CN108642577B - 一种液面诱导静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液面诱导静电纺丝装置，设有诱导绳、转盘、溶液槽、密封件、驱动电机、调速器、加热件、温度传感器、收集装置、高压电源、溶液箱、流体泵。转盘设于溶液槽内部，转盘侧面均匀分布复数根诱导绳；转盘与旋转轴传动连接；旋转轴穿过密封件伸出溶液槽底部，并与驱动电机传动连接；驱动电机与调速器连接，驱动电机带动诱导绳在液面上甩动；溶液槽设有加热件、温度传感器，两者均与温度控制器连接；溶液槽正上方设有收集装置，收集装置与高压电源输出端连接、溶液槽底部接地；溶液槽侧面设有溶液箱和流体泵。采用本技术方案，在诱导绳的作用下，能够解决电纺过程中启动电压高、溶液克服表面张力困难、射流形成量较少等缺点。

Description

一种液面诱导静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其是涉及一种批量化静电纺丝装置。
背景技术
利用静电纺丝技术制备纳米纤维具有工艺流程短，操作简单等优点，近年来成为国内外的研究热点。传统的静电纺丝采用针头作为喷丝头，利用注射泵将聚合物溶液输送至针头，当针头上的液滴处于高压静电场中就会形成泰勒锥。聚合物溶液在静电力的作用下形成射流，并细化形成微纳纤维沉积于收集装置。采用针头作为喷丝头进行静电纺丝，单个针头只能进行产生一根射流，纺丝产量较低，针头也容易堵塞，易发生尖端放电现象。采用针头阵列进行批量电纺，还会出现电场互相干扰的“边缘效应"现象，也无法达到预期的纺丝效率。
静电纺丝批量化成为电纺技术推广应用到工业化生产最重要的影响因素，国内外研究人员对无针头式批量化静电纺丝技术进行了深入研究。捷克Elmarco公司提出“纳米蜘蛛”批量电纺装置(WO2005024101)，采用转轮对纺丝溶液进行诱导产生射流，其纺丝产量得到提升。中国专利CN 201952531、CN2682089A、CN103290493A等技术方案均能较好地解决了传统喷丝头容易堵塞、难以清洗，启动电压高等问题，能够形成多股超细射流，提高纺丝效率，快速制备纳米纤维。但是目前的批量静电纺丝装置较复杂，启动电压高，导致溶液在静电场力中无法克服表面张力形成多股射流。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用静电纺丝法批量制备纳米纤维的电纺装置，解决静电纺丝技术中启动电压高、溶液克服表面张力困难、射流形成量较少等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种液面诱导静电纺丝装置，包括诱导绳、转盘、溶液槽、旋转轴、密封件、驱动电机、调速器、加热件、温度传感器、温度控制器、收集装置、高压电源、溶液箱、流体泵，所述转盘设于溶液槽内部，其所在的平面与液面平行，转盘侧面均匀分布复数根诱导绳；转盘与旋转轴传动连接，旋转轴轴线垂直于溶液槽底面；旋转轴通过填料密封件伸出溶液槽底部，并与驱动电机传动连接，驱动电机和旋转轴之间通过联轴器过渡连接；驱动电机与调速器电性连接，驱动电机驱动转盘绕自身轴线旋转，带动诱导绳在液面上甩动，诱导绳的甩动平面与溶液液面持平；溶液槽设有加热件、温度传感器，两者均与温度控制器电性连接；溶液槽正上方设有收集装置，收集装置与高压电源输出端连接、溶液槽底部接地；溶液槽侧面设有溶液箱和流体泵，溶液箱通过流体泵向溶液槽定量供液。
所述诱导绳，在溶液液面甩动时起到诱导纺丝溶液产生射流的作用。诱导绳可以为钢丝绳、毛刺绳、绞绳、撕裂绳和麻绳等表面具有凹凸结构的绳索，其直径范围为0.2mm-5mm，长度范围为1cm-10cm；
所述转盘，采用绝缘材料制成。
所述溶液槽，其侧面由绝缘材料制成，底部由导电材料制成。
所述旋转轴，采用绝缘材料制成。
所述密封件，可以为填料密封、胶密封、垫片密封等密封机构。
所述驱动电机，其输出转速范围为20rpm-1500rpm。
所述加热件，可为电加热件，设于溶液槽底部。
所述收集装置，指静电纺丝领域中的装置，如平板收集装置、滚筒收集装置、平行电极收集装置等，收集装置与溶液槽的间距可以在1cm-50cm之间调整。
所述高压电源，其电压输出范围为1kV-50kV。
所述流体泵，可为恒流泵、计量泵、注射泵，供液流量为1000μl/hr-1200ml/hr。
与现有技术相比，本发明具有以下收益：
1)纺丝溶液在诱导绳的甩动诱导作用下，容易克服溶液的表面张力形成射流，选用不同材质、直径、股数和绕捻方式的诱导绳，其诱导效果不同；
2)溶液槽设有温控系统，控制纺丝溶液的温度，进而改变溶液的粘弹性；
3)控制驱动电机的输出转速、溶液槽的温度值、纺丝间距、高压电源输出值、诱导绳与纺丝溶液的相对位置等静电纺丝工艺参数进一步控制纤维的产量和品质。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明诱导绳在溶液的位置示意图。
