CN108588860A - 一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，包括纳米纤维收集传送部件和热风去溶剂部件，所述的纳米纤维收集部件包括纳米纤维传送带，用于带动纳米纤维传送带转动的传送带主动轮，和用于调控不同时刻的纳米纤维纺丝和沉积状态的纺丝控制轮，所述的热风去溶剂部件设于纳米纤维传送带的一侧。本发明采用纺丝控制轮调控不同时刻的纳米纤维纺丝和沉积状态，可以连续调控纳米纤维集合体的堆砌结构。该技术在不更换纺丝液不调节纺丝电压的情况下可以制备多种直径分布可控复杂结构纳米纤维集合体，该技术可以收集得到可控复杂堆砌结构集束纤维束以制备可控复杂结构纳米纤维纱线。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维和纺织机械技术领域，特别涉及一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置及其使用方法。
背景技术
当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列惊奇的特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工材料范围、加工耗时等，静电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维的方法。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维成为工程材料科学界的研究热点。
传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微量注射泵控制，高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地。高压电源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥，当高压电源电压进一步增大，电场力会克服高聚物溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达接地金属收集板，在这个过程中，溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。
传统的静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低，很难满足纳米纤维在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。发明人公开了一系列批量化静电纺丝装置，包括ZL 201710684508.1一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201710044752.1一种螺旋沟槽形静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201710044800.7一种环状旋转刷式静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201710046822.7一种球形旋转刷式批量化静电纺丝装置及其使用方法，ZL2016 10629977.9，一种直线形槽状无针式静电纺丝装置及纺丝方法，ZL 2016 10296863.7一种双圆环状狭缝式静电纺丝装置及方法，ZL 2015 10831359.8一种锯齿形环状无针式静电纺丝装置及其使用方法等，这些专利都是基于批量纳米纤维集合体的制备。随着静电纺丝纳米纤维批量技术的不断开发，对于末端纳米纤维收集的要求则不断提高。
当前静电纺丝纳米纤维收集装置国内外有一些报道。中国专利ZL201420224604.X公开了一种利用平行碟收集定向程度高的纳米纤维装置，可以实现传统单针式喷头的静电纺丝纤维取向控制收集；中国专利ZL 201220468691.4公开了一种用于制备静电纺丝管的收集器，将套有柔性网状管的金属棒作为静电纺丝收集装置，金属棒旋转时，柔性网状管随之旋转，静电纺丝管将直接被收集到柔性网状管上。脱模时，将收集有静电纺丝管的柔性网状管从金属棒上取下，握持住柔性网状管的两端并拉伸，良好的纵向弹性使其管径变细，而与柔性网状管相比纵向弹性较差的静电纺丝管就可以轻松的与柔性网状管脱离；中国专利ZL201520894585.6公开了一种米字型的平板收集装置以更好附着纳米纤维，收集不易逸散的较厚纳米纤维膜；中国专利ZL 201610844029.7公开了一种一对平行圆锥头收集纳米纤维的装置，该装置可以收集到取向度梯度分布的纳米纤维支架；中国专利ZL 201620064830.5公开了一种可往复运动的滚筒收集装置以提高纤维层厚度的均匀性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置及其使用方法，解决目前批量静电纺丝过程中纳米纤维集合体的堆砌结构无法连续调控的问题，实现复杂结构的纳米纤维集合体的一步法批量化制备。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，包括纳米纤维收集传送部件和热风去溶剂部件，所述的纳米纤维收集部件包括纳米纤维传送带，用于带动纳米纤维传送带转动的传送带主动轮，和用于调控不同时刻的纳米纤维纺丝和沉积状态的纺丝控制轮，所述的热风去溶剂部件设于纳米纤维传送带的一侧。
