CN107366029A - 一种批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括存储有纺丝溶液的储液槽，储液槽上设有纺丝系统，纺丝系统的上方设有接收装置，且纺丝系统连接有喷头转动系统和高压静电发生器；纺丝系统包括安装在储液槽上的中心轴，中心轴上设有喷头，喷头和中心轴之间设有调节套，且中心轴的两端均伸出储液槽后分别与喷头转动系统和高压静电发生器连接。本发明制备纳米纤维生产效率高，可控性好，可以避免纺丝液在纺丝过程中易挥发以及传统喷头易堵塞等问题，可以实现静电纺丝制备纳米纤维的批量化生产。

Description

一种批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，尤其是一种可批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，属于静电纺丝的技术领域。
背景技术
近年来，由于静电纺丝技术操作方便，原料来源广泛，可在室温下纺丝，且静电纺丝纳米纤维细度小，孔隙率高，比表面积大，应用范围十分广泛。同时，由于纳米纤维的直径小，尺寸效应十分显著，在光、热、电、磁等方面显示出很多新奇的特性，在生物医用、纺织服装、过滤、生物医用等领域具有广泛的应用价值。因此静电纺丝制备纳米纤维受到了越来越多研究者的关注。静电纺丝是使聚合物溶液或熔体带上高压静电，带电液滴在电场力作用下在Taylor锥顶被加速，当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。
静电纺丝技术是目前一种制备纳米纤维简单而有效的方法，得到了学术界和产业界的广泛关注。但是，传统的静电纺丝技术采用单针头作为喷丝头，在静电纺丝的过程中，单针头经常会出现堵塞的现象，严重影响了静电纺丝的连续进行，也为后面的清洗工作带来一定的难度。另外，单针头静电纺丝的生产效率很低（0.01-0.1g/h），仅供实验室使用，无法满足复合材料、防护服、过滤薄膜等的应用要求。综上所述，传统针头式静电纺丝装置的缺点已严重制约了静电纺丝技术的产业化推广，这个问题受到了越来越多的关注。实现静电纺纳米纤维的批量化生产已经成为纳米纤维产业化进程中的关键性问题。
发明内容
本发明的目的是针对目前传统静电纺丝装置效率低下、喷丝头易堵塞、难清洗、无法用于产业化等问题，提供一种可以批量化生产纳米纤维的静电纺丝装置，利用该装置可以实现纳米纤维的批量化生产，以满足市场对纳米纤维毡的需求。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括存储有纺丝溶液的储液槽，所述储液槽上设有纺丝系统，所述纺丝系统的上方设有接收装置，且纺丝系统连接有喷头转动系统和高压静电发生器；所述的纺丝系统包括安装在储液槽上的中心轴，所述中心轴上设有喷头，所述喷头和中心轴之间设有调节套，且中心轴的两端均伸出储液槽后分别与喷头转动系统和高压静电发生器连接。
所述的喷头由若干组曲线状金属丝组成，所述的曲线状金属丝直径为0.5-8mm。
所述曲线状金属丝为不同曲率的曲线形状，通过所述调节套之间的距离进行调整，并以中心轴为轴呈轴对称分布，相邻两个曲线状金属丝以间隔15°、30°、45°、60°、90°、120°或180°分布，并穿过调节套上所分布的圆孔。
所述的曲线状金属丝为反向半圆形或正弦曲线形。
所述储液槽由储液池和盖板组成，所述储液池内存储纺丝溶液，所述盖板由盖板A和盖板B组成，所述盖板A和盖板B呈对称状向中间倾斜，倾斜角与水平线呈10°-20°，在盖板A和盖板B两部分汇合处为直线狭缝和曲状狭缝，所述直线狭缝的宽度为4-8mm，所述曲状狭缝的宽度大于曲线状金属丝直径4-6mm。
所述的喷头转动系统为电机。
所述的曲线状金属丝喷头为铜质材料；所述的调节套为绝缘材料；所述的储液槽为绝缘材料；所述中心轴与喷头转动系统连接部分为绝缘材料，所述中心轴与高压发生器连接部分为金属材料；所述的接收板为金属材料。
所述曲线状金属丝喷头与所述高压静电发生器正极相连；所述接收板接地。
本发明批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明通过曲线状金属丝表面的纺丝溶液由于Rayleigh-Plateau不稳定现象形成连续的小液滴，在高压静电场作用下产生大量射流，避免了传统喷丝头易堵塞、难清洗、效率低下等缺陷，并且避免了大多数无针式静电纺丝技术中纺丝溶液易挥发的缺点，该装置操作简便，可操作性强，生产效率高，可实现纳米纤维的批量化生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中的储液槽的结构示意图；
图3为本发明中的调节套的结构示意图；
其中，1为喷头转动系统、2为调节套、3为金属丝喷头、4为储液槽、41为盖板A、42为盖板B、5为高压静电发生器、6为接收板、7为中心轴。
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。
如图1-3所示，本发明批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括存储有纺丝溶液的储液槽4，储液槽4上设有纺丝系统，纺丝系统的上方设有接收板6，接收板6接地，且纺丝系统连接有喷头转动系统1和高压静电发生器5，曲线状金属丝喷头3与高压静电发生器5正极相连，喷头转动系统1为电机。
纺丝系统包括安装在储液槽4上的中心轴7，中心轴7上设有喷头3，喷头3由若干组曲线状金属丝组成，曲线状金属丝直径为0.5-8mm。喷头3和中心轴7之间设有调节套2，调节套2通过相互间的距离调节曲线状金属丝喷头3的曲率。且中心轴7的两端均伸出储液槽4后分别与喷头转动系统1和高压静电发生器5连接。
本发明中的曲线状金属丝为反向半圆形或正弦曲线形等不同曲率的曲线形状，通过调节套2之间的距离进行调整，并以中心轴7为轴呈轴对称分布，相邻两个曲线状金属丝以间隔15°、30°、45°、60°、90°、120°或180°分布，并穿过调节套2上所分布的圆孔。
进一步设置的，本发明中的储液槽4由储液池和盖板组成，储液池内存储纺丝溶液，盖板由盖板A41和盖板B42组成，盖板A41和盖板B42呈对称状向中间倾斜，倾斜角与水平线呈10°-20°，在盖板A41和盖板B42两部分汇合处为直线狭缝和曲状狭缝，直线狭缝的宽度为4-8mm，曲状狭缝的宽度大于曲线状金属丝直径4-6mm。
本发明中的曲线状金属丝喷头3为铜质材料；调节套2为绝缘材料；储液槽4为绝缘材料，中心轴7与喷头转动系统1连接部分为绝缘材料，中心轴7与高压发生器5连接部分为金属材料；接收板6为金属材料。
使用时，首先将配置好的纺丝溶液加入至储液槽4中，如质量浓度为10%的聚丙烯腈（PAN）溶液，储液池中的纺丝液量以不超过盖板下沿为上限，然后盖上盖板；开启喷头转动系统1的电机，使曲线状金属丝喷头3开始转动，直至曲线状金属丝喷头3上覆盖有均匀的纺丝溶液，电机转速以不加电压时曲线状金属丝喷头3表面纺丝溶液不被甩出为上限，以曲线状金属丝喷头3表面无溶液为下限；然后打开高压静电发生器5施加电压，直至曲线状金属丝喷头3表面产生大量纺丝射流，射流经拉伸干燥后形成纳米纤维沉积在接收板6上。
本发明制备纳米纤维生产效率高，可控性好，可以避免纺丝液在纺丝过程中易挥发以及传统喷头易堵塞等问题，可以实现静电纺丝制备纳米纤维的批量化生产。
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 (8)

