CN108950702B - 一种自吸式电纺装置及纤维毡制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自吸式电纺装置及纤维毡制备方法，包括有溶液槽、纤维收集器、高压静电发生器和喷丝头，纤维收集器设置于溶液槽上方，所述高压静电发生器输出端与纤维收集器电性连接且溶液槽接地，所述喷丝头设置在溶液槽内，所述喷丝头包括有喷头底座、中心杆和若干围绕中心杆周向设置的行星杆，利用杆间的毛细现象对喷丝头进行供液，实现自动、连续地喂液，解决现有技术中纤维制造产量低、喷丝头易堵塞等问题。

Description

一种自吸式电纺装置及纤维毡制备方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，具体说是一种自吸式电纺装置及纤维毡制备方法。

背景技术

静电纺丝技术，简称电纺技术，其工艺原理是，高分子聚合物液滴在高压静电场下会形变成泰勒锥，随后克服表面张力从泰勒锥锥尖喷射出射流，高速鞭动的射流在静电场力等作用力下被拉伸细化，最终以纤维毡的形式沉积在收集装置上。

实现静电纺丝批量化现已成为静电纺丝技术发展的重要因素之一。很多学者对批量化式静电纺丝装置进行研究，如专利CN101634050A、CN102191573A。针头式静电纺丝技术中，如果纺丝溶液的溶度过高，针头很容易堵塞，造成射流不连续，进而影响纤维毡的品质。而气泡式静电纺丝装置、离心式静电纺丝装置、激振式静电纺丝装置，喷丝头不易堵塞，但由于原理性缺陷，无法同时满足供液量精确、稳定，射流喷射范围均匀以及电纺产量高等要求，批量化电纺装置以及制备方法需要进一步地研制、改进。

发明内容

针对现有技术不足，本发明在于提供是一种自吸式电纺装置及纤维毡制备方法，利用毛细现象对喷丝头进行自主供液，解决现有技术中纤维制造中喷丝头易堵塞导致制造产量低、维护成本高等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自吸式电纺装置，主要包括有溶液槽、纤维收集器、高压静电发生器和喷丝头，所述纤维收集器设置于溶液槽上方，所述高压静电发生器输出端与纤维收集器电性连接，所述喷丝头设置在溶液槽内，该喷丝头用于吸取溶液槽内纺丝溶液，其特征在于：所述喷丝头包括有喷头底座、中心杆和若干个行星杆，所述喷头底座设置在溶液槽内，所述中心杆和若干个行星杆设置在喷头底座上，若干个所述行星杆周向设置在中心杆周围，所述中心杆与各个行星杆之间形成爬液通道。

作为本发明的进一步改进，所述喷头底座上设置有与行星杆一一对应的精密轨道，所述精密轨道沿中心杆朝向对应行星杆方向铺设，所述行星杆下端与对应的精密轨道滑动连接，所述喷头底座设置有驱动器，所述驱动器用于推动行星杆在精密轨道内滑移。

作为本发明的进一步改进，所述精密轨道内均设置有滑块，所述滑块与精密轨道滑动连接，所述行星杆下端与滑块固定连接，所述中心杆下方设置有零件腔，所述零件腔与精密轨道贯通，所述驱动器包括有卷收器、联动轴和转动电机，所述卷收器安置于零件腔内，所述卷收器包括有联动齿轮组和拉动带，所述联动齿轮组包括一个主动齿轮和若干从动齿轮，所述从动齿轮和精密轨道一一对应，所述从动齿轮与主动齿轮啮合，所述从动齿轮包括有从动轴，该拉动带一端卷绕从动轴，另一端与滑块固定连接，所述精密轨道背向中心杆一端设置有弹簧件，该弹簧件一端与精密轨道内壁固定连接，另一端与滑块固定连接，该弹簧件具有一个拉动滑块背离中心杆的形变拉力，所述联动轴一端与主动齿轮固定连接，另一端伸出零件腔设置有同步齿轮，该同步齿轮与溶液槽底板转动连接，所述溶液槽外侧面设置有与其转动连接的驱动齿轮，该驱动齿轮与同步齿轮相互啮合，所述转动电机带动驱动齿轮转动。

作为本发明的进一步改进，所述精密轨道限制行星杆与中心杆距离为10μm至3000μm。

作为本发明的进一步改进，所述中心杆上端高于行星杆。

作为本发明的进一步改进，所述溶液槽内设置有至少一个喷丝头。

作为本发明的进一步改进，还包括有溶液输送装置，所述溶液输送装置包括有贮液箱和流体泵，所述贮液箱设置有溶液出口，该溶液出口与流体泵入口连接，所述流体泵出口伸入溶液槽内，所述流体泵供液流量为100μl/hr至120ml/hr。

