CN108866650B - 一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法及其装置 - Google Patents

一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法及其装置 Download PDF

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Abstract

一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法，包括以下步骤：步骤1.搭建装置；步骤2.正电喷头和负电喷头开始供液并冒出液滴；步骤3.开启高压直流电源，正电喷头和负电喷头开始发生喷射；步骤4.开启运动平台，收集正电喷头和负电喷头喷射出的纤维；步骤5.待电纺一段时间后，在绝缘基底上得到纳米纤维。以及提供一种静电纺丝装置，包括正电喷头、负电喷头、绝缘板、液体泵、溶液箱、高压直流电源、运动平台、绝缘基底和绝缘罩。本发明解决静电纺丝技术中基底为绝缘基底，积累的残余电荷对射流产生巨大排斥而引起纺丝纤维不能沉积的问题。

Description

一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法及其装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝领域，具体为一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法及其装置。
背景技术
静电纺丝是制备纳米纤维常见的手段之一，纺丝溶液液滴或尖端受到高压静电作用发生电液耦合，形变成泰勒锥并以带电射流的形式向基底喷射，在飞行过程中逐渐被拉伸、固化成纳米纤维，最后沉积在基底上形成纳米纤维。
如果基底具有导电性，可及时导走沉积纤维的残余电荷，但如果基底为绝缘基底，残余电荷无法及时导走，积累的残余电荷对带有同种电荷的射流产生巨大排斥，出现射流排斥、射流分叉、射流雾化以及溶液间歇性滴落等不利现象，使电纺无法进行。
中国专利CN 103397393 B提出通过负高压预处理PET基底，再在基底上喷射带正电的射流，可实现在PET绝缘基底上电纺纤维。但是，该方案在具体实施中步骤繁琐，纺丝效率低，不利于批量生产。
现有技术在这一方面的研究较少，且存在进一步改进和优化的需求，这也正是该技术领域内的研究重点之一，更是本发明得以完成的动力和出发点所在。
发明内容
为了克服已有静电纺丝方式的当基底为绝缘基底时积累的残余电荷对射流产生巨大排斥而引起纺丝纤维不能沉积的问题的不足，本发明提供一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法及其装置，解决静电纺丝技术中基底为绝缘基底，积累的残余电荷对射流产生巨大排斥而引起纺丝纤维不能沉积的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法，包括以下步骤：
步骤1.搭建装置，将溶液装入溶液箱，绝缘基底与正电喷头、负电喷头的间距1mm～150cm，高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，运动平台和绝缘基底接地；
步骤2.设定液体泵对正电喷头、负电喷头的供液速度均为10μl/hr～100ml/hr，此时正电喷头和负电喷头开始供液并冒出液滴；
步骤3.开启高压直流电源，设定对正电喷头的输出值为0kV～100kV，对负电喷头的输出值为-100kV～0kV，此时正电喷头和负电喷头开始发生喷射；
步骤4.开启运动平台，设定转速为0.05rpm～100rpm，收集正电喷头和负电喷头喷射出的纤维；
步骤5.待电纺一段时间后，在绝缘基底上得到纳米纤维。
进一步，所述步骤1中，绝缘罩分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间；所述正电喷头和负电喷头固定于绝缘板。
一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝装置，包括正电喷头、负电喷头、绝缘板、液体泵、溶液箱、高压直流电源、运动平台、绝缘基底和绝缘罩，所述正电喷头、负电喷头固定于绝缘板，且正电喷头、负电喷头均通过液体泵与溶液箱连通，所述运动平台设置于正电喷头、负电喷头正下方，所述绝缘基底设置于运动平台上表面，所述绝缘罩分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间，所述高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，所述高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，所述运动平台和绝缘基底接地。
进一步，所述正电喷头、负电喷头，由导电材料制成，内径范围为30μm～1500μm，两者内径大小一致，且正电喷头、负电喷头沿着运动平台周向设置。
再进一步，所述绝缘板和绝缘罩由绝缘材料制成，所述液体泵为精密注射泵，所述运动平台为回转圆盘。
本发明的有益效果主要表现在：采用带相反电性的正电喷头、负电喷头同时向绝缘基底喷射。正电喷头喷射、沉积在绝缘基底的纳米纤维带有正电荷，而负电喷头喷射、沉积在绝缘基底的纳米纤维带有负电荷，因此，所带电性相反的纤维在绝缘基底上电性互相中和，从而实现在绝缘基底上电纺出纳米纤维。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
图2为喷头与运动平台相对位置示意图。
图中标号：1、绝缘基底；2、正电喷头；3、高压直流电源；4、溶液箱；5、液体泵；6、绝缘板；7、负电喷头；8、绝缘罩；9、运动平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法，包括以下步骤：
步骤1.搭建装置，将溶液装入溶液箱4，绝缘基底1与正电喷头2、负电喷头7的间距1mm～150cm，高压直流电3源的正极与正电喷头2电性连接，高压直流电源3的负极与负电喷头7电性连接，运动平台9和绝缘基底1接地；
