CN104862788A - 喷气辅助多针头静电纺丝装置及其制备纳米纤维网的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，包括具有辅助喷气功能的喷丝板，喷丝板上设置有多个金属针头，每个金属针头头端通过导线串联，导线与直流高压发生器正极连接，每个金属针头的尾端通过导液管与注射器连接，注射器由微量注射泵驱动；喷丝板下方设置接收装置，接收装置与直流高压发生器负极连接。本发明将多针头喷丝板作为一个纺丝模块，在此基础上通过增加辅助喷气功能，以提高纺丝溶剂的挥发速度，加快射流的固化及运行速度，从而提高纳米纤维的单位时间产量，同时喷气气流对纤维具有一定的牵伸作用，可获得直径更细的纳米纤维。
Description
技术领域
本发明属于纺织机械技术领域，涉及一种静电纺丝装置，具体涉及一种喷气辅助多针头静电纺丝装置,本发明还涉及利用该装置制备纳米纤维网的方法。
背景技术
静电纺丝方法是生产纳米纤维最为简单且成本低廉的方法，它是指带电荷的高分子溶液或熔体在高压电场中流动与变形，然后经溶剂挥发或熔体冷却而固化，最后得到纤维状物质的纺丝工艺。基于静电纺纳米纤维的尺寸效应，其在光学、热学、磁学、电学等方面表现出很好的理论研究价值。同时，其在服装、医药、能源、电子、航空等领域的实用价值也日益增强。
静电纺丝从发明以来经历了近80年的发展，仍然主要停留在实验室阶段，进行小规模的实验性制备。因此，提高静电纺丝纳米纤维单位时间产量，真正实现静电纺纳米纤维的大规模制备，是静电纺丝领域面临的真正挑战。
为了实现静电纺纳米纤维的批量化生产，无针头静电纺丝和多针头静电纺丝是目前学者们的研究重点。无针头静电纺丝通过在一个相对开放的区域形成较多射流，虽然提高了纤维产量，但其泰勒锥形貌和稳定性较难控制。多针头静电纺丝的优点是泰勒锥形貌可以较好控制，纤维细度较为均一，但是各个针头之间的干扰是其最大问题。若此问题能得到较好解决，多针头静电纺丝即可顺利实现质优量大的批量化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，以提高纳米纤维的单位时间产量和纤维网的均匀性，同时减小针头之间的相互干扰，并进一步减小纤维的细度。
本发明的另一目的是提供利用上述装置制备纳米纤维网的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，包括具有辅助喷气功能的喷丝板，喷丝板上设置有两个或两个以上金属针头，每个金属针头头端通过导线串联，导线与直流高压发生器正极连接，每个金属针头的尾端通过导液管与注射器连接，注射器由微量注射泵驱动；喷丝板下方设置接收装置，接收装置与直流高压发生器负极连接。
本发明的特点还在于，
具有辅助喷气功能的喷丝板由上面板和底座组成；
上面板为环形面板，环面上设置有进气嘴a，进气嘴a通过进气管a与空气压缩机连接；
底座中央设置有中心喷气孔，中心喷气孔通过螺纹与进气嘴b拧和，进气嘴b通过进气管b与空气压缩机连接，底座靠近外边缘处设置有环形槽，环形槽内沿圆周方向布置有多个外围喷气孔，中心喷气孔与环形槽之间设置有多个针孔，针孔用于安装金属针头；
上面板和底座边缘通过螺纹拧合，环形槽与上面板之间形成气仓，进气嘴a与气仓连通。
外围喷气孔设置有12个，针孔设置有8个。
接收装置包括用于接收纤维的辊筒，辊筒通过辊筒轴连接于辊筒支架上，辊筒轴与电机连接，辊筒与直流高压发生器负极连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种纳米纤维网的制备方法，所采用的喷气辅助多针头静电纺丝装置，包括具有辅助喷气功能的喷丝板，喷丝板上设置有两个或两个以上金属针头，每个金属针头头端通过导线串联，导线与直流高压发生器正极连接，每个金属针头的尾端通过导液管与注射器连接，注射器由微量注射泵驱动；喷丝板下方设置接收装置，接收装置与直流高压发生器负极连接；
具有辅助喷气功能的喷丝板由上面板和底座组成；
