CN105568404B - 一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置，包括容器、搅拌叶轮、风扇、驱动系统、收集装置和电源，搅拌叶轮设在容器内，风扇位于容器的顶部且通过转轴与搅拌叶轮连接，驱动系统可搅拌叶轮和风扇转动，搅拌叶轮可搅动容器内纺丝溶液或熔体形成旋涡，容器侧壁上设有射流孔，收集装置正对射流孔设置，电源可形成产生射流所需的电场，风扇转动时可将外部的气体鼓入储液腔内以产生由射流孔吹向接收装置的气流。本发明将打旋现象应用到纺丝装置中，实现了连续、自动地喂液。可以稳定、连续的自主喂液，有利于纳米纤维的大规模工业化生产。在气流和离心力的共同作用下，静电纺丝的启动电压进一步降低，又能大幅度地提高纺丝效率和降低纤维直径。

Description

一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置

技术领域

本发明用于静电纺丝技术领域，特别是涉及一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种制备纳米纤维的技术手段，其原理为：聚合物溶液在电场力作用下会在溶液尖端形成泰勒锥，随后泰勒锥锥尖产生电纺射流并经过电场力拉伸、溶液挥发等复杂过程，最后获得纳米纤维。静电纺丝制备的纳米纤维具有直径小、比表面积大等性能，在生物医学材料、水体过滤、电池隔膜等领域有着广泛的应用潜力。

在电纺过程中如何实现高效地供液已经成为了当前电纺技术研究领域的热点。传统静电纺丝装置采用单个或多个针头作为喷丝头进行电纺，由于针头内径小，当溶液挥发时容易出现针头滴液、堵塞现象，导致电纺中断。捷克的“纳米蜘蛛”装置采用滚筒蘸取溶液的供液方式实现电纺供液，但是，由于采用敞开式结构，溶液蒸发导致浓度变化，影响纤维质量。离心静电纺丝技术可以高效地进行静电纺丝供液，但是其喷头整体处于长期高速旋转状态，由于喷头内装有溶液或熔体，负重工作，对机械的长时间工作的稳定性要求较高，而且射流也跟随喷头旋转，因此要求收集器必须要环形排布，收集器定向布置收集较为困难。

中国专利CN101818381A提出了一种磁力搅拌静电纺丝喷头及其使用方法，采用磁搅拌装置驱动安置在喷丝头端内的旋转磁子搅动，使溶液处于流动状态，配合浮于聚合物溶液表层的金属网格线，通过搅拌产生的液面扰动，使其从扰动的液体上表面产生泰勒锥和射流，进行静电纺丝。但是，该发明的供液方式仍然为容器贮液式，上表面敞开，容易造成溶剂挥发浓度改变，造成纤维直径不均匀。另一方面，当磁力搅拌功率小时，液面扰动小，难以产生足够多的泰勒锥，而且纺丝过程不稳定，当磁力搅拌功率大时，产生打旋现象，金属圆网中心处与溶液不接触，不能产生泰勒锥。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置，解决使用针头作为喷丝头所造成的纤维制造产量低、喷丝头易堵塞等问题和解决离心纺丝对高速旋转机械稳定性要求高，收集器定向布置收集困难的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置，包括容器、搅拌叶轮、风扇、驱动系统、收集装置和电源，所述搅拌叶轮设在所述容器内，风扇位于容器的顶部且通过转轴与搅拌叶轮连接，所述驱动系统可驱动所述转轴以带动搅拌叶轮和风扇转动，搅拌叶轮转动时可搅动容器内纺丝溶液或熔体形成旋涡，所述容器具有环绕所述搅拌叶轮并在内部形成储液腔的侧壁，位于所述搅拌叶轮上方的侧壁上设有射流孔，所述收集装置正对所述射流孔设置，所述电源可在所述收集装置和射流孔间形成产生射流所需的电场，所述风扇转动时可将外部的气体鼓入储液腔内以产生由射流孔吹向接收装置的气流。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述容器呈圆筒状或截面呈V形的漏斗状，所述容器的侧壁表面光滑，顶部敞口，所述射流孔为直接开设在容器侧壁上的圆孔或狭缝，所述射流孔在容器侧壁上选择性定向布置或在多个方向阵列布置。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述风扇包括扇叶安装座，所述扇叶安装座上设有若干沿圆周均匀分布的安装孔，所述安装孔上通过紧固件安装扇叶，各所述扇叶均可通过紧固件调整倾斜角，各所述扇叶的前缘均向上弯折形成可将外部气体引入下方储液腔内的导流板。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括可向所述容器内持续供入纺丝溶液或熔体的供液装置，所述供液装置通过供液管接入容器，并在容器的底部形成进液口。

