CN105483841B - 一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多喷头循环静电纺丝设备，包括储液装置和螺旋管道，所述储液装置设置有溶液输出口和溶液回流口，所述螺旋管道的两端分别连接所述溶液输出口和所述溶液回流口，且所述储液装置的所述溶液输出口和所述螺旋管道之间设置有供液泵，所述螺旋管道上设置有纺丝微孔；还包括高压直流电源和纺丝接收装置，所述高压直流电源的一个电极与所述螺旋管道中的所述纺丝溶液电连接，所述高压直流电源的另一个电极和所述纺丝接收装置相互电连接，或所述高压直流电源的另一个电极和所述纺丝接收装置均与公共接地端电连接。本发明提高静电纺丝的生产效率，减少纺丝之间的静电场干扰，以便稳定制备纳米纤维的静电纺丝设备。

Description

一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法，属于纳米纤维的制造设备和方法技术领域，具体地属于循环微孔无喷头静电纺丝技术中的多角度喷射和接收设备及方法技术领域。

背景技术

静电纺丝技术是一种简单且有效的生产微米至纳米尺寸的纤维技术，通常通过对聚合物溶液施加外部电场，进而产生极细的连续的纤维以形成非织造垫。由于这种纤维独特的性质，即比表面积大、孔隙率高和机械性能优良等，纳米纤维可应用在过滤、组织支架、药物缓释、防护服、高性能传感器和能量存储等诸多领域。

传统的静电纺丝采用的是单针头喷丝，用以生产纳米纤维。然而，单针静电纺丝系统生产效率底，通常在0.01～0.3克/小时（H. Niu, X. Wang, T. Lin. Needlelesselectrospinning: influences of fibre generator geometry. J Text I, 103(2012), pp:787–794），这限制了纳米纤维的商业化。虽然通过增加喷嘴的数量可以提高生产率，但喷嘴间的相互作用消弱了电场力的作用，从而导致生产出的纤维非织造垫不均匀。近来，诸如针尖式辊筒静电纺丝技术、线圈静电纺丝技术、气泡静电纺丝技术，以及棱锥形静电纺丝技术等为工业需求开发并成产了具有高潜力的纳米纤维。但这些技术在使用中产生诸多新的问题，包括高压电源的稳定性、溶剂挥发的快速、成产安全性低以及维护高成本等，均是工业化生产纳米纤维的障碍。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法，结合传统针孔式静电纺丝的优点，避免了无针头式静电纺丝的开放式溶液，提高静电纺丝的生产效率，减少纺丝之间的静电场干扰，以便稳定制备纳米纤维的静电纺丝设备。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种多喷头循环静电纺丝设备，包括：用于放置纺丝溶液的储液装置和螺旋管道，所述储液装置设置有溶液输出口和溶液回流口，所述螺旋管道的两端分别连接所述溶液输出口和所述溶液回流口，且所述储液装置的所述溶液输出口和所述螺旋管道之间设置有用于使所述纺丝溶液循环流动且调节控制流速的供液泵，所述螺旋管道上设置有纺丝微孔；还包括高压直流电源和纺丝接收装置，所述高压直流电源的一个电极与所述螺旋管道中的所述纺丝溶液电连接，所述高压直流电源的另一个电极和所述纺丝接收装置相互电连接，或所述高压直流电源的另一个电极和所述纺丝接收装置均与公共接地端电连接。

作为上述技术方案的改进，所述储液装置、所述螺旋管道、所述供液泵以及串联管道均为耐腐蚀性材料制成，所述串联管道用于串联所述储液装置、所述螺旋管道和所述供液泵。

作为上述技术方案的改进，所述储液装置还设置有溶液加料口，且所述溶液加料口和所述溶液回流口均位于所述储液装置的顶部，所述溶液输出口位于所述储液装置的底部。

作为上述技术方案的改进，所述螺旋管道的外径为2.4～8.0毫米，所述螺旋管道的管壁厚度为0.5～2.0毫米，所述螺旋管道相邻螺旋单元之间的间距为0.3～1.0厘米，所述纺丝微孔的孔径为0.2～1.0毫米，相邻所述纺丝微孔之间的间距为0.5～1厘米，所述纺丝微孔的轴向与所述螺旋管道的管壁径向成30°～60°的夹角。

作为上述技术方案的改进，所述纺丝接收装置为金属片或金属网，所述纺丝接收装置为平面结构或为弧度为0～180°的弧面结构，所述纺丝微孔与所述纺丝接收装置之间的距离为5～30厘米。

作为上述技术方案的改进，所述高压直流电源向所述纺丝溶液施加的静电电压为10～25千伏。

本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备，通过螺旋管道底部微孔静电纺丝方法，由于聚合物溶液在管道内流动产生的剪切力和自身的粘性，使得溶液微凸出微孔，在高压静电场的作用下牵伸纺丝，该设备纺丝不仅拥有传统针头式静电纺丝稳定的优点，而且可循环加微孔，提高制备纳米纤维的效率。

本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备，在纺丝的整个过程是在动态情况下进行，纺丝溶液浓度稳定，设定的工艺参数稳定。

