CN104947207A - 一种电-液分离的静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电-液分离的静电纺丝发生装置，其由支架系统、金属螺旋电极、电极驱动系统、送料及清洁系统、高压电源和对电极组成；金属旋转电极与送料及清洁系统分离；可克服现有的静电纺丝装置的电极几乎都是与纺丝料液直接接触而带来的料液对金属电极蚀损，和料液被腐蚀产物所污染，以及金属电极的高压会导致与料液接触的部件带电；本发明电-液分离的静电纺丝发生装置实现了纺丝过程中电极与料液的分离，封闭的送料系统有效地避免料液中溶剂的挥发，对于纳米纤维的批量化生产具有更高的安全性和普适性。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝发生装置，特别是涉及可应用于聚合物纳米纤维大批量生产的电-液分离的静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝，简称为“电纺”，是一种使带电荷的聚合物料液或熔体在静电场中射流来制备聚合物超细纤维的加工方法。目前，已成功静电纺丝加工的聚合物超过几十种。在静电纺丝过程中供液容器内装满了聚合物料液或熔融液，在外加电场作用下受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”。当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳定，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，最终形成直径在纳米级的纤维，并以随机的方式沉积在收集装置上，形成无纺布。
目前，静电纺丝装置中金属电极的实施方式有三种，第一种是金属电极安装在供液容器之内，一般在供液容器的底部位置，金属电极与纺丝料液接触，通过料液导电促使泰勒锥的形成，第二种是固定的金属针、金属喷嘴或金属物的边角直接作为电极使用，第三种是金属滚筒的旋转面或金属转盘的外边缘直接用作电极。而此述的三种情况的共同点就是：金属电极与纺丝料液存在着直接接触，这势必造成以下问题，一是当纺丝料液具有酸或碱性时，由于料液的腐蚀金属电极需经常更换，料液也会受腐蚀物的污染，二是金属电极与纺丝料液的直接接触也容易造成纺丝过程中纺丝料液与空气的接触面大，这对于含有易挥发的有机溶剂的料液体系极为不利，纺丝过程中溶剂会大量挥发，纺丝料液的粘度会发生显著的变化，三是金属电极与纺丝料液的直接接触会导致与纺丝料液直接接触的所有部件都处在高压电场下，存在安全隐患。
发明内容
针对目前纺丝装置中电极与料液直接接触导致电极被腐蚀，料液同时受到腐蚀物的污染，料液槽密封不方便导致的溶解挥发等问题，本发明的目的在于提供一种电-液分离的静电纺丝装置，这种装置的设计实现了纺丝过程中电极与料液体系的分离，封闭的供液装置可以避免料液中的溶剂大量挥发，安全性高，易清理维护，易实现单元化复制，能有效提高纳米纤维批量化生产的产量和质量。
上述的目的通过以下技术方案实现：
本发明提供的电-液分离的静电纺丝发生装置，其由支架系统、金属螺旋电极110、电极驱动系统、送料及清洁系统、高压电源500和对电极600组成；
所述支架系统由一支架底座400及固定于所述支架底座400上的三对相对放置同轴心的垂向支架组成，该三对垂向支架分别为位于最里侧的第一对垂向支架、位于第一对垂向支架外侧的第二对垂向支架和位于第二对垂向支架外侧的第三对垂向支架；