作为本发明的进一步改进，所述纤维收集器两端设置有电动推杆，电动推杆包括有伸缩杆和固定座，所述纤维收集器与伸缩杆顶部连接，所述固定座用于固定电动推杆。

作为本发明的进一步改进，所述电动推杆行程10mm至500mm。

一种基于上述的一种自吸式电纺装置的纤维毡制备方法：

1)配置纺丝溶液，其纺丝溶液的配方包括高分子溶质和酒精、蒸馏水；

2)将配制好的纺丝溶液存入贮液箱；

3)设定贮液箱的流体泵的供液速度，供液速度为100μl/hr至120ml/hr；

4)设定行星杆和中心杆的杆间距，其间距为10μm至3000μm；

5)设定纤维收集器与喷丝头垂直直线距离，其垂直直线距离为10mm至500mm；

6)设定高压静电发生器的输出电压，其输出电压为0至100KV；

7)收集纤维收集器上的纤维毡。

本发明的有益效果：纺丝溶液置于溶液槽内，高压静电发生器与纤维收集器电性连接，溶液槽接地，使纤维收集器与溶液槽之间形成高压静电场，纺丝溶液相对行星杆和中心杆为浸润液体，纺丝溶液受到行星杆和中心杆表面的分子拉力大于其受到的空气分子拉力，该作用效果使纺丝溶液向行星杆和中心杆间隙扩张，并不断上拉溶液槽内的液体，使纺丝溶液沿行星杆和中心杆间隙向上爬升。爬升至喷头尖端的纺丝溶液在高压静电场作用下发生电液耦合，形成泰勒锥喷射出纺丝射流，以纤维形式沉积在纤维收集器上，由于行星杆和中心杆为开放式通道，可以避免纺丝溶液堵塞喷丝头。

附图说明

图1为实施例的工作示意图；

图2为实施例的喷丝头工作示意图；

图3为实施例的纤维收集器示意图；

图4为实施例的喷丝头横向剖切示意图；

图5为实施例的喷丝头纵向剖切示意图。

附图说明：1、驱动器；2、流体泵；3、贮液箱；4、计算机；5、高压静电发生器；6、纤维收集器；7、电动推杆；8、喷丝头；9、中心杆；10、行星杆；11、精密轨道；12、溶液槽；13、喷头底座；14、拉动带；15、转动电机；16、零件腔；17、主动齿轮；18、从动齿轮；19、滑块；20、弹簧件；21、从动轴；22、伸缩杆；23、固定座；24、驱动齿轮；25、同步齿轮；26、联动轴。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1至5所示，对实施例做出说明：一种自吸式电纺装置，主要包括有溶液槽12、纤维收集器6、高压静电发生器5和喷丝头8，所述纤维收集器6设置于溶液槽12上方，所述高压静电发生器5输出端与纤维收集器6电性连接，高压静电发生器5可选择使用YH100KV型，可以选择使用计算机4调控高压静电发生器5，所述喷丝头8设置在溶液槽12内，该喷丝头8用于吸取溶液槽12内纺丝溶液，所述喷丝头8包括有喷头底座13、中心杆9和若干个行星杆10，所述中心杆9、行星杆10，直径范围为10μm至3000μm，长度范围为10mm至100mm，中心杆9、行星杆10的材质可以为不锈钢、铜质、铁质等导电材质，但纺丝溶液相对于该材质必须是浸润液体。所述喷头底座13设置在容纳槽内，所述中心杆9和若干个行星杆10设置在喷头底座13上，若干个所述行星杆10周向设置在中心杆9周围，所述中心杆9与各个行星杆10之间形成爬液通道。

使用过程中，纺丝溶液置于溶液槽12内，高压静电发生器5与纤维收集器6电性连接，溶液槽12接地，使纤维收集器6与溶液槽12之间形成高压静电场，纺丝溶液相对行星杆10和中心杆9为浸润液体，纺丝溶液受到行星杆10和中心杆9表面的分子拉力大于其受到的空气分子拉力，该作用效果使纺丝溶液向行星杆10和中心杆9间隙扩张，并不断上拉溶液槽12内的液体，使纺丝溶液沿行星杆10和中心杆9间隙向上爬升。爬升至喷头尖端的纺丝溶液在高压静电场作用下发生电液耦合，形成泰勒锥喷射出纺丝射流，以纤维形式沉积在纤维收集器6上，由于行星杆10和中心杆9为开放式通道，可以避免纺丝溶液堵塞喷丝头8。

