CN108842194A - 螺杆式静电纺丝纳米纤维设备及使用方法 - Google Patents

螺杆式静电纺丝纳米纤维设备及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及静电纺丝的技术领域，特别涉及一种螺杆式静电纺丝纳米纤维设备及使用方法。该设备在密闭的柜体内设有纺丝液储槽装置、静电纺丝发生装置、收集装置和驱动装置；所述的纺丝液储槽装置包括绝缘支撑基座和位于绝缘支撑基座内部的溶液槽；所述的静电纺丝发生装置包括鼠笼状的回转纺丝机构，所述的收集装置包括与绝缘支撑基座连接的移动装置、与移动装置连接的圆筒状收集器，收集器内部设有中心轴一端与负极相连。本发明的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备操作安全，设计小巧，易于操作，不仅增大了纺丝量，而且提高电场强度和均匀性，丰富了纳米纤维的种类，显著提高了纤维的生产效率和质量稳定性。

Description

螺杆式静电纺丝纳米纤维设备及使用方法
技术领域
本发明涉及静电纺丝的技术领域，更具体的说，本发明涉及一种生产纳米纤维的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备及使用方法。
背景技术
静电纺丝技术是一种简单低耗制备微米和亚微米纤维的技术。静电纺丝原理是将聚合物溶液送入喷丝头，溶液受到喷丝口与收集装置之间的高压静电力成为一股带电的喷射流，并在电场中运动；聚合物溶液因溶剂蒸发而固化，最终形成纳米纤维并沉积在收集装置上。
传统的针式静电纺丝机的基本结构一般包括五部分：高压静电发生器﹑注射泵﹑连接正极的针式喷头和连接负极的收集装置。单针头静电纺丝速率只有0.1～1.0g/h，产量较小，难以实现批量化制备纳米纤维，不能满足产业化应用的需求；多针头静电纺丝能显著的提高纺丝效率，但是存在针头数量有限、清洗困难，针孔容易堵塞等缺点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种螺杆式静电纺丝纳米纤维设备。该设备可以提高产量并且改善施加到喷丝头上电压的均匀性。
本发明采用如下技术方案：
一种螺杆式静电纺丝纳米纤维设备，在密闭的柜体内包括纺丝液储槽装置、静电纺丝发生装置、收集装置和驱动装置；
所述的纺丝液储槽装置包括绝缘支撑基座和位于绝缘支撑基座内部的溶液槽；
所述的静电纺丝发生装置包括鼠笼状的回转纺丝机构，该回转纺丝机构设在溶液槽的上部，在回转纺丝机构内部设有一绝缘的中心旋转轴，该中心旋转轴的一端与驱动装置连接，另一端固定在绝缘支撑基座上用于连接正极；在回转纺丝机构的圆周面上，沿中心旋转轴环绕设置螺杆纺丝正极；
所述的收集装置包括与绝缘支撑基座连接的移动装置、与移动装置连接的圆筒状收集器，收集器内部设有中心轴，其一端与负极相连。
优选的，在绝缘支撑基座内部安装有滑道，使移动装置在滑道上移动，调整收集器与回转纺丝机构之间的距离。
所述移动装置上设有滑道，使收集器在滑道上水平移动。为使移动装置实现电动操作，还可以在移动装置上设置伸缩推进杆和伸缩杆电源。所述的伸缩推进杆为本领域任一种可实现推动功能的可伸缩推杆，用于推动收集器。所述的伸缩杆电源安装在伸缩推进杆，提供动力给伸缩推进杆。
驱动装置设在绝缘支撑基座的一侧，由驱动装置带动中心旋转轴旋转使回转纺丝机构转动，回转纺丝机构带动螺杆纺丝正极转动，将溶液槽中的聚合物溶液带入螺杆纺丝正极与收集装置之间形成电场中，生成纳米纤维并被收集装置所接收。
进一步的，所述的螺杆纺丝正极由螺杆组成，轴向排列放置5—10个螺杆，且螺杆间距可调，通过对螺纹的调整增加电场强度，螺杆纺丝正极与回转纺丝机构通过焊接方式连接。
进一步的，所述的溶液槽由绝缘材料制成，可防止对纺丝电场的干扰。该溶液槽可通过螺栓与绝缘支撑基座连接。
进一步的，所述的中心旋转轴由绝缘材料制成。
上述装置还包括外接电源。所述的外接电源包括用于启动驱动装置的电源和用于静电纺丝的高压电源。
上述装置还包括控温装置，所述的控温装置设在密闭的柜体内，或设在纺丝液储槽装置上。
所述的聚合物溶液为PVA水溶液。
发明人通过设计一组固定于中心轴向且能绕其匀速转动的回转纺丝机构，该回转纺丝机构上设有螺杆纺丝正极，并将其浸没在聚合物溶液中，使聚合物溶液被螺杆纺丝正极带入电场中，因溶剂蒸发而固化并在静电力的作用下形成纳米纤维沉积于收集装置上。因螺杆纺丝正极循环转动，未消耗的聚合物溶液仍将返回到溶液槽中，避免了浪费，保证了产率。为了避免双重电场的影响。