1.一种批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：包括存储有纺丝溶液的储液槽，所述储液槽上设有纺丝系统，所述纺丝系统的上方设有接收装置，且纺丝系统连接有喷头转动系统和高压静电发生器；所述的纺丝系统包括安装在储液槽上的中心轴，所述中心轴上设有喷头，所述喷头和中心轴之间设有调节套，且中心轴的两端均伸出储液槽后分别与喷头转动系统和高压静电发生器连接。
2.如权利要求1所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述的喷头由若干组曲线状金属丝组成，所述的曲线状金属丝直径为0.5-8mm。
3.如权利要求2所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述曲线状金属丝为不同曲率的曲线形状，通过所述调节套之间的距离进行调整，并以中心轴为轴呈轴对称分布，相邻两个曲线状金属丝以间隔15°、30°、45°、60°、90°、120°或180°分布，并穿过调节套上所分布的圆孔。
4.如权利要求3所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述的曲线状金属丝为反向半圆形或正弦曲线形。
5.如权利要求2所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述储液槽由储液池和盖板组成，所述储液池内存储纺丝溶液，所述盖板由盖板A和盖板B组成，所述盖板A和盖板B呈对称状向中间倾斜，倾斜角与水平线呈10°-20°，在盖板A和盖板B两部分汇合处为直线狭缝和曲状狭缝，所述直线狭缝的宽度为4-8mm，所述曲状狭缝的宽度大于曲线状金属丝直径4-6mm。
6.如权利要求1所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述的喷头转动系统为电机。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述的曲线状金属丝喷头为铜质材料；所述的调节套为绝缘材料；所述的储液槽为绝缘材料；所述中心轴与喷头转动系统连接部分为绝缘材料，所述中心轴与高压发生器连接部分为金属材料；所述的接收板为金属材料。
8.如权利要求1所述批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述曲线状金属丝喷头与所述高压静电发生器正极相连；所述接收板接地。
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