CN108411384B - 一种顺重力圆柱形静电纺丝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种顺重力圆柱形静电纺丝装置及方法。所述装置包括圆柱形喷头，圆柱形喷头内设有带缺口的圆柱形供液装置，圆柱形供液装置通过软管与圆柱形喷头外侧的溶液推进器连接，圆柱形喷头的外壳与高压发生器连接。纺丝方法为：打开溶液推进器，溶液通过软管注入到圆柱形供液装置，当溶液液面漫过圆柱形供液装置的缺口溢出时，使得圆柱形喷头与圆柱形供液装置之间注满纺丝溶液；打开高压发生器，为圆柱形喷头施加正电压，在纺丝面上形成射流，在电场力的作用下，射流向金属滚筒迅速运动，随着溶剂的挥发，最终沉积在金属滚筒表面。本发明通过溢出式供液装置对溶液进行控制，在圆柱面上的缝隙边缘产生电荷积聚，以实现顺重力方向的静电纺丝。

Description

一种顺重力圆柱形静电纺丝装置及方法
技术领域
本发明涉及一种顺重力圆柱形静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝和纺织机械技术领域。
背景技术
静电纺丝是制备纳米纤维材料的最有效方式之一，相比于拉伸法、模板合成法、自组装等纳米材料的制备技术，静电纺丝具有操作简单、制备流程短、材料选择广泛等优点。而与传统纺织纤维材料相比，纳米纤维材料由于极小的尺度，拥有许多在大尺度下难以展现的特性，比如明显的表面与界面效应，特有的小尺寸效应，极大的比表面积和极高的孔隙率等。因此纳米纤维材料拥有更广泛的应用领域，比如在空气过滤，油水分离，医用辅料，组织工程支架等方向，纳米纤维材料都发挥着令整个行业为之瞩目的作用，使其拥有非常光明的应用前景。
传统的静电纺丝装置以单针头或多针头为主，但是该两种装置都存在产量低的缺陷，难以满足产业所需的生产量。近年来，设计改造静电纺丝装置，提高其纳米纤维的产量已经成为静电纺丝技术领域的一大研究热点。在全世界范围内，批量化生产静电纺纳米纤维的装置和方法也井喷式地不断涌现。其中最知名的就是Elmarco公司依托捷克利贝雷茨工科大学开发的Nanospider静电纺丝装置，其最早实现了静电纺纳米纤维的商业化生产。
目前实现批量化生产静电纺丝纳米纤维的设备，其纺丝方向大多是反重力式的自下而上，而在传统的纤维材料领域，纤维的收集方向恰恰相反，因此这一方向的技术缺失，局限了静电纺丝在实际生产中的应用。而限制其方向的重要原因是供液方式，对于批量化生产设备而言，大量的纺丝液需要被供给，而改变其装置的方向则极容易使得溶液外漏，无法连续生产并影响纺丝过程。因此，设计一种既能批量化生产静电纺纳米纤维又能改变其纺丝方向，并保证纺丝过程连续稳定静电纺丝装置是尤为必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前批量化生产静电纺丝纳米纤维的技术，其纺丝方向是较为单一的自下而上，局限了静电纺丝技术更广泛的应用。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：提供一种顺重力圆柱形静电纺丝装置，其特征在于，包括圆柱形喷头，圆柱形喷头内设有带缺口的圆柱形供液装置，圆柱形供液装置通过软管与圆柱形喷头外侧的溶液推进器连接，圆柱形喷头的外壳与高压发生器的正极连接；圆柱形喷头下方设有带变频电机的金属滚筒，其外壳接地。
优选地，所述圆柱形喷头为中空结构的圆柱体，其壁厚为10-20mm，长度为400-600mm，截面直径为200-400mm；圆柱形喷头下方喷口的宽度为1-3mm，喷口两侧的壁厚为0.1-0.5mm，喷口至正常壁厚之间为宽度5mm的倒角。
优选地，所述圆柱形供液装置为中空结构的圆柱体，其长度为300-500mm，截面直径为40-80mm；圆柱形供液装置中部的两侧分别设有一条该圆柱体长度方向上的缺口，该缺口的长度为250-450mm，宽度为5-10mm。
优选地，所述圆柱形喷头的截面与圆柱形供液装置的截面内切。
优选地，所述圆柱形喷头的材质为黄铜，圆柱形供液装置的材质为聚四氟乙烯。
优选地，所述金属滚筒与圆柱形喷头之间的距离为100-300mm。
本发明还提供了一种顺重力圆柱形静电纺丝方法，其特征在于，采用上述顺重力圆柱形静电纺丝装置，包括以下步骤：
步骤1)：打开溶液推进器，溶液通过软管注入到圆柱形供液装置的中空结构内，当溶液液面漫过圆柱形供液装置的缺口溢出时，不断流入圆柱形喷头的中空结构内，使得圆柱形喷头与圆柱形供液装置之间注满纺丝溶液但未滴落；
步骤2)：打开变频电机，使金属滚筒转动；
步骤3)：打开高压发生器，为圆柱形喷头施加正电压，当电压超过临界阈值时，在喷口下方的纺丝面上形成多根射流，在电场力的作用下，射流向金属滚筒迅速运动，随着溶剂的挥发，最终沉积在金属滚筒表面。
优选地，所述步骤3)中高压发生器产生的电压施加在圆柱形喷头的外壳上，电压调节范围在0-100kV。
本发明设计了一种可以自上而下顺重力方向进行静电纺丝的装置和方法，相比于目前的批量化静电纺丝技术，实现了纺丝方向上的突破；该静电纺丝技术采用圆柱形喷头，进行无针式批量化静电纺纳米纤维的制备，既避免了喷头的堵塞，也大大增加了产量；供液装置采用带口圆柱形供液装置，实现了缝隙的一体化供液，减少产生液面孔隙的同时，也避免了溶液因聚集而产生的滴落，使得纺丝过程可以稳定连续地进行；此外，该装置构造简单，便于清洁和操作。所以利用本发明可以实现顺重力方向的批量化静电纺丝过程，突破了批量化制备静电纺纳米纤维生产方向上的局限，拓宽了静电纺丝技术的应用前景。
附图说明
图1为实施例提供的顺重力圆柱形静电纺丝装置的结构示意图；
图2为圆柱形喷头与圆柱形供液装置的示意图；
图3为圆柱形喷头与圆柱形供液装置的剖视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1-3所示，为本实施例提供的顺重力圆柱形静电纺丝装置的结构示意图，其包括包括圆柱形喷头1，圆柱形喷头1内设有带缺口的圆柱形供液装置2，圆柱形供液装置2通过软管7与圆柱形喷头1外侧的溶液推进器8连接，圆柱形喷头1的外壳与高压发生器3的正极连接；圆柱形喷头1下方设有带变频电机6的金属滚筒5，其外壳接地。金属滚筒5与圆柱形喷头1之间的距离为200mm。
圆柱形喷头1为中空结构的圆柱体，其壁厚为10-20mm，长度为400-600mm，截面直径为200-400mm；圆柱形喷头1下方喷口的宽度为1-3mm，喷口两侧的壁厚为0.1-0.5mm，喷口至正常壁厚之间为宽度5mm的倒角。圆柱形供液装置2为中空结构的圆柱体，其长度为300-500mm，截面直径为40-80mm；圆柱形供液装置2中部的两侧分别设有一条该圆柱体长度方向上的缺口，该缺口的长度为250-450mm，宽度为5-10mm。圆柱形喷头1的截面与圆柱形供液装置2的截面内切。圆柱形喷头1的材质为黄铜，圆柱形供液装置2的材质为聚四氟乙烯。
一种顺重力圆柱形静电纺丝方法：
步骤1：溶液选用质量浓度为10％的聚丙烯腈(PAN)的N，N二甲基甲酰胺(DMF)溶液；将配置好的聚合物溶液装入溶液推进器8中，打开溶液推进器8，溶液通过软管7注入到圆柱形供液装置2的中空结构内，当溶液液面漫过圆柱形供液装置的缺口溢出时，不断流入圆柱形喷头1的中空结构内，使得圆柱形喷头1与圆柱形供液装置2之间注满纺丝溶液但未滴落；
步骤2：打开变频电机6，使金属滚筒5转动(转速为60r/min)；
步骤3：打开高压发生器3，缓慢增加电压至50-55kV，为圆柱形喷头1的外壳施加正电压，当电压超过临界阈值时，在喷口下方的纺丝面上形成多根射流4，在电场力的作用下，射流4向金属滚筒5迅速运动，随着溶剂的挥发，最终沉积在金属滚筒5表面。