上述一种多喷头循环静电纺丝设备的工作方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述高压直流电源和所述纺丝接收装置的电连接线接好，调节所述纺丝微孔与所述纺丝接收装置之间的距离，使之为5～30厘米；

步骤二、配制所述纺丝溶液，将所述纺丝溶液加入到所述储液装置中，启动所述供液泵，使所述纺丝溶液在整个系统中稳定循环流动，根据所述纺丝溶液的性质调节流速；

步骤三、将所述高压直流电源打开，逐渐加大电压，直至使所述纺丝微孔中的溶液被拉长形成泰勒锥，然后进行连续纺丝。

作为上述技术方案的改进，所述纺丝溶液中的溶剂为单一溶剂或多种混合溶剂，所述纺丝溶液中的溶质质量分数为5%～15%。

作为上述技术方案的改进，所述纺丝溶液中含有质量分数为0.1%～0.5%的氯化钠。

作为上述技术方案的改进，所述纺丝溶液的溶质为聚乳酸，所述纺丝溶液的溶剂为二甲基甲酰胺和二氯甲烷的混合溶剂，且聚乳酸的质量分数为8%，二甲基甲酰胺和二氯甲烷的体积比为1︰4。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法，可以应用于包括聚乳酸、聚丙烯腈、聚乙烯醇等聚合物静电纺丝的制备，也包括其它多种有机物或有机-无机或多种聚合物混合的复合纤维的制备。

相比现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法，溶液动态循环，解决了传统针头静电纺丝设备的效率低下，易堵头等弊端，同时解决了无针静电纺丝中开放式溶液隐患和高压电源的稳定性的问题。

2、本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法，由于静电纺丝溶液是封闭式循环流动，因此纺丝溶液的浓度无变化，提高了静电纺丝的稳定性，操作简单。

3、本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备及其工作方法，提高了静电纺丝的生产效率和纤维非织造材料的均匀性。

附图说明

图1为本发明所述的一种多喷头循环静电纺丝设备的结构示意图；

图2为本发明具体实施例制得的聚乳酸多孔纳米纤维非织造材料在扫描电子显微镜中的SEM图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

具体实施例1

如图1所示，为本实施例所述的一种多喷头循环静电纺丝设备。

本实施例所述一种多喷头循环静电纺丝设备，包括：用于放置纺丝溶液的储液装置1和螺旋管道2，所述储液装置1设置有溶液输出口11和溶液回流口12，所述螺旋管道2的两端分别连接所述溶液输出口11和所述溶液回流口12，且所述储液装置1的所述溶液输出口11和所述螺旋管道2之间设置有用于使所述纺丝溶液循环流动且调节控制流速的供液泵3，所述螺旋管道2上设置有纺丝微孔21；还包括高压直流电源4和纺丝接收装置5，所述高压直流电源4的一个电极与所述螺旋管道2中的所述纺丝溶液电连接，所述高压直流电源4的另一个电极和所述纺丝接收装置5相互电连接，或所述高压直流电源4的另一个电极和所述纺丝接收装置5均与公共接地端电连接。

具体地，所述储液装置1、所述螺旋管道2、所述供液泵3以及串联管道均为耐腐蚀性材料制成，所述串联管道用于串联所述储液装置1、所述螺旋管道2和所述供液泵3。所述储液装置1还设置有溶液加料口13，且所述溶液加料口13和所述溶液回流口12均位于所述储液装置1的顶部，所述溶液输出口11位于所述储液装置1的底部。所述螺旋管道2的外径为2.4～8.0毫米，所述螺旋管道2的管壁厚度为0.5～2.0毫米，所述螺旋管道2相邻螺旋单元之间的间距为0.3～1.0厘米，所述纺丝微孔21的孔径为0.2～1.0毫米，相邻所述纺丝微孔21之间的间距为0.5～1厘米，所述纺丝微孔21的轴向与所述螺旋管道2的管壁径向成30°～60°的夹角。所述纺丝接收装置5为金属片或金属网，所述纺丝接收装置5为平面结构或为弧度为0～180°的弧面结构，所述纺丝微孔21与所述纺丝接收装置5之间的距离为5～30厘米。所述高压直流电源4向所述纺丝溶液施加的静电电压为10～25千伏。

此处，所述螺旋管道2的外径为2.4～8.0毫米，是指所述螺旋管道2的管外径为2.4～8.0毫米，而非指所述螺旋管道2的螺旋外径为2.4～8.0毫米；所述螺旋管道2相邻螺旋单元之间的间距为0.3～1.0厘米，是指所述螺旋管道2相邻的管道外壁之间的间隙宽度为0.3～1.0厘米；所述纺丝微孔21的轴向与所述螺旋管道2的管壁径向成30°～60°的夹角，所述螺旋管道2的管壁轴线为螺旋线，管壁径向并非指该螺旋线的径向，而是指管体任意位置处垂直于管壁轴线的断面径向。

