CN104593880A - 一种聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置，其特征在于，包括存放纺丝溶液或熔体的储液槽，所述的储液槽内设有多根金属丝，金属丝与金属丝驱动机构连接并可在金属丝驱动机构的带动下向上运动到一个位于丝溶液或熔体的液面上方的位置并从该位置下降到纺丝溶液或熔体中，金属丝和高压静电发生器的正极连接，高压静电发生器的负极连接纤维毡接收装置，纤维毡接收装置位于储液槽的正上方。本发明通过金属丝表面的纺丝溶液由于Rayleigh-Plateau不稳定现象形成连续的小液滴，在高压静电场作用下产生大量射流，避免了传统喷丝头易堵塞、难清洗、效率低下等缺陷，该装置操作简便，生产效率高，可实现纳米纤维的批量化生产。

Description

一种聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及一种生产聚合物纳米纤维的静电纺丝装置，尤其是一种可批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。
背景技术
纳米纤维由于其直径小，尺寸效应十分显著，在光、热、电、磁等方面显示出很多新奇的特性，在生物医用、纺织服装、过滤、生物医用等领域具有广泛的应用价值。静电纺丝是通过将聚合物纺丝溶液或熔体施加电场而形成连续纤维的纺丝技术。目前，静电纺丝技术是一种制备纳米纤维简单而有效的方法，得到了学术界和产业界的广泛关注。
传统的静电纺丝装置一般由4部分组成：高压发生器、注射泵、毛细管和金属接收装置。在静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体通过外接高压发生器而带上几千乃至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力足够大时，在泰勒锥的锥尖电场力克服溶液表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纵横交错的微细纳米纤维网。
但到目前为止，传统的静电纺丝技术只采用单针头作为喷丝头，生产效率很低(0.01-0.1g/h)，这大大限制了静电纺纳米纤维的应用范围。较低的产量也是静电纺丝技术从实验室走向产业化应用的主要障碍。在之前的研究中，为了提高静电纺丝的生产效率，研究人员对纺丝喷头进行了较多改进，但多数只是通过增加单针头数量并对其进行排列组合来提高生产效率。这种改进虽在一定程度上增加了射流的根数从而提高了静电纺丝的产量，但是单针头或针头式喷丝孔之间的电场存在严重的相互干扰，难以获得大规模的推广。而且，传统静电纺丝工艺的输液速率较慢，纺丝溶液流量较小，增加输液速率的方法无法保证纺丝过程的稳定性，故无法进行正常生产。另外，受纺丝液粘性和可纺性的影响，喷丝孔直径多属于微米级，纺丝时因溶剂挥发过快会出现针头堵塞现象，导致纺丝过程中断，降低生产效率。因此，实现静电纺纳米纤维的批量化生产已经成为纳米纤维产业化进程中的关键性问题。
发明内容
本发明的目的是针对传统静电纺丝装置效率低下、喷丝头易堵塞、难清洗、无法用于产业化等问题，提供一种可以批量化生产纳米纤维的静电纺丝装置。利用该装置可以实现纳米纤维的批量化生产，以满足市场对纳米纤维毡的需求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置，其特征在于，包括存放纺丝溶液或熔体的储液槽，所述的储液槽内设有多根金属丝，金属丝与金属丝驱动机构连接并可在金属丝驱动机构的带动下向上运动到一个位于丝溶液或熔体的液面上方的位置并从该位置下降到纺丝溶液或熔体中，金属丝和高压静电发生器的正极连接，高压静电发生器的负极连接纤维毡接收装置，纤维毡接收装置位于储液槽的正上方。
优选地，所述的金属丝平行排列，分为两组，所有奇数根构成第一组，所有偶数根构成第二组，所述的金属丝驱动机构共有两个，分别为第一金属丝驱动机构和第二金属丝驱动机构，第一金属丝驱动机构和第二金属丝驱动机构分别连接并驱动第一组金属丝和第二组金属丝，两组金属丝交替上升和下降。
优选地，所述的纤维毡接收装置包括金属收集板，金属收集板与高压静电发生器的负极连接并接地，金属收集板的两端分别设于两个圆辊上，圆辊可在电机的驱动下旋转并带动金属收集板在两个圆辊之间移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过金属丝表面的纺丝溶液由于Rayleigh-Plateau不稳定现象形成连续的小液滴，在高压静电场作用下产生大量射流，避免了传统喷丝头易堵塞、难清洗、效率低下等缺陷，该装置操作简便，生产效率高，可实现纳米纤维的批量化生产。
附图说明
图1为聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例
如图1所示，为聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置结构示意图，所述的聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置，包括存放纺丝溶液或熔体的储液槽2，所述的储液槽2为聚四氟乙烯材质的立方体开口槽。
所述的储液槽2内设有多根金属丝4，金属丝4与金属丝驱动机构连接并可在金属丝驱动机构的带动下向上运动到一个位于纺丝溶液或熔体的液面上方的位置并从该位置下降到纺丝溶液或熔体中，金属丝4和高压静电发生器8的正极连接，高压静电发生器8的负极连接纤维毡接收装置，所述的纤维毡接收装置包括金属收集板5，金属收集板5与高压静电发生器8的负极连接并接地，金属收集板5的两端分别设于两个圆辊6上，圆辊6可在电机7的驱动下旋转并带动金属收集板5在两个圆辊6之间移动，纤维毡接收装置位于储液槽2的正上方，在金属丝4与金属收集板5之间形成高压静电场。
所述的金属丝4平行排列，分为两组，所有奇数根构成第一组，所有偶数根构成第二组，所述的金属丝驱动机构共有两个，分别为第一金属丝驱动机构1和第二金属丝驱动机构3，第一金属丝驱动机构1和第二金属丝驱动机构3分别连接并驱动第一组金属丝和第二组金属丝，每一组分别由各自的金属丝驱动机构独立控制做周期性上下垂直间歇运动。当其中一组金属丝4通过液面上升到最高位置时，在该位置停留一段时间后下降至纺丝溶液或熔体中。金属丝4穿过溶液表面向上运动，当未施加高压电场时，金属丝表面覆盖的溶液由于Rayleigh-Plateau不稳定现象会在金属丝4表面形成连续的小液滴。施加电场后，这些小液滴在高压静电场作用下形成多根射流并同时喷向金属收集板5，最终在收集装置上形成大量的纳米纤维。经过一定时间，金属丝4表面覆盖的纺丝溶液或熔体逐渐减少，此时该组金属丝在其驱动机构的作用下开始做下降运动，另一组金属丝开始上升，在上升过程中亦形成多根射流，继续收集在金属收集板上。在纺丝过程中，任何时刻都保持有一组表面含有纺丝溶液的金属丝在溶液上方，而另一组浸没在溶液里面，两组金属丝交替上升、下降，并连续产生静电纺丝射流，实现纳米纤维的批量化制备。

