泵，11-凹型槽，12-支撑轴承。
具体实施方式
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法，如图1所示，装置主要包括旋转喷头1、接收板2、凹型支架3、毛刷供料系统4、挡板5、电机6和静电发生器7。其中凹型支架3由凹型槽11和支撑轴承12组成，旋转喷头1置于支撑轴承12上；毛刷供料系统4由毛刷8、注射腔9和微流量计量泵10组成。毛刷8尖端直线与旋转喷头1轴心线平行，且毛刷8与旋转喷头1接触；挡板5置于凹型槽11上，其上圆柱形刮片与旋转喷头1相距0.3-1mm；电机6通过带传动控制旋转喷头1进行旋转运动；接收板2置于旋转喷头1上端，保持接收距离为10-40mm；静电发生器7高压输出端连接支撑轴承12，静电发生器7接地端和接收板2同时接地。
本发明一种毛刷供料式无针静电纺丝装置及方法，其使用方法步骤为：先将配制好的纺丝溶液注入注射腔9中。然后调节好挡板5与旋转喷头1的间距。纺丝时，开启电机6带动旋转喷头1转动，再开启微流量计量泵10。此时纺丝溶液通过毛刷8被刷到旋转喷头1上，形成一层很薄的溶液膜。而挡板可将部分过厚的溶液从旋转喷头上刮入凹形槽中，保证溶液膜的均匀度。最后开启静电发生器7，溶液膜表面在高压电场的作用下于旋转喷头1上形成众多泰勒锥。溶液射流从泰勒锥中喷出，最终被接收板接收，形成纳米纤维。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，配制质量分数为10％的完全醇解聚乙烯醇(PVA1699)溶液。旋转喷头为滚筒式，直径200mm，长400mm，电机转速为20r/min，挡板与旋转喷头间距为1mm，接收板和旋转喷头顶端间距为15mm，静电发生器电压90KV，微流量计量泵供料速度为120g/h。最后得电纺纤维直径为100-500nm之间,直径分布均匀。

Claims (9)

1.一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：主要包括旋转喷头、接收板、凹型支架、毛刷供料系统、挡板、电机和静电发生器，凹型支架由凹型槽和支撑轴承组成，旋转喷头置于支撑轴承上；毛刷供料系统由毛刷、注射腔和微流量计量泵组成，毛刷尖端直线与旋转喷头轴心线平行，且毛刷与旋转喷头接触；挡板置于凹型槽上，其上圆柱形刮片与旋转喷头相距一定距离；电机通过带传动控制旋转喷头进行旋转运动；接收板置于旋转喷头上端；静电发生器高压输出端连接支撑轴承，静电发生器接地端和接收板同时接地；接收板由导电金属制成；毛刷由动植物纤维或化纤制成，具有一定的强度和弹性及抵抗纺丝溶液的腐蚀，毛刷的刷毛顶端直线长度略小于旋转喷头长度，刷毛顶端与旋转喷头紧密接触。
2.根据权利要求1所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：圆柱形刮片与旋转喷头相距一定距离为0.3-1mm。
3.根据权利要求1所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：接收板置于旋转喷头上端，保持接收距离为10-40mm。
4.根据权利要求1所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：旋转喷头为滚筒式或螺旋线式，并由导电金属制成。
5.根据权利要求4所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：旋转喷头为滚筒式，滚筒中部可为空心或实心，旋转喷头直径为100-500mm，长为100-1000mm。
6.根据权利要求4所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：旋转喷头为螺旋线，螺旋线直径为3-10mm。
7.根据权利要求1所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：凹型槽内径比旋转喷头内径大1-5mm。
8.根据权利要求1所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置，其特征在于：支撑轴承内径为10-30mm。
9.采用权利要求1所述的一种毛刷供料式无针静电纺丝装置进行纺丝的方法，其特征在于：先配置好纺丝溶液，并注入注射腔中；然后调节好挡板与旋转喷头的间距；纺丝时，开启电机带动旋转喷头转动，再开启微流量计量泵；此时纺丝溶液通过毛刷被均匀地刷到旋转喷头上，形成一层厚度可控的溶液膜；最后开启静电发生器，溶液膜表面在高压电场的作用下于旋转喷头上形成众多泰勒锥；溶液射流从泰勒锥中喷出，被接收板接收，形成纳米纤维。
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