CN107236997A - 一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，包括以下步骤：（1）通过纺丝液A和纺丝液B在喷丝头上方形成左右两侧并列的复合层纺丝液；（2）在高压静电场作用下形成并列结构泰勒锥；（3）从泰勒锥产生的射流经拉伸固化后，在接收板上形成并列复合结构纳米纤维。静电纺丝方法在静电纺丝装置内进行，静电纺丝装置包括纺丝头基座，纺丝头基座的上方连接有高压静电发生器的条状喷丝头，条状喷丝头的两侧分别为储液池A和储液池B，储液池A的一侧为溶液回收池A，储液池B的一侧为溶液回收池B，条状喷丝头的上方设有接收板。本发明可以提高制备并列复合结构纳米纤维的产量，实现并列复合结构纳米纤维的连续化、规模化制备。

Description

一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法
技术领域
本发明属于静电纺丝领域，具体是涉及一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，特别是涉及一种朝上喷的批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法。
背景技术
通过静电纺丝技术制备的纳米纤维无纺布材料由于其具有超高的比表面积、高孔隙率和优异的机械性能等优良特性，目前已经在生物医学、过滤、催化、能源等众多领域显示出非常重要的应用价值，并列复合结构纳米纤维与传统单一结构的纳米纤维相比在产品性能上可以综合多种材料的优良性能，在研发功能性、多样性、仿生性等方面具有更大的优势，受到了广泛的关注。
传统的并列针头静电纺丝技术是将两个单一的毛细管喷丝口并列配置形成并列静电喷丝头，即由并列配置的两个毛细管相互并排而成。电纺时，将A纺丝溶液和B纺丝溶液分别由两个不同的注射泵进行供液，在高压静电场作用下，能够制备具有功能化的并列复合结构纳米纤维。然而采用该技术时制备并列复合结构纳米纤维的产量较低，且存在喷头易堵塞的问题，无法实现并列复合结构纳米纤维的批量化生产。
目前对于静电纺丝技术批量化制备并列复合结构纳米纤维的研究已经取得了一定的突破，但仍存在着一定的问题。如杨卫民等（专利号：ZL 201510076278.1 ）利用一种内外锥面复合套筒实现了并列结构纳米纤维的批量制备，然而其作为一种朝下喷的纺丝方式，在纺丝过程中无法避免纺丝液滴直接喷向纤维毡，造成成品产生疵点，另外，其制备效率与内外锥面复合套筒的直径有很大的关系，当其直径过大时会造成单位面积制备效率的降低以及设备制造等困难。
因此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的上述技术问题，本发明的目的是提供一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其利用双侧纺丝液面在高压静电场作用下产生不稳定波动的原理，实现并列复合结构纳米纤维的批量生产。该方法避免了传统并列静电纺丝技术在纺丝过程中容易产生的喷头易堵塞的问题，并且避免了纺丝过程中纺丝液滴直接喷向纤维毡、纺丝液面溶剂易挥发、制备效率低下等问题，该纺丝方法及装置能够大幅提高并列复合结构纳米纤维的生产效率。其相应的装置结构简单，操作方便，在纺丝过程中可以消除纺丝液滴直接喷向纤维毡、纺丝液面溶剂挥发、产能受限等问题，实现并列复合结构纳米纤维的高效批量制备。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，包括以下步骤：
（1）通过纺丝液A和纺丝液B在喷丝头上方形成左右两侧并列的复合层纺丝液；
（2）在高压静电场作用下形成并列结构泰勒锥；
（3）从泰勒锥产生的射流经拉伸固化后，在接收板上形成并列复合结构纳米纤维。