进一步作为本发明技术方案的改进，驱动系统位于容器的上方或下方，驱动系统采用绝缘联轴器与转轴连接，驱动系统的转速可调。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括可对所述容器加热的加热装置，所述加热装置位于所述容器底部。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述收集装置包括传送带收集器、滚筒收集器，所述收集装置与所述射流孔的距离可调，所述搅拌叶轮采用旋桨式搅拌器或涡轮式搅拌器或螺带式搅拌器或锚式搅拌器。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述容器采用透明、耐腐蚀和不与有机溶剂反应的材料制成。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述电源的输出端与收集装置连接，容器内部的纺丝溶液或熔体接地，电源可提供任意波形、幅值、频率、偏置值的电压。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述电源的输出端与容器内部的纺丝溶液或熔体连接，收集装置接地，电源可提供任意波形、幅值、频率、偏置值的电压。

本发明的有益效果：本发明将打旋现象应用到纺丝装置中，在搅拌离心力作用下，纺丝溶液或熔体会形成旋涡并沿着容器壁爬升，若将容器置于高压电场中，射流孔会出现泰勒锥并形成射流，而消耗的纺丝溶液会由爬升的纺丝溶液不断补充，实现了连续、自动地喂液。可以稳定、连续的自主喂液，有利于纳米纤维的大规模工业化生产。

本发明由于采用了搅拌叶轮旋转而容器固定，大大减少了普通离心纺丝中喷头整体处于长期高速旋转状态，对机械的长时间工作的稳定性要求，而且射流不跟随旋转，可实现收集器定向布置进行纤维收集。

本发明采用的喷头上表面有风扇，可在搅拌供液静电纺丝时，同时将容器外的空气吸入容器内部，形成高速气流，从纺丝射流孔高速喷出，辅助纺丝射流的形成和进一步拉伸。

单纯搅拌式供液，为了保证离心力足够将溶液挤出，对搅拌叶轮速度要求高。而本发明采用自吸气结构，在辅助气压下，溶液更容易从射流孔挤出，而且成本低，无需附加气压供应装置。同时，在高速气流和离心力的共同作用下，静电纺丝的启动电压进一步降低，又能大幅度地提高纺丝效率和降低纤维直径。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明整体结构轴测图；

图2是本发明容器俯视图；

图3是本发明驱动系统位于容器下方，电源的输出端与容器内部的纺丝溶液或熔体连接，收集装置接地时结构主视图；

图4是本发明驱动系统位于容器下方，所述电源的输出端与收集装置连接，容器内部的纺丝溶液或熔体接地时结构主视图；

图5是本发明驱动系统位于容器上方，电源的输出端与容器内部的纺丝溶液或熔体连接，收集装置接地时结构主视图；

图6是本发明驱动系统位于容器上方，所述电源的输出端与收集装置连接，容器内部的纺丝溶液或熔体接地时结构主视图；

图7是本发明容器截面呈V形的漏斗状时结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图7，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向( 上、下、左、右、前及后) 时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。

参见图1至图7，本发明提供了一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置，包括容器1、搅拌叶轮2、风扇8、驱动系统3、收集装置4、电源5及可向所述容器1内持续供入纺丝溶液或熔体的供液装置6，所述容器1采用透明、耐腐蚀和不与有机溶剂反应的材料制成。所述供液装置6通过供液管接入容器1，并在容器1的底部形成进液口，供液装置6可提供纺丝所需的熔体或溶液。所述搅拌叶轮2设在所述容器1内，风扇8位于容器1的顶部且通过转轴与搅拌叶轮2连接，所述驱动系统3可驱动所述转轴以带动搅拌叶轮2和风扇8转动，搅拌叶轮2转动时可搅动容器1内纺丝溶液或熔体形成旋涡，作为优选，驱动系统3位于容器1的上方或下方，驱动系统3采用绝缘联轴器31与搅拌叶轮2连接，驱动系统3采用的转速可调的直流电机。所述容器1具有环绕所述搅拌叶轮2并在内部形成储液腔的侧壁，所述容器1呈圆筒状或截面呈V形的漏斗状，顶部敞口，所述容器1的侧壁表面光滑并无其他构件。位于所述搅拌叶轮2上方的侧壁上设有射流孔11，所述射流孔11为直接开设在容器1侧壁上的圆孔或狭缝，所述射流孔11在容器1侧壁上选择性定向布置或在多个方向阵列布置。所述收集装置4正对所述射流孔11设置，所述电源5可在所述收集装置4和射流孔11间形成产生射流所需的电场。所述风扇8转动时可将外部的气体鼓入储液腔内以产生由射流孔11吹向接收装置4的气流。

工作时，旋转的搅拌叶轮2可使排出的液体具有一定的切向分速度，从而产生圆周运动。若容器1壁固定，内壁光滑，搅拌叶轮2转速足够高，则液体会在离心力的作用下形成旋涡并涌向容器1壁，并沿容器1壁上升，而容器1中心处的液面将下凹，从而形成了一个漏斗形的旋涡，称为“打旋”现象，且搅拌叶轮2的转速越大，旋涡的下凹深度就越深，容器1壁液体上升越高，当搅拌叶轮2旋转进行纺丝时，同时风扇8自动将容器1外的空气吸入容器1内部，形成高速气流，并从射流孔11喷出，在容器1内部液面形成压力，同时在离心力作用下，从射流孔11中溢出，实现液体供应，在高速气流、电场力和离心力的共同作用下形成泰勒锥和射流，最后制备获得纳米纤维，被收集装置4收集。

