CN107299402A - 离心膜纺丝装置及微纳米材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心膜纺丝装置，将聚合物溶液制备成微纳米材料，包括至少一个纺丝盘、驱动所述纺丝盘转动的动力装置、将聚合物溶液输送至纺丝盘上的供液装置及包围在所述纺丝盘外围的接收装置，每个所述纺丝盘的厚度为沿所述纺丝盘的高度方向上由所述纺丝盘中心轴向边缘逐级递减的梯形分布，每个递减级数相同。纺丝盘采用梯形盘形式，使溶液形成稳定压降以此形成一层均匀的液膜；转轴带动纺丝盘转动，产生的高速离心力使膜更薄，并且提供纺丝的初始加速度；在纺丝盘边缘上设置微针有利于将液膜转化为液柱，从而形成稳定的微纳米材料；环绕纺丝盘的接收装置则最大化的收集所制备的微纳米材料，实现微纳米材料批量而又稳定的生产。

Description

离心膜纺丝装置及微纳米材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种离心膜纺丝装置及微纳米材料制备方法，属于微纳米材料制备装置领域。

背景技术

微纳米材料具有尺寸微小、表面积大、理化性能优异等一系列优点，因而在环境卫生、能源安全、生物医学等领域具有广阔的应用背景。目前，制备微纳米材料的方法多种多样，包括单针头静电纺丝技术、多针头静电纺丝技术、气泡静电纺丝技术、气流气泡纺丝技术等，这些技术在一定规模上都实现了生产微纳米材料。

然而，对于大规模、批量化生产，上述的技术方案还存在一些局限性。静电纺丝技术由于需要较高的静电，给生产操作带来诸多潜在的危险，不方便实时的对生产过程进行控制，而气流气泡纺丝技术虽然不存在静电的危害，但是由于存在高压气流，导致制备的微纳米纤维不易被接收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离心膜纺丝装置，其通过使用梯形的纺丝盘，使溶液从纺丝盘中心向外流动形成稳定的压降从而在梯形盘上形成均匀的液膜，实现稳定生产。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种离心膜纺丝装置，将聚合物溶液制备成微纳米材料，包括至少一个纺丝盘、驱动所述纺丝盘转动的动力装置、将聚合物溶液输送至纺丝盘上的供液装置及包围在所述纺丝盘外围的接收装置，每个所述纺丝盘的厚度为沿所述纺丝盘的高度方向上由所述纺丝盘中心轴向边缘逐级递减的梯形分布。

进一步的，每个所述纺丝盘的递减级数范围为大于0且小于1m，且每个递减级数相同。

进一步的，每个所述纺丝盘的边缘上设置有微针。

进一步的，每个所述纺丝盘上设置的所述微针的数量为多个，所述微针等间距设置在每个所述纺丝盘的外侧边上。

进一步的，每个纺丝盘上的相邻两根所述微针之间的距离范围为大于0且小于15cm，所述微针的长度范围为大于0且小于1m。

进一步的，所述微针的材料为金属或非金属。

进一步的，所述供液装置包括供液槽和与供液槽连接的供液管，每个所述纺丝盘套设在所述供液管上，所述纺丝盘与所述供液管之间有衔接部，所述供液管具有与所述供液槽连通的中空腔，所述供液管上设置有贯穿所述中空腔的开口，所述开口位于所述衔接部或位于所述衔接部的上侧。

进一步的，所述衔接部为导液板，所述导液板为锥形，所述导液板的内部具有中空部，所述中空部的一侧端口与供液管的开口连接，另一侧的端口位于所述纺丝盘上。

进一步的，所述接收装置包括包围在所述纺丝盘外围的接收网及与接收网连接的滚筒。

进一步的，所述接收网为网状结构，所述接收网的材质可为金属网或非金属网，网孔形状为圆形或多边形。

本发明还提供了一种微纳米材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1：启动所述动力装置，确定所述纺丝盘转动；所述供液装置将聚合物溶液输送至所述纺丝盘；

