CN108166081A - 一种声驻波辅助静电纺丝装置 - Google Patents

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张有忱
陈晓青
李好义
陈明军
丁玉梅
杨卫民
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Abstract

本发明提出了一种声驻波辅助静电纺丝装置，主要包括气管、供液罐、薄液层、泡沫粒、导电板、支架台、高压静电发生器、气流通道、扬声器、密封罩、收卷装置和电极板，密封罩底面固定一块导电板，导电板上有一层薄溶液和大量泡沫粒，底面右侧放置一个支架台，扬声器放在支架台上，高压静电发生器放在支架台内。纺丝时，利用扬声器发出一定频率的噪音，使泡沫粒呈驻波状跳动。蘸上纺丝溶液后，泡沫粒受电场力和振动力同时作用，降低了泡沫粒表面泰勒锥形成所需的电压，可以通过改变扬声器的频率和音量改变泡沫粒的跳动状态，从而改变射流的数量和质量。本发明一种声驻波辅助静电纺丝装置成本低廉，利用声驻波纺丝，能耗低，是工业化理想的一种装置。

Description

一种声驻波辅助静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种声驻波辅助的静电纺丝装置。
背景技术
纳米纤维具有纤维直径小，孔隙率高，比表面积大等优良特性，在电子、信息、生物、医药、环境、能源等领域具有广阔的应用前景。制备纳米纤维的方法有水热合成法、自组装法、模板法、静电纺丝等。静电纺丝技术是一种能够直接、连续制备纳米纤维的方法。
传统的静电纺丝装置针头易堵塞、清洗困难，且产量较低。近年来，为了提高产量，促进纳米纤维工业化的生产，无针式静电纺丝技术因其具备避免针头易堵塞和电场干扰的优势备受关注。目前，研究者提出了圆盘式、针片辊式、琴弦式等无针静电纺生产纳米纤维的方法。中国专利CN 102660785 A和CN 102660785 A公开了一种气泡式无针静电纺丝装置，但是需要往溶液内部通入大量的气体，需要的电压也较高。专利CN 106521647 A公开了一种针片辊式无针静电纺丝装置，针片之间的距离对电场影响较大。因此，目前需要设计一种简便易操作，纺丝过程安全低耗，可批量化生产纳米纤维的装置。
发明内容
本发明一种声驻波辅助静电纺丝装置，通过调节扬声器频率和音量大小控制密封罩泡沫粒的弹跳形式和弹跳幅度，泡沫粒表面的液层在高压电场的静电力下形成多个泰勒锥，由于蘸上纺丝液的泡沫粒随驻波变化而受不同振动力的作用，降低了纺丝过程所需的电压。可用于批量化制备纳米纤维。
本发明采用的技术方案是：一种声驻波辅助静电纺丝装置，主要包括气管、供液罐、薄液层、泡沫粒、导电板、支架台、高压静电发生器、气流通道、扬声器、密封罩、收卷装置和电极板，密封罩底面固定一块导电板，导电板上有一层薄溶液和大量泡沫粒，底面右侧放置一个支架台，扬声器放在支架台上，高压静电发生器放在支架台内。顶部有一个收卷装置，离泡沫粒表面4-30cm，以实现纤维的有序性收集，电极板在泡沫粒表面5-30cm，在收卷装置上方，有利于调节电场强度。密封罩的两侧壁偏下方接有两条气流通道，倾斜15-60°,方向气流能使泡沫粒翻滚起来。密封罩外侧底部连接一个供液罐，供液罐口接一根气管，维持罐中气压不变，保持供液罐连续均匀地向密封罩内供液。高压静电发生器的正极连接在导电板上，负极接地。
所述扬声器为电磁式扬声器，也可采用晶体式扬声器、电动式扬声器或其他类型的扬声器，扬声器外壳为不导电的材质，频率可调范围为20-2000HZ，频率太小无法形成理想振幅的驻波，频率过大易对环境造成噪声污染。通过调节扬声器的频率可以调节密封罩内驻波形态，从而控制泡沫粒的跳动状态。
所述密封罩支架台为长方体结构，内部中空，壁厚2-5mm，材质采用塑料等不导电材质，支架台的宽度和密封罩宽度保持相同。支架台用于支撑扬声器，内部放置静电发生器。
所述泡沫粒大小均一，直径1-5mm，形状为圆或椭圆，材质为聚苯乙烯，也可为其他密度在2-8kg/m3之间的高聚物材质。泡沫粒密度小，质量轻盈，在声驻波下跳动的幅度大，表面易蘸上薄层溶液。
所述导电板底面为矩形，面积小于密封罩底面，厚度2-5mm，材质为铝或铁片。导电板铺放在密封罩底面，接通高压静电发生器时，可把静电均匀传递给薄层溶液和泡沫粒附着的溶液上，使纺丝溶液带电极化，易于纺丝。
所述气流通道材质为塑料等绝缘材料，直径为5-15mm，倾斜角度15-60°，方向气流能使泡沫粒翻滚起来，泡沫外表面能完全蘸上溶液。
所述供液罐体积0.5-5L，材质为不导电塑料，底部溶液出口管直径5mm，与密封罩底面连接，紧贴导电板上表面。
本发明与现有的技术相比具有如下优点：
(1)纺丝时，利用扬声器发出一定频率的噪音，使泡沫粒呈驻波状跳动。蘸上纺丝溶液后，泡沫粒受电场力和振动力同时作用，降低了泡沫粒表面泰勒锥形成所需的电压，可以通过改变扬声器的频率和音量改变泡沫粒的跳动状态，从而改变射流的数量和质量。
(2)相比于多针式静电纺丝装置，该装置避免了针头易堵塞和电场干扰的现象，便于清洗，可规模化生产纳米纤维。
(3)该装置所用到的设备成本低廉，利用声驻波纺丝，能耗低，是工业化理想的一种装置。
附图说明
图1是本发明一种声驻波辅助静电纺丝装置的示意图。
图中：1-气管，2-供液罐，3-薄层液层，4-泡沫粒，5-导电板，6-支架台，7-高压静电发生器，8-气流通道，9-扬声器，10-密封罩，11-收卷装置，12-电极板。
具体实施方式
本发明一种声驻波辅助静电纺丝装置，装置示意图如图1所示，主要包括气管1、供液罐2、薄液层3、泡沫粒4、导电板5、支架台6、高压静电发生器7、气流通道8、扬声器9、密封罩10、收卷装置11和电极板12。密封罩10底面固定一块导电板5，导电板上有一层薄层溶液3和大量泡沫粒4，底面右侧放置一个支架台6，扬声器9放在支架台6上，高压静电发生器7放在支架台6内。气流通道8接在密封罩10的两侧壁偏下方，倾斜15-60°,方向气流能使泡沫粒翻滚起来。密封罩10顶部有一个收卷装置11，离泡沫粒4表面4-30cm，电极板12在收卷装置10的上方，可调距离1-5cm。密封罩10外侧底部连接一个供液罐2，供液罐2下方出口接一根气管1。
本发明一种声驻波辅助静电纺丝装置，其具体操作步骤为：
配置聚合物溶液放置于供液罐2内作为纺丝原料。在密封罩10外侧接上供液罐2，待密封罩底面铺上一层薄层溶液3。电极板12接地，高压静电发生器7正极接导电板5。纺丝时，打开扬声器9，调节一定频率和音量，使泡沫粒4呈驻波状跳动，待泡沫粒4跳动状态相对稳定时，启动高压静电发生器7，导电板把静电传递到薄层溶液，使溶液带电极化，在电场和声振动力同时作用下，泡沫粒4表面上附着的溶液被拉伸成溶液射流，最后固化成纤，大量沉积在收卷装置11上。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，配置10％的聚乙烯醇(PVA)溶液作为纺丝原料放入供液罐内，密封罩底面铺上一层10mm厚的泡沫粒，启动扬声器，调节频率为100-150HZ，噪声不高于90dB，使驻波个数为3-5个，幅度为15mm。收卷装置放在泡沫粒表面上方15cm处，电极板固定在收卷装置上方3cm处。待密封罩底面铺上一层均匀厚度(5mm)，开启高压静电发生器，施加30kV的电压。往气流通道上接入一定流速的气流。每个泡沫粒上有1-5根溶液射流，纤维直径在50-800nm之间，该设备产量能达100g/h，可高效制备纳米纤维。

