CN107201559B - 一种珠头喷头静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种珠头喷头静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。它包括进液推进装置、珠头喷丝系统、供电系统和接收系统。所述珠头喷头静电纺丝装置利用珠头与出液管锥体收口部分所形成间隙使得液体流出，在高压电场激发下产生一个或多个泰勒锥，通过珠头转动，可有效解决毛细管针式静电纺丝堵塞现象。在静电纺丝制备结束后可将珠头拆卸便于清洗。通过根据所需液体粘稠度等不同情况的工作条件，对出液管锥体收口部分进行处理，制备尺寸不同的均匀漏液口，可扩大溶液可纺范围，且可用于熔融纺丝的制备生产。结合珠体尺寸及溶液浓度的大小可调节接收距离，进而可实现远近场纺丝。

Description

一种珠头喷头静电纺丝装置
技术领域
本发明属于静电纺丝装置领域，特别涉及珠头结构静电纺丝装置，属于纳米纤维制备领域。
背景技术
静电纺丝是指在几千乃至上万伏的电压条件下，使得聚合物溶液或熔体的带电液滴在电场力作用下形成泰勒锥，在克服表面张力作用下，带电液滴喷射形成细流，随着喷射过程蒸发固化，使得溶液中溶质或熔体在接有负电压的接收装置上收集，进而形成无纺布微纳米纤维膜。
静电纺丝是目前制备微纳米纤维较为有效的方法之一。其设备结构简单，操作易行，可纺材料丰富，来源广泛，工艺技术条件简单有效且可控。
传统静电纺丝采用单一金属毛细针管对材料进行高压电场环境下成丝，其产率较低，且出液口处容易发生堵塞，导致喷丝过程不稳定，成型效果不好，纺丝后不便于清洗。
利用可分离拆卸方式使静电纺丝设备便于清洗的专利有很多，刘健等将纺丝导电针头与供液系统分离（201610804952.8），采用多金属实心针头在外加绝缘导液棒的基础上实施电纺并可控，便于清洗。
发明内容
针对现有技术不足，本发明所要解决的技术问题是，提供以珠头为核心喷丝结构的静电纺丝装置，从而解决传统针管式静电纺丝装置针头堵塞，清洗不便等问题。
一种珠头喷头静电纺丝装置，包括进液推进装置、珠头喷丝系统、供电系统和接收系统，所述珠头喷丝系统由珠头7、支撑弹簧6、出液管组成；所述出液管为空心圆柱体结构，由出液管上部3和底端带圆台收口结构的出液管下部5构成，二者螺纹连接且出液管上部3内直径小于出液管下部5内直径；出液管上部3顶端与进液推进装置密封连接，出液管下部5内置支撑弹簧6，支撑弹簧6一端利用出液管上部3厚壁与下部衔接突出处固定，另一端顶住珠头7，珠头7直径小于出液管下部5直径且大于底端圆台收口处直径，使珠头固定不能下落；出液管下部5底端圆台收口处与珠头7接触处加工成狭小缝隙用于流体流出。
所述的珠头喷丝系统中出液管下部5的底端圆台收口处加工成均匀或非均匀锯齿状、矩形状或圆弧状，使珠头与出液管锥体收口部分形成较大间隙，便于浓度较大的纺丝溶液流出。
所述珠头7直径为0.35mm至18mm之间，珠头喷丝系统的整体尺寸根据珠头7大小调整。
所述珠头7直径为0.35-1.5mm时可用于近距离纺丝；珠头7直径为5-18mm时可用于远场纺丝且可以形成多个泰勒锥进行纺丝。
所述珠头7材料为金属材料、无机材料或惰性高分子聚合物材料等。有益效果
与现有静电纺丝喷头装置相比，珠头结构静电纺丝喷头具有制备简单易清洗等优势。并通过改变狭缝间隙大小有效控制其出液量进而控制静电纺丝纤维形貌，同时对接收距离进行调节，使得纺丝距离范围可达到（1~20cm），同时本发明提供的珠头喷头静电纺丝装置在使用较大尺寸珠头进行纺丝时可以形成数十个泰勒锥大大提高了制备具有微米或纳米尺度的粒子或纺丝涂层，提高了工作速率。
附图说明
图1为本发明的狭缝珠头喷头静电纺丝装置实施例的整体结构示意图；
图2为本发明的狭缝珠头喷头静电纺丝装置结构示意图；
图3为本发明的狭缝珠头喷头静电纺丝装置下部结构俯视图；
图4为本发明的狭缝珠头喷头静电纺丝装置局部放大图；
图5为本发明的锯齿狭缝珠头喷头静电纺丝装置下部结构示意图；
图6为本发明的锯齿狭缝珠头喷头静电纺丝装置珠头结构局部放大图；
图7为本发明的锯齿狭缝珠头喷头静电纺丝装置锯齿结构局部放大图；
图8为本发明的锯齿狭缝珠头喷头静电纺丝装置锯齿结构放大图；
图9为本发明珠头喷头静电纺丝装置一种实施例得到的PVP纳米纤维SEM照片图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图进一步叙述本发明：
本发明设计的一种珠头喷头静电纺丝装置（简称装置，参见图1~8），包括进液推进装置、珠头喷丝系统、供电系统和接收系统。
