CN105755555B - 一种静电纺丝电极及批量制备纳米纤维的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电纺丝电极及批量制备纳米纤维的装置，包括呈长条状的本体，所述本体的横截面的形状由底部向顶部逐渐收窄，在所述本体的顶端具有溶液的停留面，所述停留面沿本体的长度方向延伸。本发明用于纺丝的电极由底部向顶部逐渐收窄，可以在顶部形成更高的电场强度，其纺丝临界电压更低，能耗更低，并且纺丝电极的本体顶端具有停留面，纺丝溶液经涂覆后能停留在停留面上，从而保证纺丝器件的均匀性和连续性。本发明可应用于静电纺丝。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝领域，特别是涉及一种静电纺丝电极及批量制备纳米纤维的装置。
背景技术
随着纳米材料研究的迅速升温，静电纺丝技术逐渐成为研究热点。近几年来，静电纺丝技术以其连续、方便、快速、工艺简单、成本低廉的特点已经成为纳米纤维制造的主流技术；静电纺丝纳米纤维具有形貌可控、比表积大、透气性好等诸多优势，己在过滤材料、防护材料、酶载体、传感器膜等领域获得了广泛应用。静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维具有成本低廉、操作容易以及高效等优点，被认为是制备大量聚合物连续纳米纤维最有效的方法。
由于针头式静电纺丝存在产量低、易堵塞等问题，因此目前批量制备纳米纤维的工艺基本都是采用无针头静电纺丝技术。其中，较为成熟的无针头静电纺丝技术有：金属滚筒纺丝、螺旋滚筒纺丝、盘状纺丝、金属缆线纺丝、螺旋线圈纺丝等。“纳米蜘蛛”(ZL200780032749.2，WO2008/028428)是捷克爱尔马克发明的采用金属滚筒纺丝工艺的无针静电纺丝技术，后续又推出了以金属丝纺丝代替金属滚筒纺丝工艺的纳米纤维量产设备，实现了连续规模化制造纳米纤维，但是产量仍然达不到要求，并且出现了能耗高、质量一致性差等问题。
中国专利CN200810153891.9提出了利用圆周外表铸有锥形螺纹的金属滚筒为喷射头，以代替传统喷头进行纺丝，产量虽显著，但其存在喷射电压阀值高、供液槽外露导致溶液老化等问题。当前的静电纺丝喷头、静电纺丝的整套装置在纺丝的连续性和可靠性上有待提高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种静电纺丝电极，其纺丝连续性较好。
本发明所采用的技术方案是：
一种静电纺丝电极，包括呈长条状的本体，所述本体的横截面的形状由底部向顶部逐渐收窄，在所述本体的顶端具有溶液的停留面，所述停留面沿本体的长度方向延伸。
作为本发明的进一步改进，所述本体的横截面为梯形或大致为梯形。
作为本发明的进一步改进，所述停留面为一个或两个以上的平面。
作为本发明的进一步改进，所述停留面为弧形面。
本发明还公开一种批量制备纳米纤维的装置，能够实现连续、可靠地纺丝，其采用的技术方案是：
批量制备纳米纤维的装置，包括：
上述的静电纺丝电极；
涂覆部件，能够在本体的上方沿本体长度方向往复平移，所述涂覆部件包括在停留面正上方的涂覆口；
条状的收集电极，处于本体的正上方并与本体平行设置；
静电发生部件，其两极分别电性连接本体和收集电极。
作为本发明的进一步改进，所述涂覆部件的底部具有一向上凹陷的凹腔，所述凹腔朝向本体并容纳本体，所述涂覆口位于凹腔的顶端，所述涂覆部件还包括连通涂覆口的进液口。
作为本发明的进一步改进，所述凹腔的侧壁匹配并贴合或大致贴合本体的侧面。
作为本发明的进一步改进，还包括支撑本体及涂覆部件的基座，所述本体与基座之间设置有隔离板。
作为本发明的进一步改进，所述基座上设置有驱动涂覆部件平移的驱动部件。
作为本发明的进一步改进，所述驱动部件包括电机、滑台、直线滑轨、支撑块、夹具，所述夹具夹紧固定涂覆部件，所述支撑块连接并支撑夹具，所述滑台与支撑块连接固定，所述直线滑轨安装在基座上并与本体的长度方向平行，所述滑台滑动连接直线滑轨，所述电机安装在基座上并驱动滑台。
本发明的有益效果是：本发明用于纺丝的电极由底部向顶部逐渐收窄，可以在顶部形成更高的电场强度，其纺丝临界电压更低，能耗更低，并且纺丝电极的本体顶端具有停留面，纺丝溶液经涂覆后能停留在停留面上，从而保证纺丝器件的均匀性和连续性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是静电纺丝电极的轴测示意图；
