CN105369369A - 一种离心同轴静电纺丝机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心同轴静电纺丝机，属于静电纺丝领域和机械领域，它包括离心同轴旋转装置、静电发生器、温控装置和接收装置。离心同轴旋转装置主要组成部分包括内旋转盘、外旋转盘、喷丝盘、壳纺丝针头、核纺丝针头、盖板、电机，温控装置主要包括加热元件、温度传感器、温度传感器支架、测温环槽和温控仪，加热元件安装在外旋转圆盘和隔热板的下方，由温度传感器与温控仪协同控制，温度传感器由温度传感器支架固定在测温环槽内，温度传感器支架由螺钉固定在隔热板上部。本发明能够实现同轴复合纳米纤维的高效生产。

Description

一种离心同轴静电纺丝机

技术领域

本发明涉及一种离心同轴静电纺丝机，属于静电纺丝领域和机械领域。

背景技术

静电纺丝是利用静电力对聚合物射流产生的牵伸作用来制备微纳米纤维的方法。根据纺丝介质的不同，静电纺丝分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝。传统的熔体或溶液静电纺丝，纺丝效率比较低。离心纺丝是利用离心力将聚合物射流甩出，从而制备微纳米纤维的方法，离心纺丝虽然在一定程度上提高了纤维的产量，但是由于所制备的纤维较粗，直径分布不均匀，从而影响纳米纤维的应用。通过与静电纺丝相结合，对离心纺丝进行改进，得到了一种离心静电纺丝技术，在一定程度上克服了二者所存在的缺陷，能够高效制备力学性能优异的纳米纤维。

同轴静电纺丝技术，是在传统静电纺丝的基础上改进了纺丝针头的结构，能够制备中空或核壳结构的复合纤维。利用同轴静电纺丝技术所制备的纤维在生物医药、能源储存、微纳电子等领域有着广泛的应用前景和发展潜力。而采用了传统静电纺丝工艺的同轴静电纺丝技术在产量上仍不能满足高效生产的要求，本发明在离心静电纺丝的基础上，结合了同轴静电纺丝法，能够利用不同的聚合物熔体或溶液进行复合纳米纤维的高效制备。

发明内容

本发明提出了一种离心同轴静电纺丝机。主要包括离心同轴旋转装置、静电发生器、温控装置和接收装置。离心同轴旋转装置包括内旋转盘、外旋转盘、喷丝盘、壳纺丝针头、核纺丝针头、盖板和电机，其中，内旋转盘固定在外旋转盘内设置的环形凹槽中，外旋转盘的底部连接到电机，喷丝盘分别地安装到内旋转盘和外旋转盘的周向侧壁，壳纺丝针头安装到外旋转盘的喷丝盘喷嘴上，核纺丝针头安装到内旋转盘的喷丝盘喷嘴上，其中，壳纺丝针头和核纺丝针头在同一水平轴线上并朝向同一方向，壳纺丝针头和核纺丝针头成对安装，数量为单数或双数，对称布置或等间距布置，盖板位于内旋转盘和外旋转盘上方，盖板设有加料孔。内旋转盘与外旋转盘之间采用环形凹槽紧密配合，并且由三个定位销限制内旋转盘的转动，用以保证纺丝针头的同轴配合。通过改变壳纺丝针头与核纺丝针头的直径配合能够满足制备不同直径需求的核壳结构复合纳米纤维的需求。由于离心同轴旋转装置中的各个部件之间采用可分离式设计，能够较为便捷的对残留的纺丝溶液或固化后的熔体进行清理。当熔融聚合物的粘度比较大时，需要加入调节分子量的添加剂进行降低粘度处理，或者采用增大壳纺丝针头与核纺丝针头直径的方法避免堵塞。位于内旋转盘和外旋转盘顶部的盖板，通过螺钉固定在内旋转盘和外旋转盘顶部，分别在内旋转盘与外旋转盘上部开有加料孔，便于在纺丝过程中添加物料，加料孔分为内旋转盘加料孔和外旋转盘加料孔，内旋转盘加料孔位于盖板的中心位置，外旋转盘加料孔位于盖板的对应于内旋转盘和外旋转盘之间的环形区域，外旋转盘加料孔的数量为双数，并相对于内旋转盘加料孔中心对称分布，能够有效的平衡离心力，盖板的设置不仅能够避免纺丝液在纺丝过程中的溢出、相互污染，还能阻碍内旋转盘的飞出。

本发明提出了一种离心同轴静电纺丝机。其中温控装置主要包括加热元件、温度传感器、温度传感器支架、测温环槽和温控仪，加热元件安装在外旋转盘的下方，在加热元件和外旋转盘之间设置隔热板，由温度传感器与温控仪协同控制，隔热板的设置有效的避免了加热元件在加热过程中对纤维制备环境造成的不利影响，隔热板使用非导电材料制成，测温环槽位于外旋转盘的外侧周向下部，温度传感器通过温度传感器支架对准测温环槽，温度传感器支架固定到隔热板上，温度传感器是接触式温度传感器或非接触式温度传感器。本发明不启用温控装置能进行常温溶液离心同轴静电纺丝。