所述第一对垂向支架上架设固定一水平绝缘轴130，所述水平绝缘轴130外表面上依次套装有绝缘柱体120和金属丝绕制的金属螺旋电极110；位于绝缘柱体120端的第一对垂向支架外侧的水平绝缘轴130上套装一导电轴140；所述第二对垂向支架的上端分别固定有储液盒220和清洁腔盒310；所述储料盒220内装有纺丝料液，其上下二面封闭，前后二面分别设有进料孔222和出料孔223，进料孔222水平位置低于出料孔223；储液盒220左右两侧面中心分别设有涂液孔224，两涂液孔的水平高度一致且均低于出料孔1-10mm；所述清洁腔盒310上下端面中心分别设有溶剂入口孔320和溶剂出口孔330，左右两侧面中心分别设有清洁孔340，所述清洁腔盒内装有清洁刷；所述第三对垂向支架上分别装有用以架装驱动轮233的驱动轮轴234和用以架装从动轮235的从动轮轴236；所述驱动轮轴234和从动轮轴236均与水平绝缘轴130垂直；
所述电极驱动系统由第一驱动电机151和第一传动带152组成，第一传动带152套装于所述水平绝缘轴130和第一驱动电机151的电机轴上；所述第一驱动电机151通过第一传动带152驱动水平绝缘轴130及其上的金属螺旋电极110旋转；所述第一传动带152为绝缘材质传动带；
所述送料及清洁系统由套装于所述驱动轮233和从动轮235上的环状载液丝210及驱动装置组成；所述环状载液丝210为一条首尾相接的环绕于金属螺旋电极110上方和下方的线状物，并从驱动轮开始依次穿过供料盒220和清洁腔盒310；所述驱动装置由第二驱动电机231和第二传送带232组成，第二传动带232套装于所述驱动轮轴234和第二驱动电机231电机轴上；所述第二驱动电机231通过第二传动带232驱动驱动轮233、从动轮235及载液丝210绕金属螺旋电极110转动；所述第二传动带232为绝缘材质传动带；
所述金属螺旋电极110穿过绝缘柱体120与导电轴140相连，高压电源500的正电极通过导电碳刷与导电轴140表面接触；所述对电极600与高压电源500负电极相连，所述对电极600与金属螺旋电极110轴向平行，并位于金属螺旋电极110正上方。
所述的绝缘柱体120的轴向与载液丝210互相平行，金属螺旋电极110与载液丝210之间距离为1-100mm。
所述载液丝210为不被纺丝料液溶解或者腐蚀的绝缘材料或导电材料。
所述的涂液孔224直径为载液丝210直径的2-8倍。所述的清洁孔340的直径为载液丝210直径的2-10倍。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明的电极与送料及清洁系统是分离的，纺丝料液不会腐蚀电极；本发明送料系统的储料盒进料孔在下，出料孔在上，且涂液孔的位置略低于出料孔，还有涂液孔的孔径大小与载液丝直径大小的匹配，不但可以保证载液丝上的料液充足且料液不会由涂液孔溢出；本发明的载液丝是环形的，清洁系统可以清除载液丝上残留的料液，保证载液丝的清洁和循环使用；本发明的送料及清洁系统为密封体系，可以防止料液中的溶剂挥发，利于料液在输送过程中的长时间稳定，适合批量生产，便于推广工业化。
附图说明：
附图1为本发明结构的正视示意图。
附图2为本发明结构的俯视示意图。
附图3为本发明供料盒的正视图、侧视图和俯视图的三面示意图。
附图4为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步描述本发明。
实施例1：
以下实施例的纺丝料液均为12％w/v的PVA水溶液，对电极600均为不锈钢板。
图4为本发明的结构示意图；图1为本发明结构的正视示意图；图2为本发明结构的俯视示意图；图3为本发明供料盒的正视图、侧视图和俯视图的三面示意图；如图所示，本发明(实施例1)的电-液分离的静电纺丝发生装置，其由支架系统、金属螺旋电极110、电极驱动系统、送料及清洁系统、高压电源500和对电极600组成；
所述支架系统由一支架底座400及固定于所述支架底座400上的三对相对放置同轴心的垂向支架组成，该三对垂向支架分别为位于最里侧的第一对垂向支架、位于第一对垂向支架外侧的第二对垂向支架和位于第二对垂向支架外侧的第三对垂向支架；