步骤2.设定液体泵5对正电喷头2、负电喷头7的供液速度均为10μl/hr～100ml/hr，此时正电喷头2和负电喷头7开始供液并冒出液滴；
步骤3.开启高压直流电源3，设定对正电喷头2的输出值为0kV～100kV，对负电喷头7的输出值为-100kV～0kV，此时正电喷头2和负电喷头7开始发生喷射；
步骤4.开启运动平台9，设定转速为0.05rpm～100rpm，收集正电喷头2和负电喷头7喷射出的纤维；
步骤5.待电纺一段时间后，在绝缘基底1上得到纳米纤维。
进一步，所述步骤1中，绝缘罩8分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间；所述正电喷头2、负电喷头7固定于绝缘板6。
一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝装置，包括正电喷头2、负电喷头7、绝缘板6、液体泵5、溶液箱4、高压直流电源3、运动平9台、绝缘基底1和绝缘罩8，所述正电喷头2、负电喷头7固定于绝缘板6，且正电喷头、负电喷头均通过液体泵与溶液箱连通，所述运动平台设置于正电喷头、负电喷头正下方，所述绝缘基底设置于运动平台上表面，所述绝缘罩分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间，所述高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，所述高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，所述运动平台和绝缘基底接地。
进一步，所述正电喷头、负电喷头，由导电材料制成，内径范围为30μm～1500μm，两者内径大小一致，且正电喷头、负电喷头沿着运动平台周向设置。
再进一步，所述绝缘板和绝缘罩由绝缘材料制成，所述液体泵为精密注射泵，所述运动平台为回转圆盘。
如图1所示，正电喷头、负电喷头固定于绝缘板，且正电喷头、负电喷头均通过液体泵与溶液箱连通。正电喷头、负电喷头，由导电材料制成，内径范围为30μm～1500μm，两者内径大小一致。绝缘板由绝缘材料制成。液体泵的作用是将溶液箱内的纺丝溶液输送至正电喷头、负电喷头，液体泵优选精密注射泵，其流量范围为10μl/hr～100ml/hr。
高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，运动平台和绝缘基底接地，使正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间均产生高压静电场，其中高压直流电源的输出电压范围为-100kV～100kV。绝缘罩分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间，绝缘罩由绝缘材质制成，避免带正电荷的射流(正电喷头喷射出)与带负电荷的射流(负电喷头喷射出)互相吸引、干扰，影响纺丝过程。
运动平台设置于正电喷头、负电喷头正下方，绝缘基底设置于运动平台上表面，绝缘基底与正电喷头、负电喷头的间距范围为1mm～150cm。运动平台为图2所示的回转圆盘，其转速范围为0.05rpm～100rpm，且正电喷头、负电喷头沿着运动平台周向设置。当运动平台沿着图2所示以某速度周期性旋转，负电喷头喷出的纤维(带负电荷)先沉积在绝缘基底，正电喷头喷出的纤维(带正电荷)后沉积，随着运动平台周期性旋转，电性相反的纤维在绝缘基底上反复叠加沉积，故电性互相中和，从而克服绝缘基底无法沉积大量电纺纤维的现有技术难题。
工作原理：带电液滴在高压静电场的作用下发生电液耦合，液滴被拉伸形变成带电射流，向基底喷射，最后沉积在基底上形成纳米纤维。如果基底具有导电性，可及时导走沉积纤维的残余电荷，但如果基底为绝缘基底，残余电荷无法及时导走，积累的残余电荷对带有同种电荷的射流产生巨大排斥，出现射流排斥、射流分叉、射流雾化以及溶液间歇性滴落等不利现象，使电纺无法进行。本方案对现有技术进行改进，采用带相反电性的正电喷头、负电喷头同时向绝缘基底喷射。正电喷头喷射、沉积在绝缘基底的纳米纤维带有正电荷，而负电喷头喷射、沉积在绝缘基底的纳米纤维带有负电荷，因此，所带电性相反的纤维在绝缘基底上电性互相中和，从而实现在绝缘基底上电纺出纳米纤维。
实施例1
采用PEO溶液，浓度10％，溶质为PEO，溶剂为酒精和蒸馏水(体积比为1:1)。正电喷头与负电喷头内径210μm。绝缘基底为PET薄片(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。
步骤1.按图1搭建装置，将溶液装入溶液箱，绝缘基底与正电喷头、负电喷头的间距2mm，高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，运动平台和绝缘基底接地；
步骤2.设定液体泵对正电喷头、负电喷头的供液速度均为100μl/hr；
步骤3.开启高压直流电源，设定对正电喷头的输出值为3kV，对负电喷头的输出值为-3kV；
步骤4.开启运动平台，设定转速为10rpm；
步骤5.待电纺一段时间后，在PET材质的绝缘基底上收集到平均直径900nm的纳米纤维。
实施例2
采用PVDF溶液，浓度16％，溶质为PVDF，溶剂为丙酮和DMF混合溶剂(体积比为1:1)。正电喷头与负电喷头内径210μm。绝缘基底为PET薄片(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。
步骤1.按图1搭建装置，将溶液装入溶液箱，绝缘基底与正电喷头、负电喷头的间距10cm，高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，运动平台和绝缘基底接地；
步骤2.设定液体泵对正电喷头、负电喷头的供液速度均为100μl/hr；
步骤3.开启高压直流电源，设定对正电喷头的输出值为10kV，对负电喷头的输出值为-10kV；
步骤4.开启运动平台，设定转速为10rpm；
步骤5.待电纺一段时间后，在PET材质的绝缘基底上收集到平均直径350nm的纳米纤维。