本发明设计的回转纺丝机构具有以下优势：1.固定于同向的螺杆的个数、间距、长径比、转速可调节，可保证实现按产量调节喷射量和接收量；2.螺杆的每个螺纹牙都可以接触到聚合物溶液，这可以保证螺杆纺丝正极和聚合物溶液的多面接触，增大了接触面积，极大提高静电纺丝的产量高；3.整个螺杆是一个等势体，每个螺纹牙均是正极，可提高电场的均匀性和整个电场的强度；4.每个螺纹牙均是正极，可提高电场的强度，有利于纳米纤维的成型，有利于纤维的取向性，极大提高纳米纤维的力学性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备，采用特殊设计的回转纺丝机构，与传统的针状纺丝设备相比，不仅增大了纺丝量，而且多螺杆的螺纹牙可提高电场强度和均匀性，克服了传统针尖状电极电场不均匀的问题，显著提高了纤维的生产效率和质量稳定性。
2.本发明的回转纺丝机构中，螺杆纺丝正极围绕中心旋转轴采用环形排列，且间距和转动速度可调节，可以根据实验和生产要求，设计生产出不同规格的纤维材料，丰富了纳米纤维的种类。
3.本发明的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备，将静电发生装置和收集装置设置在密闭的柜体内，保障了操作的安全性；避免聚合物对人和周围环境的危害，设备设计小巧，安全性高，易于操作。
附图说明
图1为不含外柜体的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备立体图。
图2为不含外柜体的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备立体图。
图3为不含外柜体的螺杆式静电纺丝纳米纤维设备俯视图。
其中，1、绝缘支撑基座，2、溶液槽，3、回转纺丝机构，4、螺杆纺丝正极，5、收集器，6、移动装置，7、驱动装置，8、中心旋转轴，9、螺杆。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
一种螺杆式静电纺丝纳米纤维设备，在密闭的柜体内设有纺丝液储槽装置、静电纺丝发生装置、收集装置、驱动装置(7)和外接电源；驱动装置(7)设在绝缘支撑基座(1)的一侧。所述的纺丝液储槽装置包括绝缘支撑基座(1)和位于绝缘支撑基座(1)内部的溶液槽(2)；该溶液槽(2)由绝缘材料制成，溶液槽(2)的上部为敞口式，溶液槽(2)内部装有用于纺丝的聚合物溶液，如PVA溶液；鼠笼状的回转纺丝机构(3)设在溶液槽(2)的上方，在回转纺丝机构(3)内部设有一绝缘的中心旋转轴(8)，该中心旋转轴(8)的一端与驱动装置(7)连接，另一端固定在绝缘支撑基座(1)上用于连接高压电源正极；在回转纺丝机构(3)的圆周面上，沿中心旋转轴(8)环绕设置螺杆纺丝正极(4)；螺杆纺丝正极(4)轴向排列放置10个螺杆(9)，且螺杆(9)间距可调，螺杆纺丝正极(4)与回转纺丝机构(3)通过焊接方式连接。所述的收集装置用于接收生成纳米纤维，其包括与绝缘支撑基座(1)连接的移动装置(6)、与移动装置(6)连接的圆筒状收集器(5)，收集器(5)内部设有中心轴一端与高压电源负极相连。在绝缘支撑基座(1)内部安装有滑道，使移动装置(6)在滑道上移动，调整收集器(5)与回转纺丝机构(3)之间的距离。
采用上述装置进行静电纺丝的具体方法如下：
首先配制聚合物溶液作为纺丝液，聚合物溶液装入溶液槽2中，启动驱动装置7，驱动装置7带动中心旋转轴8旋转，使回转纺丝机构3转动，回转纺丝机构3带动螺杆纺丝正极4一同围绕中心旋转轴8旋转，当螺杆纺丝正极4上螺杆浸入溶液槽2内，覆在螺杆9上的聚合物溶液被带入螺杆纺丝正极4与收集装置之间形成静电场中，在静电力的作用下形成纳米纤维沉积在收集器5上，实现纳米纺丝，静电纺丝电压为20-40KV，中心旋转轴转速为20-100r/min，纺丝温度为20-50℃。
实施例2