所述第一对垂向支架上架设固定一水平绝缘轴130，所述水平绝缘轴130外表面上依次套装有绝缘柱体120和金属丝绕制的金属螺旋电极110；位于绝缘柱体120左端的第一对垂向支架外侧的水平绝缘轴130上套装一导电轴140；所述第二对垂向支架的上端分别固定有储液盒220和清洁腔盒310；所述储料盒220内装有料液，其上下二面封闭，前后二面分别设有进料孔222和出料孔223，进料孔222水平位置低于出料孔223；储液盒左右两侧面中心分别设有涂液孔234，两涂液孔的水平高度一致均且低于出料孔1-10mm；所述清洁腔盒310上下端面中心分别设有溶剂入口孔320和溶剂出口孔330；左右两侧面中心分别设有清洁孔340，所述清洁腔盒内装有清洁刷；所述第三对垂向支架上分别装有用以架装驱动轮233的驱动轮轴234和用以架装从动轮235的从动轮轴236；所述驱动轮轴234和从动轮轴236均与水平绝缘轴130垂直；
所述电极驱动系统由第一驱动电机151和第一传动带152组成，第一传动带152套装于所述水平绝缘轴130和第一驱动电机151的电机轴上；所述第一驱动电机151通过第一传动带152驱动水平绝缘轴130及其上的金属螺旋电极110旋转；所述第一传动带152为绝缘材质传动带；
所述送料及清洁系统由套装于所述驱动轮233和从动轮235上的环状载液丝210及驱动装置组成；所述环状载液丝210为一条首尾相接的环绕于金属螺旋电极110上方和下方的线状物，并从驱动轮开始依次穿过供料盒220和清洁腔盒310；所述驱动装置由第二驱动电机231和第二传送带232组成，第二传动带232套装于所述驱动轮轴234和第二驱动电机231电机轴上；所述第二驱动电机231通过第二传动带232驱动驱动轮233、从动轮235及载液丝210绕金属螺旋电极110转动；所述第二传动带232为绝缘材质传动带；
所述金属螺旋电极110穿过绝缘柱体120与导电轴140相连，高压电源500的正电极通过导电碳刷与导电轴140表面接触；所述对电极600与高压电源500负电极相连，所述对电极600与金属螺旋电极110轴向平行，并位于金属螺旋电极110正上方。
本实施例金属螺旋电极110的转速为10转/min；导电轴140一端通过导电碳刷与高压电源500正电极相连，金属螺旋电极110靠近导电轴的一端穿过绝缘柱体与导电轴另一端相连，从而金属螺旋电极110带有高压电；绝缘轴130是绝缘的，导电轴140是导电的；第一传动带151是绝缘的；绝缘柱体120直径为100mm，绕制金属螺旋电极110的金属丝直径为0.1mm，金属螺旋电极110螺距为90mm；
本实施例的载液丝210为由一条直径为400微米的尼龙丝线首尾相接构成的一个环；驱动轮233转速为10cm/sec；载液丝210垂直贯穿位于储液盒的左右两面的涂液孔，两个涂液孔的孔径均为1000微米，涂液孔234位置低于出液孔10mm；载液丝210垂直贯穿清洁腔盒的清洁孔340和清洁刷，两个载液孔的孔径均为2mm；本实施例金属螺旋电极110与载液丝210之间的距离为5mm；载液丝210材质为尼龙丝线；
在本实施例中，当高压电源500调节到20-30kV时，载液丝210上的料液在电场的作用下形成纳米纤维，在接受装置上收集。在本实施例中，采用的纺丝料液为12％w/v的PVA水溶液，所得纳米纤维的平均直径为500nm左右。
实施例2：
实施例的电-液分离的静电纺丝发生装置结构与实施例相同。
所不同的是：金属螺旋电极110转速为10转/min；绝缘柱体120的直径为100mm，绕制金属螺旋电极110的金属丝直径为0.1mm，金属螺旋电极110螺距为10mm。
载液丝210为由一条直径为100微米的尼龙丝线首尾相接构成的一个环；驱动轮233的转速为10cm/sec。
涂液孔224孔径为800微米，涂液孔224的位置低于出液孔1mm；
所述的绝缘柱体120轴向与载液丝210互相平行，金属螺旋电极110与载液丝210之间距离为5mm；
所述载液丝为不被纺丝料液溶解或者腐蚀的绝缘材料或导电材料，所述的绝缘材料为工程塑料，树脂，陶瓷，木材或高分子复合材料；此实施例的载液丝材质为尼龙丝线；