Claims (5)

1.一种顺重力圆柱形静电纺丝装置，其特征在于，包括圆柱形喷头(1)，圆柱形喷头(1)内设有带缺口的圆柱形供液装置(2)，圆柱形供液装置(2)通过软管(7)与圆柱形喷头(1)外侧的溶液推进器(8)连接，圆柱形喷头(1)的外壳与高压发生器(3)的正极连接；圆柱形喷头(1)下方设有带变频电机(6)的金属滚筒(5)，其外壳接地；所述圆柱形喷头(1)为中空结构的圆柱体，其壁厚为10-20mm，长度为400-600mm，截面直径为200-400mm；圆柱形喷头(1)下方喷口的宽度为1-3mm，喷口两侧的壁厚为0.1-0.5mm，喷口至正常壁厚之间为宽度5mm的倒角；所述圆柱形供液装置(2)为中空结构的圆柱体，其长度为300-500mm，截面直径为40-80mm；圆柱形供液装置(2)中部的两侧分别设有一条该圆柱体长度方向上的缺口，该缺口的长度为250-450mm，宽度为5-10mm；所述圆柱形喷头(1)的截面与圆柱形供液装置(2)的截面内切。
2.如权利要求1所述的顺重力圆柱形静电纺丝装置，其特征在于，所述圆柱形喷头(1)的材质为黄铜，圆柱形供液装置(2)的材质为聚四氟乙烯。
3.如权利要求1所述的顺重力圆柱形静电纺丝装置，其特征在于，所述金属滚筒(5)与圆柱形喷头(1)之间的距离为100-300mm。
4.一种顺重力圆柱形静电纺丝方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的顺重力圆柱形静电纺丝装置，包括以下步骤：
步骤1)：打开溶液推进器(8)，溶液通过软管(7)注入到圆柱形供液装置(2)的中空结构内，当溶液液面漫过圆柱形供液装置的缺口溢出时，不断流入圆柱形喷头(1)的中空结构内，使得圆柱形喷头(1)与圆柱形供液装置(2)之间注满纺丝溶液但未滴落；
步骤2)：打开变频电机(6)，使金属滚筒(5)转动；
步骤3)：打开高压发生器(3)，为圆柱形喷头(1)施加正电压，当电压超过临界阈值时，在喷口下方的纺丝面上形成多根射流(4)，在电场力的作用下，射流(4)向金属滚筒(5)迅速运动，随着溶剂的挥发，最终沉积在金属滚筒(5)表面。
5.如权利要求4所述的顺重力圆柱形静电纺丝方法，其特征在于，所述步骤3)中高压发生器(3)产生的电压施加在圆柱形喷头(1)的外壳上，电压调节范围在0-100kV。
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