CN109735903A

CN109735903A - 一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置

Info

Publication number: CN109735903A
Application number: CN201910184013.1A
Authority: CN
Inventors: 张有忱; 陈晓青; 李好义; 许浩; 姚子琪; 丁玉梅; 杨卫民
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明公开了一种聚合物溶液粘度可调的静电纺丝装置，属于静电纺丝技术领域。装置主要包括动密封装置、储液槽、流量计、保温箱、温度调节器、供液罐、接收板、圆锥离心盘、离心吸液口、直流高压静电发生器、转轴、联轴器、电机和凸棱。采用圆锥离心盘作为纺丝喷头，通过控制圆锥离心盘的转速和离心盘内的凸棱尺寸厚度来调节离心盘内聚合物溶液的运动状态和溶液纺丝粘度，目的在于提供一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，以解决静电纺丝过程中聚合物溶液粘度难以控制的问题。本发明一种聚合物溶液粘度可调的静电纺丝装置还利用恒温箱和温度调节器控制温度，进而辅助控制溶液粘度。本发明整体纺丝装置结构简单、操作方便、成本较低。

Description

一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种溶液粘度单向可调的静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种能够直接、连续制备纳米纤维的方法，被行业公认为是宏量制备纳米纤维的重要途经之一。静电纺丝技术制备的纳米纤维具有纤维直径小，孔隙率高，比表面积大等优良特性，在电子、信息、生物、医药、环境、能源等领域具有广阔的应用前景。

静电纺丝过程中聚合物溶液粘度是影响纳米纤维直径，形貌和成形状态的一个重要参数。在溶液静电纺丝法中，调节聚合物溶液粘度是一个比较困难的问题，中国专利ZL201310597147.9公开了一种可调聚合物溶液粘度的静电纺丝装置，利用加热装置对热气流进行加热，通过控制料桶中纺丝溶液的温度，进而控制聚合物溶液的粘度。但是在溶液静电纺丝中，当溶液浓度较低时，聚合物溶液的粘度受温度影响微乎其微。调节聚合物纺丝溶液的粘度来获得高质量的纳米纤维是一个关键技术，因此需要开发一个安全可靠，可用于适应于大部分聚合物溶液的粘度调控的装置。

发明内容

本发明提出一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，采用圆锥离心盘作为纺丝喷头，通过控制圆锥离心盘的转速和离心盘内的凸棱尺寸厚度来调节离心盘内聚合物溶液的运动状态和溶液纺丝粘度，目的在于提供一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，以解决静电纺丝过程中聚合物溶液粘度难以控制的问题。

本发明采用的技术方案是：一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，主要包括动密封装置、储液槽、流量计、保温箱、温度调节器、供液罐、接收板、圆锥离心盘、离心吸液口、直流高压静电发生器、转轴、联轴器、电机和凸棱。电机通过联轴器与转轴连接，转轴与圆锥离心盘螺纹连接，圆锥离心盘底面与储液槽重合，储液槽与联轴器之间设置一个动密封装置，储液槽右边是供液系统和温度调节系统，供液系统包括流量计和供液罐，温度调节系统包括保温箱和温度调节器。接收板水平放置在圆锥离心盘的正上方5-40cm处，并通过导线接地。高压静电发生器的正极连接在动密封装置边缘上，负极接地。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，圆锥离心盘的直径范围是20-50cm，锥面倾斜角度为10-60度，圆锥离心盘种类选用导电金属如铜、铝、钢等材质。锥面偏下方开四个离心吸液口，吸液口直径2-8mm。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，在圆锥离心盘内壁面固定分布的凸棱形状可为长短直线条、弧线条或螺旋形条等，凸棱厚度约1-10mm。凸棱材质为有机玻璃、聚丙烯等绝缘不导电材料。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，整体纺丝装置中的直流高压静电发生器和接地线可以正接，也可反接。正接时，直流高压静电发生器的正极连接在动密封装置上，接收板接地。反接时，直流高压静电发生器的正极连接在接收板上，动密封装置接地。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，转轴为绝缘性良好，刚度较好的不导电材质，具有较好的刚度和硬度。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，流量计可调流量范围为0.1-5L/h。可选用转子流量计，质量流量计，容积式流量计等。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，恒温箱为绝缘不导电材质，恒温箱容积1-20L。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，温度调节器的温度调节范围为0-150℃，可连续调节温度范围。可选用压力式温度调节器或电子式温度调节器等。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，储液槽高度3-10cm，壁厚1为不导电绝缘材质，可选用有机玻璃、聚丙烯等。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，电机转速可调范围0-1000rpm。可选用电磁式直流电机或步进电机。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，通过控制剪切速率可单向调控纺丝溶液的粘稠度，用于剪切变稠的高体积分数的胶体悬浮液和非布朗颗粒体系，例如SiO2/PEG200，含淀粉类等剪切增稠液体。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，通过控制剪切速率可单向调控纺丝溶液的稀度，可用于剪切变稀的大部分非牛顿流体聚合物纺丝溶液，例如PVA，PEO等剪切变稀液体。

本发明与现有的技术相比具有如下优点：

(1)通过控制圆锥离心盘的转速和离心盘内的凸棱尺寸厚度来调节离心盘内聚合物溶液的剪切运动速度，利用物理上剪切变稀或增稠的物理规律，可方便快捷的单向调节聚合物溶液纺丝的粘度；

