CN108193290B - 一种高效纳米纤维纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

一种高效纳米纤维纺丝装置，涉及静电纺丝装置。设有高压直流电源、电机驱动装置、传动装置、转动轴、轴承、溶液槽、箅状板、旋转针芯、收集板和供液装置；所述高压直流电源正极与溶液槽相接，高压直流电源负极与收集板连接并接地，为液面锥尖激发射流提供高压电场；所述收集板位于溶液槽上方，用于沉积固体纳米纤维；所述箅状板上设置微管道阵列，所述旋转针芯安装于微管道内，旋转针芯的针尖伸出微管道；电机驱动装置通过传动装置驱动各转动轴同轴旋转；轴承内圈套在转动轴上，轴承外圈固定在溶液槽底部；转动轴经夹具与旋转针芯相连；所述供液装置通过输液管与溶液槽连接。

Description

一种高效纳米纤维纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝装置，尤其是涉及一种高效纳米纤维纺丝装置。
背景技术
静电纺丝技术通过电液动力学原理可将流体拉伸成微纳米纤维，由于其技术简单，成本低，适用性广等特点，已成为一种制备纳米纤维的主要技术，吸引了相关领域科研工作者和产业界的广泛关注。早期以单针尖为喷头的静电纺丝方法的生产效率仅为0.02g/h左右，难以满足纳米纤维日益增长的市场需求，对于纳米纤维的电纺批量制造技术的研究需要不断提高和创新。
中国专利CN200720076954.6公开一种多针尖批量电纺装置，该装置实际上是对传统单根针尖电纺装置的简单扩展，虽然能有效地提高纤维产量，但溶液在喷头内流阻较大，其针尖易堵塞，射流之间的电场相互干扰，针尖间距大。相比多针尖批量电纺技术，无针尖批量电纺技术不存在针尖堵塞的问题，主要利用外力或场激发作用在自由液面上形成泰勒锥，从而诱导产生纳米纤维。Elmarco公司采用移动的金属线作为纺丝电极，第一个实现了纳米纤维的商业化制造装置。文献(Yarin A L,Zussman E.Upward needlelesselectrospinning of multiple nanofibers[J].Polymer,2004,45(9):2977-2980)报道了一种磁致扰动电纺装置，但由于液面被扰动有一定随机性，使用该装置所得纳米纤维直径分布不均匀，形貌较差；此外该方法需要外加磁场，可能使纤维中引入磁性杂质。另外，Thoppey在文献(Thoppey N M,Bochinski J R,Clarke L I,et al.Edge electrospinningfor high throughput production of quality nanofibers.[J].Nanotechnology,2011,22(34):345301)中报道了利用金属碗形电极边缘效应的电纺方法，该方法可激发较多射流，但电极上溶液膜会随着溶剂的挥发逐渐固化加厚，电极钝化，电荷传递变化使前后所得纤维直径不一致，而且高粘度流体的低流动性也会导致边缘电极无法喷射。
可见，目前大部分电纺方法难以从高粘度溶液进行大规模制造，需要提出一种新的制造方法与装置。
发明内容
本发明的目的在于提供可克服现有批量电纺技术中存在的针尖易堵塞、难以电纺高粘度流体，纤维直径分布不均匀等缺点，采用内含旋转针芯的微管道阵列作为喷射电极的一种高效纳米纤维纺丝装置。
本发明设有高压直流电源、电机驱动装置、传动装置、转动轴、轴承、溶液槽、箅状板、旋转针芯、收集板和供液装置；所述高压直流电源正极与溶液槽相接，高压直流电源负极与收集板连接并接地，为液面锥尖激发射流提供高压电场；所述收集板位于溶液槽上方，用于沉积固体纳米纤维；所述箅状板上设置微管道阵列，所述旋转针芯安装于微管道内，旋转针芯的针尖伸出微管道；电机驱动装置通过传动装置驱动各转动轴同轴旋转；轴承内圈套在转动轴上，轴承外圈固定在溶液槽底部；转动轴经夹具与旋转针芯相连；所述供液装置通过输液管与溶液槽连接。
