CN106757424A - 一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法及静电纺丝机 - Google Patents

一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法及静电纺丝机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其采用具有包括凸起和穿孔在内三维立体结构的接收电极，通过本发明的方法能够生产出纤维膜厚度不同、纤维排列紧密度不同的纤维膜，具有三维立体结构的纤维薄膜，其制备方法简单，成本低廉，适合工业化生产。所制备的纳米纤维膜具有优良的透气性、透水性。对空气中颗粒物的拦截效率高。作为水过滤材料，具有高通量和高截留率。此外，本发明还提供与该制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法相配套的静电纺丝机。

Description

一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法及静电纺丝机
技术领域
本发明涉及一种过滤材料的制备方法，尤其涉及一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，此外本发明还涉及一种用于制备该具有立体结构纤维膜的静电纺丝机。
背景技术
随着我国经济持续高速发展以及城市化和工业化进程的日益加快，人民的生活水平得到了大幅提高，但是经济发展的同时也带来了非常严峻的空气污染和水污染问题。空气污染问题，严重威胁着人们的身体健康，与此同时，全球水资源状况迅速恶化，水危机日趋严重。为了缓解水资源短缺、防止人们的身体健康受到污染空气的影响，各种过滤材料越来越多地被应用到对水和空气的处理中。目前使用的过滤材料主要以传统的非织造无纺布材料为主。纤维材料为由直径在几到十几微米之间的微米级纤维制成。这些材料的孔径较大，只能过滤较大的颗粒，对细颗粒物的过滤效果较差。难以同时满足高效率、低压阻的过滤需求，无法实现对雾霾的有效防护。因此，生产有效过滤PM2.5颗粒的过滤材料具有重要意义。在过滤材料中，使用静电纺纳米纤维膜是新型过滤材料发展的趋势。静电纺纳米纤维是通过静电纺丝技术制备的直径在几十到几百纳米的超细纤维。静电纺丝技术是使高分子溶液或熔体带电，并在纺丝头和接收电极之间形成高压电场，通过静电力使纺丝液从纺丝头喷出成为一股带电的喷射流，并在电场中拉伸，高分子溶液或熔体因溶剂的蒸发或熔体冷却而固化，最后集聚在收集器上，从而成为纳米纤维无纺织布。这种本身带静电的纳米纤维的无纺织布是一种非常好的过滤材料，对极细颗粒的过滤效率高且透气性优良。静电纺丝是现在唯一可以连续和大量制备纳米纤维的技术。其制备的纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大、长径比大、纤维膜孔径小以及孔隙率大、良好的空气透过性、结构可调性强等特点。其与基材结合制备的复合过滤材料具有高过滤效率、低空气阻力等优点，因而使其成为制备高性能过滤材料的理想材料，具有巨大的应用价值。而目前的纳米纤维膜中的纳米纤维均只涉及平铺层状结构，得到的纳米纤维膜致密、阻力大，容尘量小且使用寿命短。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型的静电纺丝法和静电纺丝机，通过该静电纺丝法和静电纺丝机制备出来的具有立体结构纤维膜具有更好的过滤效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种制作的过滤材料过滤效果优良、透气性好、使用寿命长的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法及静电纺丝机。
本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，采用具有三维立体结构的接收电极，所述接收电极的三维立体结构为接收电极表面设置的多个凸起或多个沿接收电极厚度方向穿透接收电极的穿孔。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，所述接收电极为编织网、焊接网、冲孔板、镂空辊筒、表面具有凸起的平板、表面具有凸起的辊筒中的一种。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，所述编织网的纤维直径和焊接网的纤维直径分别为0.01毫米～10毫米，所述编织网的穿孔的孔径为0.02毫米～11毫米，所述焊接网的穿孔的孔径为0.02毫米～50毫米。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，所述冲孔板的孔型、镂空辊筒的孔型分别为矩形孔、菱形孔、圆孔、六角形孔、十字孔、三角形孔、五角星形孔或不规则孔，所述冲孔板的板厚和镂空辊筒的板厚分别为0.1毫米～15毫米，所述冲孔板穿孔的孔径和镂空辊筒穿孔的孔径分别为0.1毫米～200毫米。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，所述凸起的高度为0.1毫米～20毫米，凸起或穿孔在接收电极表面的投影面积为接收电极表面积的10％～80％。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，纺丝电压在20kV以上，所述接收电极和纺丝电极的距离在10cm以上，纺丝头的转速为1r/min以上。
