CN105568408B - 一种往复直线导轨式静电纺丝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种往复直线导轨式静电纺丝方法，属于纺织材料技术领域。本发明的往复直线导轨式静电纺丝方法采用横截面为等腰三角形、上角的顶端为喷丝头、下角为圆角的直线条状导轨为喷丝电极，半封闭中空管且在封闭端开有出液槽为给液装置，并将该装置固定安装在步进电机上，通过给液装置的往复横动运动，在导轨与纤维收集装置之间进行高压静电喷丝、拉伸和纤维收集过程。本发明的方法喷丝速率快、效率高，可适用于宽幅无纺布表面纳米纤维复合改性或宽幅纳米纤维膜的生产，能够规模化生产无取向性或取向性静电纺纤维膜，可以规模化进行溶液或熔融纺丝液静电纺丝。另外，本发明的方法成本低、易操作、设备简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种往复直线导轨式静电纺丝方法，属于纺织材料技术领域。
背景技术
纳米纤维是一种一维的线性材料，其直径为十几至几百纳米之间，具有超大的比表面积和高长径比特性，其相关产品可以广泛的应用在生物、环保、建筑、能源、交通、航空航天等领域，能够体现出国家科研能力和技术水平。
静电纺丝是一种常用的生产纳米纤维有效方法，从二十世纪30年代开始，科技人员在静电纺丝装备、纳米纤维结构控制、功能纳米纤维方面不断的深入研究，已经取得一定的成果并有相关产品问世。但是，静电纺丝无法大规模化生产严重制约着纳米纤维的应用，导致纳米纤维独特的性能得不到最大化的使用，阻碍了相关领域的快速发展和技术进步。目前，针对静电纺丝的产业化通常采用无针静电纺丝方法，多采用金属辊、金属圆锥、金属柱体、金属螺旋线圈、金属网、金属板、金属碗、金属金字塔等喷丝头诱导纺丝液泰勒锥的形成，或者采用磁、气体、超声波等手段激发纺丝液泰勒锥的形成。这些方法在静电纺丝的效率、喷丝机理、纤维形态结构方面具有较大的进步，但仍然无法实现大规模化生产，主要问题有如下五个：1. 喷丝电极尺寸过大后，加载其上的静电场强度下降以及电势分布不均匀，导致现有静电纺技术无法适用于宽幅无纺布表面纳米纤维复合改性或宽幅纳米纤维膜的生产，目前最宽的静电纺丝的宽幅为1.6m；2. 现有静电纺技术纺丝效率仍然低下，目前单喷丝电极最快的静电纺丝速度为155g/h；3. 现有静电纺技术纺丝过程中存在纺丝液结皮的现象，阻碍了静电纺丝的喷丝速率和成型效果；4. 无法规模化生产取向性静电纺纤维膜；5. 无法规模化进行熔融纺丝液静电纺。由此可见，静电纺丝的产业化技术的创新和突破具有重要的实际意义和应用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种往复直线导轨式静电纺丝方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为，
一种往复直线导轨式静电纺丝方法，包括静电纺丝过程中由高压静电发生器、喷丝电极、纤维收集装置、给液装置和计量泵构成的静电纺丝系统，所述的喷丝电极为直线条状导轨，导轨的长度为0.5-2.8m，高度为1-3mm，导轨横截面为等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为20-58°，其两个底角为圆角且弧度相同，圆角的弧度为1.06-1.40rad，给液装置为半封闭中空管，并固定安装在步进电机上，在中空管封闭端处开有出液槽，出液槽垂直于导轨，导轨活动的嵌入在出液槽中，喷丝电极的喷丝头与出液槽内壁面的距离为0.2-0.5mm，中空管的开口端通过软管连接在计量泵上，纤维收集装置为直线圆柱体金属辊且平行于导轨，其轴线与导轨的中心线位于同一垂直平面上，在静电纺丝时，给液装置在步进电机的横动速率为0.1-2m/s和计量泵的注射速率为25-320g/h的条件下，给液装置在喷丝电极上做往复横动运动，同时纺丝液通过给液装置的出液槽注射在喷丝电极的外表面上，在喷丝电极的喷丝头和纤维收集装置下端之间的18-65kV的高压静电场作用下，喷丝电极外表面上的纺丝液经喷丝电极的喷丝头喷丝和牵伸后形成纤维，并最终收集在纤维收集装置上。
