定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头及其使用
技术领域
本发明属于纳米纤维和纺织机械技术领域,特别涉及一种定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头及其使用方法。
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。
当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。中国专利200710036447.4公开了一种喷气式静电纺丝装置,该装置通过在液槽底部通入气体在高聚物自由液面形成气泡,气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量,但在机理上气泡形成泰勒锥破裂的同时有许多形状大小不一的气泡碎片被电场力拉伸,造成纤维的直径分布较宽。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发,纺丝方向受限;中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法,这种方法可以实现纳米纤维的批量化制备,但伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触,溶剂极易挥发,从而会影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质,并且自由液面边缘溶液曲率不可调控;中国专利201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置,该装置可以提高单位时间内纳米纤维的产量,纺丝方向不受限,但是存在针头易堵塞的缺点,同时,针头的排列方式要考虑到施加高压静电后电场之间的相互影响,所以多针头静电纺丝装置的设计较为繁琐和复杂,难以实现批量化生产纤维直径分布可控的纳米纤维产品。
发明人也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,ZL201610629977.9,一种直线形槽状无针式静电纺丝装置及纺丝方法,ZL 201610296863.7一种双圆环状狭缝式静电纺丝装置及方法,ZL 201510831359.8一种锯齿形环状无针式静电纺丝装置及其使用方法等,这些专利都是基于纳米纤维单种直径分布的调控和优化。而在学术界和工业界关注的过滤、能源、传感、生物医药等许多应用中,能够精细调控静电纺丝纳米纤维集合体结构以进一步提高产品性能,同时能实现其批量化制备显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头及其使用方法,解决目前批量静电纺丝过程中纤维直径分布不可控的问题,实现可控多级直径分布纳米纤维的批量化制备。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头,其特征在于,包括铜质球体,铜质球体的表面具有多个凹槽,多个聚四氟乙烯填充块安装在所述凹槽中。
优选地,所述的聚四氟乙烯填充块和凹槽均为圆柱形,聚四氟乙烯填充块紧密安装在所述凹槽中。
优选地,所述的,聚四氟乙烯填充块的外表面与铜质球体的外表面曲率一致,聚四氟乙烯填充块的外表面与铜质球体的外表面构成光滑球面。
优选地,所述的球体为光滑实心球体。
优选地,所述的球体直径40mm-160mm。
优选地,所述的圆柱形聚四氟乙烯填充块的直径为1mm-10mm,高为10mm-30mm。
优选地,所述的圆柱形聚四氟乙烯填充块个数为1-1000个。
优选地,所述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头轴心处有一聚四氟乙烯圆柱传动轴,所述传动轴与可调速的电机相连。
更优选地,所述的电机转速为0-10r/min。
优选地,所述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头部分浸在聚四氟乙烯材质的纺丝液储液槽中,所述的纺丝液储液槽中储有高聚物纺丝液,高聚物纺丝液与高压发生器正极相连,距离所述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头一定距离处有一接收装置接地或与高压发生器负极相连。
更优选地,所述的纺丝液储液槽与供液装置相连,所述供液装置通过绝缘的蠕动泵供给纺丝液。
更优选地,所述的接收装置为旋转金属圆柱滚筒,滚筒直径为100mm-1000mm;
更优选地,所述金属滚筒由可调速的电机驱动,电机转速为0-100r/min。
本发明还提供了上述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头的使用方法,其特征在于,包括:将所述的金属滚筒接地,调整金属滚筒和上述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头的距离;打开金属滚筒的驱动电机,并设置滚筒转速;打开供液装置的开关,通过蠕动泵向纺丝液储液槽中注入高聚物纺丝液;打开球形静电纺丝喷头的驱动电机,并设置转速,驱动电机经绝缘传动轴驱动球形静电纺丝喷头在高聚物溶液中旋转;打开高压发生器开关,增加电压至所需纺丝电压;分别在球形静电纺丝喷头的铜质球体和聚四氟乙烯填充块处产生不同细度的大量射流;射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒,溶剂挥发,射流拉伸固化沉积在金属滚筒上形成大量纳米纤维。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明采用分离控制电场分布和纺丝液曲率的球形静电纺丝喷头可实现对统一纺丝液曲率的喷头电场分布调控,进一步实现喷头表面的多射流分布调控和纳米纤维直径多级分布可控调控,继而实现可控多级直径分布的纳米纤维批量化生产,该技术简单易行,在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。
