CN104911721A - 一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其包括接收板、高压直流电源、溶液槽、电动机及与喷丝装置，所述喷丝装置采用多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧，所述多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧置于溶液槽上且保证针尖接触到聚合物溶液。本发明通过采用带有多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧作为喷丝装置，可以提高制备纳米纤维的产量，并能保证纳米纤维的质量；电场强度集中在针尖表面，与传统无针纺丝相比，微米甚至纳米级别厚度的纺丝液覆盖在针尖表面，同样的条件下纺丝需要较低的电压，也能得到直径更小的纳米纤维，整个装置结构简单，可操作性、可控性好。

Description

一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置

技术领域

本发明属于纺丝领域，尤其涉及一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置。

背景技术

纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率、直径和厚度可控等优点，在再生医学、高性能过滤、能量储存、微纳米电子和光学器件等领域得到了广泛的应用。制备纳米纤维的方法有多种，其中，静电纺丝技术被认为是最直接、最有效的制备纳米纤维的方法。

然而，一直以来，静电纺丝技术低产量的特点很大制约了纳米纤维的广泛应用。为了提高纳米纤维的产量，研究者提出了两种方法：一是多针头静电纺丝技术，二是无针静电纺丝技术。这两种方法在一定程度上提高了纺丝的产量，但也带来了很多的问题。多针头静电纺丝技术针头处容易堵塞，针头之间有很强的干扰。同时，多针头静电纺丝技术花费高、需要较多的劳动力，不适于大批量生产。对于无针静电纺丝技术来说，最重要的是产生足够多的聚合物带电射流。研究表明，当电压达到某个临界值时，纺丝液表面产生波动，从而产生射流。因此，射流的产生是不稳定的、不可控的过程，这造成了纺丝过程中需要很高的电压，得到的纳米纤维直径粗细不匀，可纺的聚合物种类受限等缺点。

因此，传统的批量化生产技术存在三个突出的问题，一是纺丝过程中需要较高的电压；二是可纺聚合物种类受限；三是同样条件下与传统单针头静电纺丝技术相比，得到的纳米纤维直径较大，且纤维直径分布较广。因此，如何既能制备高质量的纳米纤维又能大批量制备纳米纤维是纳米纤维工业化生产中一直以来的难题。

针对上述技术问题，有必要提供一种大批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大批量生产纳米纤维的纺丝装置，用以解决传统批量化纺丝过程中需要较高的电压、可纺聚合物种类受限、得到的纳米纤维直径较大，且纤维直径分布较广的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其包括接收板、与接收板连接的高压直流电源、用以贮存聚合物溶液的溶液槽、电动机及与电动机连接的喷丝装置，所述喷丝装置采用多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧，所述多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧置于溶液槽上且保证针尖接触到聚合物溶液。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于金属圆盘表面形成一圈，若干所述针尖等间距排布。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，所述针尖包括若干个，若干所述针尖为阵列排布，若干所述阵列排布的针尖安装于金属圆盘表面形成多圈，每一圈中的针尖等间距排布。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，相邻两圈之间等间距排布。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于螺旋片表面，若干所述针尖等间距排布。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于弹簧表面，若干所述针尖等间距排布。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，每根所述针尖有相同的长度和直径。

优选的，在上述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中，所述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置包括用以连接电动机与转轴的连接器。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果包括：

一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其包括接收板、与接收板连接的高压直流电源、用以贮存聚合物溶液的溶液槽、电动机及与电动机连接的喷丝装置，所述喷丝装置采用多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧，所述多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧置于溶液槽上且保证针尖接触到聚合物溶液。该技术方案通过采用带有多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧作为喷丝装置，聚合物带点射流的产生是主动的过程，这种主动的过程克服了以前无针静电纺丝过程不稳定、不可控的缺点，使得纺丝过程容易并稳定的进行，可以像传统单针头静电纺丝一样纺丝，解决了传统批量化纺丝过程中需要较高的电压、可纺聚合物种类受限、得到的纳米纤维直径较大，且纤维直径分布较广的缺陷。同时，这种纺丝装置简单，可操作性强，能满足大批量生产的要求。