所述的给液装置的材质采用绝缘玻璃或绝缘陶瓷，其电阻率≥108Ω·m。
所述的纤维收集装置的长度为0.7-3m。
所述的喷丝电极的喷丝头和和纤维收集装置下端之间的垂直距离为8-26cm。
由于采用了以上技术方案，本发明的技术特点在于：
与以往针式静电纺和无针静电纺采用的喷丝电机相对比，本发明专利的喷丝电极采用直线条状导轨，导轨的横截面采用了等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为20-58°，其两个底角为1.06-1.40 rad的圆角。导轨的长度可以最大达到2.8m，可以生产高宽幅纳米纤维膜或为高宽幅无纺布提供表面改性。与导轨配合的给液装置为半封闭中空管，在中空管封闭端开有出液槽，导轨能够活动的嵌入在该出液槽中，喷丝电极的喷丝头与出液槽内壁面的距离为0.2-0.5mm。在静电纺丝过程中，给液装置随步进电机做往复横动运动，同时喷丝电极的喷丝头与出液槽内壁面之间的距离可以将纺丝液高效且均匀的注射在导轨的外表面上。又由于本发明的喷丝头为线性尖端，其极易集聚静电荷，喷丝头与纤维收集装置下端之间形成直线带状且分布均匀的高压静电场。因此，静电纺丝时，本发明中的喷丝电极上加载的静电压远低于目前大尺寸喷丝电极进行静电纺时所加载的电压，这将有利于节约能源和操作人员的人体静电防护。同时，直线带状且分布均匀的高压静电场诱导了喷丝电极外表面的纺丝液经喷丝头不断的连续喷丝和牵伸，呈现出直线带状瀑布倒挂式的喷丝状态，且喷丝电极外表面上的纺丝液发生向上爬升并从喷丝头喷丝和牵伸的现象，最终形成纤维并收集在纤维收集装置上，值得注意的是注射在喷丝电极上的纺丝液被全部静电纺丝制备成纤维，静电纺丝结束时，没有纺丝液残留在喷丝电极上，也没有纺丝液从喷丝电极上掉落，这是一种静电纺中纺丝液自发性喷丝的方法和技术。另外，静电纺丝时，本发明专利的喷丝电极上呈现出直线带状瀑布倒挂式的喷丝状态，这种喷丝技术及其现象非常方便制备出取向性纳米纤维材料。
本发明提出的一种往复直线导轨式静电纺丝方法实现了高效率规模化大批量生产纳米或亚微米纤维的目的。该方法解决了突破了现有无针静电纺存在的五大技术困境，解决了大尺寸喷丝电极静电场强度低和静电场分布不均匀的难题，避免了规模化静电纺过程中存在的纺丝液易结皮的问题，实现了高速率静电纺丝，可适用于宽幅无纺布表面纳米纤维复合改性或宽幅纳米纤维膜的生产，能够规模化生产无取向性或取向性静电纺纤维膜，可以规模化进行溶液或熔融纺丝液静电纺丝。
附图说明
图1是本发明的静电纺丝系统的结构示意图。
图2是喷丝电极的结构示意图。
图3是给液装置的结构示意图。
图4是喷丝电极灵活嵌入给液装置的出液槽中的剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体详细描述。
见附图1、2、3、4。
一种往复直线导轨式静电纺丝方法，静电纺丝过程中的纺丝系统由高压静电发生器1、喷丝电极2、纤维收集装置3、给液装置4、步进电机5、软管6、计量泵7组成：喷丝电极2和纤维收集装置3通过导线分别连接在高压静电发生器1的静电输出端和接地端上，喷丝电极2为直线条状导轨，喷丝电极2的长度为0.5-2.8m，高度为1-3mm，导轨横截面为等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为20-58°，其两个底角为圆角且弧度相同，圆角的弧度为1.06-1.40 rad，当上角的角度在20-58°之间变化时，喷丝电极2的喷丝头和纤维收集装置3下端之间可以形成尖端高压静电场，这种方式下减弱了超长喷丝电极带来的静电场强度下降和分布不均匀的问题。