附图说明
图1为一种定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头静电纺丝示意图;
图2为一种定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头未安装聚四氟乙烯填充块示意图;
图3为一种定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头示意图。
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。
以下实施例所用的聚丙烯腈的分子量为86000。
实施例1
如图2和图3所示,本发明的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头包括直径100mm的光滑实心的铜质球体11,铜质球体11的表面具有80个圆柱形凹槽,80个圆柱形的聚四氟乙烯填充块12紧密安装在所述凹槽中,聚四氟乙烯填充块12的外表面与铜质球体11的外表面曲率一致,二者构成光滑球面。聚四氟乙烯填充块12的直径为5mm,高为20mm。
如图1所示,所述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头轴心处有一聚四氟乙烯圆柱形传动轴4,所述传动轴4与可调速的第一电机3相连,第一电机3转速为0-10r/min。
所述的球形静电纺丝喷头部分浸在聚四氟乙烯材质的纺丝液储液槽13中,所述的纺丝液储液槽13中储有高聚物纺丝液2,高聚物纺丝液2与高压发生器1正极相连,距离所述的球形静电纺丝喷头一定距离处有一接收装置接地。所述的纺丝液储液槽13与供液装置15相连,所述供液装置15通过绝缘的蠕动泵供给高聚物纺丝液2。所述的接收装置为可旋转的圆柱形的金属滚筒6,金属滚筒6直径为500mm;金属滚筒6由可调速的第二电机5驱动,第二电机5转速为0-100r/min。
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可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10%
采用上述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头进行静电纺丝,具体步骤为:将金属滚筒6接地,调整金属滚筒6和球形静电纺丝喷头的距离为20cm。打开第二电机5,并设置滚筒转速为60r/min。打开供液装置16的开关,通过蠕动泵15向纺丝液储液槽13中注入PAN/DMF高聚物纺丝液。打开第一电机3,并设置转速为0.5r/min,第一电机3经绝缘传动轴4驱动球形静电纺丝喷头在高聚物纺丝液2中旋转。打开高压发生器1开关,缓慢增加电压至70KV。分别在球形静电纺丝喷头的铜质球体11和聚四氟乙烯填充块12处产生不同细度的大量射流。射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒6,溶剂挥发,射流拉伸固化沉积在金属滚筒6上形成大量纳米纤维。
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可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为14%。
采用实施例1所述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头进行静电纺丝,具体步骤为:将金属滚筒6接地,调整金属滚筒6和球形静电纺丝喷头的距离为22cm。打开第二电机5,并设置滚筒转速为60r/min。打开供液装置16的开关,通过蠕动泵15向纺丝液储液槽13中注入PAN/DMF高聚物纺丝液。打开第一电机3,并设置转速为0.8r/min,第一电机3经绝缘传动轴4驱动球形静电纺丝喷头在高聚物纺丝液2中旋转。打开高压发生器1开关,缓慢增加电压至70KV。分别在球形静电纺丝喷头的铜质球体11和聚四氟乙烯填充块12处产生不同细度的大量射流。射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒6,溶剂挥发,射流拉伸固化沉积在金属滚筒6上形成大量纳米纤维。
实施例3
下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10%。
采用实施例1所述的定纺丝液曲率下控制电场分布的球形静电纺丝喷头进行静电纺丝,具体步骤为:将金属滚筒6接地,调整金属滚筒6和球形静电纺丝喷头的距离为20cm。打开第二电机5,并设置滚筒转速为80r/min。打开供液装置16的开关,通过蠕动泵15向纺丝液储液槽13中注入PAN/DMF高聚物纺丝液。打开第一电机3,并设置转速为0.5r/min,第一电机3经绝缘传动轴4驱动球形静电纺丝喷头在高聚物纺丝液2中旋转。打开高压发生器1开关,缓慢增加电压至70KV。分别在球形静电纺丝喷头的铜质球体11和聚四氟乙烯填充块12处产生不同细度的大量射流。射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒6,溶剂挥发,射流拉伸固化沉积在金属滚筒6上形成大量纳米纤维。