CN105755556B - 一种环式静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环式静电纺丝装置,包括高压发生系统、微控系统、纤维发生系统和接收系统,纤维发生系统包括上面开口的液槽、至少一个驱动轴、多个从动轴、盖板和至少一个纺丝环,每个纺丝环嵌入与其对应的至少一个驱动轮和多个从动轮的沟槽内;驱动轴的一端通过轴承设置在液槽的侧壁上,另一端穿过液槽的对侧侧壁伸出液槽并与驱动电机相连;盖板盖在液槽的上面开口上。本发明采用具有一定间距的平行多环的静电纺丝方式,可以解决供料体系的密封效果不够好的问题,保证了设备具有较高的纺丝效率的同时,避免了溶剂在纺丝过程中的过度挥发,确保了料液粘度在纺丝过程中的长时间稳定,为设备的长时间产业化应用提供了强有力的保障。
Description
技术领域
本发明属于纺丝设备技术领域,具体涉及一种环式静电纺丝装置。
背景技术
目前,世界许多国家和地区正从事静电纺丝法制纳米纤维的研究,用静电纺丝法制得的纤维比传统的复合纺丝制得的纤维细得多,直径一般在几十纳米至1μm之间,最小直径可达1nm。随着近年来纳米技术的不断发展,静电纺丝已成为制备纳米纤维的重要方法而备受关注。静电纺丝法应用广泛,从人工合成高分子到天然高分子,凡是可溶可熔高分子均可使用静电纺丝的方法进行加工,例如聚乙烯醇、聚丙烯腈、纤维素、胶原蛋白、DNA复合体等,并可以在纺丝过程中加入抗生物质、纳米粒子等功能材料,制备出各种功能性纤维。
众所周知,传统的针式静电纺丝,产量低是制约产业化的最大技术瓶颈。为此,相关企业与科研机构均投入大量的人力物力进行研究,根据国内外研究人员在静电纺丝产业化领域的相关研究来看,目前比较适合于规模化纺丝的设计方式主要有两种:
多针方式:多针方式是单针特定方式下数量的扩展,以此达到连续生产和获得面积大、均匀性好的纤维网。多针方式的规模化静电纺丝技术以德国的FreudenburgNonowoven、美国的Finetex Technology Inc.、eSpin Technologies、Nanomatrix和韩国的TOPTECH等公司为代表。但是,多针最主要的问题是针头之间电场的相互干扰,不对称的电场会造成单针的射流呈现明显的偏移。虽然通过增加电场辅助装置和改变针头的布置形式,可以减小针头之间电场的相互影响,但并不能彻底避免,同时多针的设计还存在装置结构复杂,针头易堵塞、针头数量受限制、各针头的流量均匀性不易控制、供料系统复杂等问题,这些因素限制了多针式静电纺丝装置的大规模生产的应用。
无针方式:为克服针式纺丝方式的固有缺点,相关机构开始着手无针方式静电纺丝装置的研发。理论而言,要增加单位时间内静电纺丝的产量就要设法在聚合物溶液的自由表面制造尽可能多的泰勒锥,即自由表面扰动。例如国际专利W02005024101提供了一种无针静电纺丝设备。该设备包括一个部分浸泡于在聚合物溶液中的滚筒形电极(纤维发生器),和距纤维发生器一定的距离纤维收集器(对电极)。当加载的聚合物溶液位于滚筒电极和纤维收集器形成的电场中,并且电场足以强到使滚筒表面的液体形成泰勒锥时,滚筒的表面就可以纺出纳米纤维。由于电场在滚筒中间部分的强度远远小于滚筒两端,制备的纳米纤维细度很不均匀。迪肯大学林童教授的国际专利WO2010/043002和发明人为赵晓利的国内专利201020650021.5,用弹簧和螺旋叶片代替了滚筒,在某种程度上解决了滚筒式旋转电极电场强度分布不均的问题,改善了电场的分布的均匀性和稳定性,提高了单位长度纺丝电极的纺丝效率,提高了纤维直径分布的质量。但无论是弹簧状螺旋还是螺旋叶片都是一个连续的旋转的装置,这种装置固有的特征导致没有合适的方法对体系进行封闭,对于有机溶剂体系而言,纺丝过程中开放的料液体系会造成溶剂的过度挥发,从而难以保证料液粘度的一致性,影响纺丝工艺的稳定性。
