CN105970313A - 一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置以伸直的金属链条作为纤维发射极，所述金属链条连接高压直流电源正极，金属链条的正上方设置收集极，所述收集极连接高压直流电源负极或接地，金属链条正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述金属链条上还设置有向金属链条施加纺丝前驱液的供液系统。该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，得到直径较均匀的电纺纤维，实现微纳米纤维的规模化生产。

Description

一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置
技术领域
本发明属于微纳米材料制备技术领域，具体涉及一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝技术最早由Formhals在1934年提出，是目前公认的制备一维纳米纤维材料的代表性技术，其原理可简述为在高压静电场作用下，聚合物溶液或熔体克服表面张力形成带电射流，射流经拉伸、劈裂、细化、溶剂挥发或熔体固化形成微纳米纤维。目前利用电纺技术可制备的纤维种类超过200多种，包括多种天然生物材料，合成生物材料和非生物材料；制备纤维具有力学性能强，孔隙率高，透气性好，比表面积大，表面活性强等多种性能优势；优化静电纺丝装置还可以实现电纺纤维形貌、结构和功能多样化，如多孔纤维、核—壳纤维、图案化结构和多通道结构等。这些独特的技术优势使得电纺技术在纺织服装、环境过滤、生物医学、光电器件等多个领域存在巨大的应用前景。目前为止，人们对电纺技术已经做了大量的理论研究工作，证实了电纺技术应用转化的理论可行性，但其实用化转变过程仍面临许多问题：1)传统单针头电纺技术产率较低(0.1-1g/h)，单个针头产生射流有限，难以满足电纺纤维的产业化应用需求；2)纺丝针头在电纺过程中容易发生针头堵塞现象，溶剂快速挥发引起针尖溶液固化，针头堵塞，纺丝过程无法顺利进行，频繁的清理工作使得整个电纺过程变得复杂繁琐，而对于多针头电纺技术来说，清洗针头几乎是不现实的；3)多针头电纺技术中针头射流间存在较强的排斥作用，纤维在收集极上分区域沉积，形成的无纺布厚度不均，直接影响纤维加工产品性能。这些问题成为了限制针头式电纺技术产业化发展的主要因素，但也同时为无针头电纺技术的发展提供了理论需求。无针头电纺也称为液面射流技术，是在磁场、气体或带电金属线/盘/滚筒等外力作用下在纺丝液表面形成无数射流触发点，施加高压电场后，射流从纺丝液表面射出形成纳米纤维的过程。Jirsak等人以半浸泡于纺丝液中的转动滚筒为纤维发生器明显提高了电纺纤维产率，这种技术均使用开放式纺丝液体系，纺丝前驱液大面积暴露在空气中，电纺过程中溶剂极易挥发，纺丝液浓度不稳定导致电纺纤维粗细不均，直接影响其纤维产品性能。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术不足，提供一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置。该装置不采用纺丝针头，避免了单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，同时可避免液面射流技术纺丝液大面积暴露带来的诸多问题，得到直径较均匀的电纺纤维，该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置以伸直的金属链条作为纤维发射极，所述金属链条连接高压直流电源正极，金属链条的正上方设置收集极，所述收集极连接高压直流电源负极或接地，金属链条正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述金属链条上还设置有向金属链条施加纺丝前驱液的供液系统。