两个底脚为圆角的结构可以增强喷丝头上的静电场强度，避免静电电荷集中在两个底角上。纤维收集装置3为直线圆柱体金属辊且平行于导轨，其轴线与导轨的中心线位于同一垂直平面上，纤维收集装置3的长度为0.7-3m，喷丝电极2的喷丝头和和纤维收集装置3下端之间的垂直距离为8-26cm，并形成直线带状且分布均匀的高压静电场。给液装置4为半封闭中空管，并固定安装在步进电机5上，步进电机5外接电源后，给液装置4和步进电机5构成了往复横动运动系统，给液装置4的材质采用绝缘玻璃或绝缘陶瓷，其电阻率≥108Ω·m，在中空管封闭端处开有出液槽8，出液槽8垂直于导轨，导轨活动的嵌入在出液槽8中，喷丝电极2的喷丝头与出液槽8内壁面的距离为0.2-0.5mm，这个距离保证了给液装置4可以在喷丝电极2的喷丝头上注射厚度为0.2-0.5mm的纺丝液，为静电纺丝提供了原料。导轨活动的嵌入出液槽8后，出液槽8与导轨之间的空间形成了上大下小的倒直角三角形，倒直角三角形的下端的小角结构形成了毛细效应，可以阻止纺丝液向下扩散，维持了导轨表面纺丝液的均匀性。中空管的开口端通过软管6连接在计量泵7上，计量泵7外接电源后，出液槽8、给液装置4、软管6和计量泵7构成了纺丝液给液系统。软管6为常用塑料软管，其材质可为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯材料等等，软管6的使用方便了给液装置4在喷丝电极2上做往复横动运动。纺丝液给液过程全程封闭，解决了大尺寸喷丝电极常见的纺丝液易结皮成膜的难题。在静电纺丝时，给液装置4在步进电机5的横动速率为0.1-2m/s和计量泵7的注射速率为25-320g/h的条件下，给液装置4在喷丝电极2上做往复横动运动，同时纺丝液通过给液装置4的出液槽8均匀的注射在喷丝电极2的外表面上，解决了大尺寸电极表面静电场分布的均匀性问题。在喷丝电极2的喷丝头和纤维收集装置3下端之间的18-65kV的高压静电场作用下，喷丝电极2外表面上的纺丝液经喷丝电极2的喷丝头喷丝和牵伸后形成纤维，同时发现喷丝电极2外表面上的纺丝液会呈现自主向上爬升并从喷丝头喷丝和牵伸形成纤维的现象，最终纤维并收集在纤维收集装置上。静电纺丝结束时，注射在喷丝电极上的纺丝液被全部静电纺丝制备成纤维，没有纺丝液残留在喷丝电极上，也没有纺丝液从喷丝电极上掉落，这是一种静电纺中纺丝液自发性喷丝的方法和技术。当喷丝电极2的上角在20-58°的范围内时，在喷丝电极2与纺丝液之间的表面张力和摩擦力的作用下，注射在喷丝电极2上的纺丝液的重力分量减弱，当喷丝头上的纺丝液喷丝形成纤维后，喷丝电极2上纺丝液在重力、表面张力、摩擦力和静电场力的综合作用下，最终静电场力分量较大，导致了喷丝电极2上的纺丝液发生向喷丝头爬升并产生喷丝和牵伸的现象。另外，静电纺丝时，本发明专利的喷丝电极上呈现出直线带状瀑布倒挂式的喷丝状态，这种喷丝技术及其现象非常方便制备出取向性纳米纤维材料。
本发明中的步进电机和计量泵为常用装置，符合往复横动速率和幅宽要求的步进电机，以及复合纺丝液注射速率的计量泵均可使用。
本发明提出的往复直线导轨式静电纺丝方法，纺丝速率为25-320g/h，纺丝幅宽为0.5-2.8m，纺丝得到的纤维直径为50-800nm。纤维收集装置为直线圆柱体金属辊，当其静止时可以生产无取向性纤维膜，当其沿轴向自旋转时可以成产取向性纤维膜。如对导轨和中空管进行温度控制，本发明提出的往复直线导轨式静电纺丝方法即可以进行溶液纺丝液纺静电纺，也可以进行熔融纺丝液静电纺。
下面结合具体实施例对本发明的一种往复直线导轨式静电纺丝方法做进一步详细描述：
实施例1
静电纺丝时，其纺丝系统的喷丝电极为直线条状导轨，导轨的长度为0.5m，高度为1mm，导轨横截面为等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为20°，其两个底角为圆角且弧度相同，圆角的弧度为1.06rad，给液装置的材质采用绝缘玻璃，其电阻率为108Ω·m，喷丝电极的喷丝头与出液槽内壁面的距离为0.2mm，纤维收集装置的长度为0.7m，步进电机的横动速率为0.1m/s，计量泵的注射速率为25g/h，喷丝电极的喷丝头和纤维收集装置下端之间的的垂直距离为8 cm，静电压为18kV，纤维收集装置的收集速率为1-1.8m/min，制备的纤维的直径为50-650nm。