所述进液推进装置为现有技术，包括纺丝推进计量泵（简称推进泵或纺丝泵）1和进液管2，通过进液管2做输送通道将推进泵中的液体准确定量的提供至珠头喷丝系统中。所述珠头喷丝系统为本发明的核心，主要包括出液管上部3、出液管下部5、支撑弹簧6和珠头7组成；出液管上部3和下部5是空心圆柱体结构，出液管下部5底端带圆台收口结构，其中出液管上部3的内直径小于出液管下部5的内直径。出液管上部3与出液管下部5由螺纹结构4相互连接。其中出液管上部3底端带有外螺纹结构，出液管下部5的顶端带有内螺纹。支撑弹簧6直径介于出液管上部3与下部5内直径之间。支撑弹簧6一端利用出液管上部3厚壁与下部衔接突出处固定，另一端顶住珠头7，珠头7直径小于出液管下部5直径且大于底端圆台收口处直径，使珠头固定不能下落；通过对收口处进行适当加工使其使出液管锥体收口部分与球体接触形成狭缝。
所诉供电系统8由正高压直流电源和负高压直流电源组成；所诉接收系统主要包括接收基底材料、导辊等常规传动机构（接收装置其余部分未在图1中示出）。
所述珠头7材料为金属材料、无机材料或惰性高分子聚合物材料等，也可为木质材料。
金属材料包括不锈刚，铜，铝，金，银等，无机非金属材料包括玻璃、 陶瓷，大理石、水晶和金刚石，玄武岩等；惰性高分子材料括聚四氟乙烯，聚芳醚酮，聚碳酸酯、聚酰亚胺，聚硅氧烷，橡胶等。
本发明装置的工作原理和过程是（参见图1）：进液推进装置1将配制好的液体通过进液管2定量进入珠头喷丝系统，从出液管上部3进入装载入出液管整体形成待纺丝的溶液存储区域；通过在珠头喷丝系统的出液管下部5与接收系统9之间分别连接供电系统8的正负高压直流电源，在珠头喷丝系统与接收系统9之间形成高压静电场；纺丝液在推进泵1作用下从出液管下部5与珠头7之间的狭缝中流出，在表面张力等作用聚集下形成多个小液滴，通过调节电压使其达到临界电纺条件时出现多个泰勒锥，并进一步拉伸成纺丝射流与接收系统9进行接收。
本发明装置有效避免了传统针头式静电纺丝过程中存在的针头堵塞和难清理等问题，极大提高纺丝速率，所得纳米纤维产品的纤维直径细度更加精细且可控，大幅度提高产品的产量和速率。同时，可根据需求控制出液量调节接收距离实现远近场不同距离纺丝。
下面给出本发明实施例的纺丝实验作进一步详细说明。实施例的纺丝实验仅用于进一步说明本发明，不构成对本发明申请权利要求的限制。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头收口处进行适当加工使其使出液管下部圆台收口部分与球体接触形成狭缝，珠头为金属不锈钢材料且直径为0.5 mm；将已配置好的3％的PVP 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVP溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到12KV、接收距离为1cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.005ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头收口处进行适当加工使其使出液管下部圆台收口部分与球体接触形成狭缝，珠头为金属不锈钢材料且直径为6.3 mm，已配置好的5％的PVP 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVP溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到12KV、接收距离为7cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.1ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头收口处进行适当加工使其使出液管下部圆台收口部分与球体接触形成狭缝，珠头为金属铜材料且直径为6.3 mm，已配置好的5％的PVP 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVP溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到12KV、接收距离为7cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.1ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头收口处进行适当加工使其使出液管下部圆台收口部分与球体接触形成狭缝，珠头为陶瓷材料且直径为6.3 mm）；将已配置好的5％的PVP 