该装置在使用时，开启供液系统，使其在金属链条上施加纺丝前驱液，然后开启位于金属链条正下方的供气系统，在供气系统向上喷射的气流的作用下构成金属链条的金属环中形成大量纺丝液前驱液气泡，与金属链条的边线共同构成纺丝液射流触发点，增加了触发点数量；开启高压直流电源，在金属链条和收集极间施加高压电场，链条边线纺丝前驱液和金属环中的纺丝前驱液气泡同时产生大量的带电射流，射流经劈裂，细化，溶剂挥发在收集极上沉积形成大量超细纤维，可明显提高电纺纤维效率。供气系统提供的向上的气流还可以减少由重力作用从金属链条上滴落的纺丝前驱液，减少废液，提高原料利用率，同时，气流方向与纺丝射流方向相同，有助于引导纤维沉积范围，提高纤维收集效率。采用金属链条代替针头作为纤维发射极，可有效避免单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，采用供液系统向金属链条施加纺丝前驱液，可避免纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，得到直径较均匀的电纺纤维。该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。
进一步的，所述金属链条采用多个相同细金属环相扣形成。
金属环沿线性周期排列，电场分布比较均匀有利于纤维在收集区间的均匀沉积。
进一步的，所述供气系统包括设置于金属链条正下方的供气管，所述供气管的正上方均匀设置多个喷气口，所述喷气口与供气管内部气体通道联通，所述气体通道一端封闭，另一端设置进气口，所述进气口连接导气管的端部，导气管的另一端连接连接气体发生机构。
进一步的，所述气体发生机构包括空气压缩机及其输出管道、空气干燥过滤器和调压阀，所述调压阀为电子调压阀或手动调压阀。
进一步的，所述供液系统包括通过输液管依次连接的储液箱、微流泵和供液刷头，所述供液刷头通过上端设置的进液孔连接输液管端部，所述供液刷头上设置有通液槽，通液槽设置于进液孔下方并与进液孔连通，金属链条穿过通液槽，通液槽下方的供液刷头上设置有通孔，所述通孔的形状与供气管相对应，供气管穿过通孔，所述供液刷头连接直线往复运动驱动机构，所述直线往复运动驱动机构驱动供液刷头沿供气管做直线往复运动。
供气管穿过设置于供液刷头上的通孔，供液刷头在直线往复运动驱动机构的作用下沿供气管做直线往复运动，此时通液槽也在金属链条上做直线往复运动，储存于储液箱中的纺丝前驱液在微流泵的驱动下通过进液孔进入供液刷头的通液槽中，并随这供液刷头的运动涂覆于金属链条上，位于金属链条正下方的供气管在此过程中起到了供液刷头运动轨道的作用，使供液刷头在金属链条上涂覆纺丝前驱液的运动过程更加稳定，纺丝前驱液在金属链条上涂覆的更加均匀，从而使所得微纳米纤维更加均匀，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱中，通过对微流泵泵速和直线往复运动驱动机构运动速度的调整少量多次的涂覆于金属链条上，避免了纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，同时，针对不同的纺丝原料，可以通过调节微流泵和直线往复运动驱动机构调整金属链条上纺丝前驱液的施加量，实现纺丝参数的灵活调整。
进一步的，所述供气管为横截面为方形的方形管，通孔的横截面与供气管横截面相同。
方形供气管和方形通孔的设计限制避免了供液刷头在供气管上直线往复运动的过程中的微小转动，使供液刷头的运动过程更加稳定。
进一步的，所述直线往复运动驱动机构为直线推杆电机，所述直线推杆电机靠近供气管端部安装，直线推杆电机的推杆可沿供气管轴向往复运动，推杆的端部连接供液刷头。
进一步的，所述收集极为卷绕收集系统，包括放卷辊、收集带、两个导向辊、导向辊支架和收卷辊，所述收卷辊的转轴连接直流无刷电机和控制电机转速的电机控制器，所述放卷辊、导向辊、收卷辊的转轴方向均与金属链条垂直，所述收集带缠绕在放卷辊上，收集带的端部与收卷辊连接，所述导向辊设置于收集带下方支撑收集带，导向辊安装在可调节高度的导向辊支架上，两个导向辊分别设置于金属链条端部上方。
可通过调节导向辊支架调节两导向辊的竖直高度，进而调节位于两导向辊中间的收集带与金属链条间的纺丝距离，实现对纺丝参数的灵活调节。
进一步的，所述金属链条横向设置，放卷辊、导向辊和收卷辊的转轴均纵向设置，两个导向辊位于同一竖直高度。
采用卷绕收集系统，在放卷辊、导向辊和收卷辊共同作用下传送收集极可实现电纺纤维在收集极上的连续、均匀沉积，收集纤维效率较高。
进一步的，所述供气管的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的金属链条，供气管上设置喷气口的范围大于金属链条在供气管上的投影面积。
喷气口的设置范围大于金属链条在水平面上(供气管上)的投影面积，可以确保金属链条完全处于供气管喷气口喷射的气流的作用范围内，更好的起到气流促进纺丝液气泡射流触发点形成，提高纤维产量，加速纺丝液溶剂挥发，改善纺丝形貌与性能，减少纺丝前驱液体滴落，提高原料利用率的作用。