优选地，所述的纳米纤维传送带设于传送带主动轮和纺丝控制轮上。
优选地，所述的热风去溶剂部件和批量静电纺丝喷头设于纳米纤维传送带的同一侧。
优选地，所述的传送带主动轮转动过程中和传送带不打滑，传送带运动速度只由传送带主动轮控制。
优选地，所述的纺丝控制轮转动过程中和传送带良好滑动。
优选地，所述的纳米纤维传送带材质导电性能佳。
优选地，所述的纳米纤维传送带幅宽为30cm-200cm。
优选地，所述的传送带主动轮为正圆形，直径为40cm-80cm。
优选地，所述的传送带主动轮通过动力输入轴与电机相连，电机转速为0-200r/min。
优选地，所述的纺丝控制轮接收批量静电纺丝喷头制备的纳米纤维，材质为不锈钢。
优选地，所述的纺丝控制轮的截面为长轴长30cm-100cm，长轴短轴长度比1-5的椭圆形，或长轴长30cm-100cm，长轴短轴长度比1-5的半椭圆形与以短轴长度为直径的半圆形构成的不规则形状。
优选地，所述的纺丝控制轮的长短轴焦点为驱动中心，通过动力输入轴与驱动电机相连，电机转速为0-160r/min。
更优选地，所述的纺丝控制轮的驱动电机由电气控制器控制，可无级变速，顺时针逆时针旋转。
优选地，所述的纺丝控制轮的动力输入轴材质为不锈钢，接地。
优选地，所述的热风去溶剂部件为多组热风鼓风机，热风温度为室温-80摄氏度，鼓风速度为0-60cm/s。
本发明还提供了采用上述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置进行纳米纤维收集的方法，其特征在于，包括：将纺丝控制轮的动力输入轴接地，调整纺丝控制轮轴心和批量静电纺丝喷头的距离；打开传送带主动轮的驱动电机，并设置转速；打开纺丝控制轮驱动电机，并设置转速程序；打开热风去溶剂部件，并设置鼓风温度及风速；向批量静电纺丝喷头供给纺丝液；将高压发生器正极与喷头相连；打开高压发生器开关，增加电压至所需纺丝电压；不同时刻的纺丝控制轮激发不同状态的静电纺丝过程；相应时刻的射流在高压静电场作用下飞向传送带，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在纳米纤维传送带上形成特定堆砌结构的纳米纤维集合体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明涉及一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置及其使用方法。本发明的有益效果在于采用纺丝控制轮调控不同时刻的纳米纤维纺丝和沉积状态，可以连续调控纳米纤维集合体的堆砌结构。该技术在不更换纺丝液不调节纺丝电压的情况下可以制备多种直径分布可控复杂结构纳米纤维集合体，该技术简单易行易于批量制备可控复杂结构纳米纤维膜，且可以收集得到可控复杂堆砌结构集束纤维束以制备可控复杂结构纳米纤维纱线，该技术在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。
附图说明
图1为调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例中所用的聚丙烯腈(PAN)的分子量为(86000)。
实施例1
如图1所示，本发明的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，包括纳米纤维收集传送部件和热风去溶剂部件16，所述的纳米纤维收集部件包括纳米纤维传送带9，用于带动纳米纤维传送带9转动的传送带主动轮11，和用于调控不同时刻的纳米纤维纺丝和沉积状态的纺丝控制轮8，所述的纳米纤维传送带9设于传送带主动轮11和纺丝控制轮8上。所述的纺丝控制轮8接收批量静电纺丝喷头16制备的纳米纤维，材质为不锈钢。
所述的传送带主动轮11转动过程中和纳米纤维传送带9不打滑，纳米纤维传送带9运动速度只由传送带主动轮11控制。所述的纺丝控制轮8转动过程中和纳米纤维传送带9良好滑动。所述的纳米纤维传送带9材质导电性能佳。所述的纳米纤维传送带9幅宽为30cm-200cm。所述的传送带主动轮11为正圆形，直径为40cm-80cm。所述的传送带主动轮11通过第一动力输入轴12与第一电机13相连，第一电机13的转速为0-200r/min。所述的纺丝控制轮8的截面为长轴长30cm-100cm，长轴短轴长度比1-5的半椭圆形与以短轴长度为直径的半圆形构成的不规则形状。纺丝控制轮8的长短轴焦点为驱动中心，通过第二动力输入轴6与驱动电机5相连，驱动电机5转速为0-160r/min。所述的驱动电机5由电气控制器控制，可无级变速，顺时针逆时针旋转。
所述的热风去溶剂部件16为多组热风鼓风机，热风温度为室温-80摄氏度，鼓风速度为0-60cm/s。所述的热风去溶剂部件16设于纳米纤维传送带9的一侧。所述的热风去溶剂部件16和批量静电纺丝喷头设于纳米纤维传送带9的同一侧。所述的纺丝控制轮8的动力输入轴材质为不锈钢，接地。
