CN105821494B - 一种制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，包括高压电源、与所述高压电源正负极连接的极化电极和接收对电极、液槽、置于所述液槽内的纺丝溶液，还包括驱动细线发生器间断地置于所述液槽内的传动装置。本发明通过驱动细线发生器间断地置于所述液槽内的传动装置，可以更快地在细线发生器的表面涂敷纺织溶液，提高纺丝速度。

Description

一种制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，特别是一种通过静电纺丝技术制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是利用静电力从溶液中制备超细纤维或者纱线，通常在纳米到微米尺寸。液滴在电场作用下带电荷，静电力会中和表面张力使液滴发生变形，当静电力大于表面张力到一定程度后，液滴会形成喷射细流，细流在喷射过程中分裂并且溶剂蒸发，最终得到纳米纤维。在喷出细流的地方会形成泰勒锥。如果液滴的分子间作用力足够大，细流就不会分裂，会形成一束带电细流。

图1是传统制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置10的示意图。设备10包括一个高压电源102、与高压电源102正负极连接的极化电极103和接收对电极104，用于纺丝的纺丝溶液105以及用于放置高分子溶液的液槽107，极化电极103置于纺丝溶液105内，细线发生器101部分置于纺丝溶液105内，通过细线发生器的移动或者溶液槽的移动将高分子溶液涂敷在细线上。

静电纺丝时，通过极化电极103在高分子溶液105上施加高压使细线发生器101上液滴极化带电。在离接收对电极104最近处的液滴由于静电力牵引向接收对电极104移动，形成圆锥形的泰勒锥106。当静电力大于高分子溶液的表面张力，溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维108，最终收集在接收对电极104上。

上述装置中细线发生器的表面积有限，所载的液体也是有限的，所以单位细线的纺丝量也受到了约束。

因此，有必要提供一种新的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速高效的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，包括高压电源、与所述高压电源正负极连接的极化电极和接收对电极、液槽、置于所述液槽内的纺丝溶液，还包括驱动细线发生器间断地置于所述液槽内的传动装置。

进一步的，所述极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。

进一步的，所述细线发生器为所述极化电极，所述细线发生器为金属。

进一步的，所述细线发生器的表面设有凸起。

进一步的，所述传动装置驱动所述细线发生器整体或部分地置于所述液槽内。

进一步的，所述细线发生器周期性地置于所述液槽内。

进一步的，所述传动装置驱动所述细线发生器移动。

进一步的，所述传动装置驱动所述液槽移动。

进一步的，所述高压电源为高压直流电源。

进一步的，所述纺丝溶液的上方设有激光定位仪，所述液槽连通有反馈液泵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过驱动细线发生器间断地置于所述液槽内的传动装置，可以更快地在细线发生器的表面涂敷纺织溶液，提高纺丝速度。

附图说明

图1是传统制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置的示意图。

图2是本发明实施例1的示意图。

图3是本发明实施例2的示意图。

图4是本发明实施例3的示意图。

图5是本发明实施例4的示意图。

图6是本发明实施例5的示意图。

图7是细线发生器种类的示意图和照片。

图8是模拟的不同直径细线发生器表面平均电场强度至接收对电极距离中点的电场强度。

图9是模拟的细线发生器表面平均电场强度与直径倒数的线性关系。

图10是模拟的细线发生器表面电场强度与凸起的关系。

具体实施方式

实施例1

请参阅图2，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置20，包括高压电源202、与高压电源202正负极连接的极化电极203和接收对电极204、液槽207、置于液槽内的纺丝溶液205、部分置于纺丝溶液205内的细线发生器201，细线发生器201的一端或两端固定在转轮209上，通过转轮的前后转动，细线发生器201通过液槽使其表面被快速涂敷纺丝溶液205，纺丝溶液205是带电的，为提高极化效率所述极化电极的比表面积至少为1㎡/kg，极化电极203材料包括:线、网、栅格、泡沫、海绵、布、编织物、鳍状物、平行板、粘连粉末结构、交织材料等。细线发生器201的截面的形状包括圆形、椭圆形、方形、长方形、六边形、五边形、星形、表面拥有各种凸起、麻花线、不同粗细的麻花线、编织线、不同材料的编织线等。细线发生器201的材质包括金属、塑料、有机纤维、无机纤维。本实施例为直径为2mm的圆形截面线，所述高压电源为高压直流电源，细线发生器201与接收对电极204之间的距离为200mm，电压5万伏以上。在细线发生器201表面均匀形成泰勒锥206，由于静电力大于纺丝溶液的表面张力，纺丝溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维208，最终收集在接收对电极204上。纺丝溶液液面的位置通过设置在液面上方的激光定位仪210监控，反馈液泵211与液槽207连通，用于补充和调整纺丝溶液的容量。

