CN109402746A - 一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头。喷头包括圆柱形喷头和带网状缺口的圆柱形供液装置组成。圆柱形供液装置通过软管与圆柱形喷头外侧的溶液推进器连接，圆柱形喷头的外壳与高压发生器连接。圆柱形供液装置由电动机二驱动，相对圆柱形喷头转动。为避免溶液因聚集而产生的滴落，圆柱形供液装置在圆柱形喷头内旋转，圆柱形供液装置上的网格轮流对准纺丝金属滚筒，网格处的液滴轮流从圆柱形喷头的缝隙进行静电纺丝，多余的液体在圆柱形喷头处被刮除，使得纺丝过程可以稳定连续地进行。本发明通过网状圆筒内的液面高度的控制，对溶液压力进行控制,在圆柱面上的缝隙边缘产生电荷积聚，圆柱形供液装置上的网格轮流对准纺丝金属滚筒，以实现网状双筒的静电纺丝。

Description

一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头
技术领域
本发明涉及一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置喷头，属于静电纺丝和纺织机械技术领域。
背景技术
静电纺丝技术始于20世纪30年代，是一种直接生产纳米纤维的常用方法。该方法工艺流程短，操作简单，其产品多用于高效的过滤材料、生物医学材料、化学传感器等高科技领域。
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种可以制造连续的聚合物纳米纤维的方法。
静电纺丝是制备纳米纤维材料的最有效方式之一，相比于拉伸法、模板合成法、自组装等纳米材料的制备技术，静电纺丝具有操作简单、制备流程短、材料选择广泛等优点。而与传统纺织纤维材料相比，纳米纤维材料由于极小的尺度，拥有许多在大尺度下难以展现的特性，比如明显的表面与界面效应，特有的小尺寸效应，极大的比表面积和极高的孔隙率等。因此纳米纤维材料拥有更广泛的应用领域，比如在空气过滤，油水分离，医用辅料，组织工程支架等方向，纳米纤维材料都发挥着令整个行业为之瞩目的作用，使其拥有非常光明的应用前景。
传统的静电纺丝装置以单针头或多针头为主，但是该两种装置都存在产量低的缺陷，难以满足产业所需的生产量。近年来，设计改造静电纺丝装置，提高其纳米纤维的产量已经成为静电纺丝技术领域的一大研究热点。在全世界范围内，批量化生产静电纺纳米纤维的装置和方法也井喷式地不断涌现。其中最知名的就是Elmarco公司依托捷克利贝雷茨工科大学开发的Nanospider静电纺丝装置，其最早实现了静电纺纳米纤维的商业化生产。
目前实现批量化生产静电纺丝纳米纤维的设备，其纺丝方向大多是反重力式的自下而上，而在传统的纤维材料领域，纤维的收集方向恰恰相反，因此这一方向的技术缺失，局限了静电纺丝在实际生产中的应用。而限制其方向的重要原因是供液方式，对于批量化生产设备而言，大量的纺丝液需要被供给，而改变其装置的方向则极容易使得溶液外漏，无法连续生产并影响纺丝过程。因此，设计一种既能批量化生产静电纺纳米纤维又能改变其纺丝方向，并保证纺丝过程连续稳定静电纺丝装置是尤为必要的。
专利ZL201810375660.6一种顺重力圆柱形静电纺丝装置及方法，公布了一种解决目前静电纺丝由下向上纺丝的局限，可以实现由上向下纺丝。但是其存在如下缺陷，圆柱型喷头依靠从圆柱形供液装置溢出的溶液纺丝，溶液在圆柱型喷头的聚集程度无法控制，最终导致静电纺丝的直径无法控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前批量化生产静电纺丝纳米纤维的技术，其纺丝方向是较为单一的自下而上，局限了静电纺丝技术更广泛的应用。溶液在静电纺丝喷头的聚集程度是完全可控的，从而保证了纤维丝的直径。喷头中的带网状缺口的圆柱形供液装置在电动机的带动下旋转，根据需要将喷射的纤维丝截断。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：提供一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置，其特征在于，包括圆柱形喷头，圆柱形喷头内设有带网状缺口的圆柱形供液装置，圆柱形供液装置通过软管与圆柱形喷头外侧的溶液推进器连接，圆柱形喷头的外壳与高压发生器的正极连接；电机驱动圆柱形供液装置与圆柱形喷头发生相对转动，圆柱形喷头下方设有带变频电机一的金属滚筒，其外壳接地。
