CN105970314B - 一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，所述静电纺丝装置的纤维发射极为线性齿电极，所述线性齿电极为表面设置有多个微尖齿的金属线，所述线性齿电极连接高压直流电源正极，线性齿电极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，线性齿电极正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述线性齿电极上还设置有向线性齿电极施加纺丝前驱液的供液系统。该装置采用无针头技术，可避免针头堵塞等问题，同时可以显著提高纺丝效率，有效降低纺丝电压，提高原料利用率，降低成本，实现微纳米纤维的规模化生产。

Description

一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置

技术领域

本发明属于微纳米材料制备技术领域，具体涉及一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置。

背景技术

1934年，Formhals首次利用高压静电力成功制备了聚合物纤维，提出了静电纺丝概念。其原理可简述为聚合物溶液或熔体在高压静电场作用下克服表面张力形成带电射流，射流在电场中经拉伸，劈裂，细化，溶剂挥发或熔体冷却固化最终形成微纳米纤维。相较于其他纤维制备方法如拉伸法、模板法、气相沉积法、自组装法、水热合成法，静电纺丝因具有可控性强、原理简单、操作方便、纺丝条件灵活、成本低、纺丝原料多样、可实现工业化生产等众多优势而成为起步较晚、发展最快的纳米纤维制备方法，目前被公认为是制备一维纳米材料的代表性技术。电纺微纳米纤维具有连续性好，孔隙率高，纤维直径小，表面活性强，比表面积大等特点，目前已在环保(空气过滤、油水分离)、能源(催化剂、储能材料)、纺织(防护服、服装)等多个领域得到广泛应用。此外，电纺纤维无纺布具有与细胞外基质类似的网状结构；纤维间孔隙率高，具有较好的透气、透液性，这些特点使得电纺技术在生物医学领域(伤口敷料、载药工程、生物工程)存在着巨大的应用前景。21世纪，电纺技术的应用研究仍处在初级阶段，静电纺丝技术面临的挑战与机遇并存，如何实现电纺纤维产业化，提高纺丝产率成为今后电纺技术研究的主要方向。

传统单针头电纺技术制备纤维产率低(0.1-1克/小时)，难以满足纤维产业化需求。多针头电纺技术的出现在一定程度上解决了这个问题。在多针头纺丝体系中，针头沿一维线性分布或在圆形、六边形等多种二维面上分布。虽能明显提高纤维产量，但针头之间强烈的排斥作用及电场间的相互干扰导致纤维沉积区域差异较大，制备纤维粗细不均，形成无纺布厚度不均，直接影响其使用性能。此外，电纺过程中，溶剂挥发较快，纺丝液在针头处很快固化，极易引起针头堵塞现象。对于多针头纺丝体系来说，清理工作比较困难。无针头电纺技术是依据增加纺丝液表面带电射流提高纤维产量理论提出的。专利W02005024101提出以半浸泡于纺丝液中的转动滚筒电极作为纤维发生器可以明显提高纺丝效率。因不使用纺丝针头，该方法不存在多针头纺丝体系中存在的针头堵塞问题。但电纺过程中，纺丝液槽始终处于开放状态，溶剂极易挥发，造成环境污染，纺丝液浓度不稳，电纺纤维粗细不均。此外，滚筒电极表面光滑，电荷分布比较分散，不利于泰勒(Taylor)锥的形成，需要的纺丝电压较高。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术不足，提供一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，该装置采用无针头技术，可避免针头堵塞等问题，同时可以显著提高纺丝效率，有效降低纺丝电压，提高原料利用率，降低成本，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：

一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，所述静电纺丝装置的纤维发射极为线性齿电极，所述线性齿电极为表面设置有多个微尖齿的金属线，所述线性齿电极连接高压直流电源正极，线性齿电极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，线性齿电极正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述线性齿电极上还设置有向线性齿电极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，使其在线性齿电极上施加纺丝前驱液，然后开启位于线性齿电极正下方的供气系统，供气系统向上喷射的气流可以加快溶剂挥发，改善纺丝性能；气流作用方向与纺丝液体重力反向，既能有效避免液体滴落，又能促进Taylor锥体形成，有利于降低纺丝电压，提高纺丝效率；由于气流方向与纺丝前驱液射流方向一致，气流还可以引导纤维沉积方向，提高纤维收集效率。利用表面分布微尖齿的细金属线为纤维发射极，可诱导纺丝，尖端电荷聚集效应有利于Taylor锥形成，进而形成纺丝前驱液射流，与辅助气流相配合可有效降低纺丝电压。采用线性齿电极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，采用供液系统向线性齿电极施加纺丝前驱液，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，所述线性齿电极为表面均匀密布微尖齿的金属线。

金属线表面尖齿分布均匀，可使电场分布更加均匀，使纤维在收集极上均匀沉积。

进一步的，所述静电纺丝装置的纤维发射极设置为多根位于同一水平面平行设置的线性齿电极。

采取多跟平行设置的线性齿电极作为纤维发射极可有效提高纺丝效率，更好的实现规模化生产。

进一步的，所述供气系统包括设置于线性齿电极正下方的供气管道，所述供气管道的正上方均匀设置多个喷气口，供气管道一端封闭，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、微量注射泵和供液刷头，所述供液刷头通过上端设置的进液口连接输液管端部，所述供液刷头上设置有通液孔，通液孔设置于进液口下方并与进液口连通，线性齿电极穿过通液孔，通液孔下方的供液刷头上设置有轨道通孔，所述轨道通孔的形状与供气管道相对应，供气管道穿过轨道通孔，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道做直线往复运动。

供气管道穿过设置于供液刷头上的轨道通孔，供液刷头在直线往复运动驱动机构的作用下沿供气管道做直线往复运动，此时，通液孔也在线性齿电极做直线往复运动，储存于储液箱中的纺丝前驱液在微量注射泵的驱动下通过进液孔进入供液刷头的通液孔中，并随这供液刷头的运动涂覆于线性齿电极上，位于线性齿电极正下方的供气管道在此过程中起到了供液刷头运动轨道的作用，使供液刷头在线性齿电极上涂覆纺丝前驱液的运动过程更加稳定，纺丝前驱液在线性齿电极上涂覆的更加均匀，从而使所得微纳米纤维更加均匀，在整个纺丝过程中，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱中，通过对微量注射泵和直线往复运动驱动机构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，可以通过调节微量注射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，所述供气管道为横截面为方形的方形管，轨道通孔的横截面与供气管道横截面相同。

方形供气管道和方形轨道通孔的设计限制避免了供液刷头在供气管道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由伺服电机、同步带和作为轨道的供气管道构成，所述伺服电机和同步带设置于供气管道正下方，供液刷头底部于同步带相连，在伺服电机控制器控制下随同步带沿供气管道做直线往复运动。

所述收集极为滚筒收集极，所述收集滚筒通过可调节高度的滚筒支架安装在线性齿电极正上方，收集滚筒的转轴与直流无刷电机连接。

采用滚筒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。可通过调节滚筒支架的竖直高度，调节收集极距离发射极的纺丝距离，实现对纺丝参数的灵活调节。

进一步的，所述供气管道的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的线性齿电极，供气管道上设置喷气口的范围大于线性齿电极在供气管上的投影面积。

喷气口的设置范围大于纤维发射极在水平面上(供气管上)的投影面积，可以确保线性齿电极在整个纺丝过程中，完全处于供气管道喷气口喷射的气流的作用范围内，更好的起到气流加快溶剂挥发，改善纺丝性能，气流作用避免纺丝前驱液滴落，节约原料，又能促进Taylor锥体形成，降低纺丝电压，提高纺丝效率，引导纤维沉积方向，提高纤维收集效率的作用。

本发明的有益效果：本发明弥补了现有技术不足，提供了一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，该装置采用无针头技术，可避免针头堵塞等问题，同时可以显著提高纺丝效率，有效降低纺丝电压，提高原料利用率，降低成本，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，使其在线性齿电极上施加纺丝前驱液，然后开启位于线性齿电极正下方的供气系统，供气系统向上喷射的气流可以加快溶剂挥发，改善纺丝性能；气流作用方向与纺丝液体重力反向，既能有效避免液体滴落，又能促进Taylor锥体形成，有利于降低纺丝电压，提高纺丝效率；由于气流方向与纺丝前驱液射流方向一致，气流还可以引导纤维沉积方向，提高纤维收集效率。利用表面分布微尖齿的细金属线为纤维发射极，可诱导纺丝，尖端电荷聚集效应有利于Taylor锥形成，进而形成纺丝前驱液射流，与辅助气流相配合可有效降低纺丝电压。采用线性齿电极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，采用供液系统向线性齿电极施加纺丝前驱液，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)供气管道穿过设置于供液刷头上的轨道通孔，供液刷头在直线往复运动驱动机构的作用下沿供气管道做直线往复运动，此时，通液孔也在线性齿电极做直线往复运动，储存于储液箱中的纺丝前驱液在微量注射泵的驱动下通过进液孔进入供液刷头的通液孔中，并随这供液刷头的运动涂覆于线性齿电极上，位于线性齿电极正下方的供气管道在此过程中起到了供液刷头运动轨道的作用，使供液刷头在线性齿电极上涂覆纺丝前驱液的运动过程更加稳定，纺丝前驱液在线性齿电极上涂覆的更加均匀，从而使所得微纳米纤维更加均匀，在整个纺丝过程中，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱中，通过对微量注射泵和直线往复运动驱动机构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，可以通过调节微量注射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。方形供气管道和方形轨道通孔的设计限制避免了供液刷头在供气管道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)采用滚筒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。可通过调节滚筒支架的竖直高度，调节收集极距离发射极的纺丝距离，实现对纺丝参数的灵活调节。

(4)供气管道上喷气口的设置范围大于纤维发射极在水平面上(供气管上)的投影面积，可以确保线性齿电极在整个纺丝过程中，完全处于供气管道喷气口喷射的气流的作用范围内，更好的起到气流加快溶剂挥发，改善纺丝性能，气流作用避免纺丝前驱液滴落，节约原料，又能促进Taylor锥体形成，降低纺丝电压，提高纺丝效率，引导纤维沉积方向，提高纤维收集效率的作用。

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为本发明的线性齿电极的横截面的结构示意图；

图3为本发明的供液刷头的结构示意图；

图4为本发明的供气管道的结构示意图；

图中：1-线性齿电极，2-供气管道，21-喷气口，22-进气口，3-气体发生机构，4-微量注射泵，5-输液管，6-供液刷头，61-进液口，62-轨道通孔，63-通液孔，7-储液箱，8-伺服电机，9-同步带，10-高压直流电源，11-直流无刷电机，12-收集滚筒，13-滚筒支架，14-导气管，15-纺丝前驱液射流，16-微齿尖。

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，一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，所述静电纺丝装置的纤维发射极为线性齿电极1，所述线性齿电极1为表面设置有多个微尖齿16的金属线，所述线性齿电极1连接高压直流电源10正极，线性齿电极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，线性齿电极1正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述线性齿电极1上还设置有向线性齿电极1施加纺丝前驱液的供液系统。

具体而言，所述线性齿电极1为表面均匀密布微尖齿16的金属线，所述静电纺丝装置的纤维发射极设置为多根位于同一水平面平行设置的线性齿电极1。所述供气系统包括设置于线性齿电极1正下方的供气管道2，所述供气管道2的正上方均匀设置多个喷气口21，供气管道2一端封闭，另一端设置进气口22，所述进气口22连接导气管14的端部，导气管14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5依次连接的储液箱7、微量注射泵4和供液刷头6，所述供液刷头6通过上端设置的进液口61连接输液管5端部，所述供液刷头6上设置有通液孔63，通液孔63设置于进液口61下方并与进液口61连通，线性齿电极1穿过通液孔63，通液孔63下方的供液刷头6上设置有轨道通孔62，所述轨道通孔62的形状与供气管道2相对应，供气管道2穿过轨道通孔62，所述供液刷头6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6沿供气管道2做直线往复运动。所述供气管道2为横截面为方形的方形管，轨道通孔62的横截面与供气管道2横截面相同。所述直线往复运动驱动机构由伺服电机8、同步带9和作为轨道的供气管道2构成，所述伺服电机8和同步带9设置于供气管道2正下方，供液刷头6底部于同步带9相连，在伺服电机8控制器控制下随同步带9沿供气管道2做直线往复运动。所述收集极为滚筒收集极，收集滚筒12通过可调节高度的滚筒支架13安装在线性齿电极1正上方，收集滚筒12的转轴与直流无刷电机11连接，所述供气管道2的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的线性齿电极1，供气管道2上设置喷气口21的范围大于线性齿电极1在供气管道2上的投影面积。

该装置在使用时，调整好微量注射泵4和伺服电机控制器，开启供液系统，供液刷头6沿供气管道2做直线往复运动，此时通液孔63也在线性齿电极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量注射泵4的驱动下通过进液口61进入供液刷头6的通液孔63中，并随这供液刷头6的运动涂覆于线性齿电极1表面，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进入位于线性齿电极1正下方的供气管道2中，气体从喷气口21喷射而出，形成向上的气流，这种辅助气流可以加快溶剂挥发，改善纺丝性能，气流作用方向与纺丝液体重力反向，既能有效避免液体滴落，又能促进Taylor锥体形成，有利于降低纺丝电压，提高纺丝效率；由于气流方向与纺丝前驱液射流15方向一致，气流还可以引导纤维沉积方向，提高纤维收集效率。利用表面分布微尖齿16的细金属线为纤维发射极，可诱导纺丝，尖端电荷聚集效应有利于Taylor锥形成，进而形成纺丝前驱液射流，与辅助气流相配合可有效降低纺丝电压。采用线性齿电极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，采用供液系统向线性齿电极1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。

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 (7)

1.一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，其特征在于，所述静电纺丝装置的纤维发射极为线性齿电极(1)，所述线性齿电极(1)为表面设置有多个微尖齿(16)的金属线，所述线性齿电极(1)连接高压直流电源(10)正极，线性齿电极(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，线性齿电极(1)正下方设置有向上喷射气流的供气系统，所述线性齿电极(1)上还设置有向线性齿电极(1)施加纺丝前驱液的供液系统；所述供气系统包括设置于线性齿电极(1)正下方的供气管道(2)，所述供气管道(2)的正上方均匀设置多个喷气口(21)，供气管道(2)一端封闭，另一端设置进气口(22)，所述进气口(22)连接导气管(14)的端部，导气管(14)的另一端连接连接气体发生机构(3)；所述供气管道(2)的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的线性齿电极(1)，供气管道(2)上设置喷气口(21)的范围大于线性齿电极(1)在供气管道(2)上的投影面积；所述供液系统包括通过输液管(5)依次连接的储液箱(7)、微量注射泵(4)和供液刷头(6)，所述供液刷头(6)通过上端设置的进液口(61)连接输液管(5)端部，所述供液刷头(6)上设置有通液孔(63)，通液孔(63)设置于进液口(61)下方并与进液口(61)连通，线性齿电极(1)穿过通液孔(63)，通液孔(63)下方的供液刷头(6)上设置有轨道通孔(62)，所述轨道通孔(62)的形状与供气管道(2)相对应，供气管道(2)穿过轨道通孔(62)，所述供液刷头(6)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(6)沿供气管道(2)做直线往复运动。

2.如权利要求1所述的一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，其特征在于，所述线性齿电极(1)为表面均匀密布微尖齿(16)的金属线。

3.如权利要求1所述的一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，其特征在于，所述静电纺丝装置的纤维发射极设置为多根位于同一水平面平行设置的线性齿电极(1)。

4.如权利要求1所述的一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，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1所述的一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，所述供气管道(2)为横截面为方形的方形管，轨道通孔(62)的横截面与供气管道(2)横截面相同。

6.如权利要求1所述的一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，其特征在于，所述直线往复运动驱动机构由伺服电机(8)、同步带(9)和作为轨道的供气管道(2)构成，所述伺服电机(8)和同步带(9)设置于供气管道(2)正下方，供液刷头(6)底部于同步带(9)相连，在伺服电机(8)控制器控制下随同步带(9)沿供气管道(2)做直线往复运动。

7.如权利要求1所述的一种气流辅助线性齿电极静电纺丝装置，其特征在于，所述收集极为滚筒收集极，收集滚筒(12)通过可调节高度的滚筒支架(13)安装在线性齿电极(1)正上方，收集滚筒(12)的转轴与直流无刷电机(11)连接。