S2：聚合物溶液流入至所述纺丝盘，在高速的离心力的作用下，聚合物溶液顺着所述纺丝盘的中心逐渐流向边缘，在所述纺丝盘上形成均匀的溶液薄膜；

S3：所述纺丝盘继续转动，位于所述纺丝盘边缘的溶液薄膜在临界离心力的作用下被甩至所述接收装置上以形成微纳米材料。

本发明的有益效果在于：纺丝盘采用梯形盘形式，使溶液从纺丝盘中心向外流动形成稳定压降以此形成一层均匀的液膜；转轴带动纺丝盘转动，产生的高速离心力使膜更薄，并且提供纺丝的初始加速度。

本发明的离心膜纺丝装置通过在纺丝盘边缘上设置微针有利于将液膜转化为液柱，从而形成稳定的微纳米材料。

环绕纺丝盘的接收装置则最大化的收集所制备的微纳米材料，实现微纳米材料批量而又稳定的生产。

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为本发明一实施例所示的离心膜纺丝装置的结构示意图。

图2为图1中纺丝盘的结构示意图。

图3为图1中供液管的结构示意图。

图4为图1中接收装置的结构示意图。

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。

请参见图1及图2，本发明一较佳实施例的离心膜纺丝装置包括至少一个纺丝盘4、驱动所述纺丝盘4转动的动力装置1、将聚合物溶液输送至纺丝盘4上的供液装置7及包围在纺丝盘外围的接收装置5。沿纺丝盘4的高度方向上每个纺丝盘4的厚度为由纺丝盘4中心轴向边缘逐级递减的梯形分布，即纺丝盘4为梯形盘42，每个纺丝盘4的递减级数范围为大于0且小于1m，使溶液从纺丝盘中心向外流动形成稳定压降以此形成一层均匀的液膜，且每个递减级数相同，有利于溶液分层流动，从而使制备的微纳米材料均匀性提高。

每个纺丝盘4的外侧边上设置有微针41，每个纺丝盘4上设置的微针41的数量为多个，微针41等间距设置在每个纺丝盘4的外侧边上，有效避免纺丝盘4边缘溶液堆积或液膜不均匀以及微针之间的相互干扰。相邻两根微针41之间的距离范围为大于0且小于15cm，保证微针上的液膜转化为独立完整的液柱，长度范围为大于0且小于1m，在此长度范围内液膜能够形成一定的液柱，微针41的材料为金属或非金属。所述动力装置1为电动机1。电动机1与纺丝盘4之间通过传动部件连接，传动部件为轴承2与转轴3，供液装置7的下边缘与转轴3焊接。

请结合图3，供液装置7包括供液槽6、设置在供液槽6下方的排液管71与供液槽6连接的供液管7。供液槽6上方设有排液阀(未标号)，每个纺丝盘4套设在供液管7上，纺丝盘4与供液管7之间有衔接部72(即为导液板72)，供液管7具有与供液槽6连通的中空腔(未图示)，保证内部供液系统为密闭结构。供液管7上设置有贯穿中空腔的开口(未图示)，开口位于导液板72或位于导液板72的上侧。导液板72为锥形，导液板72的内部具有中空部(未图示)，中空部的一侧端口与供液管7的开口连接，另一侧的端口位于纺丝盘4上，导液板72与供液管7的轴线所成的锐角范围为10-80°。导液板72的下边缘与纺丝盘4中心处于同一水平面上，有利于导液板72随转轴3转动时溶液顺利落在纺丝盘4上。

请结合图4，接收装置5包括包围在纺丝盘4外围的接收网51及与接收网51连接的滚筒52。接收网51为网状结构，接收网51的材质可为金属网或非金属网，网孔形状为圆形或多边形。接收装置5环绕纺丝盘一周，有效的增大接收面积，并且滚轴52带动接收网51转动，使得接收的微纳米材料更加均匀。

本发明装置的工作原理如下：

将聚合物溶液注入供液槽6中，启动电动机1，电动机1驱动轴承2带动安装在转轴3上的纺丝盘4和供液管7匀速旋转，此时，将接收装置5调节至需要的接收距离处，再打开设置在供液槽6上方的排液阀，使聚合物溶液通过供液槽6的排液管71向供液管7中输送溶液，进入供液管7中的溶液顺着导液板72缓慢流入至纺丝盘4的中心位置，随后溶液在高速的离心力的作用下，顺着纺丝盘4的中心逐渐流向边缘，纺丝盘4上形成均匀的溶液薄膜，并且溶液在向纺丝盘4边缘移动的速度越来越快，最终到达设置在纺丝盘4边缘上的微针41中形成细微的液柱；每条液柱相当于一个泰勒锥，这些液柱在临界离心力的作用下被甩出拉伸，形成并产生大量的微纳米纤维，这些纤维最终被收集在接收装置5上。整个过程中，接收装置5的滚筒52转动以此带动接收网51最大化的接收被甩出拉伸的微纳米材料，从而一定程度上实现连续化、批量化生产微纳米材料，且收集的微纳米材料很稳定。

