CN109837597B - 一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头及其使用方法，所述适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头包括碗形金属喷头模块、纺丝液曲率调控模块、纺丝液流体形态控制模块和安装调整装置。本发明采用材质为聚四氟乙烯的纺丝液流体形态控制模块和纺丝液曲率调控模块可以约束喷头运动过程中喷头表面纺丝液曲率不发生显著波动，同时又不对纺丝喷头电场产生干扰。该术在不干扰电场调控的基础上可以稳定纺丝液自由液面，调控纺丝液曲率，减少溶剂挥发，并可适应喷头高速运动需求，实现喷头高速运动时窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备。

Description

一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头 及其使用方法

技术领域

本发明属于纳米纤维和纺织机械技术领域，特别涉及一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头及其使用方法。

背景技术

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一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维的方法。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维成为工程材料科学界的研究热点。

传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微量注射泵控制，高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地。高压电源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥，当高压电源电压进一步增大，电场力会克服高聚物溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达接地金属收集板，在这个过程中，溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。

传统的静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低，很难满足纳米纤维在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。

当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。中国专利200710036447.4公开了一种喷气式静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通入气体在高聚物自由液面形成气泡，气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量，但在机理上气泡形成泰勒锥破裂的同时有许多形状大小不一的气泡碎片被电场力拉伸，造成纤维的直径分布较宽。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发，纺丝方向受限；中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这种方法可以实现纳米纤维的批量化制备，但伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质，并且自由液面边缘溶液曲率不可调控；中国专利201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，该装置可以提高单位时间内纳米纤维的产量，纺丝方向不受限，但是存在针头易堵塞的缺点，同时，针头的排列方式要考虑到施加高压静电后电场之间的相互影响，所以多针头静电纺丝装置的设计较为繁琐和复杂，难以实现批量化生产纤维直径分布可控的纳米纤维产品。发明人申请的中国专利201810375589.1公开了液面曲率与电场分离控制的静电纺丝喷头及其纺丝方法，实现了在不干扰电场调控的基础上可以稳定和调控纺丝液自由液面曲率，减少溶剂挥发，实现窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备，但是该喷头对喷头水平位置要求较高，在高速运动时，低粘度的纺丝液面容易失稳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头及其使用方法，解决目前喷头高速运动的批量静电纺丝过程中自由液面不稳定，待纺纺丝液自由液面过大，待纺纺丝液溶剂易挥发的问题，同时实现静电纺丝过程中电场和纺丝液曲率的精准设计调控，实现窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头，包括碗形金属喷头模块、纺丝液曲率调控模块、纺丝液流体形态控制模块和安装调整装置；碗形金属喷头模块为底部中空的碗状金属块，纺丝液曲率调控模块侧壁与碗形金属喷头模块内壁吻合，均为倒圆台状，都安装在安装调整装置上；纺丝液流体形态控制模块同心设置在纺丝液曲率调控模块和碗形金属喷头模块之间。

进一步碗形金属喷头模块材质为金属铜。

进一步，纺丝液曲率调控模块侧壁与碗形金属喷头模块内壁吻合，均为倒圆台状，上部为球面状，纺丝液流体形态控制模块为12瓣花形。

进一步，纺丝液曲率调控模块侧壁锥角为0-180°，上部的球面与下部倒置圆台连接处有0.5-5cm圆形倒角，材质为聚四氟乙烯；纺丝液流体形态控制模块每瓣长度为20-100mm，材料为聚四氟乙烯。

进一步，安装调整装置包括过渡聚四氟乙烯绝缘块和聚四氟乙烯绝缘座；碗形金属喷头模块底部与过渡聚四氟乙烯绝缘块相连，固定安装在聚四氟乙烯绝缘座外壁上；纺丝液曲率调控模块安装在聚四氟乙烯绝缘座内壁中，可上下调节和聚四氟乙烯绝缘座的相对高度，形成一定宽度的环形狭缝通道。