在本实施例中，当高压电源的正高压调节到15-25kV时，载液丝上的料液在电场的作用下形成纳米纤维，在接受装置上收集。在本实施例中，采用的纺丝料液为12％w/v的PVA水溶液，所得纳米纤维的直径为200nm左右。
Claims (5)
1.一种电-液分离的静电纺丝发生装置，其由支架系统、金属螺旋电极(110)、电极驱动系统、送料及清洁系统、高压电源(500)和对电极(600)组成；
所述支架系统由一支架底座(400)及固定于所述支架底座(400)上的三对相对放置同轴心的垂向支架组成，该三对垂向支架分别为位于最里侧的第一对垂向支架、位于第一对垂向支架外侧的第二对垂向支架和位于第二对垂向支架外侧的第三对垂向支架；
所述第一对垂向支架上架设固定一水平绝缘轴(130)，所述水平绝缘轴(130)外表面上依次套装有绝缘柱体(120)和金属丝绕制的金属螺旋电极(110)；位于绝缘柱体(120)端的第一对垂向支架外侧的水平绝缘轴(130)上套装一导电轴(140)；所述第二对垂向支架的上端分别固定有储液盒(220)和清洁腔盒(310)；所述储料盒(220)内装有纺丝料液，其上下二面封闭，前后二面分别设有进料孔(222)和出料孔(223)，进料孔(222)水平位置低于出料孔(223)；储液盒(220)左右两侧面中心分别设有涂液孔(224)，两涂液孔的水平高度一致且均低于出料孔1-10mm；所述清洁腔盒(310)上下端面中心分别设有溶剂入口孔(320)和溶剂出口孔(330)，左右两侧面中心分别设有清洁孔(340)，所述清洁腔盒内装有清洁刷；所述第三对垂向支架上分别装有用以架装驱动轮(233)的驱动轮轴(234)和用以架装从动轮(235)的从动轮轴(236)；所述驱动轮轴(234)和从动轮轴(236)均与水平绝缘轴(130)垂直；
所述电极驱动系统由第一驱动电机(151)和第一传动带(152)组成，第一传动带(152)套装于所述水平绝缘轴(130)和第一驱动电机(151)的电机轴上；所述第一驱动电机(151)通过第一传动带(152)驱动水平绝缘轴(130)及其上的金属螺旋电极(110)旋转；所述第一传动带(152)为绝缘材质传动带；
所述送料及清洁系统由套装于所述驱动轮(233)和从动轮(235)上的环状载液丝(210)及驱动装置组成；所述环状载液丝(210)为一条首尾相接的环绕于金属螺旋电极(110)上方和下方的线状物，并从驱动轮开始依次穿过供料盒(220)和清洁腔盒(310)；所述驱动装置由第二驱动电机(231)和第二传送带(232)组成，第二传动带(232)套装于所述驱动轮轴(234)和第二驱动电机(231)电机轴上；所述第二驱动电机(231)通过第二传动带(232)驱动驱动轮(233)、从动轮(235)及载液丝(210)绕金属螺旋电极(110)转动；所述第二传动带(232)为绝缘材质传动带；
所述金属螺旋电极(110)穿过绝缘柱体(120)与导电轴(140)相连，高压电源(500)的正电极通过导电碳刷与导电轴(140)表面接触；所述对电极(600)与高压电源(500)负电极相连，所述对电极(600)与金属螺旋电极(110)轴向平行，并位于金属螺旋电极(110)正上方。
2.按权利要求1所述的电-液分离的静电纺丝发生装置，其特征在于：所述的绝缘柱体(120)的轴向与载液丝(210)互相平行，金属螺旋电极(110)与载液丝(210)之间距离为1-100mm。
3.按权利要求1所述的电-液分离的静电纺丝发生装置，其特征在于，所述载液丝(210)为不被纺丝料液溶解或者腐蚀的绝缘材料/导电材料。
4.按权利要求1所述的电-液分离的静电纺丝发生装置，其特征在于，所述的涂液孔(224)直径为载液丝(210)直径的2-8倍。
5.按权利要求1所述的电-液分离的静电纺丝发生装置，其特征在于，所述的清洁孔(340)的直径为载液丝(210)直径的2-10倍。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |