CN106119996A - 用于制备复合纤维膜的同轴电纺多射流喷头 - Google Patents

Abstract

用于制备复合纤维膜的同轴电纺多射流喷头，设有多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、可控供气装置、气流通道、有机纺丝液均匀输液的金属分液流道、鞘气气孔阵列、辅助气体出气口、可独立供电的高压电源、接收装置、纺丝喷头组、二级气流缓冲腔、缓冲室、夹持板、无机溶液进液口、一级气流缓冲室、无机纺丝液均匀输液的分液流道、分液配液器。可实现有机溶液和无机溶液各自的均匀混合喷射，提高各个纺丝喷头供液的均匀性，减弱射流间的排斥作用，并通过调节有机溶液和无机溶液的供液速度和质量比，适应大批量生产纳米复合材料的需求。

Description

用于制备复合纤维膜的同轴电纺多射流喷头

技术领域

本发明涉及静电纺丝，尤其是涉及一种用于制备复合纤维膜的同轴电纺多射流喷头。

背景技术

近年来，静电纺丝技术逐渐转移到制备复合纤维膜。纳米复合材料的研究是当今新材料研究领域中最富有活力的内容，其不仅具有纳米材料的刚性和特殊性能，还具有高分子材料的韧性、易加工性、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、组织工程等领域获得了广泛应用。

复合纤维材料的性能不仅与纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等有关。因此，如何大量制备出适合需要的、高性能、多功能的有机高分子和无机金属/非金属氧化物纳米复合纤维是该研究领域的一个重要课题。

在静电纺丝早期研究领域中，主要是应用静电纺丝技术直接将单一的聚合物制备成纳米纤维，并通过高温锻造等方式把金属、无机氧化物、半导体等纳米粒子添加到高分子基质中，以获得具有相应功能的米复合纤维。这种方式，效率低下，批量生产纳米复合纤维工艺过为复杂，所以提高静电纺丝纳米复合纤维的产量，实现多物料、多射流喷射是目前研发重点。多喷嘴纺丝喷射是实现制备复合纤维膜的最简单、最方便的手段。但静电纺丝中多喷头纺丝喷嘴上加载有高压静电纺，每个射流均存在类似单根针头体系静电纺丝的鞭动不稳定性，并且各喷头之间易产生电场抑制干扰，同时空间电场分布不均匀也会导致各个喷头的喷射状态不一致，难以保证各个喷嘴同时进行持续稳定的射流喷射；其次，射流之间的静电排斥作用也增加了射流的不稳定性，从而导致各个喷头所喷射获得的纳米纤维形态尺寸差异很大，影响了所制备纳米纤维品质的提高；再者，单一塑料材质供液装置难以满足有机溶液和无机溶液分别均匀混合并同轴喷射的需求，也无法调节有机溶液和无机溶液的供液速度和质量比，无法实现复合纳米纤维的快速批量生产。

使有机溶液和无机溶液均匀同轴喷射，调节有机溶液和无机溶液的质量比和供液速度，提高各个喷头纺丝液的均匀性以确保各喷头进行均匀射流喷射，是静电纺丝技术研究的重点。

中国专利CN203238353U公开一种可更换内、外针头的同轴电纺喷头，是由内管、固定接头、外管及外层溶液导管所组成；其特征在于所述的内管插入到外管中，固定接头套在内管的外部，并通过螺纹与外管螺接；外层溶液导管装于外管中部的通孔上。

发明内容

本发明的目的在于提供用于制备复合纤维膜的同轴电纺多射流喷头。

本发明设有多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、可控供气装置、气流通道、有机纺丝液均匀输液的金属分液流道、鞘气气孔阵列、辅助气体出气口、可独立供电的高压电源、接收装置、纺丝喷头组、二级气流缓冲腔、缓冲室、夹持板、无机溶液进液口、一级气流缓冲室、无机纺丝液均匀输液的分液流道、分液配液器；

所述多种无机溶液可控注射装置由至少两个可控注射装置组成，各个可控注射装置经液体导管连接到分液配液器，多种有机溶液可控注射装置由至少两个可控注射装置组成，各个可控注射装置经液体导管连接到分液配液器；分液配液器分别与有机纺丝液均匀输液的金属分液流道和无机纺丝液均匀输液的分液流道相连；有机纺丝液均匀输液的金属分液流道与纺丝喷头组的有机进液口相连，无机纺丝液均匀输液的分液流道与纺丝喷头组的无机溶液进液口相连，纺丝喷头组固定在夹持板上；纺丝喷头组包含至少两个喷头；纺丝喷头组包含的喷头与可独立供电的高压电源的正极相连接，接收装置与可独立供电的高压电源的负极相连接，且负极接地。纺丝喷头组的各喷头下方均设有鞘气气孔阵列，可控供气装置与鞘气气孔阵列通过气流通道连接，鞘气气孔阵列与辅助气体出气口同轴布置；气流通道经一级气流缓冲室接二级气流缓冲腔，有机纺丝液均匀输液的金属分液流道的出口接缓冲室，无机纺丝液均匀输液的分液流道的出口接缓冲室；辅助气流通过气流通道进入一级气流缓冲室，向下传输过程中通过二级气流缓冲室进行分流，最终辅助气体经鞘气气孔阵列流出后经由辅助气体出气口排出。

本发明提供一种静电纺丝装置，包括多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、有机纺丝液均匀输液的金属分液流道、无机纺丝液均匀输液的分液流道、纺丝喷头组、高压电源、接收装置以及大规模辅助鞘层气流供均匀供气流道结构；纺丝喷头组固定在夹持板上；可调高压电源正极分别与每个喷头相连接，负极接地；通过多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、分液配液器、有机纺丝液均匀输液的金属分液装置和无机纺丝液均匀输液的分液装置，给纺丝喷头组提供纺丝液；通过高压电源与纺丝喷头组连接提供高压，使纺丝喷头组与接收装置之间形成高压电场；通过可控供气装置、一级气流缓冲室与二级气流缓冲室提供辅助鞘层气流，以保证辅助气流传输过程中流速分布的均匀性；纺丝喷嘴周围布置有鞘气气孔，鞘气气孔由圆锥台和圆柱组成狭长型气体通道，具有很强的约束聚焦作用，可以减小多针头静电纺丝射流之间的静电干扰。

本发明通过多个喷嘴进行喷射批量连续制备复合纳米纤维，显著提高静电纺丝的效率，通过引入多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、分液配液器、有机纺丝液均匀输液的金属分液流道及无机纺丝液均匀输液的分液流道、使不同质量比的有机纺丝液和无机纺丝液分别均匀混合；通过高压电源与接收装置形成匀强电场，作用于静电纺丝射流，同时结合鞘气气孔阵列的约束聚焦作用，减小射流之间的静电干扰，改善静电纺丝过程中射流的不稳定性，加快静电纺丝的速度，进一步提高静电喷雾效率并且进一步细化射流和纳米纤维，减小静电纺丝纳米纤维的直径，改善静电纺丝纳米纤维的质量。

本发明旨在设计合理的多种无机溶液可控注射装置，多种有机溶液可控注射装置，大规模辅助鞘层气流供均匀供气流道结构，以实现有机溶液和无机溶液各自的均匀混合喷射，提高各个纺丝喷头供液的均匀性，减弱射流间的排斥作用，并通过调节有机溶液和无机溶液的供液速度和质量比，适应大批量生产纳米复合材料的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有多种无机溶液可控注射装置1、多种有机溶液可控注射装置2、可控供气装置3、气流通道4、有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5、鞘气气孔阵列6、辅助气体出气口7、可独立供电的高压电源8、接收装置9、纺丝喷头组10、二级气流缓冲腔11、缓冲室12、夹持板13、无机溶液进液口14、一级气流缓冲室15、无机纺丝液均匀输液的分液流道16、分液配液器17；所述多种无机溶液可控注射装置1由至少两个可控注射装置组成，各个可控注射装置经液体导管连接到分液配液器17，多种有机溶液可控注射装置2由至少两个可控注射装置组成，各个可控注射装置经液体导管连接到分液配液器17；分液配液器分别与有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5和无机纺丝液均匀输液的分液流道16相连；有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5与纺丝喷头组10的有机进液口相连，无机纺丝液均匀输液的分液流道16与纺丝喷头组10的无机溶液进液口14相连，纺丝喷头组10固定在夹持板13上；纺丝喷头组10包含至少两个喷头；纺丝喷头组10包含的喷头与可独立供电的高压电源8的正极相连接，接收装置9与可独立供电的高压电源8的负极相连接，且负极接地。纺丝喷头组10的各喷头下方均设有鞘气气孔阵列6，可控供气装置3与鞘气气孔阵列6通过气流通道4连接，鞘气气孔阵列6与辅助气体出气口7同轴布置；气流通道4经一级气流缓冲室15接二级气流缓冲腔11，有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5的出口接缓冲室12，无机纺丝液均匀输液的分液流道16的出口接缓冲室12；辅助气流通过气流通道4进入一级气流缓冲室15，向下传输过程中通过二级气流缓冲室11进行分流，最终辅助气体经鞘气气孔阵列6流出后经由辅助气体出气口7排出。

在图1中，多种无机溶液可控注射装置1可以控制多种无机纺丝液供给的速度，使多种无机纺丝液进入分液配液器17均匀混合后进入无机纺丝液均匀输液的分液流道16；多种有机溶液可控注射装置2可以控制多种有机纺丝液供给的速度，使有机纺丝液进入分液配液器均匀混合后进入有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5。不同配比的多种无机纺丝液在分液配液器17中均匀混合；不同配比的有机纺丝液在分液配液器中均匀混合；混合有机纺丝液进入有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5后进入缓冲室12，混合无机纺丝液进入无机纺丝液均匀输液的分液流道16后进入缓冲室12；有机溶液和无机溶液经缓冲室12和出液口同轴喷射纺丝。通过控制多种无机溶液可控注射装置1和多种有机溶液可控注射装置2的流速，还可以生产有机溶液和无机溶液质量比不同的同轴复合纤维。

以PVDF/Al₂O₃复合锂离子电池隔膜为例，将PVDF和DMF/丙酮(体积比7∶3)混合溶剂按质量比为16∶84配成16％的PVDF有机纺丝液；称取3g的PVP和3g氧化铝，加入到24mLDMF和甘油的混合液体积比5:1中配成质量分数为4％的Al₂O₃无机纺丝液。在图中，多种无机溶液可控注射装置1控制Al₂O₃无机纺丝液供给的速度，使Al₂O₃无机纺丝液进入分液配液器17均匀混合后进入无机纺丝液均匀输液的分液流道16；多种有机溶液可控注射装置2控制PVDF有机纺丝液供给的速度，使PVDF有机纺丝液进入分液配液器均匀混合后进入有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5。PVDF有机纺丝液进入有机纺丝液均匀输液的金属分液流道5后进入缓冲室12，Al₂O₃无机纺丝液进入无机纺丝液均匀输液的分液流道16后进入缓冲室12；PVDF有机溶液和Al₂O₃无机溶液经缓冲室12和出液口同轴喷射PVDF/Al₂O₃复合纳米纤维；复合纳米纤维外层为PVDF有机纤维材料，内层为Al₂O₃溶胶，形成核-壳结构。通过控制电纺装置的平台程序，可通过此多射流喷头装置批量生产PVDF/Al₂O₃复合锂离子电池隔膜，核-壳结构PVDF/Al₂O₃复合锂离子电池隔膜相比于商业化的锂离子电池隔膜常用的聚烯烃类微孔膜，其耐热收缩率、抗拉伸断裂能力和电化学性能均有明显提高。

本实施例中纺丝喷头组10固定在夹持板13上；纺丝喷头组10包含两个或两个以上多个喷头。纺丝喷头组10包含的喷头与可独立供电的高压电源8的正极相连接，接收装置9与可独立供电的高压电源8的负极相连接，且负极接地。可独立供电的高压电源8使纺丝喷头组10与接收装置9之间形成与静电纺丝射流方向相同的匀强电场，作用于纺丝射流，即可减小射流之间的静电干扰，改善静电纺丝过程中射流的不稳定性，加快静电纺丝的速度，提高静电纺丝的效率，改善静电纺丝纳米纤维的质量。

本发明中纺丝喷头组的各喷头下方均设有鞘气气孔阵列6，与纺丝针头同轴布置。通过可控供气装置3给鞘气气孔供气，辅助气流通过气流通道4进入一级气流缓冲室15，向下传输过程中通过二级气流缓冲室11进行分流，最终辅助气体经鞘气气孔阵列6流出后经由辅助气体出气口7排出。狭长型辅助气体出气口7能够对辅助气流起到聚焦作用，从而实现对静电纺丝射流的约束，以减弱静电纺丝射流之间的干扰。

本发明提供一种具有多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、大规模辅助鞘层气流供均匀供气流道结构、有机纺丝液均匀输液的金属分液装置，无机纺丝液均匀输液的分液装置的多喷嘴静电纺丝装置，使多种有机溶液和无机溶液分别均匀混合并同轴喷射，同时通过调节有机溶液和无机溶液的质量比和供液速度，提高各个喷头纺丝液的均匀性，确保多喷射流的稳定快速喷射，大面积进行纺丝以进一步提高静电纺丝效率。纺丝喷头组的各喷头下方均设有鞘气气孔阵列，与纺丝针头同轴布置。通过可控供气装置给鞘气气孔供气，狭长型辅助气体出气口能够对辅助气流起到聚焦作用，从而实现对静电纺丝射流的约束，减小射流之间静电干扰，促进静电纺丝在收集装置上的均匀分布，提高所收集到复合纳米纤维的均匀性，改善复合纳米纤维边缘收集的不规则度，并能细化射流的直径，改善静电纺丝的质量。

Claims (1)

1.用于制备复合纤维膜的同轴电纺多射流喷头，其特征在于设有多种无机溶液可控注射装置、多种有机溶液可控注射装置、可控供气装置、气流通道、有机纺丝液均匀输液的金属分液流道、鞘气气孔阵列、辅助气体出气口、可独立供电的高压电源、接收装置、纺丝喷头组、二级气流缓冲腔、缓冲室、夹持板、无机溶液进液口、一级气流缓冲室、无机纺丝液均匀输液的分液流道、分液配液器；

所述多种无机溶液可控注射装置由至少两个可控注射装置组成，各个可控注射装置经液体导管连接到分液配液器，多种有机溶液可控注射装置由至少两个可控注射装置组成，各个可控注射装置经液体导管连接到分液配液器；分液配液器分别与有机纺丝液均匀输液的金属分液流道和无机纺丝液均匀输液的分液流道相连；有机纺丝液均匀输液的金属分液流道与纺丝喷头组的有机进液口相连，无机纺丝液均匀输液的分液流道与纺丝喷头组的无机溶液进液口相连，纺丝喷头组固定在夹持板上；纺丝喷头组包含至少两个喷头；纺丝喷头组包含的喷头与可独立供电的高压电源的正极相连接，接收装置与可独立供电的高压电源的负极相连接，且负极接地。纺丝喷头组的各喷头下方均设有鞘气气孔阵列，可控供气装置与鞘气气孔阵列通过气流通道连接，鞘气气孔阵列与辅助气体出气口同轴布置；气流通道经一级气流缓冲室接二级气流缓冲腔，有机纺丝液均匀输液的金属分液流道的出口接缓冲室，无机纺丝液均匀输液的分液流道的出口接缓冲室；辅助气流通过气流通道进入一级气流缓冲室，向下传输过程中通过二级气流缓冲室进行分流，最终辅助气体经鞘气气孔阵列流出后经由辅助气体出气口排出。