供液装置采用带网状缺口圆柱形供液装置，避免了溶液因聚集而产生的滴落，圆柱形供液装置在圆柱形喷头内旋转，圆柱形供液装置上的网格轮流对准纺丝金属滚筒，网格处的液滴轮流从圆柱形喷头的缝隙进行静电纺丝，多余的液体在圆柱形喷头处被刮除，使得纺丝过程可以稳定连续地进行。
优选地，所述圆柱形喷头为中空结构的圆柱体，其壁厚为10-20mm，长度为400-600mm，截面直径为200-400mm；圆柱形喷头下方喷口的宽度为1-3mm，喷口两侧的壁厚为0.1-0.5mm，喷口至正常壁厚之间为宽度5mm的倒角。
优选地，所述圆柱形供液装置为中空结构的圆柱体，其长度为300-500mm，
截面直径为40-80mm；圆柱形供液装置开有网状缺口，该缺口的为圆形，直径为2-8mm。
网状缺口沿着圆柱形供液装置的外表面圆周均匀分布，沿圆柱形供液装置
的轴线方向的间距为4-16mm。
优选地，所述圆柱形喷头的截面与圆柱形供液装置的截面内切。
优选地，所述圆柱形喷头的材质为黄铜，圆柱形供液装置的材质为聚四氟乙烯。
优选地，所述金属滚筒与圆柱形喷头之间的距离为100-300mm。
本发明还提供了一种网状双筒圆柱形静电纺丝方法，其特征在于，采用上述网状双筒圆柱形静电纺丝装置，包括以下步骤：
步骤1):打开溶液推进器，溶液通过软管注入到圆柱形供液装置的中空结构内，当溶液液面预定页面位置时，及时停止供应溶液，使得圆柱形供液装置的网格缺口有液滴突出但未滴落；
步骤2):打开变频电机一，使金属滚筒转动；
步骤3):打开变频电机二，使圆柱形供液装置转动；
步骤4):打开高压发生器，为圆柱形喷头施加正电压，当电压超过临界阈值时，在喷口下方的纺丝面上形成多根射流，在电场力的作用下，射流向金属滚筒迅速运动，随着溶剂的挥发，最终沉积在金属滚筒表面。
优选地，所述步骤3)中高压发生器产生的电压施加在圆柱形喷头的外壳上，电压调节范围在0-100kV。
本发明设计了一种可以自上而下网状双筒方向进行静电纺丝的装置和方法，相比于目前的批量化静电纺丝技术，实现了纺丝方向上的突破;该静电纺丝技术采用圆柱形喷头，进行无针式批量化静电纺纳米纤维的制备，既避免了喷头的堵塞，也大大增加了产量；供液装置采用带网状缺口圆柱形供液装置，避免了溶液因聚集而产生的滴落，圆柱形供液装置在圆柱形喷头内旋转，圆柱形供液装置上的网格轮流对准纺丝金属滚筒，网格处的液滴轮流从圆柱形喷头的缝隙进行静电纺丝，多余的液体在圆柱形喷头处被刮除，使得纺丝过程可以稳定连续地进行；此外，该装置构造简单，便于清洁和操作。所以利用本发明可以实现网状双筒方向的批量化静电纺丝过程，突破了批量化制备静电纺纳米纤维生产方向上的局限，拓宽了静电纺丝技术的应用前景。
附图说明
图1为实施例提供的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的结构示意图；
图2为圆柱形喷头与圆柱形供液装置的示意图；
图3网状圆柱形供液装置的示意图。
图中：1圆柱形喷头，2带网状缺口的圆柱形供液装置，3高压发生器，4射流，5金属滚筒，6变频电机一，7软管，8溶液推进器，9变频电机二，10网格，
2-1圆柱形供液装置，2-2网状缺口。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1-3所示，为本实施例提供的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的结构示意图，包括圆柱形喷头1，圆柱形喷头1内设有带网状缺口的圆柱形供液装置2，圆柱形供液装置2通过软管7与圆柱形喷头1外侧的溶液推进器8连接，圆柱形喷头1的外壳与高压发生器3的正极连接；圆柱形喷头1下方设有带变频电机一6的金属滚筒5，其外壳接地；带网状缺口的圆柱形供液装置2与变频电机二9相互连接。金属滚筒5与圆柱形喷头1之间的距离为200mm。