现有的无针方式静电纺丝设备虽然克服了多针方式静电纺丝所固有的装置结构复杂、针头易堵塞、各针头的流量均匀性不易控制、供料系统复杂等问题,但同时又带来了供液体系难以密封的问题。无针方式静电纺丝设备开放的供液体系导致纺丝的过程中料液中的溶剂快速过度挥发,促使料液体系的粘度随时间的推移逐渐增大,严重的影响了静电纺丝工艺的稳定性和产品的一致性,这也导致此类无针方式的静电纺丝设备无法进行长时间的连续纺丝,限制了此类设备的产业化应用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的环式静电纺丝装置。
为了实现上述发明目的,本发明提供的技术方案如下:
一种环式静电纺丝装置,包括高压发生系统400以及分别与之相连接的微控系统100、纤维发生系统200和接收系统300,所述纤维发生系统200包括上面开口的液槽208、多个支撑轴、盖板209和至少一个纺丝环201,多个支撑轴包括至少一个驱动轴205和多个从动轴,每个纺丝环201嵌入与其对应的至少一个驱动轮202和多个从动轮的沟槽内,每个驱动轮202套箍在一个驱动轴205上,每个从动轮套箍在一个从动轴上;从动轴的两端分别设置在液槽208的两个侧壁上;驱动轴205的一端通过轴承设置在液槽208的侧壁上,另一端穿过液槽208的对侧侧壁伸出液槽208并与驱动电机相连;盖板209盖在液槽208的上面开口上,盖板209上开设有供纺丝环201穿过的纺丝孔210。
进一步地,多个从动轴包括第一从动轴206和第二从动轴207,每个纺丝环201嵌入与其对应的一个驱动轮202、一个第一从动轮203和一个第二从动轮204的沟槽内;驱动轮202、第一从动轮203和第二从动轮204分别套箍在驱动轴205、第一从动轴206和第二从动轴207上;第一从动轴206和第二从动轴207的两端分别设置在液槽208的两个侧壁上。
进一步地,所述纤维发生系统200还包括电极211和接线柱212,其中:接线柱212设置在液槽208的侧壁上,与高压发生系统400的正极相连;电极211设置在液槽208的底部,其与接线柱212相连。
进一步地,所述纺丝环201是由粗细均匀的丝首尾相接构成的圆环。
进一步地,所述丝的直径范围为0.1-10mm,所述纺丝环201的直径范围为10-1000mm。
进一步地,所述纺丝环201的数目为1-100个,所有纺丝环201互相平行且同心,各个纺丝环201之间的间距可调,所述间距的范围为10-200mm。
进一步地,所述盖板209由多块板片拼接而成。
进一步地,所述盖板209由第一板片2091、第二板片2092和第三板片2093拼接而成。
进一步地,所述环式静电纺丝装置还包括辅助轮213和穿过辅助轮213的辅助轴,辅助轮213相对于驱动轮202设置在纺丝环201的另一侧,辅助轴的两端分别设置在液槽208的两个侧壁上。
进一步地,所述纺丝装置还包括支撑环215和辐射状连接件214,支撑环215整体置于液槽208内,嵌入与其对应的驱动轮202和多个从动轮的沟槽内,纺丝环201通过辐射状连接件214固定于支撑环215的外缘,以多个双臂支撑杆216替代多个支撑轴,每个从动轮分别通过一个双臂支撑杆216固定在液槽208的内侧壁上。
本发明提供的环式静电纺丝装置,采用具有一定间距的平行多环的静电纺丝方式,克服了目前无针方式静电纺丝设备所固有的供料体系难以密封的缺点,这样的设计不但可以轻易地解决供料体系的密封效果不够好的问题,同时这种多环的设计也克服了滚筒式电极的纺丝效率低下和电场分布不均的问题;这种平行多环及其密封的供料体系设计保证了设备具有较高的纺丝效率的同时,避免了溶剂在纺丝过程中的过度挥发,确保了料液粘度在纺丝过程中的长时间稳定,为设备的长时间产业化应用提供了强有力的保障,可以很好地满足实际应用的需要。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为纤维发生系统的侧视图;
图3为图2的透视图,有两个从动轮;
图4为图2的盖上盖板的顶视图;
图5为图4的去掉盖板后的示意图;
图6为盖板的示意图;
图7为图2的透视图,有两个电极和辅助轮,驱动轮设置在纺丝环的内侧;