上面板为环形面板，环面上设置有进气嘴a，进气嘴a通过进气管a与空气压缩机连接；
底座中央设置有中心喷气孔，中心喷气孔通过螺纹与进气嘴b拧和，进气嘴b通过进气管b与空气压缩机连接，底座靠近外边缘处设置有环形槽，环形槽内沿圆周方向布置有多个外围喷气孔，中心喷气孔与环形槽之间设置有多个针孔，针孔用于安装金属针头；
上面板和底座边缘通过螺纹拧合，环形槽与上面板之间形成气仓，进气嘴a与气仓连通。
外围喷气孔设置有12个，针孔设置有8个。
接收装置包括用于接收纤维的辊筒，辊筒通过辊筒轴连接于辊筒支架上，辊筒轴与电机连接，辊筒与直流高压发生器负极连接。
具体按照以下步骤实施：
将纺丝液注入上述装置的注射器内，在室温、相对湿度为40％～60％的环境中，开启微量注射泵，待纺丝液正常流通，调整流速，开启直流高压发生器，控制电压与流速相匹配，然后开启空气压缩机，控制气流速度，金属针头与收集辊筒之间形成电场，静电纺射流从金属针头顶部形成的球状液滴顶端喷出，并在电场和辅助气流的共同作用下拉伸，以螺旋状运动轨迹沉积到辊筒的表面，同时开启电机驱动辊筒转动；最终，在辊筒的表面收集到纳米纤维膜。
本发明的特点还在于，
辊筒与金属针头之间的接收距离为100mm～200mm。
金属针头的内径为0.5mm～2mm。
直流高压发生器控制金属针头的电压为20kV～40kV。
微量注射泵控制溶液流速为0.3mL/h～0.5mL/h，气流速度为4～6m/s。
辊筒的旋转速度为200r/min～500r/min。
本发明的有益效果是，本发明将多针头喷丝板作为一个纺丝模块，在此基础上通过增加辅助喷气功能，以提高纺丝溶剂的挥发速度，加快射流的固化及运行速度，从而提高纳米纤维的单位时间产量，同时喷气气流对纤维具有一定的牵伸作用，可获得直径更细的纳米纤维。
附图说明
图1是本发明一种喷气辅助多针头静电纺丝装置的结构示意图；
图2是本发明静电纺丝装置中喷丝板的俯视图；
图3是本发明静电纺丝装置中喷丝板的仰视图。
图中1.辊筒支架，2.电机，3.辊筒，4.上面板，5.金属针头，6.空气压缩机，7.进气嘴a，8.进气管a，9.进气管b，10.进气嘴b，11.注射器，12.导液管，13.微量注射泵，14.纤维，15.底座，16.导线，17.直流高压发生器，18.辊筒轴，19.针孔，20.外围喷气孔，21.中心喷气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种喷气辅助多针头静电纺丝装置其结构如图1所示，包括具有辅助喷气功能的喷丝板，所述喷丝板上设置有两个或两个以上金属针头5，每个金属针头5头端通过导线16串联，导线16与直流高压发生器17正极连接，每个金属针头5的尾端通过导液管12与注射器11连接，注射器11由微量注射泵13驱动；喷丝板下方设置接收装置，接收装置与直流高压发生器17负极连接。
其中具有辅助喷气功能的喷丝板由上面板4和底座15组成；
如图2所示，上面板4为环形面板，环面上设置有进气嘴a7，进气嘴a7通过进气管a8与空气压缩机6连接；
如图3所示，底座15中央设置有中心喷气孔21，中心喷气孔21通过螺纹与进气嘴b10拧和，进气嘴b10通过进气管b9与空气压缩机6连接，底座15靠近外边缘处设置有环形槽，环形槽内沿圆周方向布置有多个外围喷气孔20，中心喷气孔21与环形槽之间设置有多个针孔19，针孔19用于安装金属针头5；
上面板4和底座15边缘通过螺纹拧合，环形槽与上面板4之间形成气仓，进气嘴a7与气仓连通。
外围喷气孔20沿圆周方向均匀布置有12个；针孔19沿圆周方向均匀布置有8个。
接收装置包括用于接收纤维的辊筒3，辊筒3通过辊筒轴18连接于辊筒支架1上，辊筒轴18与电机2连接，辊筒3与直流高压发生器17负极连接。
金属针头5的内径为0.5mm～2mm；辊筒3与金属针头5之间的接收距离为100mm～200mm；进气嘴a7直径为12mm；进气嘴b10的直径为62mm。
利用喷气辅助多针头静电纺丝装置制备纳米纤维网的方法，具体按照以下步骤实施：