图2是静电纺丝电极第一实施例的剖面示意图；
图3是静电纺丝电极第一实施例电场分布图；
图4是静电纺丝电极第二实施例的剖面示意图；
图5是静电纺丝电极第二实施例电场分布图；
图6是静电纺丝电极第三实施例的剖面示意图；
图7是静电纺丝电极第三实施例电场分布图；
图8是静电纺丝电极第四实施例的剖面示意图；
图9是静电纺丝电极第四实施例电场分布图；
图10是圆形电极的电场分布图；
图11是方形电极的电场分布图；
图12是批量制备纳米纤维装置的结构示意图；
图13是涂覆部件的轴测示意图；
图14是涂覆部件的剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示的静电纺丝电极100，包括呈长条状的金属条1，该金属条1构成实施例中的本体。金属条1的横截面的形状由底部向顶部逐渐收窄，当其通电后，会在顶部的收窄处形成较底部更高的电场强度，用于提供更有利的纺丝条件。
参考图2的第一实施例，金属条的横截面为等腰的梯形。该梯形的顶端为一条直线段，从而这条直线段沿金属条长度方向延伸后构成了一个平面，即构成了溶液的停留面111。涂覆在停留面上的纺丝溶液能够较长时间地保留在上面。
该实施例中，停留面的两端具有两条棱，形成两个边缘尖端112，这些边缘尖端112极化效应使得诱发纺丝更容易，并且其纺丝射流发射点更多，纺丝产量更大。
对比图3、图10和图11，很明显可以看出，具有这种停留面及梯形结构的电极，在电极的顶部能产生更高的电场强度，而且边缘尖端112处的电场强度最高。
参考图4的第二实施例，金属条的横截面为具有对称轴的多边形，并大致呈等腰梯形的形状。该形状的顶部三角锥状，沿金属条长度方向延伸后构成了两个斜面，该两个斜面即为溶液的停留面121。涂覆在停留面上的纺丝溶液能够较长时间地保留在上面。
该实施例中，停留面的的边缘具有三条棱，形成三道边缘尖端122，这些边缘尖端122极化效应使得诱发纺丝更容易，并且其纺丝射流发射点更多，纺丝产量更大。
对比图5、图10和图11，很明显可以看出，具有两个停留面的这种电极，在停留面处能产生更高的电场强度。
参考图6的第三实施例，金属条的横截面为大致为等腰梯形，等腰梯形的顶部具有圆形结构。该圆形结构沿金属条长度方向延伸后构成了圆柱面，圆柱面的上部分的弧面即为溶液的停留面131。涂覆在停留面上的纺丝溶液能够较长时间地保留在上面。上述构成圆柱面的可以是接在金属条上端面的圆形金属电缆。
对比图7、图10和图11，很明显可以看出，具有圆柱形停留面的这种电极，在停留面处能产生更高的电场强度。
参考图8的第三实施例，金属条的横截面为大致为等腰梯形，等腰梯形的顶部具有半圆。该圆沿金属条长度方向延伸后构成了弧形面，弧形面的即为溶液的停留面141。涂覆在停留面上的纺丝溶液能够较长时间地保留在上面。
对比图9、图10和图11，很明显可以看出，具有上述弧形停留面的这种电极，在停留面处能产生更高的电场强度。
上述实施例的电极，由于具有停留面，相对于三角锥的电极来说能够进行连续纺丝。因为当前的三角锥电极顶部为尖端，纺丝射流发射点很少，因此产量更低，另外三角形顶部是一个尖角不能存储溶液，纺丝量较小并且纺丝不能连续进行。
实施例还公开批量制备纳米纤维的装置，主要使用上述实施例中的静电纺丝电极以及与之搭配的其他设备、设施，能够实现连续、可靠地纺丝。
参考图12，其包括一静电纺丝电极100、一涂覆部件2、一收集电极3、一静电发生部件8。
其中，静电纺丝电极100沿水平方向布置；
所述的涂覆部件2，能够在静电纺丝电极100的上方沿电极长度的水平方向往复平移，涂覆部件2包括在停留面正上方的涂覆口21。涂覆部件2往复平移的过程实质是对电极往复涂覆溶液的过程，溶液通过重力或外部的作用力从涂覆口21落至停留面上；
所述的收集电极3为圆柱形的条状，处于电极的正上方并与电极平行设置；
所述的静电发生部件8，能产生正电荷和负电荷，其两极分别通过导线或导电介质电性连接静电纺丝电极100和收集电极3。
通电后，由于静电纺丝电极100与收集电极3之间形成一个高压静电场，使得电极停留面附近涂覆的溶液会在电场力作用下突破表面张力，形成纺丝射流，最终在收集基材7上沉积为纳米纤维，实现高效、稳定的静电纺丝过程。