实施例2

请参阅图3，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置30，包括高压电源302、与高压电源302正负极连接的极化电极303和接收对电极304、液槽307、置于液槽内的纺丝溶液305、间断置于纺丝溶液305内的细线发生器301，细线发生器301的一端或两端固定在转轮309上，液槽与传动装置309连接，传动装置309驱动液槽上下移动，传动装置309为旋转驱动的曲柄气缸、油缸等机构，能够使置于所述纺丝溶液305内的细线发生器301快速脱离纺丝溶液液面，从而可以快速涂敷纺丝溶液后进行纺丝，极化电极303位于纺丝溶液305内并位于细线发生器301的下方，极化电极303与细线发生器长度相仿，极化电极材料包括:线、网、栅格、泡沫、海绵、布、编织物、鳍状物、平行板、粘连粉末结构、交织材料等，极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。细线发生器301的截面的形状包括圆形、椭圆形、方形、长方形、六边形、五边形、星形、表面拥有各种凸起、麻花线、不同粗细的麻花线、编织线、不同材料的编织线。细线发生器301的材质包括金属、塑料、有机纤维、无机纤维。本实施例为直径为3mm的两种不同粗细线捻成的麻花线，所述高压电源为高压直流电源，细线发生器301与接收对电极304之间的距离为250mm，电压8万伏以上。在细线发生器表面均匀形成泰勒锥306，由于静电力大于纺丝溶液的表面张力，纺丝溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维308，最终收集在接收对电极304上。纺丝溶液液面的位置通过设置在液面上方的激光定位仪310监控，反馈液泵311与液槽307连通，用于补充和调整纺丝溶液的容量。

实施例3

请参阅图4，与实施例2的不同在于细线发生器的固定方法，细线发生器401的两端固定在支架412上，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置40，包括高压电源402、与高压电源402正负极连接的极化电极403和接收对电极404、液槽407、置于液槽内的纺丝溶液405、间断置于纺丝溶液405内的细线发生器401，液槽与传动装置409连接，传动装置409驱动液槽上下移动，传动装置409为旋转驱动的曲柄气缸、气缸、油缸等机构，能够使置于所述纺丝溶液405内的细线发生器401快速脱离纺丝溶液液面，从而可以快速涂敷纺丝溶液后进行纺丝，极化电极403位于纺丝溶液405内并位于细线发生器401的下方，极化电极403与细线发生器长度相仿，极化电极材料包括:线、网、栅格、泡沫、海绵、布、编织物、鳍状物、平行板、粘连粉末结构、交织材料等，极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。细线发生器401的截面的形状包括圆形、椭圆形、方形、长方形、六边形、五边形、星形、表面拥有各种凸起、麻花线、不同粗细的麻花线、编织线、不同材料的编织线。细线发生器401的材质包括金属、塑料、有机纤维、无机纤维。本实施例为直径为2.5mm的三种不同材质的线编织成的编织线，所述高压电源为高压直流电源，细线发生器401与接收对电极404之间的距离为250mm，电压7.5万伏以上。在细线发生器表面均匀形成泰勒锥406，由于静电力大于纺丝溶液的表面张力，纺丝溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维408，最终收集在接收对电极404上。纺丝溶液液面的位置通过设置在液面上方的激光定位仪410监控，反馈液泵411与液槽407连通，用于补充和调整纺丝溶液的容量。

实施例4

请参阅图5，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置50，包括高压电源502、与高压电源502正负极连接的极化电极503和接收对电极504、液槽507、置于液槽内的纺丝溶液505、间断置于纺丝溶液505内的细线发生器501，细线发生器501的两端固定在支架512上，支架512与传动装置509连接，传动装置509驱动支架上下移动，传动装置509为旋转驱动的曲柄气缸、气缸、油缸等机构，能够使置于所述纺丝溶液505内的细线发生器501快速脱离纺丝溶液液面，从而可以快速涂敷纺丝溶液后进行纺丝，极化电极503位于纺丝溶液505内并位于细线发生器501的下方，极化电极503与细线发生器长度相仿，极化电极材料包括:线、网、栅格、泡沫、海绵、布、编织物、鳍状物、平行板、粘连粉末结构、交织材料等，极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。细线发生器501的截面的形状包括圆形、椭圆形、方形、长方形、六边形、五边形、星形、表面拥有各种凸起、麻花线、不同粗细的麻花线、编织线、不同材料的编织线。细线发生器501的材质包括金属、塑料、有机纤维、无机纤维。本实施例为直径为1.5mm的三种不同材质的线捻成的麻花线，所述高压电源为高压直流电源，细线发生器501与接收对电极504之间的距离为230mm，电压6万伏以上。在细线发生器表面均匀形成泰勒锥506，由于静电力大于纺丝溶液的表面张力，纺丝溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维508，最终收集在接收对电极504上。当细线发生器501是金属材质时，高压电源可以直接与其相连接，可以省去极化电极503，此时细线发生器也就是极化电极，同样也可以纺出纳米丝。纺丝溶液液面的位置通过设置在液面上方的激光定位仪510监控，反馈液泵511与液槽507连通，用于补充和调整纺丝溶液的容量。

