CN104988586A - 一种多孔材料无针头静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于：纺丝系统中的纺丝缓冲筒为圆柱形，其上下两端为锥形，纺丝缓冲筒的下端开有出液孔，孔的直径在3~20mm之间，多孔介质套在纺丝缓冲筒的下端，纺丝缓冲筒通过铜芯卡具与动力装置连接，铜芯卡具的铜芯向外引出电极与供电系统相连；纺丝缓冲筒顶端开孔通过供液管路与供液装置出液端连接，供液装置的进液端与储液箱连接；纺丝缓冲筒下端的出液孔下方对准接收板。其采用特殊的纺丝组件，可以在大幅度提高纺丝量的同时还可以保证纺丝的均匀性。该方法具有工艺简单，便于工业化实施并且适用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔材料无针头静电纺丝装置，属于静电纺丝技术。
背景技术
静电纺丝技术是一种利用高压静电作用，使聚合物溶液或者熔体液滴带点，并产生射流，在飞行过程中溶剂蒸发或者熔体凝固，从而形成纳米纤维的一种方式。它分为针头式以及无针头式两种纺丝方式。为了提高纺丝效率，现在通常的针头式都采用多针头的方法进行纺丝，例如申请号200610157106.8的“高效多针静电纺丝喷丝装置”，该专利将纺丝液通过液压装置将纺丝液同时压入多个针头中，在电压的作用下纺制成丝。针头式静电纺丝具有细度较细、产品均匀的优点，但是多针头的纺丝方式效率仍然不高，针头数目的增加会造成“边缘效应”，就是由于同排多针头之间的静电场相互叠加，导致两侧的针头的射流向两侧严重倾斜。而且在进料不均的情况下有可能使纺丝断流，从而造成针头的堵塞。相比较于针头式静电纺丝，无针头静电纺丝的纺丝产量高，并且不存在针头堵塞的问题，武汉纺织大学的王鑫教授的一篇论文“Needleless Electrospinning of UniformNanofibers Using Spiral Coil Spinnerets”中提到一种效率极高的无针头静电纺丝装置，使用螺旋线圈作为纺丝原件，将铜质的螺旋线圈轴线以下半边浸入纺丝液，在线圈围绕轴线滚动时，将纺丝液带离液槽，在线圈与接收板之间的电压作用下纺制成丝。但是这种无针头纺丝方法制出的纺丝之间会发生黏连的现象，并且纺丝直径不易控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其采用特殊的纺丝组件，可以在大幅度提高纺丝量的同时还可以保证纺丝的均匀性。该方法具有工艺简单，便于工业化实施并且适用范围广等特点。
本发明的技术方案是这样实现的：一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于：纺丝装置包括供电系统、接收装置、供液装置、纺丝系统、储液装置、动力系统，其中纺丝系统中的纺丝缓冲筒为圆柱形，其上下两端为锥形，纺丝缓冲筒的下端开有出液孔，孔的直径在3~20mm之间，多孔介质套在纺丝缓冲筒的下端，纺丝缓冲筒通过铜芯卡具与动力装置连接，铜芯卡具的铜芯向外引出电极与供电系统相连；纺丝缓冲筒顶端开孔通过供液管路与供液装置出液端连接，供液装置的进液端与储液箱连接；纺丝缓冲筒下端的出液孔下方对准接收板。
所述的多孔介质包括粉末冶金多孔材料、陶瓷多孔材料、泡沫金属和多孔金属箔，多孔介质内部有通孔，并且通孔的孔隙率在40%~75%之间，孔径在75μm~200μm之间。
所述的多孔介质采用多孔金属箔时，将多孔介质套在纺丝缓冲筒的下端，之后插入铜芯卡具的孔内用以固定，多孔介质与铜芯卡具孔的内部的铜表面紧紧接触，铜芯卡具与动力装置连接，铜芯卡具的铜芯向外引出电极与供电系统相连；纺丝缓冲筒顶端开孔通过供液管路与供液装置出液端连接，供液装置的进液端与储液装置连接；纺丝缓冲筒下端的出液孔下方对准接收装置。
所述的多孔介质选用粉末冶金多孔材料、陶瓷多孔材料或者泡沫金属这种块状多孔材料时，首先将纺丝缓冲筒底部插入锥形电极，锥形电极是一个形似漏斗的铜质导电圈，形状与纺丝缓冲筒底部锥形部分相同，其顶端伸出电极，电极通过纺丝缓冲筒筒壁穿出纺丝缓冲筒，用来接入外电源，穿出部分与纺丝缓冲筒接触部分密封，多孔介质切削成与纺丝缓冲筒底部形状相同的锥形，布置在纺丝缓冲筒下端的出液孔处，与锥形电极相接触。之后再将纺丝缓冲筒固定在铜芯卡具的孔内。