本发明提出了一种离心同轴静电纺丝机。其中，静电发生器的高压端连接在接收装置上，离心同轴静电纺丝机的其它部分接地，接收装置为环形金属网或环形金属片，放置在隔热板上，在核纺丝针头与壳纺丝针头与接收装置间产生静电力。通过对内旋转盘和外旋转盘中添加不同的聚合物，聚合物射流在离心力与静电力的共同作用下，能够制得不同类型的核壳结构复合纳米纤维。

本发明提出了一种离心同轴静电纺丝机。与传统同轴静电纺丝相比，本发明有两个优点：一、能够实现溶液或熔体的离心同轴静电纺丝；二、能够实现同轴复合纳米纤维的高效生产。

附图说明

图1是一种离心同轴静电纺丝机的结构示意图

图2是盖板的结构示意图

图3是离心同轴旋转装置的结构示意图

图4是内旋转盘的结构示意图

图5是内旋转盘的剖视图

图6是外旋转盘的结构示意图

图7是外旋转盘的剖视图

图8是喷丝盘的结构示意图

图9是喷丝盘的侧向剖视图

图10是壳纺丝针头与核纺丝针头的配合剖视图

图中：1-接收装置；2-盖板；3-内旋转盘；4-外旋转盘；5-喷丝盘；6-壳纺丝针头；7-核纺丝针头；8-隔热板；9-测温环槽；10-加热元件；11-电机转轴；12-温度传感器；13-温度传感器支架；14-螺钉；15-温控仪；16-静电发生器；17-电机调速器；18-电机；19-接地线；20-螺钉；21-定位销；22-内旋转盘加料孔；23-螺钉；24-通孔；25-螺纹孔；26-环形凸起；27-环形凹槽；28-销槽；29-喷嘴；30-螺纹孔；31-外旋转盘加料孔。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明作进一步的详细阐述。本领域的技术人员应理解，在此描述的实施例仅为示例，可以设想能够实现相同作用的其它特征，附图所绘制的特征可根据具体情况进行缩小或放大，另外，实施例中涉及的连接方式（诸如螺纹连接、销连接等），其连接件的数量以及型号可根据具体情况而变化。

本发明提供一种离心同轴静电纺丝机，如图1所示，所述离心同轴静电纺丝机包括：离心同轴旋转装置、静电发生器16、温控装置和接收装置1。其中接收装置1为环形金属片或环形金属网，静电发生器16的正高压端连接在接收装置1上，负端接地，离心同轴旋转装置包括内旋转盘3、外旋转盘4、喷丝盘5、壳纺丝针头6、核纺丝针头7、盖板2和电机18。在离心同轴旋转装置中，电机18与外旋转盘4之间通过螺纹进行连接，在此应理解，可以设想能够连接电机18和外旋转盘4的其它连接方式，电机18转速由电机调速器17控制。如图6和图7所示，在外旋转盘4内侧底部设置环形凹槽27及多个销槽28（图中示出为3个销槽），销槽28与环形凹槽27连通且设置在环形凹槽27的外周部位，销槽28间的周向夹角为120°，在外旋转盘4外侧周向开对称圆孔，用以安装喷丝盘5，喷丝盘5与外旋转盘4之间采用螺钉20连接，外旋转盘4顶部开设螺纹孔25（图中示出为3个螺纹孔），用以安装盖板2；内旋转盘3周向外侧开对称圆孔，用以安装喷丝盘5，喷丝盘5与内旋转盘3之间采用螺钉20连接，如图4和图5所示，内旋转盘3通过底部设置的环形凸起26固定在外旋转盘4内设置的环形凹槽27中，内旋转盘3外侧底部周向设置定位销21（图中示出为3个），如图中所示的3个定位销21间的周向夹角为120°，与外旋转盘4内的三个销槽28紧密配合，用以限制内旋转盘3在离心力作用下的运动，并且保证核纺丝针头7与壳纺丝针头6间的水平同轴配合，内旋转盘3顶部开设螺纹孔25（图中示出为3个螺纹孔），用以安装盖板2，避免内旋转盘3在纺丝过程中飞出；盖板2的底部同内旋转盘3与外旋转盘4的顶部无间隙，分别设有内旋转盘加料孔22与外旋转盘加料孔31，内旋转盘加料孔22位于盖板2的中心位置，外旋转盘加料孔31位于盖板2的对应于内旋转盘3和外旋转盘4之间的环形区域；壳纺丝针头6与核纺丝针头7分别安装在外旋转盘4与内旋转盘3上的喷丝盘5的喷嘴29处，其中，壳纺丝针头6与核纺丝针头7的尺寸配合可稍作调整。温控装置包括加热元件10（如电磁加热盘）、温度传感器12、温度传感器支架13、测温环槽9和温控仪15，加热元件10中心开孔，安装在隔热板8下部，便于电机18的电机转轴11穿过加热元件10中心并与外旋转盘4连接，加热元件10与温控仪15相连，并且由温度传感器12及温控仪15共同控制纺丝的工作温度；温度传感器支架13通过螺钉14安装在隔热板8上，温度传感器12穿过隔热板8固定在温度传感器支架13上，对准外旋转盘4外侧周向下部的测温环槽9，且不与外旋转盘4产生摩擦，温度传感器12的输出端与温控仪15相连，实时反馈离心旋转装置的温度并通过调节加热元件10的温度来调控离心旋转装置的温度。