实施例5

请参阅图6，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置60，包括高压电源602、与高压电源602正负极连接的细线发生器601和接收对电极604、液槽607、置于所述液槽内的纺丝溶液605，此时细线发生器作为极化电极使用，本实施例细线发生器的结构如图7中的设计e)，较粗部分的环直径为5mm，宽度1mm，细的部分为3mm长度4mm，该细线发生器不低于纺丝溶液液面下的5mm，更佳的不低于液面下的3mm。所述的细线发生器置于纺丝溶液的液面下通过表面微结构增强纺丝效率。如图10所示微小的凸起也可以增加电场强度50％，该微结构的高度不大于10mm，更佳的不大于5mm，更佳的不大于3mm。所述高压电源为高压直流电源，细线发生器601与接收对电极604之间的距离为200mm，电压6万伏以上。在细线发生器表面均匀形成泰勒锥606，由于静电力大于纺丝溶液的表面张力，纺丝溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维608，最终收集在接收对电极604上。纺丝溶液液面的位置通过设置在液面上方的激光定位仪610监控，反馈液泵611与液槽607连通，用于补充和调整纺丝溶液的容量。

图7细线发生器种类的结构及截面，a)为圆形截面线、b)为方形截面线、c)为五星形截面线、d)为长方形表面增加凸起、e)为圆形截面增加圆环凸起、f)为麻花线、g)为两种不同粗细线捻成的麻花线、h)为三种不同材质的线捻成的麻花线、i)为三种不同材质的线编织成的编织线。不同的表面形貌产生不同的纺丝效率和纳米纤维直径，有一定粗糙度的细线较容易形成泰勒锥。

图8、图9和图10所示乃使用电场模拟软件(例如Maxwell)产生的细线发生器表面与接收对电极之间中点的电场强度分布，即电势差；利用二维软件可以较快得到结果，圆形截面细线发生器的直径从1mm增加至10mm，接收对电极为200mm圆柱，细线发生器表面和接收对电极表面的距离为200mm。为方便比较、用1mm直径细线发生器的电势差进行了归一化处理。从图8中所见，细线发生器表面的电场强度随直径的增加而减小，而细线发生器到接收对电极表面的中点的电势差则持续增加。较高的细线发生器表面电场强度有利于产生泰勒锥和纺丝，较高的中点电场强度可以提供足够的能量减小纤维的直径，较好的直径小于10mm，更好的小于6mm，更好的直径大于1mm，小于1mm的细线发生器力学强度不够，寿命较短，较难纺更细的纤维。图9显示细线发生器表面的平均电场强度与细线发生器直径的倒数的关系，从图中得知它们之间存在良好的线性关系，相关系数大于0.99，而该系数的最大值为1.0。本关系符合电场理论，所以该电场模拟的精度满足电场现象的精确解释。图10显示细线发生器表面凸起的电场效果，方便比较起见，电场强度进行归一化处理。细线发生器的结构如图7中的设计e)，较粗部分的环直径为5mm，宽度1mm，细的部分为3mm长度4mm，凸起部分比凹进部分的电场强度高出30％以上，甚至50％以上，所以表面的微小形貌变化可以产生巨大的电场变化。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (10)

1.一种制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，包括高压电源、与所述高压电源正负极连接的极化电极和接收对电极、液槽、置于所述液槽内的纺丝溶液，其特征在于：还包括驱动细线发生器间断地置于所述液槽内的传动装置，所述细线发生器的一端或两端固定在转轮上，通过所述转轮的前后转动，所述细线发生器通过液槽使其表面被快速涂敷纺丝溶液。

2.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。

3.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述细线发生器为所述极化电极，所述细线发生器为金属。

4.根据权利要求3所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述细线发生器的表面设有凸起。

5.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述传动装置驱动所述细线发生器整体或部分地置于所述液槽内。

6.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述细线发生器周期性地置于所述液槽内。

7.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述传动装置驱动所述细线发生器移动。

8.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述传动装置驱动所述液槽移动。

9.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述高压电源为高压直流电源。

10.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的细线型静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝溶液的上方设有激光定位仪，所述液槽连通有反馈液泵。