所述的铜芯卡具的结构分为两种，固定式卡具和可调式卡具，固定式卡具为铜板上排列有锥度的孔，孔数取决于纺丝头的个数；孔间距取决于设计的纺丝头间距；可调式夹具由两片波浪状铜片组成，两个波浪状铜片的波峰与波峰相对，波谷与波谷相对，两个波浪状铜片的波峰位置通过螺杆与螺母连接，波谷处的空间将纺丝缓冲筒置入其中，调节螺母将纺丝缓冲筒夹紧。
本发明的积极效果是其大大提高纺丝效率，而且其成品丝均匀，丝径可以得以控制，不会出现丝与丝之间黏连问题，不会出现针头堵塞的问题，纺丝端较为集中，降低单个纺丝单元的表面电荷密度，从而提高电能利用率，降低了生产成本和费用，装置制造简单，操作方便，易于实现工业生产。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明中采用箔状多孔介质时纺丝缓冲筒结构图。
图3为本发明中采用块状多孔介质时纺丝缓冲筒结构图。
图4为本发明的锥形电极结构图。
图5为固定式铜芯卡具结构图。
图6为可调式铜芯卡具结构图。
图7为本发明实施例1中使用的多孔铜箔光学照片。
图8为本发明实施例1中纺丝成品扫描电子显微镜照片。
图9为本发明实施例2中纺丝成品扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：如图1-6所示，一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于：纺丝装置包括供电系统4、接收装置5、供液装置6、纺丝系统、储液装置7、动力系统8，其中纺丝系统中的纺丝缓冲筒1为圆柱形，其上下两端为锥形，纺丝缓冲筒1的下端开有出液孔9，孔的直径在3~20mm之间，多孔介质2套在纺丝缓冲筒1的下端，纺丝缓冲筒1通过铜芯卡具3与动力装置8连接，铜芯卡具3的铜芯向外引出电极与供电系统4相连；纺丝缓冲筒1顶端开孔通过供液管路与供液装置6出液端连接，供液装置6的进液端与储液箱7连接；纺丝缓冲筒1下端的出液孔9下方对准接收板5。
所述的多孔介质2包括粉末冶金多孔材料、陶瓷多孔材料、泡沫金属和多孔金属箔，多孔介质2内部有通孔，并且通孔的孔隙率在40%~75%之间，孔径在75μm~200μm之间。
所述的多孔介质2采用多孔金属箔时，将多孔介质2套在纺丝缓冲筒1的下端，之后插入铜芯卡具3的孔内用以固定，多孔介质2与铜芯卡具3孔的内部的铜表面紧紧接触，铜芯卡具3与动力装置8连接，铜芯卡具3的铜芯向外引出电极与供电系统4相连；纺丝缓冲筒1顶端开孔通过供液管路与供液装置6出液端连接，供液装置6的进液端与储液装置7连接；纺丝缓冲筒1下端的出液孔9下方对准接收装置5。
所述的多孔介质2选用粉末冶金多孔材料、陶瓷多孔材料或者泡沫金属这种块状多孔材料时，首先将纺丝缓冲筒1底部插入锥形电极1-1，锥形电极1-1是一个形似漏斗的铜质导电圈，形状与纺丝缓冲筒1底部锥形部分相同，其顶端伸出电极，电极通过纺丝缓冲筒1筒壁穿出纺丝缓冲筒1，用来接入外电源，穿出部分与纺丝缓冲筒接触部分密封，多孔介质2切削成与纺丝缓冲筒1底部形状相同的锥形，布置在纺丝缓冲筒1下端的出液孔9处，与锥形电极1-1相接触。之后再将纺丝缓冲筒1固定在铜芯卡具3的孔内。
所述的铜芯卡具3的结构分为两种，固定式卡具和可调式卡具，固定式卡具为铜板3-1上排列有锥度的孔3-2，孔数取决于纺丝头的个数；孔间距取决于设计的纺丝头间距；可调式夹具由两片波浪状铜片3-3组成，两个波浪状铜片3-3的波峰与波峰相对，波谷与波谷相对，两个波浪状铜片的波峰位置通过螺杆3-4与螺母3-5连接，波谷处的空间将纺丝缓冲筒1置入其中，调节螺母将纺丝缓冲筒1夹紧。
实施例1
将聚丙烯晴（PAN）与N,N二甲基甲酰胺（NMP）和乙醇混合搅拌，配置成8wt%的PAN溶液；之后加入乙酰丙酮，搅拌均匀后加入一定量纳米硅粉后继续搅拌直至形成悬浊液，如图7所示，使用孔径75μm，孔隙率45%的多孔铜箔作为多孔介质2，将其与20ml的纺丝缓冲筒1相配合，纺丝缓冲筒1底端开口8mm，如图2所示，将多孔介质2包裹在纺丝缓冲筒1底端的出液孔9处，将纺丝缓冲筒1装在固定式的铜芯卡具3上，包裹纺丝缓冲筒1上的多孔介质2紧密的与固定式的铜芯卡具3孔的内表面接触，起到传导电压的作用，设置纺丝头间距15cm。如图1所示，将溶液注入储液箱7中，以30ml/min的速度注入纺丝系统中，控制纺丝缓冲筒1下端的出液孔9与接收板5之间距离，在一定的电压下纺制成PAN丝，再将材料在600℃高温下加热8小时，冷却后得到硅碳复合材料，纺丝成品如图8所示。