图8为图2的透视图,有两个电极和辅助轮,驱动轮设置在纺丝环的外侧;
图9为图2的透视图,有两个电极和辅助轮,两个从动轮设置在纺丝环的内侧,驱动轮设置在纺丝环的外侧;
图10为图2的透视图,有两个电极和辅助轮,驱动轮和两个从动轮均设置在纺丝环的内侧;
图11为图2的透视图,有四个从动轮,其中两个从动轮设置在纺丝环的内侧,两个设置在纺丝环的外侧;
图12为图2的透视图,有四个从动轮,均设置在纺丝环的内侧;
图13为设置有辐射状连接件和支撑环的纤维发生系统的结构示意图;
图14为设置有辐射状连接件和支撑环的纤维发生系统的顶视图;
图15为图14的去掉盖板后的示意图;
图16为图13的盖板的结构示意图;
图17为双臂支撑杆的结构示意图;
图18为图17的顶视图;
图中,100-微控系统,200-纤维发生系统,201-纺丝环,202-驱动轮,203-第一从动轮,204-第二从动轮,205-驱动轴,206-第一从动轴,207-第二从动轴,208-液槽,209-盖板,2091-第一板片,2092-第二板片,2093-第三板片,210-纺丝孔,211-电极,212-接线柱,213-辅助轮,214-辐射状连接件,215-支撑环,216-双臂支撑杆,217-第三从动轮,300-接收系统,400-高压发生系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,一种环式静电纺丝装置,包括高压发生系统400以及分别与之相连接的微控系统100、纤维发生系统200和接收系统300。
如图2-5所示,所述纤维发生系统200包括上面开口的液槽208、多个支撑轴、盖板209、电极211、接线柱212和至少一个纺丝环201(本实施例中的纺丝环201为2个),多个支撑轴包括驱动轴205、第一从动轴206、第二从动轴207,每个纺丝环201嵌入与其对应的一个驱动轮202、一个第一从动轮203和一个第二从动轮204的沟槽内(驱动轮202、第一从动轮203和第二从动轮204上开设有圆弧形沟槽,沟槽的深度为1.5mm),驱动轮202在纺丝环201的内侧,第一从动轮203和第二从动轮204在纺丝环201的外侧,调整驱动轴205的上下位置,使驱动轮202恰好与纺丝环201接触,第一从动轮203和第二从动轮204的高度相同,距离液槽208的底部60mm,驱动轮202的高度低于第一从动轮203和第二从动轮204的高度;驱动轮202、第一从动轮203和第二从动轮204分别套箍在驱动轴205、第一从动轴206和第二从动轴207上,第一从动轴206和第二从动轴207的长度均为200mm,驱动轴205的长度为250mm;第一从动轮203和第二从动轮204的两端分别通过轴承固定在液槽208的两个内侧壁上,且第一从动轮203和第二从动轮204互相平行,其间距为90mm;驱动轴205的一端通过轴承设置在液槽208的内侧壁上,另一端穿过液槽208的对侧侧壁伸出液槽208并与驱动电机相连;盖板209盖在液槽208的上面开口上,盖板209上开设有供纺丝环201穿过的纺丝孔210;接线柱212设置在液槽208的侧壁上,接线柱212嵌入液槽208的侧壁,一端伸出液槽208的外部,另一端插入液槽208的内部,伸出液槽208的外部的一端与高压发生系统400的正极相连,电极211设置在液槽208的底部,其与接线柱212插入液槽208的内部的一端相连。
液槽208的尺寸为20cm×15cm×11cm。
所述纺丝环201是由粗细均匀的不锈钢丝首尾相接构成的圆环,所述不锈钢丝的直径范围为0.1-10mm,本实施例优选为2.0mm;所述纺丝环201的直径范围为10-1000mm,本实施例优选为100mm。
所述纺丝环201的数目为1-100个,本实施例优选为2个;所有纺丝环201互相平行且同心;各个纺丝环201之间的间距可调,间距范围为10-200mm,本实施例优选为100mm。