所述静电纺丝方法在静电纺丝装置内进行，所述的静电纺丝装置包括纺丝头基座，所述纺丝头基座的上方连接有高压静电发生器的条状喷丝头，所述条状喷丝头的两侧分别为储液池A和储液池B，储液池A和储液池B上均设有纺丝液出口，所述储液池A的一侧为溶液回收池A，储液池B的一侧为溶液回收池B，所述溶液回收池A和溶液回收池B均设有进口处，所述条状喷丝头的上方设有接收板，所述的接收板接地。
作为优选的，纺丝过程中，纺丝液通过储液池A和储液池B各自的狭缝，在条状喷丝头上方汇合，形成两侧分离的复合层纺丝液，剩余的纺丝液A和纺丝液B分别流入两侧的溶液回收池A和溶液回收池B中。
所述条状喷丝头的横截面为三角形、半圆形或者刀锋形，条状喷丝头的纵向为直线型或者曲线型，条状喷丝头的宽度为1-4mm。
所述喷丝头基座的横截面为长方形，喷丝头基座的纵向为与条状喷丝头相对应的直线型或者曲线型，喷丝头基座的宽度为4-8mm。
所述纺丝液出口为宽度1-5mm的狭缝。
所述纺丝液A置于储液池A中，所述储液池A出口处狭缝高于喷丝头上方0-5mm；所述纺丝液B置于储液池B中，所述储液池B出口处狭缝高于喷丝头上方0-5mm。
所述溶液回收池A和溶液回收池B的进口处为宽度5-10mm的狭缝，所述的溶液回收池A和溶液回收池B的进口处狭缝高于各自对应的纺丝液出口的狭缝上方1-5mm；纺丝方向为朝上，所述接收板位于条状喷丝头上方100-500mm。
所述高压静电发生器的高压静电压输出范围为101-100kV。
所述条状喷丝头为金属材料；所述储液池A和储液池B均为绝缘材料；所述溶液回收池A和溶液回收池B均为绝缘材料；所述喷丝头基座为绝缘材料；所述接收板为金属材料。
本发明批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法具有如下有益效果：
1、本发明的静电纺丝方法极大地提高了并列复合结构纳米纤维的生产效率；
2、本发明的静电纺丝装置可以避免传统并列静电纺丝针头结构装置易堵塞的现象，且容易清洗，稳定性好；
3、本发明的静电纺丝装置可以避免其它并列静电纺丝技术中存在的纺丝液滴直接喷向纤维毡、纺丝过程中纺丝液面溶剂易挥发等问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为横截面为三角形、纵向为直线型的条状喷丝头结构示意图；
图3为横截面为三角形、纵向为曲线型的条状喷丝头结构示意图；
图4为横截面为半圆形、纵向为直线型的条状喷丝头结构示意图；
图5为横截面为半圆形、纵向为曲线型的条状喷丝头结构示意图。
其中，1为溶液回收池A、2为溶液回收池B、3为储液池A、4为储液池B、5为条状喷丝头、6为喷丝头基座、7为高压静电发生器、8为接收板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，包括如下步骤：纺丝溶液A选用质量浓度为10%的聚丙烯腈（PAN）溶液，纺丝溶液B采用14%的聚氨酯（PU）溶液，纺丝溶液A和B分别从各自储液池出口处狭缝以一定的流速溢出，并在条状喷丝头5上沿相遇，溢出纺丝溶液流入各自对应的溶液回收池；当条状喷丝头5上沿形成稳定的两侧纺丝液分布时，高压静电发生器7开始施加一定的电压，使条状喷丝头5上沿的两侧复合层纺丝液在高压静电场作用下形成不稳定波动，由纺丝液面上形成的多个并列复合结构泰勒锥产生并列复合结构射流，经拉伸干燥后形成并列复合结构纳米纤维。
如图1-5所示，本发明中的静电纺丝装置包括条状喷丝头5，条状喷丝头5置于喷丝头基座6上方，其横截面为三角形、半圆形或者刀锋形，纵向为直线型或者曲线型，其宽度为1-4mm。喷丝头基座6的横截面为长方形，纵向为与条状喷丝头5相对应的直线型或者曲线型，其宽度为4-8mm。储液池A3和储液池B4分别位于喷丝头基座6的两侧，其纺丝液出口处为宽度1-5mm的狭缝。纺丝液A置于储液池A3中，储液池A3出口处狭缝高于条状喷丝头5上方0-5mm；纺丝液B置于储液池B4中，储液池B4出口处狭缝高于条状喷丝头5上方0-5mm。溶液回收池A和溶液回收池B分别置于喷丝头基座6的两侧，并且分别位于对应储液池A3和储液池B4的外侧，其进口处为宽度5-10mm的狭缝，溶液回收池A1和溶液回收池B2进口处狭缝高于各自对应的储液池A3和储液池B4 狭缝上方1-5mm。纺丝方向为朝上，即接收板8位于条状喷丝头5正上方的100-500mm，条状喷丝头5与高压静电发生器7的正极相连，接收板8接地。