实施例2
配置50wt%PVDF的丙酮溶剂，加入2wt%的水混合成纺丝浆料。选择底端出液口大小为20mm缓冲筒，缓冲筒容积为200ml；选择粉末冶金多孔镍作为多孔介质2，其孔隙率为60%，孔径为100μm，厚度6mm。如图3所示，组装时首先将铜质的锥形电极1-1插入纺丝缓冲筒1底部，顶端通过纺丝缓冲筒1筒壁穿出。如图4所示，锥形电极1-1形状与纺丝缓冲筒1底端形状相同，起到将纺丝缓冲筒1内的纺丝液与外侧卡具相连的作用。之后将多孔介质2切削成与纺丝缓冲筒1底部相同的形状，并将其置入纺丝缓冲筒1底部的出液孔9处，与锥形电极紧密接触。使用可调式的铜芯卡具3，将单排4个相同的纺丝缓冲筒1装入铜芯卡具3内，铜芯卡具3内侧与锥形电极1-1伸出部分紧密接触。将卡具安装入动力装置，连接上供电系统和供液系统，以50ml/min的速度注入纺丝浆料，调节纺丝缓冲筒1底端与接收板5之间距离以很好的接收纺丝，缓冲筒垂直于缓冲筒排布方向移动，在一定电压下纺织成膜，之后经过烘干过程便得到PVDF纺丝隔膜，纺丝成品如图9所示。
Claims (5)
1.一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于：纺丝装置包括供电系统、接收装置、供液装置、纺丝系统、储液装置、动力系统，其中纺丝系统中的纺丝缓冲筒为圆柱形，其上下两端为锥形，纺丝缓冲筒的下端开有出液孔，孔的直径在3~20mm之间，多孔介质套在纺丝缓冲筒的下端，纺丝缓冲筒通过铜芯卡具与动力装置连接，铜芯卡具的铜芯向外引出电极与供电系统相连；纺丝缓冲筒顶端开孔通过供液管路与供液装置出液端连接，供液装置的进液端与储液箱连接；纺丝缓冲筒下端的出液孔下方对准接收板。
2.根据权利要求1中所述的一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的多孔介质包括粉末冶金多孔材料、陶瓷多孔材料、泡沫金属和多孔金属箔，多孔介质内部有通孔，并且通孔的孔隙率在40%~75%之间，孔径在75μm~200μm之间。
3.根据权利要求1中所述的一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的多孔介质采用多孔金属箔时，将多孔介质套在纺丝缓冲筒的下端，之后插入铜芯卡具的孔内用以固定，多孔介质与铜芯卡具孔的内部的铜表面紧紧接触，铜芯卡具与动力装置连接，铜芯卡具的铜芯向外引出电极与供电系统相连；纺丝缓冲筒顶端开孔通过供液管路与供液装置出液端连接，供液装置的进液端与储液装置连接；纺丝缓冲筒下端的出液孔下方对准接收装置。
4.根据权利要求1中所述的一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的多孔介质选用粉末冶金多孔材料、陶瓷多孔材料或者泡沫金属这种块状多孔材料时，首先将纺丝缓冲筒底部插入锥形电极，锥形电极是一个形似漏斗的铜质导电圈，形状与纺丝缓冲筒底部锥形部分相同，其顶端伸出电极，电极通过纺丝缓冲筒筒壁穿出纺丝缓冲筒，用来接入外电源，穿出部分与纺丝缓冲筒接触部分密封，多孔介质切削成与纺丝缓冲筒底部形状相同的锥形，布置在纺丝缓冲筒下端的出液孔处，与锥形电极相接触，之后再将纺丝缓冲筒固定在铜芯卡具的孔内。
5.根据权利要求1中所述的一种多孔材料无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的铜芯卡具的结构分为两种，固定式卡具和可调式卡具，固定式卡具为铜板上排列有锥度的孔，孔数取决于纺丝头的个数；孔间距取决于设计的纺丝头间距；可调式夹具由两片波浪状铜片组成，两个波浪状铜片的波峰与波峰相对，波谷与波谷相对，两个波浪状铜片的波峰位置通过螺杆与螺母连接，波谷处的空间将纺丝缓冲筒置入其中，调节螺母将纺丝缓冲筒夹紧。
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