一种螺杆式静电纺丝纳米纤维设备，在密闭的柜体内设有纺丝液储槽装置、静电纺丝发生装置、收集装置、驱动装置(7)、控温装置和外界电源；驱动装置(7)设在绝缘支撑基座(1)的一侧。控温装置可设在密闭的柜体内，或设在纺丝液储槽装置上，用于控制静电纺丝过程中的温度。所述的纺丝液储槽装置包括绝缘支撑基座(1)和位于绝缘支撑基座(1)内部的溶液槽(2)；该溶液槽(2)由绝缘材料制成，溶液槽(2)的上部为敞口式，溶液槽(2)内部装有用于纺丝的聚合物溶液，如PVA溶液；鼠笼状的回转纺丝机构(3)设在溶液槽(2)的上方，在回转纺丝机构(3)内部设有一绝缘的中心旋转轴(8)，该中心旋转轴(8)的一端与驱动装置(7)连接，另一端固定在绝缘支撑基座(1)上用于连接正极；在回转纺丝机构(3)的圆周面上，沿中心旋转轴(8)环绕设置螺杆纺丝正极(4)；螺杆纺丝正极(4)轴向排列放置10个螺杆(9)，且螺杆(9)间距可调，螺杆纺丝正极(4)与回转纺丝机构(3)通过焊接方式连接。所述的收集装置包括与绝缘支撑基座(1)连接的移动装置(6)、与移动装置(6)连接的圆筒状收集器(5)，收集器(5)内部设有中心轴一端与负极相连。绝缘支撑基座(1)内部位于收集装置一侧设有滑道，与绝缘支撑基座(1)连接驱动装置(7)是推杆电机，电源接通时，推杆电机推动移动装置(6)，使移动装置(6)在滑道上移动，调整收集器(5)与回转纺丝机构(3)之间的距离。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺杆式静电纺丝纳米纤维设备，其特征在于，在密闭的柜体内包括纺丝液储槽装置、静电纺丝发生装置、收集装置和驱动装置(7)；
所述的纺丝液储槽装置包括绝缘支撑基座(1)和位于绝缘支撑基座(1)内部的溶液槽(2)；
所述的静电纺丝发生装置包括鼠笼状的回转纺丝机构(3)，该回转纺丝机构(3)设在溶液槽(2)的上部，在回转纺丝机构(3)内部设有一绝缘的中心旋转轴(8)，该中心旋转轴(8)的一端与驱动装置(7)连接，另一端固定在绝缘支撑基座(1)上用于连接正极；在回转纺丝机构(3)的圆周面上，沿中心旋转轴(8)环绕设置螺杆纺丝正极(4)；
所述的收集装置包括与绝缘支撑基座(1)连接的移动装置(6)、与移动装置(6)连接的圆筒状收集器(5)，收集器(5)内部设有中心轴，其一端与负极相连。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在绝缘支撑基座(1)内部安装有滑道，使移动装置(6)在滑道上移动，调整收集器(5)与回转纺丝机构(3)之间的距离。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述移动装置(6)上设有滑道。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述移动装置(6)上还设有伸缩推进杆和伸缩杆电源。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，驱动装置(7)设在绝缘支撑基座(1)的一侧，由驱动装置带动中心旋转轴(8)旋转使回转纺丝机构(3)转动，回转纺丝机构(3)带动螺杆纺丝正极(4)转动，将溶液槽(2)中的聚合物溶液带入螺杆纺丝正极(4)与收集装置之间形成电场中，生成纳米纤维并被收集装置所接收。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的螺杆纺丝正极(4)由螺杆组成，轴向排列放置5—10个螺杆(9)，且螺杆(9)间距可调，螺杆纺丝正极(4)与回转纺丝机构(3)通过焊接方式连接。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的溶液槽(2)、中心旋转轴(8)均由绝缘材料制成。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括外接电源和控温装置，所述的外接电源包括用于启动驱动装置(7)的电源和用于静电纺丝的高压电源；所述的控温装置设在密闭的柜体内，或设在纺丝液储槽装置上。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的聚合物溶液为PVA水溶液。
10.一种如权利要求1所述螺杆式静电纺丝纳米纤维设备的纺丝方法，其特征在于，首先配制聚合物溶液作为纺丝液，聚合物溶液装入溶液槽(2)中，启动驱动装置(7)，驱动装置(7)带动中心旋转轴(8)旋转，使回转纺丝机构(3)转动，回转纺丝机构(3)带动螺杆纺丝正极(4)一同围绕中心旋转轴(8)旋转，当螺杆纺丝正极(4)上螺杆浸入溶液槽(2)内，覆在螺杆(9)上的聚合物溶液被带入螺杆纺丝正极(4)与收集装置之间形成静电场中，在静电力的作用下形成纳米纤维沉积在收集器(5)上，实现纳米纺丝，静电纺丝电压为20-40KV，中心旋转轴转速为20-100r/min，纺丝温度为20-50℃。
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