所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于金属圆盘表面形成一圈，若干所述针尖等间距排布。该技术方案保证了纳米纤维的均匀性。

所述针尖包括若干个，若干所述针尖为阵列排布，若干所述阵列排布的针尖安装于金属圆盘表面形成多圈，每一圈中的针尖等间距排布，相邻两圈之间等间距排布。该技术方案保证了纳米纤维的均匀性。

所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于螺旋片表面，若干所述针尖等间距排布。该技术方案保证了纳米纤维的均匀性。

所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于弹簧表面，若干所述针尖等间距排布。该技术方案保证了纳米纤维的均匀性。

每根所述针尖有相同的长度和直径。该技术方案保证了纳米纤维的均一性。

所述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置包括用以连接电动机与转轴的连接器。该技术方案保证了圆盘旋转的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明批量生产纳米纤维的静电纺丝装置的示意图，其中喷丝装置采用多重-带针尖金属圆盘；

图2是本发明批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中带针尖螺旋片的示意图；

图3是本发明批量生产纳米纤维的静电纺丝装置中带针尖弹簧的示意图。

其中：1、接收板；2、高压直流电源；3、多重-带针尖金属圆盘；4、溶液槽；5、电动机；6、带针尖螺旋片；7、带针尖弹簧。

具体实施方式

本发明公开了一种大批量生产纳米纤维的纺丝装置，用以解决传统批量化纺丝过程中需要较高的电压、可纺聚合物种类受限、得到的纳米纤维直径较大，且纤维直径分布较广的缺陷，该批量生产纳米纤维的静电纺丝装置通过采用带有多重-带针尖金属圆盘或带针尖螺旋片或带针尖弹簧作为喷丝装置，可以提高制备纳米纤维的产量，并能保证纳米纤维的质量；电场强度集中在针尖表面，与传统无针纺丝相比，微米甚至纳米级别厚度的纺丝液覆盖在针尖表面，同样的条件下纺丝需要较低的电压，也能得到直径更小的纳米纤维，整个装置结构简单，可操作性、可控性好。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其包括接收板1、与接收板1连接的高压直流电源2、用以贮存聚合物溶液的溶液槽4、电动机5及与电动机5连接的喷丝装置。

如图1至图3所示，所述喷丝装置采用多重-带针尖金属圆盘3或带针尖螺旋片6或带针尖弹簧7，所述多重-带针尖金属圆盘3或带针尖螺旋片6或带针尖弹簧7置于溶液槽4上且保证针尖接触到聚合物溶液。该技术方案通过采用多重-带针尖金属圆盘3、带针尖螺旋片6或带针尖弹簧7作为喷丝装置，聚合物带点射流的产生是主动的过程，这种主动的过程克服了以前无针静电纺丝过程不稳定、不可控的缺点，使得纺丝过程容易并稳定的进行，可以像传统单针头静电纺丝一样纺丝，解决了传统批量化纺丝过程中需要较高的电压、可纺聚合物种类受限、得到的纳米纤维直径较大，且纤维直径分布较广的缺陷。同时，这种纺丝装置简单，可操作性强，能满足大批量生产的要求。

多重-带针尖金属圆盘3设有转轴，所述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置包括用以连接电动机5与转轴的连接器。此处所述的金属圆盘即为多重-带针尖金属圆盘3。如此通过旋转，带有聚合物溶液的针尖转到正对接收板1的地方时，才好主动的产生聚合物射流。多重-带针尖金属圆盘3或带针尖螺旋片6或带针尖弹簧7，都能主动的产生聚合物射流，使得纺丝过程可控、顺利进行。

针尖可以单排排布，即若干所述针尖安装于圆盘表面形成一圈，若干所述针尖可以采用等间距排布，如此可以保证纳米纤维的均匀性。当然，针尖也可以采用阵列排布，即若干所述阵列排布的针尖安装于圆盘表面形成多圈，每一圈中的针尖可以等间距排布，相邻两圈之间可以等间距排布。如此可以保证纳米纤维的均匀性。