圆柱形喷头1为中空结构的圆柱体，其壁厚为10-20mm，长度为400-600mm，截面直径为200-400mm;圆柱形喷头1下方喷口的宽度为1-3mm，喷口两侧的壁厚为0.1-0.5mm，喷口至正常壁厚之间为宽度5mm的倒角。带网格的圆柱形供液装置2为中空结构的圆柱体，其长度为300- 500mm，截面直径为40-80mm圆柱形供液装置2上开有网格缺口，该缺口形状为圆形，圆形直径范围为2-8mm。
网状缺口沿着圆柱形供液装置的外表面圆周均匀分布，沿圆柱形供液装置的轴线方向的间距为4-16mm。
圆柱形喷头1的截面与圆柱形供液装置2的截面内切。圆柱形喷头1的材质为黄铜，圆柱形供液装置2的材质为聚四氟乙烯。
一种网状双筒圆柱形静电纺丝方法：
步骤1:溶液选用质量浓度为10%的聚丙烯腈（PAN)的N，二甲基甲酰胺（DMF)溶 液;将配置好的聚合物溶液装入溶液推进器8中，打开溶液推进器8，溶液通过软管7注入到圆柱形供液装置2的中空结构内，当溶液液面预定页面位置时，及时停止供应溶液，使得圆柱形喷头1与圆柱形供液装置2之间注满纺丝溶液但未滴落；
步骤2：打开变频电机一6，使金属滚筒5转动(转速为60r/min)；
步骤3:打开变频电机二9，使圆柱形供液装置2转动(转速为5r/min)；
步骤4:打开高压发生器3，缓慢增加电压至50-55kV，为圆柱形喷头1的外壳施加正电压，当电压超过临界阈值时，在喷口下方的纺丝面上形成多根射流4，在电场力的作用下，射流4向金属滚筒5迅速运动，随着溶剂的挥发，最终沉积在金属滚筒5表面。

Claims (9)

1.一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，由圆柱形喷头（1）和有带网状缺口的圆柱形供液装置（2）组成。
2.一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，圆柱形供液装置（2）通过软管（7）与圆柱形喷头（1）外侧的溶液推进器（8）连接，圆柱形喷头（1）的外壳与高压发生器（3）的正极连接。
3.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，所述圆柱形喷头（1)为中空结构的圆柱体，其壁厚为10-20mm，长度为400-600mm，截面直径为200-400mm；圆柱形喷头（1）下方喷口的宽度为1-3mm，喷口两侧的壁厚为0.1-0.5mm，喷口至正常壁厚之间为宽度5mm的倒角。
4.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，所述带网格缺口的圆柱形供液装置(2)为中空结构的圆柱体，其长度为300-500mm，截面直径为40-80mm。
5.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，圆柱形供液装置(2)开有网状缺口，该缺口为圆形，直径范围为2-8mm。
6.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，网状缺口沿着圆柱形供液装置的外表面圆周均匀分布，沿圆柱形供液装置的轴线方向的间距为4-16mm。
7.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，圆柱形供液装置(2)由变频电机二(9)驱动，相对圆柱形喷头（1)转动。
8.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，所述圆柱形喷头（1)的截面与圆柱形供液装置（2)的截面内切。
9.如权利要求1所述的网状双筒圆柱形静电纺丝装置的喷头，其特征在于，所述圆柱形喷头（1)的材质为黄铜，圆柱形供液装置⑵的材质为聚四氟乙烯。
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