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVP溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到12KV、接收距离为7cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.1ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头收口处进行适当加工使其使出液管下部圆台收口部分与球体接触形成狭缝，珠头为玻璃材料且直径为6.3 mm）；将已配置好的5％的PVP 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVP溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到12KV、接收距离为7cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.1ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头收口处进行适当加工使其使出液管下部圆台收口部分与球体接触形成狭缝，珠头为聚四氟乙烯材料且直径为6.3 mm，将已配置好的6％的PVP 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVP溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到12KV、接收距离为7cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.1ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头部分底端圆台收口处加工成均匀锯齿状，珠头为金属不锈钢材料且直径为10 mm，使珠头与出液管锥体收口部分形成较大间隙。将已配置好的12％的PVA 溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PVA溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到15KV、接收距离为10cm时，形成数十个泰勒锥，电纺效果最好，纺丝速率0.3ml/min。
实施例
实施例的纺丝实验采用本发明珠头喷头静电纺丝装置(参见图1 )，珠头式静电纺丝喷头部分底端圆台收口加工成均匀矩形状，使珠头与出液管锥体收口部分形成较大间隙，珠头为金属不锈钢材料且直径为18mm，将已配置好的12％的PAN溶液加入推进泵装置中，通过进液管将PAN溶液提供至珠头喷丝系统，采用垂直立纺的方式，在高压电源达到18KV、接收距离为20cm时，电纺效果最好，纺丝速率0.5ml/min。

Claims (4)

1.一种珠头喷头静电纺丝装置，包括进液推进装置、珠头喷丝系统、供电系统和接收系统，所述进液推进装置包括纺丝推进计量泵（1）和进液管（2），通过进液管（2）做输送通道将纺丝推进计量泵中的液体准确定量的提供至珠头喷丝系统中，其特征在于：
所述珠头喷丝系统由珠头（7）、支撑弹簧（6）、出液管组成；所述出液管为空心圆柱体结构，由出液管上部（3）和底端带圆台收口结构的出液管下部（5）构成，二者螺纹连接且出液管上部（3）内直径小于出液管下部（5）内直径；出液管上部（3）顶端与进液推进装置密封连接，出液管下部（5）内置支撑弹簧（6），支撑弹簧（6）一端利用出液管上部（3）厚壁与下部衔接突出处固定，另一端顶住珠头（7），珠头（7）直径小于出液管下部（5）直径且大于底端圆台收口处直径，使珠头固定不能下落；出液管下部（5）底端圆台收口处与珠头（7）接触处加工成狭小缝隙用于流体流出；
所述的珠头喷丝系统中出液管下部（5）的底端圆台收口处加工成均匀或非均匀锯齿状、矩形状或圆弧状，使珠头与出液管锥体收口部分形成较大间隙，便于浓度较大的纺丝溶液流出。
2.根据权利要求1所述的珠头喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述珠头（7）直径为0.35mm至18mm之间，珠头喷丝系统的整体尺寸根据珠头（7）大小调整。
3.根据权利要求1所述的珠头喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述珠头（7）直径为0.35-1.5mm时可用于近距离纺丝；珠头（7）直径为5-18mm时可用于远场纺丝且可以形成多个泰勒锥进行纺丝。
4.根据权利要求1所述的珠头喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述珠头（7）材料为金属材料、无机材料或惰性高分子聚合物材料。
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