借由上述方案，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法至少具有以下优点：本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法将聚合物材料溶解在溶剂中制备纺丝液；然后用静电纺工艺将纺丝液加工成纳米纤维，通过使用表面带有三维图案接收电极来使纤维在基布上形成选择性沉积，其中镂空地方收集的纤维少，凸起地方收集的纤维多，从而产生厚度不同、纤维排列紧密度不同的纤维膜，最终得到具有三维立体结构的纤维薄膜。并且这种纳米纤维膜是一层或多层三维立体结构组合，层与层之间的纤维立体图案可以重叠也可以相互错开，以此实现纤维密集区和稀疏区在三维空间上的交替分布。纳米纤维膜的厚度在0.1μm～1000μm,纤维直径在50nm～1500nm。这种纳米纤维过滤材料制备方法简单，成本低廉，适合工业化生产。所制备的纳米纤维膜具有优良的透气性、透水性。对空气中颗粒物的拦截效率高。作为水过滤材料，具有高通量和高截留率。通过本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法制备出的具有三维纳米纤维立体结构，可用于制备高效、低气阻防雾霾口罩以及高效、低能耗空气过滤滤材。其过滤效率要显著高于市场上同类产品，而且同时具有低气阻的特点。
此外，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机，包括接收电极，所述接收电极的表面设有多个凸起或多个沿接收电极厚度方向穿透接收电极的穿孔。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机，所述接收电极为编织网、焊接网、冲孔板、镂空辊筒、表面具有凸起的平板、表面具有凸起的辊筒中的一种。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机所述编织网的纤维直径为0.01毫米～10毫米，孔径为0.02毫米～11毫米，所述焊接网的纤维直径为0.01毫米～10毫米，孔径为0.02毫米～50毫米，所述冲孔板、镂空辊筒的孔型为矩形孔、菱形孔、圆孔、六角形孔、十字孔、三角形孔、五角星形孔或不规则孔，所述冲孔板和镂空辊筒的板厚分别为0.1毫米～15毫米，孔径为0.1毫米～200毫米，所述凸起的高度为0.1毫米～20毫米，凸起或穿孔在接收电极表面的投影面积为接收电极表面积的10％～80％。
进一步的，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机还包括纺丝头，所述纺丝头包括用于容纳纺丝液的储液槽，储液槽中设有金属纺丝电极，所述金属纺丝电极为螺旋电极、球形电极、圆环电极、圆盘电极、辊筒电极、线型电极或狭缝电极中的一种，所述金属纺丝电极通过导线与高压直流电源电连接，所述接收电极的表面设有基布，所述基布为无纺布、机织布、编织布、针织布或金属网中的一种。所述接收电极的表面设有基布，所述基布为无纺布、机织布、编织布、针织布或金属网中的一种。
借由上述方案，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机至少具有以下优点：本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机通过使用表面带有三维图案接收电极来使纤维在基布上形成选择性沉积，其中镂空地方收集的纤维少，凸起地方收集的纤维多，从而产生厚度不同、纤维排列紧密度不同的纤维膜，最终得到具有三维立体结构的纤维薄膜。并且这种纳米纤维膜是一层或多层三维立体结构组合，层与层之间的纤维立体图案可以重叠也可以相互错开，以此实现纤维密集区和稀疏区在三维空间上的交替分布。纳米纤维膜的厚度在0.1μm～1000μm,纤维直径在50nm～1500nm。这种纳米纤维过滤材料制备方法简单，成本低廉，适合工业化生产。所制备的纳米纤维膜具有优良的透气性、透水性。对空气中颗粒物的拦截效率高。作为水过滤材料，具有高通量和高截留率。通过本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法制备出的具有三维纳米纤维立体结构，可用于制备高效、低气阻防雾霾口罩以及高效、低能耗空气过滤滤材。其过滤效率要显著高于市场上同类产品，而且同时具有低气阻的特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是镂空辊筒接收电极。
图2为圆孔冲孔平板接收电极。
图3为六边形冲孔平板接收电极。
图4为金属丝焊接网接收电极。
图5为具有凸起的平板接收电极。
图6为制备具有立体结构纤维膜的螺旋无针静电纺丝机示意图。
其中，1：接收电极；2：凸起；3：穿孔；4：储液槽；5：螺旋状金属纺丝电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图6，以下是本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法的具体实施例：
实施例1.