采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备特定堆砌结构的纳米纤维集合体。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％。采用上述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置进行纳米纤维收集的方法为：将纺丝控制轮8的第二动力输入轴6接地7，调整纺丝控制轮8轴心和批量静电纺丝喷头3的距离为25cm；打开传送带主动轮11的驱动电机13，并设置转速为20r/min；打开纺丝控制轮8的驱动电机5，并设置转速程序；打开热风去溶剂部件16，并设置鼓风温度为40℃，常温风速为10cm/s；向批量静电纺丝喷头3供给纺丝液1；将高压发生器2正极与批量静电纺丝喷头3相连；打开高压发生器2开关，缓慢增加电压至60KV；不同时刻的纺丝控制轮激发不同状态的静电纺丝过程；相应时刻的射流4在高压静电场作用下飞向纳米纤维传送带9，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在纳米纤维传送带9上形成特定堆砌结构的纳米纤维集合体14。
实施例2
采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备特定堆砌结构的纳米纤维集合体。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％。
采用实施例1所述的的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置进行纳米纤维收集的方法为：将纺丝控制轮8的第二动力输入轴6接地7，调整纺丝控制轮8轴心和批量静电纺丝喷头3的距离为30cm；打开传送带主动轮11的驱动电机13，并设置转速为40r/min；打开纺丝控制轮8的驱动电机5，并设置转速程序；打开热风去溶剂部件16，并设置鼓风温度为40℃，常温风速为10cm/s；向批量静电纺丝喷头3供给纺丝液1；将高压发生器2正极与批量静电纺丝喷头3相连；打开高压发生器2开关，缓慢增加电压至70KV；不同时刻的纺丝控制轮激发不同状态的静电纺丝过程；相应时刻的射流4在高压静电场作用下飞向纳米纤维传送带9，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在纳米纤维传送带9上形成特定堆砌结构的纳米纤维集合体14。
Claims (10)
1.一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，包括纳米纤维收集传送部件和热风去溶剂部件，所述的纳米纤维收集部件包括纳米纤维传送带，用于带动纳米纤维传送带转动的传送带主动轮，和用于调控不同时刻的纳米纤维纺丝和沉积状态的纺丝控制轮，所述的热风去溶剂部件设于纳米纤维传送带的一侧。
2.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的纳米纤维传送带设于传送带主动轮和纺丝控制轮上，所述的热风去溶剂部件和批量静电纺丝喷头设于纳米纤维传送带的同一侧。
3.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的传送带主动轮转动过程中和传送带不打滑，传送带运动速度只由传送带主动轮控制，所述的纺丝控制轮转动过程中和传送带良好滑动。
4.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的纳米纤维传送带幅宽为30cm-200cm。
5.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的传送带主动轮为正圆形，直径为40cm-80cm。
6.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的传送带主动轮通过动力输入轴与电机相连，电机转速为0-200r/min；所述的纺丝控制轮的长短轴焦点为驱动中心，通过动力输入轴与驱动电机相连，电机转速为0-160r/min。
7.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的纺丝控制轮接收批量静电纺丝喷头制备的纳米纤维，材质为不锈钢。
8.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的纺丝控制轮的截面为长轴长30cm-100cm，长轴短轴长度比1-5的椭圆形，或长轴长30cm-100cm，长轴短轴长度比1-5的半椭圆形与以短轴长度为直径的半圆形构成的不规则形状。
9.如权利要求1所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置，其特征在于，所述的热风去溶剂部件为多组热风鼓风机，热风温度为室温-80摄氏度，鼓风速度为0-60cm/s。
10.采用权利要求1-9中任一项所述的调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置进行纳米纤维收集的方法，其特征在于，包括：将纺丝控制轮的动力输入轴接地，调整纺丝控制轮轴心和批量静电纺丝喷头的距离；打开传送带主动轮的驱动电机，并设置转速；打开纺丝控制轮驱动电机，并设置转速程序；打开热风去溶剂部件，并设置鼓风温度及风速；向批量静电纺丝喷头供给纺丝液；将高压发生器正极与喷头相连；打开高压发生器开关，增加电压至所需纺丝电压；不同时刻的纺丝控制轮激发不同状态的静电纺丝过程；相应时刻的射流在高压静电场作用下飞向传送带，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在纳米纤维传送带上形成特定堆砌结构的纳米纤维集合体。
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