作为改进的一种具体实施方式，所述喷头底座13上设置有与行星杆10一一对应的精密轨道11，所述精密轨道11沿中心杆9朝向对应行星杆10方向铺设，所述行星杆10下端与对应的精密轨道11滑动连接，所述喷头底座13设置有驱动器1，所述驱动器1用于推动行星杆10在精密轨道11内滑移，当温度、纺丝溶液等条件不变的情况下，纺丝溶液爬升的高度取决于行星杆10与中心杆9之间的杆间距，根据纺丝溶液选择行星杆10和中心杆9间距，使得纺丝溶液理论爬升高度高于或等于喷丝头8顶部，此时纺丝溶液相对同一喷丝头8实际爬升高度为最大值，更易产生泰勒锥。

作为改进的一种具体实施方式，所述精密轨道11内均设置有滑块19，所述滑块19与精密轨道11滑动连接，所述行星杆10下端与滑块19固定连接，所述中心杆9下方设置有零件腔16，所述零件腔16与精密轨道11贯通，所述驱动器1包括有卷收器、联动轴26和转动电机15，所述卷收器安置于零件腔16内，所述卷收器包括有联动齿轮组和拉动带14，所述联动齿轮组包括一个主动齿轮17和若干从动齿轮18，所述从动齿轮18和精密轨道11一一对应，所述从动齿轮18与主动齿轮17啮合，所述从动齿轮18包括有从动轴21，该拉动带14一端卷绕从动轴21，另一端与滑块19固定连接，所述精密轨道11背向中心杆9一端设置有弹簧件20，该弹簧件20一端与精密轨道11内壁固定连接，另一端与滑块19固定连接，该弹簧件20具有一个拉动滑块19背离中心杆9的形变拉力，所述联动轴26一端与主动齿轮17固定连接，另一端伸出零件腔16设置有同步齿轮25，该同步齿轮25与容纳槽底板转动连接，所述容纳槽外侧面设置有与其转动连接的驱动齿轮24，该驱动齿轮24与同步齿轮25相互啮合，所述转动电机15带动驱动齿轮24转动，使得若干行星杆10多工位联动，同时同向运动，保证纺丝液爬升高度一致，保证泰勒锥形成稳定。

作为改进的一种具体实施方式，所述精密轨道11限制行星杆10与中心杆9距离为10μm至3000μm，高于3000μm时纺丝溶液无法在行星杆10和中心杆9之间爬升速度过慢，泰勒锥形成效率过低。

作为改进的一种具体实施方式，所述中心杆9上端高于行星杆10，使得喷丝头8上端为锥形，利于产生泰勒锥。

作为改进的一种具体实施方式，所述溶液槽12内设置有至少一个喷丝头8，多工位同时运作，提升工作效率。

作为改进的一种具体实施方式，还包括有溶液输送装置，所述溶液输送装置包括有贮液箱3和流体泵2，所述贮液箱3设置有溶液出口，该溶液出口与流体泵2入口连接，可以使用计算机4调控流体泵2，所述流体泵2出口伸入溶液槽12内，所述流体泵2供液流量为100μl/hr至120ml/hr，保持泵入纺丝溶液速度与消耗纺丝溶液速度相等，保证喷丝头8吸取纺丝液和纺丝喷射的稳定性。

作为改进的一种具体实施方式，所述纤维收集器6两端设置有电动推杆7，电动推杆7包括有伸缩杆22和固定座23，所述纤维收集器6与伸缩杆22顶部连接，所述固定座23用于固定电动推杆7，固定座23可选择固定在溶液槽12两侧，电动推杆7可根据不同工艺要求调节纤维收集器6和溶液槽12间距。

作为改进的一种具体实施方式，所述电动推杆7行程10mm至500mm，使得纤维收集器6与溶液槽12的间距调节范围为10mm至500mm。

基于上述装置，关于纤维毡的制备方法实施例如下：

1)配置纺丝溶液，配置13％PEO纺丝溶液，溶剂中酒精和蒸馏水体积比为1∶1；

2)将配制好的纺丝溶液存入贮液箱3；

3)在计算机4上设定流体泵2的供液速度900μl/hr，贮液箱3内的纺丝溶液被泵入溶液槽12；

4)在计算机4上设定行星杆10与中心杆9之间的杆间距400μm，驱动器1驱动精密轨道11发生相应位移，使行星杆10与中心杆9的相对位置位于预设值，由于毛细现象，溶液槽12内的纺丝溶液沿着行星杆10和中心杆9的间隙爬升；

5)在计算机4上设定纤维收集器6与喷丝头8的相对距离16cm；

6)在计算机4上设定高压静电发生器5的输出电压52kV，此时纺丝喷头和收集装置之间产生强电场，在中心杆9顶端上爬的纺丝溶液会在强电场作用下形成射流，最终以纤维毡的形式沉积在纤维收集传送装置上，消耗纺丝溶液速度与流体泵2供液速度一致，使得溶液槽12内液面高度保持一致，从而使得纺丝溶液爬升高度维持不变，稳定产生射流；