本发明在纺丝过程中纺丝液通过储液池A3和储液池B4各自的狭缝，在条状喷丝头5上方汇合形成两侧分离的复合层纺丝液，剩余的纺丝液A、B分别流入两侧的溶液回收池A1和溶液回收池B2。
其中，并列复合结构纳米纤维中A纤维与B纤维比例可以通过纺丝液A及纺丝液B自各自储液池出口处狭缝的溢出量、溢出速率以及纺丝液粘度、导电率进行调节。高压静电压输出范围为10-100kV。
本发明中的条状喷丝头5为金属材料，喷丝头基座6为绝缘材料，储液池A3和储液池B4为绝缘材料，溶液回收池A1和溶液回收池B2为绝缘材料，接收板8为金属材料。
本发明可以提高制备并列复合结构纳米纤维的产量，实现并列复合结构纳米纤维的连续化、规模化制备。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）通过纺丝液A和纺丝液B在喷丝头上方形成左右两侧并列的复合层纺丝液；
（2）在高压静电场作用下形成并列结构泰勒锥；
（3）从泰勒锥产生的射流经拉伸固化后，在接收板上形成并列复合结构纳米纤维；
所述静电纺丝方法在静电纺丝装置内进行，所述的静电纺丝装置包括纺丝头基座，所述纺丝头基座的上方连接有高压静电发生器的条状喷丝头，所述条状喷丝头的两侧分别为储液池A和储液池B，储液池A和储液池B上均设有纺丝液出口，所述储液池A的一侧为溶液回收池A，储液池B的一侧为溶液回收池B，所述溶液回收池A和溶液回收池B均设有进口处，所述条状喷丝头的上方设有接收板，所述的接收板接地。
2.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：纺丝过程中，纺丝液通过储液池A和储液池B各自的狭缝，在条状喷丝头上方汇合，形成两侧分离的复合层纺丝液，剩余的纺丝液A和纺丝液B分别流入两侧的溶液回收池A和溶液回收池B中。
3.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述条状喷丝头的横截面为三角形、半圆形或者刀锋形，条状喷丝头的纵向为直线型或者曲线型，条状喷丝头的宽度为1-4mm。
4.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述喷丝头基座的横截面为长方形，喷丝头基座的纵向为与条状喷丝头相对应的直线型或者曲线型，喷丝头基座的宽度为4-8mm。
5.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述纺丝液出口为宽度1-5mm的狭缝。
6.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述纺丝液A置于储液池A中，所述储液池A出口处狭缝高于喷丝头上方0-5mm；所述纺丝液B置于储液池B中，所述储液池B出口处狭缝高于喷丝头上方0-5mm。
7.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述溶液回收池A和溶液回收池B的进口处为宽度5-10mm的狭缝，所述的溶液回收池A和溶液回收池B的进口处狭缝高于各自对应的纺丝液出口的狭缝上方1-5mm；纺丝方向为朝上，所述接收板位于条状喷丝头上方100-500mm。
8.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述高压静电发生器的高压静电压输出范围为101-100kV。
9.如权利要求1所述批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于：所述条状喷丝头为金属材料；所述储液池A和储液池B均为绝缘材料；所述溶液回收池A和溶液回收池B均为绝缘材料；所述喷丝头基座为绝缘材料；所述接收板为金属材料。
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