其中，所述搅拌叶轮2采用旋桨式搅拌器或涡轮式搅拌器或螺带式搅拌器或锚式搅拌器，所述搅拌叶轮2可以根据不同的纺丝溶液性质，选择使用不同材料、直径、长度、形状的搅拌转子。当驱动系统3通过联轴器传动，带动搅拌叶轮2绕轴线自转时，由于打旋现象，在容器壁附近的高分子液体会出现沿着容器壁表面上爬的现象，为喷头连续地提供纺丝原料。在工作时，射流孔11的高度最好不要大于溶液爬升的理论高度。

参见图2，所述风扇8包括扇叶安装座81，所述扇叶安装座81上设有若干沿圆周均匀分布的安装孔82，所述安装孔82上通过紧固件安装扇叶83，各所述扇叶83均可通过紧固件调整倾斜角，各扇叶83的形体、大小及倾斜角均为相同，可以通过调整扇叶83倾斜角来调节气流大小，结合纺丝转速，控制纤维直径。各所述扇叶83的前缘均向上弯折形成可将外部气体引入下方储液腔内的导流板84。

本发明中，所述收集装置4可采用传送带收集器、滚筒收集器等等静电纺丝技术领域中的收集装置，收集装置4有距离调节组件，可以调节与射流孔11的距离，以改变纺丝距离。还包括可对所述容器1加热的加热装置7，以实现对纺丝溶液或熔体的持续加热。

电源5可提供任意波形、幅值、频率、偏置值的电压。通过设定高压电源，使纺丝溶液的液面和收集装置4之间产生强电场。参见图3-图6，产生电场有两种连接方式：第一种，高压电源输出端与收集装置4连接，纺丝溶液接地；第二种，高压电源输出端与纺丝溶液连接，收集装置4接地。

本发明将打旋现象应用到纺丝装置中，在搅拌离心力作用下，纺丝溶液或熔体会沿着容器壁爬升，若将射流孔11置于高压电场中，射流孔11会出现泰勒锥并形成射流，而消耗的纺丝溶液会由爬升的纺丝溶液不断补充，实现了连续、自动地喂液。可以稳定、连续的自主喂液，有利于纳米纤维的大规模工业化生产。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：包括容器、搅拌叶轮、风扇、驱动系统、收集装置和电源，所述搅拌叶轮设在所述容器内，风扇位于容器的顶部且通过转轴与搅拌叶轮连接，所述驱动系统可驱动所述转轴以带动搅拌叶轮和风扇转动，搅拌叶轮转动时可搅动容器内纺丝溶液或熔体形成旋涡，所述容器具有环绕所述搅拌叶轮并在内部形成储液腔的侧壁，位于所述搅拌叶轮上方的侧壁上设有射流孔，所述收集装置正对所述射流孔设置，所述电源可在所述收集装置和射流孔间形成产生射流所需的电场，所述风扇转动时可将外部的气体鼓入储液腔内以产生由射流孔吹向接收装置的气流，所述风扇包括扇叶安装座，所述扇叶安装座上设有若干沿圆周均匀分布的安装孔，所述安装孔上通过紧固件安装扇叶，各所述扇叶均可通过紧固件调整倾斜角，各所述扇叶的前缘均向上弯折形成可将外部气体引入下方储液腔内的导流板。

2.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：所述容器呈圆筒状或截面呈V形的漏斗状，所述容器的侧壁表面光滑，顶部敞口，所述射流孔为直接开设在容器侧壁上的圆孔或狭缝，所述射流孔在容器侧壁上选择性定向布置或在多个方向阵列布置。

3.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：还包括可向所述容器内持续供入纺丝溶液或熔体的供液装置，所述供液装置通过供液管接入容器，并在容器的底部形成进液口。

4.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：驱动系统位于容器的上方或下方，驱动系统采用绝缘联轴器与转轴连接，驱动系统的转速可调。

5.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：还包括可对所述容器加热的加热装置，所述加热装置位于所述容器底部。

6.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置包括传送带收集器、滚筒收集器，所述收集装置与所述射流孔的距离可调，所述搅拌叶轮采用旋桨式搅拌器或涡轮式搅拌器或螺带式搅拌器或锚式搅拌器。

7.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：所述容器采用透明、耐腐蚀和不与有机溶剂反应的材料制成。

8.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：所述电源的输出端与收集装置连接，容器内部的纺丝溶液或熔体接地，电源可提供任意波形、幅值、频率、偏置值的电压。

9.根据权利要求1所述的自吸气搅拌供液静电纺丝装置，其特征在于：所述电源的输出端与容器内部的纺丝溶液或熔体连接，收集装置接地，电源可提供任意波形、幅值、频率、偏置值的电压。