(2)利用恒温箱和温度调节器控制温度，进而辅助控制溶液粘度。整体纺丝装置结构简单、操作方便、成本较低。

附图说明

图1是本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置的示意图。

图2是图1所示的圆锥离心盘的俯视示意图。

图1中：1-动密封装置，2-储液槽，3-流量计，4-保温箱，5-温度调节器，6-供液罐，7-接收板，8-圆锥离心盘，9-离心吸液口，10-直流高压静电发生器，11-转轴，12-联轴器，13-电机，14-凸棱；图2中，a为长短直线条凸棱，b为弧线条凸棱，c为螺旋形条凸棱。

具体实施方式

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，示意图如图1所示，主要包括动密封装置1、储液槽2、流量计3、保温箱4、温度调节器5、供液罐6、接收板7、圆锥离心盘8、离心吸液口9、直流高压静电发生器10、转轴11、联轴器12、电机13和凸棱14。

电机13通过联轴器12与转轴11连接，转轴11与圆锥离心盘8螺纹连接，圆锥离心盘8底面与储液槽2重合，储液槽2与联轴器12之间设置一个动密封装置1，储液槽2右边是供液系统和温度调节系统，供液系统包括流量计3和供液罐6，温度调节系统包括保温箱4和温度调节器5。接收板7水平放置在圆锥离心盘8的正上方5-40cm处，并通过导线接地。10直流高压静电发生器的正极连接在动密封装置1边缘上，负极接地。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其具体操作步骤为：配置聚合物溶液放置于供液罐6内作为纺丝溶液。开启恒温箱4并调节温度控制器5，调节供液罐6的纺丝溶液温度数值。开启电机13并调节一定的转速，待锥面离心盘8处于恒速转动状态。调节流量计3给一定的聚合物溶液流量，锥面离心盘8旋转时，底部的吸液口会产生一定的负压，将储液槽2内的聚合物纺丝溶液吸入锥面离心盘8内。其次，见图2所示的离心盘上的凸棱布置图，纺丝溶液并贴在盘内壁作旋转上升的圆周运动直到壁面一定高度，在锥面离心盘8中凸棱14的作用下溶液剪切变稀或变稠，凸棱布置有三种方式，a为长短直线条凸棱，b为弧线条凸棱，c为螺旋形条凸棱。此时，启动直流高压静电发生器10，施加一定的电压，锥面离心盘8内的薄层纺丝溶液会在高压静电场的作用下激发大量的溶液射流并沉积收集到接收板7上。调节锥面离心盘8不同的转速和恒温箱4不同的温度，以及替换不同的凸棱14，皆可改变聚合物溶液的剪切运动状态，进而改变溶液的粘度。

本发明一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置的一个具体实施例，如图1所示，配置10％的聚乙烯醇(PVA)溶液作为纺丝原料放入供液罐内，恒温箱温度控制为50℃，电机转速调节为240rpm，纺丝溶液达到适合的一个纺丝粘度后，调节流量计给定速度为200ml/h。将接收板放在离锥面离心盘顶面正上方15cm处，开启高压静电发生器，施加30kV的电压。聚合物纺丝溶液在高压静电场的作用下被激发形成连续射流，射流经过摆动、蒸发、细发过程，最后在接收板上收集到纳米纤维。该装置可高效批量化制备纳米纤维，纳米纤维的产量达50-200g/h。

Claims

1.一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：主要包括动密封装置、储液槽、流量计、保温箱、温度调节器、供液罐、接收板、圆锥离心盘、离心吸液口、直流高压静电发生器、转轴、联轴器、电机和凸棱，电机通过联轴器与转轴连接，转轴与圆锥离心盘螺纹连接，圆锥离心盘底面与储液槽重合，储液槽与联轴器之间设置一个动密封装置，储液槽右边是供液系统和温度调节系统，供液系统包括流量计和供液罐，温度调节系统包括保温箱和温度调节器；接收板水平放置在圆锥离心盘的正上方5-40cm处，并通过导线接地；高压静电发生器的正极连接在动密封装置边缘上，负极接地；圆锥离心盘材料为导电金属；圆锥离心盘锥面偏下方开离心吸液口；供液罐或储液槽中的物料具有剪切变稀或剪切变稠特性。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：圆锥离心盘的直径范围是20-50cm，锥面倾斜角度为10-60度，圆锥离心盘材料选用铜、铝或钢，锥面偏下方开四个离心吸液口，吸液口直径2-8mm。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：在圆锥离心盘内壁面固定分布的凸棱形状可为长短直线条、弧线条或螺旋形条，凸棱材质为绝缘不导电材料。

4.根据权利要求3所述的一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：凸棱厚度约1-10mm；凸棱材质为有机玻璃或聚丙烯。

5.根据权利要求1所述的一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：恒温箱为绝缘不导电材质，恒温箱容积1-20L。

6.根据权利要求1所述的一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：供液罐或储液槽中的物料为高体积分数的胶体悬浮液和非布朗颗粒体系。

7.根据权利要求1所述的一种聚合物溶液粘度单向可调的静电纺丝装置，其特征在于：供液罐或储液槽中的物料PVA溶液或PEO溶液。