将纺丝液注入上述装置的注射器11内，在室温、相对湿度为40％～60％的环境中，开启微量注射泵13，待纺丝液正常流通，调整流速，开启直流高压发生器17，控制电压(20kV～40kV)与流速(0.3mL/h～0.5mL/h)相匹配，然后开启空气压缩机6，控制气流速度为4～6m/s，接收距离为100mm～200mm，金属针头5与收集辊筒3之间形成电场，静电纺射流从金属针头5顶部形成的球状液滴顶端喷出，并在电场和辅助气流的共同作用下拉伸，以螺旋状运动轨迹沉积到辊筒3的表面，同时开启电机2驱动辊筒3转动。最终，在辊筒3的表面收集到纳米纤维网。
实施例1：
将聚丙烯腈(PAN)溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，配置成浓度为13wt％的纺丝液。将纺丝液注入到多针头静电纺丝装置的注射器11中，在室温、相对湿度为40％的环境中，开启微量注射泵13，待纺丝液正常流通，设置流速为0.3mL/h，开启直流高压发生器17，控制电压为20kV，然后开启空气压缩机6，控制气流速度为4m/s。静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到辊筒3的表面，针头5与辊筒3之间的接收距离为100mm，此时开启电机2驱动辊筒3转动，转速为200r/min。实验结果表明，利用此静电纺丝设备纺丝，纳米纤维的单位时间产量提高了50％，纤维的细度下降了20％，同时有效改善了纤维网的均匀性。
实施例2：
将聚乙烯醇(PVA)1788粉末溶解在70℃蒸馏水中，配置成浓度为16wt％的纺丝液。将纺丝液注入到多针头静电纺丝装置的注射器11中，在室温、相对湿度为60％的环境中，开启微量注射泵13，待纺丝液正常流通，设置流速为0.5mL/h，开启直流高压发生器17，控制电压为40kV，然后开启空气压缩机6，控制气流速度为5m/s。静电纺射流以螺旋状的运动轨迹沉积到辊筒3的表面，针头5与辊筒3之间的接收距离为200mm，此时开启电机2驱动辊筒3转动，转速为500r/min。实验结果表明，利用此静电纺丝设备纺丝，纳米纤维的单位时间产量提高了60％，纤维的细度下降了25％，同时有效改善了纤维网的均匀性。
实施例3：
将聚氧化乙烯(PEO)溶解在60℃蒸馏水中，配置成浓度为14wt％的纺丝液。将纺丝液注入到多针头静电纺丝装置的注射器11中，在室温、相对湿度为50％的环境中，开启微量注射泵13，待纺丝液正常流通，设置流速为0.4mL/h，开启直流高压发生器17，控制电压为30kV，然后开启空气压缩机6，控制气流速度为6m/s。静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到辊筒3的表面，针头5与辊筒3之间的接收距离为150mm，此时开启电机2驱动辊筒3转动，转速为350r/min。实验结果表明，利用此静电纺丝设备纺丝，纳米纤维的单位时间产量提高了55％，纤维的细度下降了20％，同时有效改善了纤维网的均匀性。
Claims (10)
1.一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，其特征在于，包括具有辅助喷气功能的喷丝板，所述喷丝板上设置有两个或两个以上金属针头(5)，每个金属针头(5)头端通过导线(16)串联，导线(16)与直流高压发生器(17)正极连接，每个金属针头(5)的尾端通过导液管(12)与注射器(11)连接，注射器(11)由微量注射泵(13)驱动；所述喷丝板下方设置接收装置，接收装置与直流高压发生器(17)负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，其特征在于，所述具有辅助喷气功能的喷丝板由上面板(4)和底座(12)组成；
所述上面板(4)为环形面板，环面上设置有进气嘴a(7)，进气嘴a(7)通过进气管a(8)与空气压缩机(6)连接；