图中：1-调速器，2-密封件，3-转盘，4-诱导绳，5-温度传感器，6-温度控制器，7-加热件，8-收集装置，9-高压电源，10-溶液槽，11-流体泵，12-溶液箱，13-旋转轴，14-联轴器，15-驱动电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本实施例的诱导绳4，采用钢丝绳；
本实施例的密封件2，采用填料密封，安装简单且便于检修；
本实施例的加热件7，选用电加热件，升温迅速，热效率高；
本实施例的温度传感器5，选用热电偶温度传感器，体积小，安装方便；
本实施例的收集装置8，选用收集板，可以通过三维控制平台实现传输纤维、改变纺丝间距等功能；
本实施例的流体泵11，选用恒流泵。
结合图1、图2阐述本实施例的装配关系：
转盘3设于溶液槽10内部，其所在的平面与液面平行，转盘3侧面均匀分布6根诱导绳4。转盘3由绝缘材料制成，诱导绳4与转盘3的连接件设置在转盘3内部，避免连接件干扰静电场分布。转盘3与旋转轴13传动连接，旋转轴13轴线垂直于溶液槽10底面。旋转轴13通过密封件2伸出溶液槽10底部，并通过联轴器14与驱动电机15传动连接。驱动电机15与调速器1电性连接，驱动电机15驱动转盘3绕自身轴线旋转，带动诱导绳在液面上甩动。诱导绳4的甩动平面与溶液液面持平，其位置关系如图2所示。溶液槽10设有加热件7、温度传感器5，两者均与温度控制器6电性连接。温度传感器5用于检测溶液槽10内的温度值，并将温度值反馈到温度控制器6，温度控制器6调节加热件7的加热功率，使纺丝溶液处于设定温度。溶液槽10正上方设有收集装置8，与溶液槽10的间距可以调整。收集装置8与高压电源9输出端连接、溶液槽10底部接地，使高压电源9与溶液槽10底面之间形成高压静电场。溶液槽10侧面设有溶液箱12和流体泵11，纺丝溶液储存于溶液箱12，并通过流体泵11向溶液槽10定量供液，及时补充纺丝所消耗的溶液。
为了更加深入地理解本发明，阐述本实施例的纺丝步骤：
1)将配制好的纺丝液(10％PEO溶液，溶剂为酒精、蒸馏水，体积比1:1)存入溶液箱12；
2)利用流体泵11将溶液箱12中的纺丝溶液注入溶液槽10，当液面达到如图2所示位置时，暂停流体泵11；
3)设定温度控制器6的温度值60℃，加热件7对纺丝溶液加热，使溶液槽10内部达到设定的温度值；
4)设定收集装置8与纺丝溶液的间距30cm；
5)通过调速器1设定驱动电机15的输出转速1000rpm，带动诱导绳4甩动；
6)设定高压电源9的输出电压值25kV，此时纺丝溶液在诱导绳4的甩动诱导下形成射流，并沉积在收集装置8上形成纤维；
7)再次设定流体泵11的补液速度100ml/hr，向溶液槽10补充溶液，保持溶液槽10内液面不变，确保纺丝喷射过程的稳定性。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种液面诱导静电纺丝装置，包括诱导绳(4)、转盘(3)、溶液槽(10)、旋转轴(13)、密封件(2)、驱动电机(15)、调速器(1)、加热件(7)、温度传感器(5)、温度控制器(6)、收集装置(8)、高压电源(9)、溶液箱(12)、流体泵(11)，其特征在于，所述转盘(3)设于溶液槽(10)内部，其所在的平面与液面平行，转盘(3)侧面均匀分布复数根诱导绳(4)；转盘(3)与旋转轴(13)传动连接，旋转轴(13)轴线垂直于溶液槽(10)底面；旋转轴(13)通过密封件(2)伸出溶液槽(10)底部，并与驱动电机(15)传动连接，驱动电机(15)和旋转轴(13)之间通过联轴器(14)过渡连接；驱动电机(15)与调速器(1)电性连接，驱动电机(15)驱动转盘(3)绕自身轴线旋转，带动诱导绳(4)在液面上甩动，诱导绳(4)的甩动平面与溶液液面持平；溶液槽(10)设有加热件(7)、温度传感器(5)，两者均与温度控制器(6)电性连接；溶液槽(10)正上方设有收集装置(8)，收集装置(8)与高压电源(9)输出端连接、溶液槽(10)底部接地；溶液槽(10)侧面设有溶液箱(12)和流体泵(11)，溶液箱(12)通过流体泵(11)向溶液槽(10)定量供液。
2.根据权利要求1所述的一种液面诱导静电纺丝装置，其特征在于，所述诱导绳(4)为钢丝绳、毛刺绳、绞绳、撕裂绳和麻绳类表面具有凹凸结构的绳索，其直径范围为0.2mm-5mm，长度范围为1cm-10cm。
3.根据权利要求1所述的一种液面诱导静电纺丝装置，其特征在于，所述驱动电机(15)的输出转速范围为20rpm-1500rpm。
4.根据权利要求1所述的一种液面诱导静电纺丝装置，其特征在于，所述收集装置(8)与溶液槽(10)的间距为1cm-50cm。
5.根据权利要求1所述的一种液面诱导静电纺丝装置，其特征在于，所述高压电源(9)的电压输出范围为1kV-50kV。
6.根据权利要求1所述的一种液面诱导静电纺丝装置，其特征在于，所述流体泵(11)为恒流泵、计量泵或注射泵，供液流量为1000μl/hr-1200ml/hr。
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