CN110230107A - 无针静电纺丝头及静电纺丝发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无针静电纺丝头及静电纺丝发生装置，该纺丝头包括支撑轴以及设置于支撑轴外侧并呈螺旋布置的一级螺旋叶片，所述的一级螺旋叶片由等径的螺旋叶片主体段和位于两侧端头的螺旋叶片过渡段构成，所述过渡段的直径由支撑轴的表面自然过渡到与所述主体段相等；在所述一级螺旋叶片上安设有连续或非连续的二级刮取构件，相对于所述支撑轴的轴线，所述二级刮取构件至少部分高出所述螺旋叶片的顶部；所述一级螺旋叶片主体段的直径为30～150mm，所述一级螺旋叶片的螺距为10～60mm，所述一级螺旋叶片的厚度为1～3.5mm；所述支撑轴的直径为5～50mm。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，具体涉及一种无针静电纺丝头及其静电纺丝发生装置。
背景技术
材料工程领域通常把直径小于1000nm而长径比大于1000的线状材料称为纳米纤维。纳米纤维具有优异的结构和性能，在生物工程、工业防护服、酶催化、锂电池隔膜、化妆品、空气和水过滤等领域有巨大的应用潜力。而静电纺丝技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺原料丰富、工艺可控等优点，已成为唯一可以用来规模化生产真正意义上的纳米纤维的新兴纺丝技术。
目前为止，静电纺丝技术已经经历了单针头式、多针头式和无针头式三个技术阶段。其中，单针头式静电纺丝产量低，无法实现纳米纤维工业化生产。传统多针头式静电纺丝生产的纤维直径小、细度均匀，但存在针头易堵、不易清理、多射流间静电干扰、生产效率低等问题。无针静电纺丝技术是目前最有发展前景和应用潜力的纳米纤维宏量制备技术，其发展主要集中在纺丝头的创新，目前纺丝头的种类有很多，包括板式(WO2006131081)、螺杆式(CN103774250)、圆筒式(WO2005024101)及螺旋丝式(WO2010043002)，这些无针静电纺丝技术的产量都比多针头式高且不存在针头堵塞问题，但普遍存在所需纺丝电压大，对纤维结构和形态的控制能力弱等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有无针头静电纺丝技术的上述缺陷，提供一种可以提高纳米纤维的产量、降低静电纺丝的纺丝电压并可实现对纤维结构和形态的精确控制的新型无针静电纺丝头。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种无针静电纺丝头，包括支撑轴以及设置于支撑轴外侧并呈螺旋布置的一级螺旋叶片，所述的一级螺旋叶片由等径的螺旋叶片主体段和位于两侧端头的螺旋叶片过渡段构成，所述过渡段的直径由支撑轴的表面自然过渡到与所述主体段相等；在所述一级螺旋叶片上安设有连续或非连续的二级刮取构件，相对于所述支撑轴的轴线，所述二级刮取构件至少部分高出所述螺旋叶片的顶部；所述一级螺旋叶片主体段的直径为30～150mm，所述一级螺旋叶片的螺距为10～60mm，所述一级螺旋叶片的厚度为1～3.5mm；所述支撑轴的直径为5～50mm。
作为本技术方案的进一步改进，所述二级刮取构件为均匀布置于所述一级螺旋叶片上的片状物，所述片状物与所述螺旋叶片的夹角为10～90度。
作为本技术方案的更进一步改进，所述片状物具有一U形卡槽，经所述U形卡槽的卡嵌，所述片状物骑接于所述一级螺旋叶片的所述顶部。
作为本无针静电纺丝头的优选实施例之一，沿支撑轴的径向，所述片状物各段的宽度相等或向外呈阶梯式递增。
作为本技术方案的更进一步改进，所述片状物的端缘高于所述螺旋叶片顶部1～5mm，所述片状物的宽度为3～25mm，所述片状物的厚度为1～3.5mm。