如图6所示,所述盖板209由第一板片2091、第二板片2092和第三板片2093拼接而成,第一板片2091、第二板片2092和第三板片2093接触纺丝环201的位置开设有形成纺丝孔210的弧形凹槽,纺丝孔210由两个弧形凹槽对接形成,纺丝孔210的内壁与纺丝环201保持很小的间隙,保证纺丝环201在旋转的过程中不与纺丝孔210接触,同时又有效防止料液的挥发。在放置盖板209时,先将第二板片2092固定在液槽208上,然后再分别将第一板片2091和第三板片2093拼接固定好,从而将液槽208的上部开口盖合,实现了对液槽208的密封。盖板209和液槽208共同形成一个封闭的空间;纺丝环201通过纺丝孔210穿过盖板209,纺丝环201的一部分位于盖板209和液槽208所形成的封闭空间的内部,另一部分位于该封闭空间的外部。盖板209由三块板片拼接而成,方便安装,弧形凹槽对接形成的纺丝孔210与纺丝环201之间的间隙很小,密封性好,有效防止料液的挥发。
在实际操作过程中,随着驱动轴205的旋转,纺丝环201被驱动旋转,纺丝环201从液槽208底部蘸取料液后转动穿过纺丝孔210,纺丝环201将料液由液槽208内部转移出来并暴露在盖板209外面,位于盖板209外面部分的纺丝环201外缘表面的料液在高压静电场的作用下形成多个泰勒锥,泰勒锥继续被电场拉伸产生鞭动并分裂形成纳米纤维,随着溶剂的挥发所形成的纳米纤维在接收系统300的表面累积成具有三维结构的多孔膜。
纺丝环201为环状结构,表面积小,可以避免粘在其表面的料液过多而造成浪费;纺丝环201穿过纺丝孔210,与盖板209之间的间隙很小,纺丝环201与纺丝孔210之间形成的间隙较小,有效避免了液槽208内的料液的挥发。
液槽208内还可以设置有清洁装置(附图中未示出),例如料液刷,料液刷与纺丝环201相接触,可以刷掉纺丝环201上的料液,从而起到清洁纺丝环201的作用。
如图7所示,本发明的环式静电纺丝装置还包括辅助轮213和和穿过辅助轮213的辅助轴,辅助轮213设置在纺丝环201的外侧,驱动轮202设置在纺丝环201的内侧,辅助轴的两端分别设置在液槽208的两个侧壁上,在液槽208的底部设置有两个电极211,其分别与接线柱212插入液槽208的内部的一端相连。也可以是辅助轮213设置在纺丝环201的内侧,驱动轮202设置在纺丝环201的外侧,如图8所示。也可以是第一从动轮203、第二从动轮204、辅助轮213设置在纺丝环201的内侧,驱动轮202设置在纺丝环201的外侧,如图9所示;或者辅助轮213设置在纺丝环201的外侧,驱动轮202设置在纺丝环201的内侧,如图10所示。还可以具有四个从动轮,两个从动轮设置在纺丝环201的内侧,两个从动轮设置在纺丝环201的外侧,如图11所示;也可以是驱动轮202和四个从动轮均设置在纺丝环201的内侧,如图12所示。
另外,纺丝环201的横截面的形状可以为其他形状,纺丝孔210的形状与纺丝环201的横截面的形状相吻合,纺丝环201与纺丝孔210之间保持很小的间隙。
另外,驱动轴205也可以为两个或两个以上,每个纺丝环201对应两个或两个以上的驱动轮202,嵌入这些驱动轮202的沟槽内,每个驱动轮202都套箍在一个驱动轴205上,每个纺丝环201所对应的驱动轮202的个数与驱动轴205的个数相同。
当构成纺丝环201的丝的直径很小(<2mm)时,在运转过程中纺丝环201容易变形。为了解决此问题,采用如下方案:如图13-15所示,当构成纺丝环201的丝的直径范围为0.1-2mm时,在液槽208内设置一个支撑环215,支撑环215整体置于液槽208内;驱动轮202和第一从动轮203、第二从动轮204、第三从动轮217都作用于支撑环215上,驱动轮202和驱动轴205置于支撑环215的内侧,支撑环215嵌入与其对应的驱动轮202、第一从动轮203、第二从动轮204、第三从动轮217的沟槽内,第一从动轮203、第二从动轮204、第三从动轮217分别通过一个双臂支撑杆216(如图17、图18所示)固定在液槽208的内侧壁上,而非通过从动轴固定,即以多个双臂支撑杆216替代多个从动轴,且支撑环215不与料液接触,纺丝环201通过辐射状连接件214固定于支撑环215的外缘,纺丝环201与支撑环215同心;对应的,盖板209也要做相应的调整,对应每个纺丝环201的两个纺丝孔210之间要开一道缝,供旋转的连接件214顺利通过,如图16所示。
