CN106835301A - 一种制备纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

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李成永
姚万军
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    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus

Abstract

本发明属于纺织技术领域，涉及一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括上部敞开的溶液槽和具有中心旋转轴的回转纺丝机构，所述的溶液槽包括两个相对的侧壁，其一侧壁上设置有与高压直流静电发生器对接的高压接口，所述侧壁中对称地设置有具有安装孔的基座，所述中心旋转轴枢接于所述安装孔中，所述的回转纺丝机构还包括与所述中心旋转轴垂直设置的一对绝缘端面以及从所述绝缘端面之间延伸形成的多个细线状的纺丝电极，所述纺丝电极与中心旋转轴平行设置。本发明通过将纺丝电极改为细线状，增大了产生电场的强度，能够显著提高纺丝效率。

Description

一种制备纳米纤维的静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及纺织技术领域，特别涉及一种电场强度高而稳定的制备纳米纤维的静电纺丝装置。
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，通常在几十纳米到几微米的直径。液滴在电场作用下带电荷，静电力会克服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。近年来，通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料已经成为世界材料科学技术领域最重要的课题之一。
传统的静电纺丝系统由空心针式喷丝头、泵、电极接收板和高压电源组成。泵用来将聚合物溶液送入喷丝头，高压电源连接在喷丝头和电极接收板之间。目前很多静电纺丝设备，还是沿用这种传统的针式纺纱工艺，导致生产效率低下，每针每小时生产纤维只有300毫克。而且由于喷丝针直径较小，喷丝头表面附近形成的高强电场，使得喷丝头在高压下易受电晕而产生放电的现象，导致制备的纳米纤维的直径变大，质量变差。
后来改进为线式纺纱工艺，采用薄片状的纺丝电极增加了纺丝面积，提高了纺丝效率，然而实际应用中发现存在较难控制电场均一性的问题，而且场强不够，需要更好的导电材料才能满足制造需求。
因此，有必要提供一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电场强度高而稳定的制备纳米纤维的静电纺丝装置。
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静电纺丝装置，包括上部敞开的溶液槽和具有中心旋转轴的回转纺丝机构，所述的溶液槽包括两个相对的侧壁，其一侧壁上设置有与高压直流静电发生器对接的高压接口，所述侧壁中对称地设置有具有安装孔的基座，所述中心旋转轴枢接于所述安装孔中，所述的回转纺丝机构还包括与所述中心旋转轴垂直设置的一对绝缘端面以及从所述绝缘端面之间延伸形成的多个细线状的纺丝电极，所述纺丝电极与中心旋转轴平行设置。
具体的，所述纺丝电极的直径为0.5mm-5mm。
进一步的，所述纺丝电极材料采用绝缘体。
进一步的，所述纺丝电极材料采用聚丙烯。
具体的，所述的多个纺丝电极到所述中心旋转轴的距离相等。
进一步的，所述的多个纺丝电极围绕所述中心旋转轴均布。
具体的，所述中心旋转轴的材料采用金属。
采用上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明通过将纺丝电极改为细线状，增大了产生电场的强度，能够显著提高纺丝效率。
2、各条纺丝电极运动轨迹一致，产生的纳米纤维质量比较稳定。
3、纺丝电极的粗细兼顾纤维产生效果和自身强度。
4、纺丝电极采用绝缘的聚丙烯材料不怕溶液腐蚀，可以长时间维持正常工作。
5、中心旋转轴采用金属材质，保证电场的均匀性，延长使用寿命。
附图说明
图1为实施例制备纳米纤维的静电纺丝装置的立体图。
图2为实施例制备纳米纤维的静电纺丝装置的俯视图。
图3为实施例制备纳米纤维的静电纺丝装置的使用原理简图。
图4为实施例制备的纳米纤维电子显微镜照片。
图中数字表示：
1-溶液槽，
11-侧壁，
12-高压接口，
13-基座；
2-旋转纺丝结构，
21-中心旋转轴，