也作为本技术方案的进一步改进，所述二级刮取构件为缠绕在所述一级螺旋叶片边缘的螺旋丝圈或丝状环组；所述螺旋丝圈或丝状环组的丝径为0.1～1.5mm；所述螺旋丝圈的螺距为0.1～20mm，或者所述丝状环组中相邻丝状环的间距为0.1～20mm。
进一步，所述螺旋丝圈或丝状环组经所述一级螺旋叶片边缘所开设的连接孔缠绕于所述一级螺旋叶片上，所述连接孔距离螺旋叶片边缘1～70mm。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述无针静电纺丝头的静电纺丝发生装置，该装置包括高压电源、供液装置及纺丝接收装置，一个或一个以上所述无针静电纺丝头安放于所述供液装置内并保持至少有部分纺丝头浸入供液装置所盛放的纺丝液中，所述高压电源的正负极分别与所述无针静电纺丝头及所述纺丝接收装置相连；所述高压电源对所述无针静电纺丝头所施加的电压为30～150kv，对所述纺丝接收装置所施加的电压为0kv；所述纺丝头的旋转速度为1～60rpm。
作为该静电纺丝发生装置的进一步改进，所述纺丝液为聚合物溶液、聚合物熔体、溶胶-凝胶或固体颗粒悬浮液，粘度为1mPa·s至100000mPa·s。
作为该静电纺丝发生装置的更进一步改进，所述无针静电纺丝头上边缘与所述纺丝接收装置下边缘的间距为100～500mm；所述纺丝接收装置主体为金属网，所述金属网上设置有接收基布，所述接收基布选自金属薄膜、塑料薄膜、针织布、机织布、无纺布或纸中的一种或多种。
本发明提供的具有二级结构的纺丝头及其静电纺丝发生装置，与一级螺旋叶片纺丝装置静电纺丝过程相比，其优势在于不仅将纳米纤维的产量提高了2倍以上，而且将工作电压降低了5kV以上。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有多级结构的无针静电纺丝头结构，其中图1a为侧视图，图1b为主视图的局部；
图2为图1中Z处的放大示意图；
图3为本发明提供的具有多级结构纺丝头的静电纺丝发生装置的结构示意图；
图4为本发明纺丝头二级结构中非连续叶片的一种实施形式；
图5为本发明纺丝头二级结构中非连续叶片的另一种实施形式；
图6为本发明纺丝头二级结构中非连续叶片的一种实施形式；
图7为本发明纺丝头二级结构中非连续叶片的另一种实施形式；
图8为本发明纺丝头二级结构中非连续叶片的一种实施形式；
图9为本发明纺丝头二级结构中非连续叶片的另一种实施形式；
图10为利用具有多级结构纺丝头的静电纺丝发生装置制备的纳米纤维扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。
本发明提供了一种无针静电纺丝头，包含支撑轴11、一级螺旋叶片12及叶片上的二级结构13。其中一级螺旋叶片12设置于支撑轴11的外侧，而螺旋叶片上的二级结构13设置于一级螺旋叶片的边缘。将其置于供液装置2中，通过旋转带液，并在高压电场下形成纳米纤维沉积在接收装置4上。
支撑轴11是采用金属或塑料制成实心棒状结构或者是中空筒状结构，支撑轴的直径为5～50mm。一级螺旋叶片12由变径和等径螺旋叶片组成，材质为金属材质，等径直径为30～150mm，变径为从支撑轴到等径叶片自由光滑过渡；其螺距为10～60mm，叶片的厚度为1～3.5mm。
螺旋叶片上的二级结构可以为非连续结构也可以为螺旋结构。二级结构为非连续结构时，其可以是非连续叶片或丝圈，材质为与一级螺旋叶片相同或不同的金属材质。当二级螺旋结构为非连续丝圈时，丝圈均匀的缠绕在一级螺旋叶片边缘，丝圈的线径为0.1～1.5mm，间距为0～20mm，丝圈穿过一级螺旋叶片时需在叶片上根据丝圈线径与间距打孔，孔与一级螺旋叶片边缘的间距为1～70mm，孔的大小为0.15～1.6mm；
当二级结构为非连续叶片时，二级叶片搭接在一级螺旋叶片边缘，高于一级螺旋叶片边缘1～25mm，所述叶片的厚度为1～3.5mm，间距为2～20mm。