进一步，环形狭缝通道宽度为0-20mm。

本发明还提供一种利用适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头进行静电纺丝的方法，主要包括以下步骤：

1)将金属圆柱滚筒接地，碗形金属喷头模块与高压发生器正极相连，调整金属圆柱滚筒和适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头的距离；

2)调节纺丝液曲率调控模块和聚四氟乙烯绝缘座的相对高度形成一定宽度的环形狭缝通道；

3)打开金属圆柱滚筒的驱动电机，并设置金属圆柱滚筒的转速；

4)打开供液控制装置的开关，调节纺丝液温度，向环形狭缝通道注入一定量的高聚物纺丝液；

5)设置适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头往复运动速度；

6)打开高压发生器开关，缓慢增加电压至所需纺丝电压；

7)大量射流在一定曲率的纺丝液表面产生；

8)射流在高压静电场作用下飞向金属圆柱滚筒，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在金属圆柱滚筒上形成大量纳米纤维。

进一步，金属圆柱滚筒直径为80mm-1200mm，电机转速为0-100r/min，高压发生器电压调节范围为0-100KV，适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头在金属圆柱滚筒正下方往复运动，运动速度为0-2000mm/s。

进一步，碗形金属喷头模块与导液管相连，导液管另一端与纺丝液储液槽相连，外部安装有供液控制装置；纺丝液储液槽为圆柱体，材质为聚四氟乙烯，储有高聚物纺丝液。

进一步，供液控制装置包括绝缘的蠕动泵和纺丝液加热模块，通过蠕动泵向环形狭缝通道注入一定量的高聚物纺丝液，纺丝液加热模块可以控制注入的高聚物纺丝液的温度，注入的高聚物纺丝液温度在-10℃～50℃之间，供给流量为0-100mL/min。

本发明的有益效果在于采用材质为聚四氟乙烯的纺丝液流体形态控制模块可以约束喷头运动过程中喷头表面纺丝液曲率不发生显著波动，材质为聚四氟乙烯的纺丝液曲率调控模块，既可以约束纺丝液曲率又不对纺丝喷头电场产生干扰；该技术在不干扰电场调控的基础上可以稳定纺丝液自由液面，调控纺丝液曲率，减少溶剂挥发，并可适应喷头高速运动需求，实现喷头高速运动时窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备，该技术简单易行，在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。

附图说明

图1为适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头喷头示意图；

图2为适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头喷头内部示意图；

图3为适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头喷头上视图；

图4为适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头喷头纺丝示意图；

1、高聚物纺丝液，2、聚四氟乙烯绝缘座，3、过渡聚四氟乙烯绝缘块，4、高压发生器，5、纺丝液流体形态控制模块，6、碗形金属喷头模块，7、圆形倒角，8、射流，9、电机，10、金属圆柱滚筒，11、纳米纤维，12、地，13、纺丝液曲率调控模块，14、环形狭缝通道，15、导液管，16、供液控制装置，17、纺丝液储液槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头，包括碗形金属喷头模块6、纺丝液曲率调控模块13和纺丝液流体形态控制模块5。

碗形金属喷头模块6为底部中空的铜质碗状金属块，与高压发生器4正极相连，高压发生器4电压调节范围为0-100KV。碗形金属喷头模块6底部与过渡聚四氟乙烯绝缘块3相连，通过过渡聚四氟乙烯绝缘块3相连固定安装在聚四氟乙烯绝缘座2外壁上。

纺丝液曲率调控模块13材质为聚四氟乙烯，侧壁与碗形金属喷头模块6内壁吻合，均为倒圆台状，锥角为0-180°，安装在聚四氟乙烯绝缘座2内壁中，可上下调节和聚四氟乙烯绝缘座2的相对高度，形成0-20mm宽的环形狭缝通道14。纺丝液曲率调控模块上部为球面状，球面与下部倒置圆台连接处有0.5-5cm圆形倒角7。