本发明的有益效果：本发明弥补了现有技术不足，提供了一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，该装置不采用纺丝针头，避免了单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，同时可避免液面射流技术纺丝液大面积暴露带来的诸多问题，得到直径较均匀的电纺纤维，该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。具体而言：
(1)该装置在使用时，开启供液系统，使其在金属链条上施加纺丝前驱液，然后开启位于金属链条正下方的供气系统，在供气系统向上喷射的气流的作用下构成金属链条的金属环中形成大量纺丝液前驱液气泡，与金属链条的边线共同构成纺丝液射流触发点，增加了触发点数量；开启高压直流电源，在金属链条和收集极间施加高压电场，链条边线纺丝前驱液和金属环中的纺丝前驱液气泡同时产生大量的带电射流，射流经劈裂，细化，溶剂挥发在收集极上沉积形成大量超细纤维，可明显提高电纺纤维效率。供气系统提供的向上的气流还可以减少由重力作用从金属链条上滴落的纺丝前驱液，减少废液，提高原料利用率，同时，气流方向与纺丝射流方向相同，有助于引导纤维沉积范围，提高纤维收集效率。采用金属链条代替针头作为纤维发射极，可有效避免单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，金属链条采用多个相同细金属环相扣形成，金属环沿线性周期排列，电场分布比较均匀有利于纤维在收集区间的均匀沉积。采用供液系统向金属链条施加纺丝前驱液，可避免纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，得到直径较均匀的电纺纤维。该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。
(2)供气管穿过设置于供液刷头上的通孔，供液刷头在直线往复运动驱动机构的作用下沿供气管做直线往复运动，此时通液槽也在金属链条上做直线往复运动，储存于储液箱中的纺丝前驱液在微流泵的驱动下通过进液孔进入供液刷头的通液槽中，并随这供液刷头的运动涂覆于金属链条上，位于金属链条正下方的供气管在此过程中起到了供液刷头运动轨道的作用，使供液刷头在金属链条上涂覆纺丝前驱液的运动过程更加稳定，纺丝前驱液在金属链条上涂覆的更加均匀，从而使所得微纳米纤维更加均匀，在纺丝过程中，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱中，通过对微流泵泵速和直线往复运动驱动机构运动速度的调整少量多次的涂覆于金属链条上，避免了纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，同时，针对不同的纺丝原料制成的不同粘度的纺丝前驱液，可以通过调节微流泵和直线往复运动驱动机构调整金属链条上纺丝前驱液的施加量，实现纺丝参数的灵活调整。将供气管设置为方形管，方形供气管和方形通孔的设计限制避免了供液刷头在供气管上直线往复运动的过程中的微小转动，使供液刷头的运动过程更加稳定。
(3)采用卷绕收集系统，在放卷辊、导向辊和收卷辊共同作用下传送收集极可实现电纺纤维在收集极上的连续、均匀沉积，收集纤维效率较高。可通过调节导向辊支架调节两导向辊的竖直高度，进而调节位于两导向辊中间的收集带与金属链条间的纺丝距离，实现对纺丝参数的灵活调节。
(4)该装置的喷气口的设置范围大于金属链条在水平面上(供气管上)的投影面积，可以确保金属链条完全处于供气管喷气口喷射的气流的作用范围内，更好的起到气流促进纺丝液气泡射流触发点形成，提高纤维产量，加速纺丝液溶剂挥发，改善纺丝形貌与性能，减少纺丝前驱液体滴落，提高原料利用率的作用。
附图说明
图1为本发明的静电纺丝装置的结构示意图；
图2为本发明的供液刷头及其配合部件的结构示意图；
图3为本发明的供气管的结构示意图；
图4为链电极实现气泡电纺与无针头链式电纺技术结合示意图；
图中：1-金属链条，2-供气管，21-气体通道，22-喷气口，23-进气口，3-气体发生装置，4-导气管，5-供液刷头，51-进液孔，52-通液槽，53-通孔，6-直线推杆电机，61-推杆，7-储液箱，8-微流泵，9-输液管，10-高压直流电源，11-放线辊，12-导向辊，13-收卷辊，14-导向辊支架，15-边线纺丝射流，16-气泡纺丝射流。17-纺丝前驱液气泡，18-收集带。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例