Claims (5)

1.一种可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1.搭建装置，将溶液装入溶液箱，绝缘基底与正电喷头、负电喷头的间距1mm～150cm，高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，运动平台和绝缘基底接地；
步骤2.设定液体泵对正电喷头、负电喷头的供液速度均为10μl/hr～100ml/hr，此时正电喷头和负电喷头开始供液并冒出液滴；
步骤3.开启高压直流电源，设定对正电喷头的输出值为0kV～100kV，对负电喷头的输出值为-100kV～0kV，此时正电喷头和负电喷头开始发生喷射；
步骤4.开启运动平台，设定转速为0.05rpm～100rpm，收集正电喷头和负电喷头喷射出的纤维；
步骤5.负电喷头喷出的带负电荷的纤维先沉积在绝缘基底，正电喷头喷出的带正电荷的纤维后沉积，随着运动平台周期性旋转，电性相反的纤维在绝缘基底上反复叠加沉积，故电性互相中和；待电纺一段时间后，在绝缘基底上得到纳米纤维。
2.如权利要求1所述的可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法，其特征在于，所述步骤1中，绝缘罩分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间；所述正电喷头和负电喷头固定于绝缘板。
3.一种如权利要求1所述的可在绝缘基底上沉积纤维的静电纺丝方法实现的装置，其特征在于：所述装置包括正电喷头、负电喷头、绝缘板、液体泵、溶液箱、高压直流电源、运动平台、绝缘基底和绝缘罩，所述正电喷头、负电喷头固定于绝缘板，且正电喷头、负电喷头均通过液体泵与溶液箱连通，所述运动平台设置于正电喷头、负电喷头正下方，所述绝缘基底设置于运动平台上表面，所述绝缘罩分别设置于正电喷头与绝缘基底之间、负电喷头与绝缘基底之间，所述高压直流电源的正极与正电喷头电性连接，所述高压直流电源的负极与负电喷头电性连接，所述运动平台和绝缘基底接地。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述正电喷头、负电喷头，由导电材料制成，内径范围为30μm～1500μm，两者内径大小一致，且正电喷头、负电喷头沿着运动平台周向设置。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于：所述绝缘板和绝缘罩由绝缘材料制成，所述液体泵为精密注射泵，所述运动平台为回转圆盘。
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