7)收集纤维收集器6上的纤维毡。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自吸式电纺装置，主要包括有溶液槽(12)、纤维收集器(6)、高压静电发生器(5)和喷丝头(8)，所述纤维收集器(6)设置于溶液槽(12)上方，所述高压静电发生器(5)输出端与纤维收集器(6)电性连接，所述喷丝头(8)设置在溶液槽(12)内，该喷丝头(8)用于吸取溶液槽(12)内纺丝溶液，其特征在于：所述喷丝头(8)包括有喷头底座(13)、中心杆(9)和若干个行星杆(10)，所述喷头底座(13)设置在溶液槽(12)内，所述中心杆(9)和若干个行星杆(10)设置在喷头底座(13)上，若干个所述行星杆(10)周向设置在中心杆(9)周围，所述中心杆(9)与各个行星杆(10)之间形成爬液通道；

所述喷头底座(13)上设置有与行星杆(10)一一对应的精密轨道(11)，所述精密轨道(11)沿中心杆(9)朝向对应行星杆(10)方向铺设，所述行星杆(10)下端与对应的精密轨道(11)滑动连接，所述喷头底座(13)设置有驱动器(1)，所述驱动器(1)用于推动行星杆(10)在精密轨道(11)内滑移；

所述精密轨道(11)内均设置有滑块(19)，所述滑块(19)与精密轨道(11)滑动连接，所述行星杆(10)下端与滑块(19)固定连接，所述中心杆(9)下方设置有零件腔(16)，所述零件腔(16)与精密轨道(11)贯通，所述驱动器(1)包括有卷收器、联动轴(26)和转动电机(15)，所述卷收器安置于零件腔(16)内，所述卷收器包括有联动齿轮组和拉动带(14)，所述联动齿轮组包括一个主动齿轮(17)和若干从动齿轮(18)，所述从动齿轮(18)和精密轨道(11)一一对应，所述从动齿轮(18)与主动齿轮(17)啮合，所述从动齿轮(18)包括有从动轴(21)，该拉动带(14)一端卷绕从动轴(21)，另一端与滑块(19)固定连接，所述精密轨道(11)背向中心杆(9)一端设置有弹簧件(20)，该弹簧件(20)一端与精密轨道(11)内壁固定连接，另一端与滑块(19)固定连接，该弹簧件(20)具有一个拉动滑块(19)背离中心杆(9)的形变拉力，所述联动轴(26)一端与主动齿轮(17)固定连接，另一端伸出零件腔(16)设置有同步齿轮(25)，该同步齿轮(25)与溶液槽(12)底板转动连接，所述溶液槽(12)外侧面设置有与其转动连接的驱动齿轮(24)，该驱动齿轮(24)与同步齿轮(25)相互啮合，所述转动电机(15)带动驱动齿轮(24)转动。

2.根据权利要求1所述的一种自吸式电纺装置，其特征在于：所述精密轨道(11)限制行星杆(10)与中心杆(9)距离为10μm至3000μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种自吸式电纺装置，其特征在于：所述中心杆(9)上端高于行星杆(10)。

4.根据权利要求1或2所述的一种自吸式电纺装置，其特征在于：所述溶液槽(12)内设置有至少一个喷丝头(8)。

5.根据权利要求1所述的一种自吸式电纺装置，其特征在于：还包括有溶液输送装置，所述溶液输送装置包括有贮液箱(3)和流体泵(2)，所述贮液箱(3)设置有溶液出口，该溶液出口与流体泵(2)入口连接，所述流体泵(2)出口伸入溶液槽(12)内，所述流体泵(2)供液流量为100μl/hr至120ml/hr。

6.根据权利要求5所述的一种自吸式电纺装置，其特征在于：所述纤维收集器(6)两端设置有电动推杆(7)，电动推杆(7)包括有伸缩杆(22)和固定座(23)，所述纤维收集器(6)与伸缩杆(22)顶部连接，所述固定座(23)用于固定电动推杆(7)。

7.根据权利要求6所述的一种自吸式电纺装置，其特征在于：所述电动推杆(7)行程10mm至500mm。

8.一种基于权利要求7所述自吸式电纺装置的纤维毡制备方法：

1)配置纺丝溶液，其纺丝溶液的配方包括高分子溶液和酒精、蒸馏水；

2)将配制好的纺丝溶液存入贮液箱(3)；

3)设定贮液箱(3)的流体泵(2)的供液速度，供液速度为100μl/hr至120ml/hr；

4)设定行星杆(10)和中心杆(9)的杆间距，其间距为10μm至3000μm；

5)设定纤维收集器(6)与喷丝头(8)垂直直线距离，其垂直直线距离为10mm至500mm；

6)设定高压静电发生器(5)的输出电压，其输出电压为0至100KV；

7)收集纤维收集器(6)上的纤维毡。