具体实施例2

应用具体实施例1提供的一种多喷头循环静电纺丝设备，其中所述螺旋管道2为铜材质，所述螺旋管道2的外径为7.0毫米、壁厚1.0毫米，所述纺丝微孔21的孔径为0.6毫米，所述纺丝微孔21的轴向与所述螺旋管道2的管壁径向成60°的夹角，所述纺丝微孔21在所述螺旋管道2上成直线分布，所述纺丝微孔21与所述纺丝接收装置5的垂直距离为18厘米，所述纺丝接收装置5为平面铝箔纸，所述供液泵3为磁力水泵。

以聚乳酸为溶质，以二甲基甲酰胺和二氯甲烷为混合溶剂，且二甲基甲酰胺和二氯甲烷的体积比为1︰4，配制溶质质量分数为8%的纺丝溶液，并且为了提高所述纺丝溶液的导电率，以提高静电纺丝效果，向所述纺丝溶液中加入氯化钠，使氯化钠的质量分数为0.1%～0.5%。

然后按照下列步骤操作：

步骤一、将所述高压直流电源4和所述纺丝接收装置5的电连接线接好，调节所述纺丝微孔21与所述纺丝接收装置5之间的距离，使之为5～30厘米；

步骤二、配制所述纺丝溶液，将所述纺丝溶液加入到所述储液装置1中，启动所述供液泵3，使所述纺丝溶液在整个系统中稳定循环流动，根据所述纺丝溶液的性质调节流速；

步骤三、将所述高压直流电源4打开，逐渐加大电压，直至使所述纺丝微孔21中的溶液被拉长形成泰勒锥，然后进行连续纺丝。

如图2所示，为按照上述方法制得的聚乳酸多孔纳米纤维非织造材料在SEM表征下的形貌图。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种多喷头循环静电纺丝设备，其特征是，包括：用于放置纺丝溶液的储液装置和螺旋管道，所述储液装置设置有溶液输出口和溶液回流口，所述螺旋管道的两端分别连接所述溶液输出口和所述溶液回流口，且所述储液装置的所述溶液输出口和所述螺旋管道之间设置有用于使所述纺丝溶液循环流动且调节控制流速的供液泵，所述螺旋管道上设置有纺丝微孔；还包括高压直流电源和纺丝接收装置，所述高压直流电源的一个电极与所述螺旋管道中的所述纺丝溶液电连接，所述高压直流电源的另一个电极和所述纺丝接收装置相互电连接，或所述高压直流电源的另一个电极和所述纺丝接收装置均与公共接地端电连接；所述螺旋管道的外径为2.4～8.0毫米，所述螺旋管道的管壁厚度为0.5～2.0毫米，所述螺旋管道相邻螺旋单元之间的间距为0.3～1.0厘米，所述纺丝微孔的孔径为0.2～1.0毫米，相邻所述纺丝微孔之间的间距为0.5～1厘米，所述纺丝微孔的轴向与所述螺旋管道的管壁径向成30°～60°的夹角；所述纺丝接收装置为金属片或金属网，所述纺丝接收装置为平面结构或为弧度大于0°且小于180°的弧面结构，所述纺丝微孔与所述纺丝接收装置之间的距离为5～30厘米；所述高压直流电源向所述纺丝溶液施加的静电电压为10～25千伏。

2.如权利要求1所述的一种多喷头循环静电纺丝设备，其特征是，所述储液装置、所述螺旋管道、所述供液泵以及串联管道均为耐腐蚀性材料制成，所述串联管道用于串联所述储液装置、所述螺旋管道和所述供液泵。

3.如权利要求1所述的一种多喷头循环静电纺丝设备，其特征是，所述储液装置还设置有溶液加料口，且所述溶液加料口和所述溶液回流口均位于所述储液装置的顶部，所述溶液输出口位于所述储液装置的底部。

4.如权利要求1所述的一种多喷头循环静电纺丝设备的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、将所述高压直流电源和所述纺丝接收装置的电连接线接好，调节所述纺丝微孔与所述纺丝接收装置之间的距离，使之为5～30厘米；

步骤二、配制所述纺丝溶液，将所述纺丝溶液加入到所述储液装置中，启动所述供液泵，使所述纺丝溶液在整个系统中稳定循环流动，根据所述纺丝溶液的性质调节流速；

步骤三、将所述高压直流电源打开，逐渐加大电压，直至使所述纺丝微孔中的溶液被拉长形成泰勒锥，然后进行连续纺丝。

5.如权利要求4所述的一种多喷头循环静电纺丝设备的工作方法，其特征是，所述纺丝溶液中的溶剂为单一溶剂或多种混合溶剂，所述纺丝溶液中的溶质质量分数为5%～15%。

6.如权利要求4所述的一种多喷头循环静电纺丝设备的工作方法，其特征是，所述纺丝溶液中含有质量分数为0.1%～0.5%的氯化钠。

7.如权利要求4所述的一种多喷头循环静电纺丝设备的工作方法，其特征是，所述纺丝溶液的溶质为聚乳酸，所述纺丝溶液的溶剂为二甲基甲酰胺和二氯甲烷的混合溶剂，且聚乳酸的质量分数为8%，二甲基甲酰胺和二氯甲烷的体积比为1︰4。