叶片为实心或者空心，外形为半圆、长方形、方形、三角形、椭圆形或其他形状。
如图2所示，二级叶片和一级螺旋之间的角度D为10°-90°。宽度为3-35mm。
如图4和图5所示，为本发明的两种优选结构形式，图4中中叶片厚度为1～3.5mm，叶片的宽度B1为3-25mm，高于一级螺旋叶片边缘高度H1为1～5mm，图5中叶片厚度为1～3.5mm，叶片的宽度B2为3-25mm,高于一级螺旋叶片边缘高度H2为1～5mm。
如图6,图7,图8图9所示，为本发明的另外几种形式结构形式，图6中L1＝1-5mm,L2＝2-10mm,HA1＝1-5mm,其他尺寸和图4相同。图7中L3＝1-5mm,L4＝2-10mm,HC1＝1-5mm,其他尺寸和图4相同。图8中L5＝1-5mm,L6＝2-10mm,HB1＝1-5mm,其他尺寸和图5相同。图9中L7＝1-5mm,L8＝2-10mm,HD1＝1-5mm,其他尺寸和图5相同。
此外，二级结构为螺旋结构时，其可以是螺旋丝圈或螺旋叶片，材质可以为与一级螺旋叶片相同或不同的金属材质。当二级螺旋结构为螺旋丝圈时，螺旋丝均匀的缠绕在一级螺旋叶片边缘，螺旋丝的直径为0.1～1.5mm，螺距为0～20mm，螺旋丝穿过一级螺旋叶片时需在叶片上根据螺旋丝直径与螺距打孔，孔与一级螺旋叶片边缘的间距为1～70mm，孔的大小为0.15～1.6mm。当二级螺旋结构为螺旋叶片时，二级螺旋叶片为等径叶片，直径为2～50mm，一级螺旋叶片边缘为二级螺旋叶片的中心轴线，螺距为2～20mm，所述叶片的厚度为1～3.5mm。
叶片为实心或者空心，外形为半圆、长方形、方形、三角形、椭圆形或其他形状。
如图3所示的纺丝头的静电纺丝发生装置，高压电源3正负极分别与纺丝头及接收装置4相连，形成高压电场；供液装置2中放置一定量的纺丝液；纺丝头至少有一部分浸入到纺丝液中，并且纺丝头以一定的速度旋转，使得纺丝头离开纺丝液的部分也被纺丝液覆盖整个表面；这些覆盖在纺丝头表面上的纺丝液，在高压电场下形成纳米纤维，沉积到接收装置上。
高压电源对纺丝头施加的电压设置为30～150kV，对接收装置施加的电压为0kV。纺丝头上边缘与接收装置下边缘的间距设置为100～500mm。纺丝液为聚合物溶液、聚合物熔体、溶胶-凝胶或固体颗粒悬浮液，粘度为1mPa·s至100000mPa·s。纺丝头的旋转速度为1～60rpm。接收装置4为金属网，其上设置有接收基布，可以为金属薄膜、塑料薄膜、针织布，机织布，无纺布与纸。
当然，本技术方案中的二级螺旋结构上还可以设置进一步的多级螺旋结构。
与一级螺旋叶片发生装置静电纺丝过程相比，其优势在于不仅将纳米纤维的产量提高了2倍以上，而且将工作电压降低了5kV以上，同时纤维的形态和均匀性变好。
以下将通过更具体的实施例进行进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例采用二级结构为非连续丝圈的静电纺丝头，其中支撑轴采用空心聚四氟乙烯管，外径25.4mm，壁厚2mm，用于支撑一级螺旋叶片。一级螺旋叶片由变径和等径螺旋叶片组成，材质为不锈钢，等径直径为78mm，变径为从支撑轴到等径叶片自由光滑过渡；其螺距为30mm，所述叶片的厚度为2mm，总长度为160cm。二级结构为非连续丝圈，丝圈均匀的缠绕在一级螺旋叶片边缘，材质为铜，螺旋丝的直径为0.9mm，间距为4mm，螺旋丝穿过一级螺旋叶片时需在叶片上根据丝圈线径与间距打孔，孔与一级螺旋叶片边缘的间距为2mm，孔的大小为0.95mm。
利用此纺丝头建立如图3所示的静电纺丝发生装置，进行静电纺丝：
将质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解)置于供液装置中，纺丝头至少有一部分浸入到纺丝液中，并且纺丝头以5rpm的速度旋转，使得纺丝头离开纺丝液的部分也被纺丝液覆盖整个表面；然后将高压电源正负极分别与纺丝头及接收装置相连，两者间距为15cm，形成高压电场；这些覆盖在纺丝头表面上的纺丝液，在电压为54kV时即可形成纳米纤维，沉积到接收装置上。接收装置为不锈钢接收网，表面覆盖有聚丙烯纺粘无纺布(克重为20g/m2)，幅宽为180cm，移动速度为6m/min。