所述底座(15)中央设置有中心喷气孔(21)，中心喷气孔(21)通过螺纹与进气嘴b(10)拧和，进气嘴b(10)通过进气管b(9)与空气压缩机(6)连接，底座(15)靠近外边缘处设置有环形槽，环形槽内沿圆周方向布置有多个外围喷气孔(20)，中心喷气孔(21)与环形槽之间设置有多个针孔(19)，针孔(19)用于安装金属针头(5)；
所述上面板(4)和底座(15)边缘通过螺纹拧合，环形槽与上面板(4)之间形成气仓，进气嘴a(7)与气仓连通。
3.根据权利要求2所述的一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，其特征在于，所述外围喷气孔(20)设置有12个，针孔(19)设置有8个。
4.根据权利要求1所述的一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，其特征在于，所述接收装置包括用于接收纤维的辊筒(3)，辊筒(3)通过辊筒轴(18)连接于辊筒支架(1)上，辊筒轴(18)与电机(2)连接，辊筒(3)与直流高压发生器(17)负极连接。
5.一种纳米纤维网的制备方法，其特征在于，所采用的喷气辅助多针头静电纺丝装置，包括具有辅助喷气功能的喷丝板，所述喷丝板上设置有两个或两个以上金属针头(5)，每个金属针头(5)头端通过导线(16)串联，导线(16)与直流高压发生器(17)正极连接，每个金属针头(5)的尾端通过导液管(12)与注射器(11)连接，注射器(11)由微量注射泵(13)驱动；所述喷丝板下方设置接收装置，接收装置与直流高压发生器(17)负极连接；
所述具有辅助喷气功能的喷丝板由上面板(4)和底座(15)组成；
所述上面板(4)为环形面板，环面上设置有进气嘴a(7)，进气嘴a(7)通过进气管a(8)与空气压缩机(6)连接；
所述底座(15)中央设置有中心喷气孔(21)，中心喷气孔(21)通过螺纹与进气嘴b(10)拧和，进气嘴b(10)通过进气管b(9)与空气压缩机(6)连接，底座(15)靠近外边缘处设置有环形槽，环形槽内沿圆周方向布置有多个外围喷气孔(20)，中心喷气孔(21)与环形槽之间设置有多个针孔(19)，针孔(19)用于安装金属针头(5)；
所述上面板(4)和底座(15)边缘通过螺纹拧合，环形槽与上面板(4)之间形成气仓，进气嘴a(7)与气仓连通；
所述外围喷气孔(20)设置有12个，针孔(19)设置有8个；
所述接收装置包括用于接收纤维的辊筒(3)，辊筒(3)通过辊筒轴(18)连接于辊筒支架(1)上，辊筒轴(18)与电机(2)连接，辊筒(3)与直流高压发生器(17)负极连接；
具体按照以下步骤实施：
将纺丝液注入上述装置的注射器(11)内，在室温、相对湿度为40％～60％的环境中，开启微量注射泵(13)，待纺丝液正常流通，调整流速，开启直流高压发生器(17)，控制电压与流速相匹配，然后开启空气压缩机(6)，控制气流速度，金属针头(5)与收集辊筒(3)之间形成电场，静电纺射流从金属针头(5)顶部形成的球状液滴顶端喷出，并在电场和辅助气流的共同作用下拉伸，以螺旋状运动轨迹沉积到辊筒(3)的表面，同时开启电机(2)驱动辊筒(3)转动；最终，在辊筒(3)的表面收集到纳米纤维网。
6.根据权利要求5所述的纳米纤维网的制备方法，其特征在于，所述辊筒(3)与金属针头(5)之间的接收距离为100mm～200mm。
7.根据权利要求5所述的纳米纤维网的制备方法，其特征在于，所述金属针头(5)的内径为0.5mm～2mm。
8.根据权利要求5所述的纳米纤维网的制备方法，其特征在于，所述直流高压发生器(17)控制金属针头(5)的电压为20kV～40kV。
9.根据权利要求5所述的纳米纤维网的制备方法，其特征在于，所述微量注射泵(13)控制的溶液流速为0.3mL/h～0.5mL/h，气流速度为4～6m/s。
10.根据权利要求5所述的纳米纤维网的制备方法，其特征在于，所述辊筒(3)的旋转速度为200r/min～500r/min。
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