如图1至4所示，一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置以伸直的金属链条1作为纤维发射极，所述金属链条连接高压直流电源10正极，金属链条1的正上方设置收集极，所述收集极连接高压直流电源10负极或接地，金属链条1正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述金属链条1上还设置有向金属链条1施加纺丝前驱液的供液系统。
具体而言，所述金属链条1采用多个相同细金属环相扣形成，所述供气系统包括设置于金属链条1正下方的供气管2，所述供气管2的正上方均匀设置多个喷气口22，所述喷气口22与供气管22内部气体通道22联通，所述气体通道22一端封闭，另一端设置进气口23，所述进气口23连接导气管4的端部，导气管4的另一端连接连接气体发生机构3，所述气体发生机构3包括空气压缩机及其输出管道、空气干燥过滤器和调压阀，所述调压阀为电子调压阀或手动调压阀，所述供液系统包括通过输液管9依次连接的储液箱7、微流泵8和供液刷头5，所述供液刷头5通过上端设置的进液孔51连接输液管9端部，所述供液刷头5上设置有通液槽52，通液槽52设置于进液孔51下方并与进液孔51连通，金属链条1穿过通液槽52，通液槽52下方的供液刷头5上设置有通孔53，所述通孔53的形状与供气管2相对应，供气管53穿过通孔53，所述供液刷头5连接直线往复运动驱动机构，所述直线往复运动驱动机构驱动供液刷头5沿供气管2做直线往复运动，所述供气管2为横截面为方形的方形管，通孔53的横截面与供气管2横截面相同，所述直线往复运动驱动机构为直线推杆电机6，所述直线推杆电机6靠近供气管2端部安装，直线推杆电机6的推杆61可沿供气管1轴向往复运动，推杆61的端部连接供液刷头5，所述收集极为卷绕收集系统，包括放卷辊11、收集带18、两个导向辊12、导向辊支架14和收卷辊13，所述收卷辊13的转轴连接直流无刷电机和控制电机转速的电机控制器，所述放卷辊11、导向辊12、收卷辊13的转轴方向均与金属链条1垂直，所述收集带18缠绕在放卷辊11上，收集带18的端部与收卷辊13连接，所述导向辊12设置于收集带18下方支撑收集带18，导向辊12安装在可调节高度的导向辊支架14上，两个导向辊14分别设置于金属链条1端部上方，所述金属链条1横向设置，放卷辊11、导向辊12和收卷辊13的转轴均纵向设置，两个导向辊12位于同一竖直高度，所述供气管2的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的金属链条，供气管2上设置喷气口22的范围大于金属链条1在供气管2上的投影面积。
该装置在使用时，开启供液系统，调整好微流泵8泵速和直线推杆电机6运动速度开启供液系统，供液刷头5沿供气管2做直线往复运动，此时通液槽52也在金属链条1上做直线往复运动，储存于储液箱7中的纺丝前驱液在微流泵8的驱动下通过进液孔51进入供液刷头5的通液槽52中，并随这供液刷头5的运动涂覆于金属链条1上，然后开启气体发生装置3，调整好气体流速，气流经过导气管4进入位于金属链条1正下方的供气管2的气体通道21中，从喷气口22喷射而出，形成向上的气流，在向上喷射的气流的作用下构成金属链条1的金属环中形成纺丝液前驱液气泡17，与金属链条1的边线共同构成纺丝液射流触发点，增加了触发点数量；开启高压直流电源，在金属链条1和收集极间施加高压电场，链条边线纺丝前驱液和金属环中的纺丝前驱液气泡同时产生大量的带电射流(边线纺丝射流15和气泡纺丝射流16)，射流经劈裂，细化，溶剂挥发在收集极上沉积形成大量超细纤维，可明显提高电纺纤维效率。供气系统提供的向上的气流还可以减少由重力作用从金属链条上滴落的纺丝前驱液，减少废液，提高原料利用率，同时，气流方向与纺丝射流方向相同，有助于引导纤维沉积范围，提高纤维收集效率。采用金属链条1代替针头作为纤维发射极，可有效避免单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题。在纺丝过程中，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱7中，通过对微流泵8泵速和直线推杆电机6运动速度的调整、少量多次的涂覆于金属链条1上，避免了纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，同时，针对不同的纺丝原料制成的不同粘度的纺丝前驱液，可以通过调节微流泵8和直线推杆电机6调整金属链条1上纺丝前驱液的施加量，实现纺丝参数的灵活调整。
以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围。本发明未详尽公开处均为现有技术。