所述旋转针芯在微管内旋转推进溶液向针尖运动，在溶液表面形成液锥；所述微管道根据实际需要设置多个；旋转针芯安装在阵列微管道内，其旋转速度大于100r/min；所述微管道阵列及其旋转针芯靠近液面，可在溶液内近表面或者溶液上方。
本发明的工作原理如下：
当本发明开始工作时，首先启动电机驱动装置，转动轴开始转动，转动轴通过传动装置带动旋转针芯做同轴旋转；旋转针芯旋转会诱导针芯与喷头管道间的溶液产生韦森堡效应，使溶液沿着旋转针芯轴向针尖输送，使溶液向针尖输送，溶液最终在旋转针芯尖端液面形成锥尖形状，通过调整旋转针芯的转速可以精准调整锥的大小。此时，打开高压电源并设定高压电源的输出值，喷头与收集板之间形成强电场，在静电力的拉伸作用下，喷头末端的溶液发生变形并产生射流喷射，经不稳定性鞭动和溶剂挥发，最终形成纳米纤维沉积在收集板上。由于所述的旋转针芯形成的锥较小，射流之间的相互干扰较小，保证了纤维直径的一致性，所以阵列喷头可以排布比较密集，在收集板上连续沉积大面积纳米纤维。另外，供液装置通过输液管为溶液槽提供溶液，使溶液槽中的溶液液面保持不变，喷头在溶液液面以下，避免了溶液固化堵塞喷头的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的箅状板结构示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例设有电机驱动装置1、转动轴2、传动装置3、塑料密封圈4、供液装置5、箅状板6、溶液槽7、收集板8、旋转针芯9、夹具10、轴承11和高压直流电源12。所述箅状板6上设有阵列微管道，固定在溶液槽7内部，如图2；所述旋转针芯9经夹具10与转动轴2连接，并穿过阵列微管道；所述轴承11内圈套在转动轴上2，外圈用塑料密封圈4固定在溶液槽7底部；所述收集板8与直流高压电源12(额定输出电压100kV)负极电连接并接地，固定安装在溶液槽7的正上方。
在批量制造纳米纤维的过程中，首先打开供液装置5，使溶液槽7中聚氧化乙烯聚合物溶液没过阵列喷头，并在电纺过程中保持液面在喷头以上；然后启动电机驱动装置1，通过传动装置3带动各转动轴2做同轴旋转；由于旋转针芯9与转动轴2通过夹具10连接，旋转针芯9随转动轴在阵列微管道内旋转，对周边的溶液产生向上推力，在针尖形成锥体；此时打开高压直流电源12在阵列喷头与收集板8之间形成高压电场，在高压静电场的作用下，激发各针尖溶液变形形成射流，经拉伸、不稳定鞭动形成纳米纤维沉积在收集板8上。
实际应用时，箅状板上的阵列喷头个数可根据需要设置，由于采用该方法诱发的液锥直径较小，射流之间相互干扰较小，阵列喷头允许排列比较密集。

Claims (3)

1.一种高效纳米纤维纺丝装置，其特征在于设有高压直流电源、电机驱动装置、传动装置、转动轴、轴承、溶液槽、箅状板、旋转针芯、收集板和供液装置；所述高压直流电源正极与溶液槽相接，高压直流电源负极与收集板连接并接地，为液面锥尖激发射流提供高压电场；所述收集板位于溶液槽上方，用于沉积固体纳米纤维；所述箅状板上设置微管道阵列，微管道按照圆周式进行分布，所述旋转针芯安装于微管道内，旋转针芯的针尖伸出微管道；电机驱动装置通过传动装置驱动各转动轴同轴旋转；轴承内圈套在转动轴上，轴承外圈固定在溶液槽底部；转动轴经夹具与旋转针芯相连；所述供液装置通过输液管与溶液槽连接。
2.如权利要求1所述一种高效纳米纤维纺丝装置，其特征在于所述微管道阵列及其旋转针芯靠近液面，在溶液内近表面或者溶液上方。
3.如权利要求1所述一种高效纳米纤维纺丝装置，其特征在于微管道根据实际需要设置多个，是根据空间电场分布均匀性调节不同排布参数。
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