具体安装步骤为，电机转轴11穿过中心开孔的加热元件10及隔热板8，首先将外旋转盘4通过螺纹连接在电机转轴11上部，内旋转盘3在安装完喷丝盘5后，嵌入外旋转盘4内侧底部的环形凹槽19和销槽20中，然后将核纺丝针头7安装在内旋转盘3的喷丝盘5喷嘴29处，再安装外旋转盘4的喷丝盘5，喷丝盘5穿过核纺丝针头7，用螺钉20固定，再将壳纺丝针头6安装在外旋转盘4的喷丝盘5喷嘴29处，用螺钉23将盖板2固定在内旋转盘3和外旋转盘4顶部，最后将穿过隔热板8的温度传感器12安装在温度传感器支架13上并伸入外旋转盘4外侧周向下部的测温环槽9内，用螺钉14将温度传感器支架13固定在隔热板8上，并将温度传感器12和加热元件10与温控仪15相连接。

具体制备同轴复合纳米纤维的操作步骤为：在制备工作开始前，将与静电发生器16连接的接收装置1放置在隔热板8上、与外旋转盘4同心的位置，将电机18用接地线19接地，开启温控仪15、设定工作温度，当达到设定温度后，分别通过内旋转盘加料孔22和外旋转盘加料孔31向内旋转盘3和外旋转盘4中加入物料，当物料充分熔融后，开启静电发生器16并设定工作电压，开启电机调速器17并控制电机18的转速，以增大或减小离心力，在核纺丝针头7与壳纺丝针头6同接收装置1之间产生静电力，内旋转盘3与外旋转盘4中的聚合物熔体在离心力和静电力的作用下，向收集装置1牵伸制成同轴复合纳米纤维。当采用溶液作为纺丝介质时，不需要使用温控仪15，直接向内旋转盘加料孔22和外旋转盘加料孔31内添加不同的聚合物溶液，按上述步骤进行同轴复合纳米纤维的制备。

同轴复合纳米纤维制备工作结束时，依次关闭电机调速器17和静电发生器16，并且将收集装置1上的同轴复合纳米纤维收集起来。每次使用完毕都必须将离心同轴旋转装置的各个部件及时拆卸并清理干净。

Claims (7)

1.一种离心同轴静电纺丝机，其特征在于，它包括：离心同轴旋转装置，所述离心同轴旋转装置主要包括内旋转盘、外旋转盘、喷丝盘、壳纺丝针头、核纺丝针头、盖板以及电机，其中，所述内旋转盘固定在外旋转盘内设置的环形凹槽中，所述外旋转盘的底部连接到电机，所述喷丝盘分别地安装到所述内旋转盘和所述外旋转盘的周向侧壁，所述壳纺丝针头安装到对应于所述外旋转盘的喷丝盘喷嘴上，所述核纺丝针头安装到对应于所述内旋转盘的喷丝盘喷嘴上，其中，所述壳纺丝针头和所述核纺丝针头在同一水平轴线上并朝向同一方向，所述盖板位于所述内旋转盘和所述外旋转盘上方，所述盖板设有加料孔；接收装置，所述接收装置为环形金属网或环形金属片；静电发生器，所述静电发生器的高压端连接到接收装置，离心同轴静电纺丝机的其它部分接地。

2.根据权利要求1所述的离心同轴静电纺丝机，其特征在于，所述离心同轴静电纺丝机进一步包括：温控装置，所述温控装置主要包括加热元件、温度传感器、温度传感器支架、测温环槽以及温控仪，所述加热元件安装在所述外旋转盘的下方，在所述加热元件和所述外旋转盘之间设置隔热板，所述测温环槽位于所述外旋转盘的外侧周向下部，所述温度传感器通过所述温度传感器支架对准所述测温环槽，所述温度传感器支架固定到所述隔热板上。

3.根据权利要求1所述的离心同轴静电纺丝机，其特征在于，其中，所述加料孔分为内旋转盘加料孔和外旋转盘加料孔，所述内旋转盘加料孔位于所述盖板的中心位置，所述外旋转盘加料孔位于所述盖板的对应于内旋转盘和外旋转盘之间的环形区域，所述外旋转盘加料孔的数量为双数，并相对于所述内旋转盘加料孔中心对称分布。

4.根据权利要求1所述的离心同轴静电纺丝机，其特征在于，其中，所述壳纺丝针头和所述核纺丝针头成对安装，数量为单数或双数，对称布置或等间距布置。

5.根据权利要求2所述的离心同轴静电纺丝机，其特征在于，其中，所述温度传感器是接触式温度传感器或非接触式温度传感器。

6.根据权利要求2所述的离心同轴静电纺丝机，其特征在于，其中，所述隔热板由非导电材料制成。

7.根据权利要求2所述的一种离心同轴静电纺丝机，其特征在于，不启用温控装置能进行常温溶液离心同轴静电纺丝。