在本发明的技术方案中，每根所述针尖有相同的长度和直径。如此保证了纳米纤维的均一性。多重-带针尖金属圆盘3的大小和数量可以改变，针尖的直径、长度和数量可以根据实际调节。电动机5转速可以根据实际情况调节。带针尖螺旋片或带针尖弹簧的直径和长度可以改变。

对于本发明而言，与传统的无针纺相比，每根覆盖有纺丝液的针尖就相当于一个射流，聚合物射流的产生是主动的过程。因此，纺丝过程是可控的。

电场强度集中在针尖表面，与传统无针纺相比，微米甚至纳米级别厚度的纺丝液覆盖在针尖表面，同样的条件下纺丝需要较低的电压，也能得到直径更小的纳米纤维。

本发明批量生产纳米纤维的静电纺丝装置的工作原理是(以多重-带针尖金属圆盘3进行描述，带针尖螺旋片6或带针尖弹簧7与之相同)：溶液槽4中的溶液有一定的黏度，多重-带针尖的金属圆盘3在电动机5的带动下绕轴转动，经过溶液槽4时，金属针尖换上沾满一层薄薄的溶液，高压直流电源2正极与电动机5转轴连接，负极与接收板1连接，这样在金属盘针尖和接收板之间形成电场，当电压达到某个临界值时，针尖上形成了一个个聚合物带点射流，射流经过摆动、溶剂挥发、固化过程，喷射到接收板1上，形成纳米纤维，电动机5不断旋转，多重-带针尖的金属圆盘3针尖上不断覆盖有聚合物溶液，这样就连续不断的大批量生产纳米纤维。

本发明的有益效果总体包括：多重-带针尖金属圆盘3、带针尖螺旋片6或带针尖弹簧7作为喷丝装置，聚合物带点射流的产生是主动的过程，这种主动的过程克服了以前无针静电纺丝过程不稳定、不可控的缺点，使得纺丝过程容易并稳定的进行，可以像传统单针头静电纺丝一样纺丝，解决了传统批量化纺丝过程中需要较高的电压、可纺聚合物种类受限、得到的纳米纤维直径较大，且纤维直径分布较广的缺陷。喷丝装置上每根针有相同的长度和直径，保证了制备的纳米纤维的均一性。纺丝装置只需要一个高压电源、一个电动机，装置简单，可操作性、可控性好，节约成本，适于工业化生产，能满足大批量生产的要求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (8)

1.一种批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其包括接收板(1)、与接收板(1)连接的高压直流电源(2)、用以贮存聚合物溶液的溶液槽(4)、电动机(5)及与电动机(5)连接的喷丝装置，其特征在于：所述喷丝装置采用多重-带针尖金属圆盘(3)或带针尖螺旋片(6)或带针尖弹簧(7)，所述多重-带针尖金属圆盘(3)或带针尖螺旋片(6)或带针尖弹簧(7)置于溶液槽(4)上且保证针尖接触到聚合物溶液。

2.根据权利要求1所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于金属圆盘表面形成一圈，若干所述针尖等间距排布。

3.根据权利要求1所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述针尖包括若干个，若干所述针尖为阵列排布，若干所述阵列排布的针尖安装于金属圆盘表面形成多圈，每一圈中的针尖等间距排布。

4.根据权利要求3所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：相邻两圈之间等间距排布。

5.根据权利要求1所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于螺旋片表面，若干所述针尖等间距排布。

6.根据权利要求1所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述针尖包括若干个，若干所述针尖安装于弹簧表面，若干所述针尖等间距排布。

7.根据权利要求1所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：每根所述针尖有相同的长度和直径。

8.根据权利要求1所述的批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述金属圆盘设有转轴，所述批量生产纳米纤维的静电纺丝装置包括用以连接电动机(5)与转轴的连接器。