本发明提供的环式静电纺丝装置,采用具有一定间距的平行多环的静电纺丝方式,克服了目前无针方式静电纺丝设备所固有的供料体系难以密封的缺点,这样的设计不但可以轻易地解决供料体系的密封效果不够好的问题,同时这种多环的设计也克服了滚筒式电极的纺丝效率低下和电场分布不均的问题;这种平行多环及其密封的供料体系设计保证了设备具有较高的纺丝效率的同时,避免了溶剂在纺丝过程中的过度挥发,确保了料液粘度在纺丝过程中的长时间稳定,为设备的长时间产业化应用提供了强有力的保障,可以很好地满足实际应用的需要。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种环式静电纺丝装置,其特征在于,包括高压发生系统(400)以及分别与之相连接的微控系统(100)、纤维发生系统(200)和接收系统(300),所述纤维发生系统(200)包括上面开口的液槽(208)、多个支撑轴、盖板(209)和至少一个纺丝环(201),多个支撑轴包括至少一个驱动轴(205)和多个从动轴,每个纺丝环(201)嵌入与其对应的至少一个驱动轮(202)和多个从动轮的沟槽内,每个驱动轮(202)套箍在一个驱动轴(205)上,每个从动轮套箍在一个从动轴上;从动轴的两端分别设置在液槽(208)的两个侧壁上;驱动轴(205)的一端通过轴承设置在液槽(20)的侧壁上,另一端穿过液槽(208)的对侧侧壁伸出液槽(208)并与驱动电机相连;盖板(20)盖在液槽(208)的上面开口上,盖板(209)上开设有供纺丝环(20)穿过的纺丝孔(210);所述环式静电纺丝装置还包括辅助轮(213)和穿过辅助轮(213)的辅助轴;辅助轮(213)相对于驱动轮(202)设置在纺丝环(201)的另一侧,辅助轴的两端分别设置在液槽(208)的两个侧壁上;所述纺丝装置还包括支撑环(215)和辐射状连接件(214),支撑环(215)整体置于液槽(208)内,嵌入与其对应的驱动轮(202)和多个从动轮的沟槽内;纺丝环(201)通过辐射状连接件(214)固定于支撑环(215)的外缘,以多个双臂支撑杆(216)替代多个支撑轴,每个从动轮分别通过一个双臂支撑杆(216)固定在液槽(208)的内侧壁上,所述纤维发生系统(200)还包括电极(211)和接线柱(212),其中:接线柱(22)设置在液槽(208)的侧壁上,与高压发生系统(400)的正极相连;电极(21)设置在液槽(208)的底部,其与接线柱(212)相连,所述纺丝环(201)是由粗细均匀的丝首尾相接构成的圆环,所述丝的直径范围为0.1-2mm,所述纺丝环(201)的直径范围为10-1000mm,所述盖板(29)由多块板片拼接而成。
2.根据权利要求1所述的环式静电纺丝装置,其特征在于,多个从动轴包括第一从动轴(206)和第二从动轴(207),每个纺丝环(201)嵌入与其对应的一个驱动轮(202)、一个第一从动轮(203)和一个第二从动轮(204)的沟槽内;驱动轮(202)、第一从动轮(203)和第二从动轮(204)分别套箍在驱动轴(205)、第一从动轴(206)和第二从动轴(27)上;第一从动轴(206)和第二从动轴(207)的两端分别设置在液槽(28)的两个侧壁上。
3.根据权利要求1所述的环式静电纺丝装置,其特征在于,所述纺丝环(201)的数目为1-100个,所有纺丝环(20)互相平行且同心,各个纺丝环(201)之间的间距可调,所述间距的范围为10-200mm。
4.根据权利要求1所述的环式静电纺丝装置,其特征在于,所述盖板(209)由第一板片(2091)、第二板片(2092)和第三板片(2093)拼接而成。
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