Claims (10)

1.一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述静电纺丝装置以伸直的金属链条(1)作为纤维发射极，所述金属链条连接高压直流电源(10)正极，金属链条(1)的正上方设置收集极，所述收集极连接高压直流电源(10)负极或接地，金属链条(1)正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述金属链条(1)上还设置有向金属链条(1)施加纺丝前驱液的供液系统。
2.如权利要求1所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述金属链条(1)采用多个相同细金属环相扣形成。
3.如权利要求1所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述供气系统包括设置于金属链条(1)正下方的供气管(2)，所述供气管(2)的正上方均匀设置多个喷气口(22)，所述喷气口(22)与供气管(22)内部气体通道(22)联通，所述气体通道(22)一端封闭，另一端设置进气口(23)，所述进气口(23)连接导气管(4)的端部，导气管(4)的另一端连接连接气体发生机构(3)。
4.如权利要求3所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述气体发生机构(3)包括空气压缩机及其输出管道、空气干燥过滤器和调压阀，所述调压阀为电子调压阀或手动调压阀。
5.如权利要求3所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述供液系统包括通过输液管(9)依次连接的储液箱(7)、微流泵(8)和供液刷头(5)，所述供液刷头(5)通过上端设置的进液孔(51)连接输液管(9)端部，所述供液刷头(5)上设置有通液槽(52)，通液槽(52)设置于进液孔(51)下方并与进液孔(51)连通，金属链条(1)穿过通液槽(52)，通液槽(52)下方的供液刷头(5)上设置有通孔(53)，所述通孔(53)的形状与供气管(2)相对应，供气管(53)穿过通孔(53)，所述供液刷头(5)连接直线往复运动驱动机构，所述直线往复运动驱动机构驱动供液刷头(5)沿供气管(2)做直线往复运动。
6.如权利要求5所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，所述供气管(2)为横截面为方形的方形管，通孔(53)的横截面与供气管(2)横截面相同。
7.如权利要求5所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述直线往复运动驱动机构为直线推杆电机(6)，所述直线推杆电机(6)靠近供气管(2)端部安装，直线推杆电机(6)的推杆(61)可沿供气管(1)轴向往复运动，推杆(61)的端部连接供液刷头(5)。
8.如权利要求1所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述收集极为卷绕收集系统，包括放卷辊(11)、收集带(18)、两个导向辊(12)、导向辊支架(14)和收卷辊(13)，所述收卷辊(13)的转轴连接直流无刷电机和控制电机转速的电机控制器，所述放卷辊(11)、导向辊(12)、收卷辊(13)的转轴方向均与金属链条(1)垂直，所述收集带(18)缠绕在放卷辊(11)上，收集带(18)的端部与收卷辊(13)连接，所述导向辊(12)设置于收集带(18)下方支撑收集带(18)，导向辊(12)安装在可调节高度的导向辊支架(14)上，两个导向辊(14)分别设置于金属链条(1)端部上方。
9.如权利要求8所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述金属链条(1)横向设置，放卷辊(11)、导向辊(12)和收卷辊(13)的转轴均纵向设置，两个导向辊(12)位于同一竖直高度。
10.如权利要求1所述的一种大规模制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述供气管(2)的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的金属链条，供气管(2)上设置喷气口(22)的范围大于金属链条(1)在供气管(2)上的投影面积。
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