结果表明：采用二级螺旋结构纺丝头的起始纺丝电压低于同样条件下一级螺旋片结构纺丝头起始纺丝电压9kV，而产量提高了170％。
实施例2：
本实施例采用二级结构为非连续叶片的静电纺丝头，其中支撑轴采用空心聚四氟乙烯管，外径25.4mm，壁厚2mm，用于支撑一级螺旋叶片。一级螺旋叶片由变径和等径螺旋叶片组成，材质为不锈钢，等径直径为78mm，变径为从支撑轴到等径叶片自由光滑过渡；其螺距为30mm，所述叶片的厚度为2mm，总长度为160cm。二级结构为非连续叶片，其为等径叶片，搭接在一级螺旋叶片边缘，高于一级螺旋叶片边缘1mm，所述叶片的厚度为1mm，间距为4mm。
利用此纺丝头建立如图3所示的静电纺丝发生装置，进行静电纺丝：
将质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解)置于供液装置中，纺丝头至少有一部分浸入到纺丝液中，并且纺丝头以5rpm的速度旋转，使得纺丝头离开纺丝液的部分也被纺丝液覆盖整个表面；然后将高压电源正负极分别与纺丝头及接收装置相连，两者间距为15cm，形成高压电场；这些覆盖在纺丝头表面上的纺丝液，在电压为53kV时即可形成纳米纤维，沉积到接收装置上。接收装置为不锈钢接收网，表面覆盖有聚丙烯纺粘无纺布(克重为20g/m2)，幅宽为180cm，移动速度为6m/min。
结果表明：采用二级螺旋结构纺丝头的起始纺丝电压低于同样条件下一级螺旋片结构纺丝头起始纺丝电压10kV，而产量提高了200％。
实施例3：
本实施例采用二级结构为螺旋丝圈的静电纺丝头，其中支撑轴采用空心聚四氟乙烯管，外径25.4mm，壁厚2mm，用于支撑一级螺旋叶片。一级螺旋叶片由变径和等径螺旋叶片组成，材质为不锈钢，等径直径为78mm，变径为从支撑轴到等径叶片自由光滑过渡；其螺距为30mm，所述叶片的厚度为2mm，总长度为160cm。二级结构为螺旋丝圈，螺旋丝均匀的缠绕在一级螺旋叶片边缘，材质为铜，螺旋丝的直径为0.9mm，螺距为4mm，螺旋丝穿过一级螺旋叶片时需在叶片上根据螺旋丝直径与螺距打孔，孔与一级螺旋叶片边缘的间距为2mm，孔的大小为0.95mm。
利用此纺丝头建立如图2所示的静电纺丝发生装置，进行静电纺丝：
将质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解)置于供液装置中，纺丝头至少有一部分浸入到纺丝液中，并且纺丝头以5rpm的速度旋转，使得纺丝头离开纺丝液的部分也被纺丝液覆盖整个表面；然后将高压电源正负极分别与纺丝头及接收装置相连，两者间距为15cm，形成高压电场；这些覆盖在纺丝头表面上的纺丝液，在电压为57kV时即可形成纳米纤维，沉积到接收装置上。接收装置为不锈钢接收网，表面覆盖有聚丙烯纺粘无纺布(克重为20g/m2)，幅宽为180cm，移动速度为6m/min。
结果表明：采用二级螺旋结构纺丝头的起始纺丝电压低于同样条件下一级螺旋片结构纺丝头起始纺丝电压6kV，而产量提高了140％。
实施例4：
本实施例采用二级结构为螺旋叶片的静电纺丝头，其中支撑轴采用空心聚四氟乙烯管，外径25.4mm，壁厚2mm，用于支撑一级螺旋叶片。一级螺旋叶片由变径和等径螺旋叶片组成，材质为不锈钢，等径直径为78mm，变径为从支撑轴到等径叶片自由光滑过渡；其螺距为30mm，所述叶片的厚度为2mm，总长度为160cm。二级结构为螺旋叶片，其为等径叶片，直径为2mm，一级螺旋叶片边缘为二级螺旋叶片的中心轴线，螺距为4mm，所述叶片的厚度为1mm。
利用此纺丝头建立如图2所示的静电纺丝发生装置，进行静电纺丝：