Claims (9)

1.一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：主要包括气管、供液罐、薄液层、泡沫粒、导电板、支架台、高压静电发生器、气流通道、扬声器、密封罩、收卷装置和电极板，密封罩底面固定一块导电板，导电板上有一层薄溶液和大量泡沫粒，底面右侧放置一个支架台，扬声器放在支架台上，高压静电发生器放在支架台内；顶部有一个收卷装置，离泡沫粒表面4-30cm，以实现纤维的有序性收集，电极板在收卷装置上方，密封罩外侧底部连接一个供液罐，供液罐口接一根气管，维持罐中气压不变，保持供液罐连续均匀地向密封罩内供液；高压静电发生器的正极连接在导电板上，负极接地。
2.根据权利要求1所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：密封罩的两侧壁偏下方接有两条气流通道，倾斜15-60°,方向气流能使泡沫粒翻滚起来。
3.根据权利要求1所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：所述扬声器为电磁式扬声器、晶体式扬声器或电动式扬声器，扬声器外壳为不导电的材质。
4.根据权利要求3所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：扬声器频率可调范围为20-2000HZ。
5.根据权利要求1所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：所述支架台为长方体结构，内部中空，壁厚2-5mm，材质采用不导电材质，支架台的宽度和密封罩宽度保持相同，支架台用于支撑扬声器，内部放置静电发生器。
6.根据权利要求1所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：所述泡沫粒大小均一，直径1-5mm，形状为圆或椭圆。
7.根据权利要求1所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：所述导电板底面为矩形，面积小于密封罩底面，厚度2-5mm，材质为铝或铁片。
8.根据权利要求2所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：所述气流通道材质为塑料等绝缘材料，直径为5-15mm，倾斜角度15-60°，方向气流能使泡沫粒翻滚起来，泡沫外表面能完全蘸上溶液。
9.根据权利要求1所述的一种声驻波辅助静电纺丝装置，其特征在于：所述供液罐体积0.5-5L，材质为不导电塑料，底部溶液出口管直径5mm，与密封罩底面连接，紧贴导电板上表面。
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