本实施例使用的接收电极为不锈钢编织网(图中未示出)，不锈钢丝直径1.2毫米，4.3毫米螺距，6毫米间距。使用的无针纺丝装置参考图6。配制浓度为10％的聚乙烯醇水溶液(PVA，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解，西格玛奥德里奇)，聚乙烯醇注入储液槽内，设置纺丝电压为75kV，纺丝距离为20cm，纺丝头转速5rpm，不锈钢编织网帘收集器纤维速度10m/minn。基布采用空气过滤用无纺布。在无纺布上的到纳米纤维膜，经测试，作为空气过滤材料对0.3微米NaCl颗粒的截留率高达97％，气阻91.0Pa。
实施例2.
本实施例使用的接收电极为不锈钢编织网。不锈钢丝直径1.2毫米，4.3毫米螺距，6毫米间距。使用的无针纺丝装置参考图6。配制浓度为10％的聚乙烯醇水溶液(PVA，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解，西格玛奥德里奇)，注入储液槽内，设置纺丝电压为75kV，纺丝距离为20cm，纺丝头转速5rpm，收集器网帘线速度10m/min。基布采用纺粘无纺布，在无纺布上的到纳米纤维膜，经测试作为口罩过滤材料对0.3微米NaCl颗粒的截留率高达98％，气阻85Pa。
实施例3.
本实施例使用的接收电极为不锈钢编织网。不锈钢丝直径1.2毫米，4.3毫米螺距，6毫米间距。使用的无针纺丝装置参考图6。配制浓度为12％的聚偏氟乙烯～六氟丙烯溶液(PVDF～HFP,Mw～400,000，西格玛奥德里奇)，注入储液槽内，设置纺丝电压为75kV，纺丝距离为20cm，纺丝头转速5rpm，不锈钢编织网帘收集器纤维速度10m/min。基布采用纺粘无纺布，在无纺布上的到纳米纤维膜，经测试作为空气过滤过滤材料对0.3微米NaCl颗粒的截留率高达99.2％，气阻99Pa。
实施例4.
本实施例使用的接收电极参考图5。其中凸起图案为圆柱，高度5毫米，直径2毫米，间距0.8毫米。配制浓度为12％的聚偏氟乙烯～六氟丙烯溶液(PVDF～HFP,Mw～400,000，西格玛奥德里奇)，注入储液槽内，设置纺丝电压为75kV，纺丝距离为20cm，纺丝头转速5rpm。基布采用纺粘无纺布，在无纺布上的到纳米纤维膜，经测试作为空气过滤过滤材料对0.3微米NaCl颗粒的截留率高达99.8％，气阻94Pa。
实施例5.