纺丝液流体形态控制模块5为12瓣花形，每瓣长度为20-100mm，材料为聚四氟乙烯，同心安装在纺丝液曲率调控模块13和碗形金属喷头模块6之间；

导液管15一端与碗形金属喷头模块6相连，另一端与纺丝液储液槽17相连，外部安装有供液控制装置16。供液控制装置16包括绝缘的蠕动泵和纺丝液加热模块，可以控制纺丝液温度为-10摄氏度～50摄氏度，纺丝液供给流量0-100mL/min。纺丝液储液槽17为圆柱体，材质为聚四氟乙烯，储有高聚物纺丝液1；

适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头上方一定距离处有一直径为80mm-1200mm的金属圆柱滚筒10，金属圆柱滚筒10接地12或与高压发生器负极相连。电机9与金属圆柱滚筒10相连，驱动金属圆柱滚筒10旋转，电机9转速为0-100r/min。

适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头在金属滚筒10正下方往复运动，运动速度为0-2000mm/s；

本发明还提供一种利用适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头进行静电纺丝的方法，主要包括以下步骤：

(1)将金属滚筒10接地，调整金属圆柱滚筒10和适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头的距离；

(2)调节纺丝液曲率调控模块13和聚四氟乙烯绝缘座2的相对高度形成一定宽度的环形狭缝通道14；

(3)打开接收装置金属圆柱滚筒10的驱动电机9，并设置滚筒10转速；

(4)打开供液控制装置16的开关，调节纺丝液温度，通过蠕动泵向环形狭缝通道14注入一定量的高聚物纺丝液1；

(5)设置适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头往复运动速度；

(6)打开高压发生器开关4，缓慢增加电压至所需纺丝电压；

(7)大量射流8在一定曲率的纺丝液表面产生；

(8)射流8在高压静电场作用下飞向金属滚筒10，溶剂挥发，射流8拉伸固化沉积在金属滚筒10上形成大量纳米纤维11。

实施例1

下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％。将金属滚筒10接地，调整金属圆柱滚筒10和适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头的距离为20cm；调节纺丝液曲率调控模块13和聚四氟乙烯绝缘座2的相对高度形成一定宽度的环形狭缝通道14为0.5mm；打开接收装置金属圆柱滚筒10的驱动电机9，并设置滚筒10转速为60r/min；打开供液控制装置16的开关，通过蠕动泵向环形狭缝通道14注入一定量的高聚物纺丝液1至表面溶液完全饱满；设置适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头往复运动速度为1000mm/s；打开高压发生器开关4，缓慢增加电压至70KV；大量射流8在一定曲率的纺丝液表面产生；射流8在高压静电场作用下飞向金属滚筒10，溶剂挥发，射流8拉伸固化沉积在金属滚筒10上形成大量纳米纤维11。

实施例2

本实施例与实施例1相似，不同之处在于：配制的PAN高聚物溶液的质量分数为12％；金属圆柱滚筒10和适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头的距离调整为18cm；纺丝液曲率调控模块13和聚四氟乙烯绝缘座2之间形成的一定宽度的环形狭缝通道14为0.6mm；滚筒10转速设置为80r/min；适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头往复运动速度设置为1200mm/s；高压发生器开关4电压调整至80KV。

实施例3

本实施例与实施例1相似，不同之处在于：配制的PAN高聚物溶液的质量分数为14％；金属圆柱滚筒10和适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头的距离调整为25cm；纺丝液曲率调控模块13和聚四氟乙烯绝缘座2之间形成的一定宽度的环形狭缝通道14为0.7mm；滚筒10转速设置为90r/min；适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头往复运动速度设置为1500mm/s。

以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头，其特征是,包括碗形金属喷头模块(6)、纺丝液曲率调控模块(13)、纺丝液流体形态控制模块(5)和安装调整装置；所述碗形金属喷头模块(6)为底部中空的碗状金属块，所述纺丝液曲率调控模块(13)侧壁与所述碗形金属喷头模块(6)内壁吻合，均为倒圆台状，都安装在所述安装调整装置上；所述纺丝液流体形态控制模块(5)同心设置在所述纺丝液曲率调控模块(13)和所述碗形金属喷头模块(6)之间。