本发明还提供了一种利用本发明装置制备微纳米材料的制备方法，在本实施例中，具体步骤如下：

S1：启动动力装置1，确定纺丝盘4转动；供液装置7将聚合物溶液输送至纺丝盘4；

S2：聚合物溶液流入至纺丝盘4，在高速的离心力的作用下，聚合物溶液顺着纺丝盘4的中心逐渐流向边缘在纺丝盘4上形成均匀的溶液薄膜；纺丝盘4的边缘上设置有微针41，溶液薄膜经过微针41形成微细的液柱；

S3：纺丝盘4继续转动，这些微细的液柱在临界离心力的作用下被甩至接收装置5上以形成微纳米材料。

综上所述：上述离心膜纺丝装置的纺丝盘4采用梯形盘形式，使溶液从纺丝盘中心向外流动形成稳定压降以此形成一层均匀的液膜；转轴3带动纺丝盘4转动，产生的高速离心力使膜更薄，并且提供纺丝的初始加速度；在纺丝盘4边缘上设置微针41有利于将液膜转化为液柱，从而形成稳定的微纳米材料；环绕纺丝盘4的接收装置5则最大化的收集所制备的微纳米材料，实现微纳米材料批量而又稳定的生产。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种离心膜纺丝装置，将聚合物溶液制备成微纳米材料，其特征在于：包括至少一个纺丝盘、驱动所述纺丝盘转动的动力装置、将聚合物溶液输送至纺丝盘上的供液装置及包围在所述纺丝盘外围的接收装置，每个所述纺丝盘的厚度为沿所述纺丝盘的高度方向上由所述纺丝盘中心轴向边缘逐级递减的梯形分布。

2.如权利要求1所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：每个所述纺丝盘的递减级数范围为大于0且小于1m，且每个递减级数相同。

3.如权利要求1所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：每个所述纺丝盘的边缘上设置有微针。

4.如权利要求3所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：每个所述纺丝盘上设置的所述微针的数量为多个，所述微针等间距设置在每个所述纺丝盘的外侧边上。

5.如权利要求4所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：每个纺丝盘上的相邻两根所述微针之间的距离范围为大于0且小于15cm，所述微针的长度范围为大于0且小于1m。

6.如权利要求1所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：所述供液装置包括供液槽和与供液槽连接的供液管，每个所述纺丝盘套设在所述供液管上，所述纺丝盘与所述供液管之间有衔接部，所述供液管具有与所述供液槽连通的中空腔，所述供液管上设置有贯穿所述中空腔的开口，所述开口位于所述衔接部或位于所述衔接部的上侧。

7.如权利要求6所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：所述衔接部为导液板，所述导液板为锥形，所述导液板的内部具有中空部，所述中空部的一侧端口与供液管的开口连接，另一侧的端口位于所述纺丝盘上。

8.如权利要求1所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：所述接收装置包括包围在所述纺丝盘外围的接收网及与接收网连接的滚筒。

9.如权利要求8所述的制备微纳米材料的离心膜纺丝装置，其特征在于：所述接收网为网状结构，所述接收网的材质可为金属网或非金属网，网孔形状为圆形或多边形。

10.一种微纳米材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法采用如权利要求1至9项中任意一项所述的离心膜纺丝装置所述制备方法包括如下步骤：

S1：启动所述动力装置，确定所述纺丝盘转动；所述供液装置将聚合物溶液输送至所述纺丝盘；

S2：聚合物溶液流入至所述纺丝盘，在高速的离心力的作用下，聚合物溶液顺着所述纺丝盘的中心逐渐流向边缘，在所述纺丝盘上形成均匀的溶液薄膜；

S3：所述纺丝盘继续转动，位于所述纺丝盘边缘的溶液薄膜在临界离心力的作用下被甩至所述接收装置上以形成微纳米材料。