本实施例使用的接收电极参考图5。其中凸起图案为圆柱，高度5毫米，直径2毫米，间距0.8毫米。配制浓度为15％的聚偏氟乙烯溶液(PVDF,Mw～530,000，西格玛奥德里奇)，注入储液槽内，设置纺丝电压为75kV，纺丝距离为20cm，纺丝头转速5rpm。基布采用纺粘无纺布，在无纺布上的到纳米纤维膜，水处理性能，纯水通量超过6000L/m2h,过滤效率大于98.5％。
以下是本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机的具体实施例：
实施例6：
本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机包括接收电极1，接收电极的表面设有多个凸起2或多个沿接收电极厚度方向穿透接收电极的穿孔3。作为优选，接收电极为编织网、焊接网、冲孔板、镂空辊筒、表面具有凸起的平板、表面具有凸起的辊筒中的一种。作为优选，本发明的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机编织网的纤维直径为0.0毫米～10毫米，孔径为0.02毫米～11毫米，焊接网的纤维直径为0.0毫米～10毫米，孔径为0.02毫米～50毫米，冲孔板、镂空辊筒的孔型为矩形孔、菱形孔、圆孔、六角形孔、十字孔、三角形孔、五角星形孔或不规则孔，冲孔板和镂空辊筒的板厚分别为0.1毫米～15毫米，孔径为0.1毫米～200毫米，凸起的高度为0.1毫米～20毫米，凸起或穿孔在接收电极表面的投影面积为接收电极表面积的10％～80％。作为优选，还包括纺丝头，纺丝头包括用于容纳纺丝液的储液槽4，储液槽中设有螺旋状金属纺丝电极5，接收电极的表面设有基布，基布为无纺布、机织布、编织布、针织布或金属网中的一种。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其特征在于：所述制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法采用具有三维立体结构的接收电极，所述接收电极的三维立体结构为接收电极表面设置的多个凸起或多个沿接收电极厚度方向穿透接收电极的穿孔。
2.根据权利要求1所述的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其特征在于：所述接收电极为编织网、焊接网、冲孔板、镂空辊筒、表面具有凸起的平板、表面具有凸起的辊筒中的一种。
3.根据权利要求2所述的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其特征在于：所述编织网的纤维直径和焊接网的纤维直径分别为0.01毫米～10毫米，所述编织网的穿孔的孔径为0.02毫米～11毫米，所述焊接网的穿孔的孔径为0.02毫米～50毫米。
4.根据权利要求2所述的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其特征在于：所述冲孔板的孔型、镂空辊筒的孔型分别为矩形孔、菱形孔、圆孔、六角形孔、十字孔、三角形孔、五角星形孔或不规则孔，所述冲孔板的板厚和镂空辊筒的板厚分别为0.1毫米～15毫米，所述冲孔板穿孔的孔径和镂空辊筒穿孔的孔径分别为0.1毫米～200毫米。
5.根据权利要求2所述的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其特征在于：所述凸起的高度为0.1毫米～20毫米，凸起或穿孔在接收电极表面的投影面积为接收电极表面积的10％～80％。
6.根据权利要求1所述的制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝法，其特征在于：纺丝电压在20kV以上，所述接收电极和纺丝电极的距离在10cm以上，纺丝头的转速为1r/min以上。
7.一种制备具有立体结构纤维膜的静电纺丝机，包括接收电极，其特征在于：所述接收电极的表面设有多个凸起或多个沿接收电极厚度方向穿透接收电极的穿孔。
8.根据权利要求7所述的具有立体结构纤维膜的静电纺丝机，其特征在于：所述接收电极为编织网、焊接网、冲孔板、镂空辊筒、表面具有凸起的平板、表面具有凸起的辊筒中的一种。
9.根据权利要求8所述的具有立体结构纤维膜的静电纺丝机，其特征在于：所述编织网的纤维直径为0.01毫米～10毫米，孔径为0.02毫米～11毫米，所述焊接网的纤维直径为0.01毫米～10毫米，孔径为0.02毫米～50毫米，所述冲孔板、镂空辊筒的孔型为矩形孔、菱形孔、圆孔、六角形孔、十字孔、三角形孔、五角星形孔或不规则孔，所述冲孔板和镂空辊筒的板厚分别为0.1毫米～15毫米，孔径为0.1毫米～200毫米，所述凸起的高度为0.1毫米～20毫米，凸起或穿孔在接收电极表面的投影面积为接收电极表面积的10％～80％。
10.根据权利要求7所述的具有立体结构纤维膜的静电纺丝机，其特征在于：还包括纺丝头，所述纺丝头包括用于容纳纺丝液的储液槽，储液槽中设有金属纺丝电极，所述金属纺丝电极为螺旋电极、球形电极、圆环电极、圆盘电极、辊筒电极、线型电极或狭缝电极中的一种，所述金属纺丝电极通过导线与高压直流电源电连接，所述接收电极的表面设有基布，所述基布为无纺布、机织布、编织布、针织布或金属网中的一种。
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