Claims (3)

1.一种聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置，其特征在于，包括存放纺丝溶液或熔体的储液槽(2)，所述的储液槽(2)内设有多根金属丝(4)，金属丝(4)与金属丝驱动机构连接并可在金属丝驱动机构的带动下向上运动到一个位于丝溶液或熔体的液面上方的位置并从该位置下降到纺丝溶液或熔体中，金属丝(4)和高压静电发生器(8)的正极连接，高压静电发生器(8)的负极连接纤维毡接收装置，纤维毡接收装置位于储液槽(2)的正上方。
2.如权利要求1所述的聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置，其特征在于，所述的金属丝(4)平行排列，分为两组，所有奇数根构成第一组，所有偶数根构成第二组，所述的金属丝驱动机构共有两个，分别为第一金属丝驱动机构(1)和第二金属丝驱动机构(3)，第一金属丝驱动机构(1)和第二金属丝驱动机构(3)分别连接并驱动第一组金属丝和第二组金属丝，两组金属丝交替上升和下降。
3.如权利要求1所述的聚合物纳米纤维批量化生产的静电纺丝装置，其特征在于，所述的纤维毡接收装置包括金属收集板(5)，金属收集板(5)与高压静电发生器(8)的负极连接并接地，金属收集板(5)的两端分别设于两个圆辊(6)上，圆辊(6)可在电机(7)的驱动下旋转并带动金属收集板(5)在两个圆辊(6)之间移动。
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