2.如权利要求1所述的适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头,其特征是，所述碗形金属喷头模块(6)材质为金属铜。

3.如权利要求1所述的适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头,其特征是，所述纺丝液曲率调控模块(13)侧壁与所述碗形金属喷头模块(6)内壁吻合，均为倒圆台状，上部为球面状，所述纺丝液流体形态控制模块(5)为12瓣花形。

4.如权利要求3所述的适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头,其特征是，所述纺丝液曲率调控模块(13)侧壁锥角为0-180°，上部的球面与下部倒置圆台连接处有0.5-5cm圆形倒角(7)，材质为聚四氟乙烯；所述纺丝液流体形态控制模块(5)每瓣长度为20-100mm，材料为聚四氟乙烯。

5.如权利要求1所述的适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头,其特征是，所述安装调整装置包括过渡聚四氟乙烯绝缘块(3)和聚四氟乙烯绝缘座(2)；所述碗形金属喷头模块(6)底部与所述过渡聚四氟乙烯绝缘块(3)相连，固定安装在所述聚四氟乙烯绝缘座(2)外壁上；所述纺丝液曲率调控模块(13)安装在所述聚四氟乙烯绝缘座(2)内壁中，可上下调节和所述聚四氟乙烯绝缘座(2)的相对高度，形成一定宽度的环形狭缝通道(14)。

6.如权利要求5所述的适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头,其特征是，所述环形狭缝通道(14)宽度为0-20mm。

7.一种利用如权利要求5所述的适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头进行静电纺丝的方法，主要包括以下步骤：

1)将金属圆柱滚筒(10)接地(12)，碗形金属喷头模块(6)与高压发生器(4)正极相连，调整金属圆柱滚筒(10)和适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头的距离；

2)调节纺丝液曲率调控模块(13)和聚四氟乙烯绝缘座(2)的相对高度形成一定宽度的环形狭缝通道(14)；

3)打开接收装置金属圆柱滚筒(10)的驱动电机(9)，并设置金属圆柱滚筒(10)的转速；

4)打开供液控制装置(16)的开关，调节纺丝液温度，向环形狭缝通道(14)注入一定量的高聚物纺丝液(1)；

5)设置适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头往复运动速度；

6)打开高压发生器(4)开关，缓慢增加电压至所需纺丝电压；

7)大量射流(8)在一定曲率的纺丝液表面产生；

8)射流(8)在高压静电场作用下飞向金属圆柱滚筒(10)，溶剂挥发，射流(8)拉伸固化沉积在金属圆柱滚筒(10)上形成大量纳米纤维(11)。

8.如权利要求7所述的静电纺丝的方法,其特征是，所述金属圆柱滚筒(10)直径为80mm-1200mm，所述驱动电机(9)转速为0-100r/min，所述高压发生器(4)电压调节范围为0-100KV，所述适用于高速运动的可控自由液面蘑菇头型静电纺丝喷头在所述金属圆柱滚筒(10)正下方往复运动，运动速度为0-2000mm/s。

9.如权利要求7所述的静电纺丝的方法,其特征是，所述碗形金属喷头模块(6)与导液管(15)相连，所述导液管(15)另一端与纺丝液储液槽(17)相连，外部安装有所述供液控制装置(16)；所述纺丝液储液槽(17)为圆柱体，材质为聚四氟乙烯，储有高聚物纺丝液(1)。

10.如权利要求9所述的静电纺丝的方法,其特征是，所述供液控制装置(16)包括绝缘的蠕动泵和纺丝液加热模块，通过所述蠕动泵向所述环形狭缝通道(14)注入一定量的高聚物纺丝液(1)，所述纺丝液加热模块可以控制注入的高聚物纺丝液(1)温度，注入的高聚物纺丝液(1)温度在-10℃～50℃之间，供给流量为0-100mL/min。

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