将质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解)置于供液装置中，纺丝头至少有一部分浸入到纺丝液中，并且纺丝头以5rpm的速度旋转，使得纺丝头离开纺丝液的部分也被纺丝液覆盖整个表面；然后将高压电源正负极分别与纺丝头及接收装置相连，两者间距为15cm，形成高压电场；这些覆盖在纺丝头表面上的纺丝液，在电压为56kV时即可形成纳米纤维，沉积到接收装置上。接收装置为不锈钢接收网，表面覆盖有聚丙烯纺粘无纺布(克重为20g/m2)，幅宽为180cm，移动速度为6m/min。
结果表明：采用二级螺旋结构纺丝头的起始纺丝电压低于同样条件下一级螺旋片结构纺丝头起始纺丝电压7kV，而产量提高了160％。
最后需要说明的是，以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种无针静电纺丝头，包括支撑轴以及设置于支撑轴外侧并呈螺旋布置的一级螺旋叶片，所述的一级螺旋叶片由等径的螺旋叶片主体段和位于两侧端头的螺旋叶片过渡段构成，所述过渡段的直径由支撑轴的表面自然过渡到与所述主体段相等；其特征在于，在所述一级螺旋叶片上安设有连续或非连续的二级刮取构件，相对于所述支撑轴的轴线，所述二级刮取构件至少部分高出所述螺旋叶片的顶部；所述一级螺旋叶片主体段的直径为30～150mm，所述一级螺旋叶片的螺距为10～60mm，所述一级螺旋叶片的厚度为1～3.5mm；所述支撑轴的直径为5～50mm。
2.根据权利要求1所述的无针静电纺丝头，其特征在于，所述二级刮取构件为均匀布置于所述一级螺旋叶片上的片状物，所述片状物与所述螺旋叶片的夹角为10～90度。
3.根据权利要求2所述的无针静电纺丝头，其特征在于，所述片状物具有一U形卡槽，经所述U形卡槽的卡嵌，所述片状物骑接于所述一级螺旋叶片的所述顶部。
4.根据权利要求2所述的无针静电纺丝头，其特征在于，沿支撑轴的径向，所述片状物各段的宽度相等或向外呈阶梯式递增。
5.根据权利要求3所述的无针静电纺丝头，其特征在于，所述片状物的端缘高于所述螺旋叶片顶部1～5mm，所述片状物的宽度为3～25mm，所述片状物的厚度为1～3.5mm。
6.根据权利要求1所述的无针静电纺丝头，其特征在于，所述二级刮取构件为缠绕在所述一级螺旋叶片边缘的螺旋丝圈或丝状环组；所述螺旋丝圈或丝状环组的丝径为0.1～1.5mm；所述螺旋丝圈的螺距为0.1～20mm，或者所述丝状环组中相邻丝状环的间距为0.1～20mm。
7.根据权利要求6所述的无针静电纺丝头，其特征在于，所述螺旋丝圈或丝状环组经所述一级螺旋叶片边缘所开设的连接孔缠绕于所述一级螺旋叶片上，所述连接孔距离螺旋叶片边缘1～70mm。
8.一种采用权利要求1-7中任一权利要求所述无针静电纺丝头的静电纺丝发生装置，包括高压电源、供液装置及纺丝接收装置，其特征在于，一个或一个以上所述无针静电纺丝头安放于所述供液装置内并保持至少有部分纺丝头浸入供液装置所盛放的纺丝液中，所述高压电源的正负极分别与所述无针静电纺丝头及所述纺丝接收装置相连；所述高压电源对所述无针静电纺丝头所施加的电压为30～150kv，对所述纺丝接收装置所施加的电压为0kv；所述纺丝头的旋转速度为1～60rpm。
9.根据权利要求8所述的静电纺丝发生装置，其特征在于，所述纺丝液为聚合物溶液、聚合物熔体、溶胶-凝胶或固体颗粒悬浮液，粘度为1mPa·s至100000mPa·s。
10.根据权利要求8所述的静电纺丝发生装置，其特征在于，所述无针静电纺丝头上边缘与所述纺丝接收装置下边缘的间距为100～500mm；所述纺丝接收装置主体为金属网，所述金属网上设置有接收基布，所述接收基布选自金属薄膜、塑料薄膜、针织布、机织布、无纺布或纸中的一种或多种。
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