实施例2
静电纺丝时，其纺丝系统的喷丝电极为直线条状导轨，导轨的长度为1.5m，高度为2mm，导轨横截面为等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为40°，其两个底角为圆角且弧度相同，圆角的弧度为1.25rad，给液装置的材质采用绝缘陶瓷，其电阻率为109Ω·m，喷丝电极的喷丝头与出液槽内壁面的距离为0.35mm，纤维收集装置的长度为1.7m，步进电机的横动速率为1.2m/s，计量泵的注射速率为200g/h，喷丝电极的喷丝头和纤维收集装置下端之间的的垂直距离为15 cm，静电压为35kV，纤维收集装置的收集速率为1.2-2.3m/min，制备的纤维的直径为50-700nm。
实施例3
静电纺丝时，其纺丝系统的喷丝电极为直线条状导轨，导轨的长度为2.8m，高度为3mm，导轨横截面为等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为58°，其两个底角为圆角且弧度相同，圆角的弧度为1.40rad，给液装置的材质采用绝缘玻璃，其电阻率为1010 Ω·m，喷丝电极的喷丝头与出液槽内壁面的距离为0.5mm，纤维收集装置的长度为3m，步进电机的横动速率为2m/s，计量泵的注射速率为320g/h，喷丝电极的喷丝头和纤维收集装置下端之间的的垂直距离为26 cm，静电压为65kV，纤维收集装置的收集速率为1.5-2.5m/min，制备的纤维的直径为50-800nm。
Claims (4)
1.一种往复直线导轨式静电纺丝方法，包括静电纺丝过程中由高压静电发生器（1）、喷丝电极（2）、纤维收集装置（3）、给液装置（4）和计量泵（7）构成的静电纺丝系统，其特征在于：所述的喷丝电极（2）为直线条状导轨，导轨的长度为0.5-2.8m，高度为1-3mm，导轨横截面为等腰三角形，其上角的顶端为喷丝头，上角的角度为20-58°，其两个底角为圆角且弧度相同，圆角的弧度为1.06-1.40 rad，给液装置（4）为半封闭中空管，并固定安装在步进电机（5）上，在中空管封闭端处开有出液槽（8），出液槽（8）垂直于导轨，导轨活动的嵌入在出液槽（8）中，喷丝电极（2）的喷丝头与出液槽（8）内壁面的距离为0.2-0.5mm，中空管的开口端通过软管（6）连接在计量泵（7）上，纤维收集装置（3）为直线圆柱体金属辊且平行于导轨，其轴线与导轨的中心线位于同一垂直平面上，在静电纺丝时，给液装置（4）在步进电机（5）的横动速率为0.1-2m/s和计量泵（7）的注射速率为25-320g/h的条件下，给液装置（4）在喷丝电极（2）上做往复横动运动，同时纺丝液通过给液装置（4）的出液槽（8）注射在喷丝电极（2）的外表面上，在喷丝电极（2）的喷丝头和纤维收集装置（3）下端之间的18-65kV的高压静电场作用下，喷丝电极（2）外表面上的纺丝液经喷丝电极（2）的喷丝头喷丝和牵伸后形成纤维，并最终收集在纤维收集装置（3）上。
2.根据权利要求1所述的一种往复直线导轨式静电纺丝方法，其特征在于：所述的给液装置（4）的材质采用绝缘玻璃或绝缘陶瓷，其电阻率≥108Ω·m。
3.根据权利要求1所述的一种往复直线导轨式静电纺丝方法，其特征在于：所述的纤维收集装置（3）的长度为0.7-3m。
4.根据权利要求1所述的一种往复直线导轨式静电纺丝方法，其特征在于：所述的喷丝电极（2）的喷丝头和纤维收集装置（3）下端之间的垂直距离为8-26cm。
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