22-绝缘端面，
23-纺丝电极；
3-高压直流静电发生器；
4-收集电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1至图3所示，本实施例的一种制备纳米纤维的静电纺丝发生装置，包括上部敞开的溶液槽1和具有中心旋转轴21的旋转纺丝结构2，溶液槽1包括两个相对的侧壁11，其一侧壁11上设置有与高压直流静电发生器3对接的高压接口12；侧壁11中设置有具安装孔(未标注)的基座13，中心旋转轴21枢接于安装孔中，旋转纺丝结构2还包括与中心旋转轴21垂直设置的一对绝缘端面22，以及从绝缘端面22之间延伸形成的多个细线状且直径0.5-5mm的纺丝电极23，纺丝电极23与中心旋转轴21平行设置。回转纺丝机构2的上方具有一个接地的收集电极4，而纺丝电极23因为间接连接高压直流静电发生器3，所以纺丝电极23具有正电势，这样纺丝电极23和收集电极4之间就会具有电势差而产生静电场。中心旋转轴21通过驱动机构的传动匀速转动，并带动多个细线状的纺丝电极23在其限定的圆周面上匀速转动，当纺丝电极23转动到溶液槽1的下部时将浸入到聚合物溶液中；之后聚合物溶液被带到纺丝电极23和收集电极4之间的电场中形成纤维，然后在回转纺丝机构2的转动下拉长成直径足够细的纳米纤维。因为纺丝电极23是细线状的，所以纺丝电极23附近的电场强度尤为集中且均匀，这对纳米纤维的产生尤为有利，可以有效提高纺丝效率。
如图3所示，多个纺丝电极23到中心旋转轴21的距离相等且围绕中心旋转轴21均布。这样每条纺丝电极23运动轨迹一致，产生的静电场变化状态也一致，在纺丝电极23上产生的纳米纤维质量就比较稳定。
纺丝电极23的直径为0.5-5mm。纤维是从纺丝电极23上开始产生的，理论上说，在纺丝电极23和收集电极4电势差一定的情况下，纺丝电极23做得越细，纺丝电极23附近的电场强度越大，越有利于纤维的产生。然而纺丝电极23太细会带来强度过低，难以克服纤维拉力，所以纺丝电极23直径要适当。
纺丝电极23材料可选用金属或绝缘体，当纺丝电极23材料为绝缘体时可选用聚丙烯。作为电极材料，一般采用的是金属材质。但因为纺丝电极23和收集电极4之间是不会有电子转移的静电场，纺丝电极23的细线结构又确保了电场强度足够大，所以对纺丝电极23的导电性要求下降，甚至可以选用绝缘体。与通常的金属导体相比，很多绝缘体是比较不怕溶液腐蚀的，比如聚丙烯，于是生产过程中纺丝电极23能够更长时间地维持正常工作。
中心旋转轴21的材料可选用金属或绝缘体。中心旋转轴21只是作为回转纺丝机构2的旋转中心部件，一般采用绝缘体材质。但绝缘体强度不佳，时间长了会弯曲变形，影响纺丝电极23和收集电极4之间电场的均匀性。换成金属材质就能提高其强度，保证电场的均匀性，延长使用寿命。
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 (7)

1.一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括上部敞开的溶液槽和具有中心旋转轴的回转纺丝机构，所述的溶液槽包括两个相对的侧壁，其一侧壁上设置有与高压直流静电发生器对接的高压接口，所述侧壁中对称地设置有具有安装孔的基座，所述中心旋转轴枢接于所述安装孔中，其特征在于：所述的回转纺丝机构还包括与所述中心旋转轴垂直设置的一对绝缘端面以及从所述绝缘端面之间延伸形成的多个细线状的纺丝电极，所述纺丝电极与中心旋转轴平行设置。
2.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝电极的直径为0.5-5mm。
3.根据权利要求1或2所述的制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝电极材料采用绝缘体。
4.根据权利要求3所述的制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝电极材料采用聚丙烯。
5.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述的多个纺丝电极到所述中心旋转轴的距离相等。
6.根据权利要求5所述的制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述的多个纺丝电极围绕所述中心旋转轴均布。
7.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述中心旋转轴的材料采用金属。
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