进一步优选的，参考图12、图13和图14，涂覆部件2的主体为一方块状结构，其底部具有一向上凹陷的凹腔22，凹腔22朝向并将静电纺丝电极100容纳在内，涂覆口21位于凹腔22的顶端。涂覆部件2还包括连通涂覆口21的进液口23，位于涂覆部件2的顶部，可以外接精确供液的管道。当涂覆部件2在水平方向来回移动时，溶液从进液口23不断进入，不断从涂覆口21落入至静电纺丝电极100的停留面上。涂覆部件2除了进液口23和涂覆口21是通向外界之外，其余位置都是密封的，为此，纺丝液不会暴露在空气中而老化。
进一步优选的，凹腔22的侧壁为两个斜面，其匹配并贴合或大致贴合静电纺丝电极100梯形的两个斜面，也即凹腔22的侧壁与静电纺丝电极100的侧面之间无缝隙或缝隙非常的小，保证涂覆过程中电极两侧斜面不漏液，并且确保了停留面能够均匀的涂覆一层溶液，保证纺丝的连续性和纺丝质量一致性。
在上述的实施例中，参考图12，静电纺丝电极100以及涂覆部件2由一基座4支撑安装。为了将电极与基座4绝缘，静电纺丝电极100与基座4之间设置有由绝缘材料制成的隔离板5。
另外，基座4上安装有驱动涂覆部件2平移的驱动部件。
具体来说，驱动部件包括电机、滑台61、直线滑轨62、支撑块63、夹具64，夹具64夹紧固定涂覆部件2，支撑块63连接并支撑夹具64，滑台61与支撑块63连接固定，直线滑轨62安装在基座4上并与本体的长度方向平行，滑台61滑动连接直线滑轨62，电机安装在基座4上并驱动滑台61。
上述静电纺丝电极的电场强度图是由电场仿真实现，其过程为：使用电场仿真软件采用COMSOL，对静电纺丝电极施加电压为50KV，对收集电极施加电压为0V，静电纺丝电极与收集电极之间的距离设置为200mm。仿真结果为对比四个实施例中的静电纺丝电极与传统的圆形电极、正方形电极的纺丝射流发射点的最大电压值，对比结果如下表格，结论为：四个实施例中电极发射端电场强度比普通圆形电极、正方形电极的发射端电场强度大。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种静电纺丝电极，包括呈长条状的本体，其特征在于：所述本体的横截面的形状由底部向顶部逐渐收窄，在所述本体的顶端具有溶液的停留面，所述停留面沿本体的长度方向延伸。
2.根据权利要求1所述的静电纺丝电极，其特征在于：所述本体的横截面为梯形或大致为梯形。
3.根据权利要求1或2所述的静电纺丝电极，其特征在于：所述停留面为一个或两个以上的平面。
4.根据权利要求1或2所述的静电纺丝电极，其特征在于：所述停留面为弧形面。
5.一种批量制备纳米纤维的装置，其特征在于，包括：
权利要求1至4中任一项所述的静电纺丝电极；
涂覆部件(2)，能够在本体的上方沿本体长度方向往复平移，所述涂覆部件(2)包括在停留面正上方的涂覆口(21)；
条状的收集电极(3)，处于本体的正上方并与本体平行设置；
静电发生部件(8)，其两极分别电性连接本体和收集电极(3)。
6.根据权利要求5所述的批量制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述涂覆部件(2)的底部具有一向上凹陷的凹腔(22)，所述凹腔(22)朝向本体并容纳本体，所述涂覆口(21)位于凹腔(22)的顶端，所述涂覆部件(2)还包括连通涂覆口(21)的进液口(23)。
7.根据权利要求6所述的批量制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述凹腔(22)的侧壁匹配并贴合或大致贴合本体的侧面。
8.根据权利要求5或6或7所述的批量制备纳米纤维的装置，其特征在于：还包括支撑本体及涂覆部件(2)的基座(4)，所述本体与基座(4)之间设置有隔离板(5)。
9.根据权利要求8所述的批量制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述基座(4)上设置有驱动涂覆部件(2)平移的驱动部件。
10.根据权利要求9所述的批量制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述驱动部件包括电机、滑台(61)、直线滑轨(62)、支撑块(63)、夹具(64)，所述夹具(64)夹紧固定涂覆部件(2)，所述支撑块(63)连接并支撑夹具(64)，所述滑台(61)与支撑块(63)连接固定，所述直线滑轨(62)安装在基座(4)上并与本体的长度方向平行，所述滑台(61)滑动连接直线滑轨(62)，所述电机安装在基座(4)上并驱动滑台(61)。
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