CN110241467B - 内锥角式静电纺丝装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内锥角式静电纺丝装置及其使用方法，静电纺丝装置包括供液装置、高压发生器、纺丝喷头和纤维收集机构，供液装置和高压发生器分别与纺丝喷头连接，纤维收集机构设置于纺丝喷头上方，纺丝喷头包括内锥角式喷头和电场屏蔽盘，内锥角式喷头的顶部形成锥槽，锥槽的外廓自下而上向内倾斜，内锥角式喷头沿轴心设有与锥槽连通的通孔，电场屏蔽盘底部设有带内部空腔的安装柱，安装柱沿周向开有与内部空腔连通的供液孔，电场屏蔽盘通过安装柱装套于通孔中并设置在内锥角式喷头顶部的锥槽中，安装柱与通孔侧壁形成间隙。本发明能够提高多射流的集中性和稳定性，保证射流的持续顺畅，有利于提高纳米纤维纱线产量。

Description

内锥角式静电纺丝装置及其使用方法

技术领域

本发明属于静电纺丝的技术领域，特别是涉及一种内锥角式静电纺丝装置及其使用方法。

背景技术

静电纺丝是当前一种最通用的纺制纳米纤维的技术，其产品具有非常优异的性能，如有极大的比表面积，可以灵活地进行表面功能化整理以及优异的力学行为等，可以应用到组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料、复合增强材料、传感器等。由于静电纺丝工艺简单，制备流程比传统常规纺丝短，制品功能优异，自Anton formhals1934年获得美国专利以来，静电纺丝一直是纤维科学家和纺织开发人员长期以来的奋斗目标。该类纳米纤维将成为我国新世纪的主导产品。市场潜力巨大，前景十分广阔。

传统的单针头静电纺丝装置由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括注射泵、医用针管及中空金属针头，将需要纺丝的材料首先溶解在适当的溶剂中，并加入到连接中空金属针头的针管中。在金属针头施加高压，并将接收装置接地，从而在金属针头和接收装置间形成高压电场。高压电场对液滴的电场力与液体表面张力的作用方向相反，在液滴表面产生一个向外的力，使喷射口的液滴由半球形逐渐变为锥形(Taylor锥)。当电场逐渐增加到足以克服溶液的表面张力、黏滞力等作用时，射流就从液滴表面喷出，经历鞭动而后固化形成纳米纤维，沉积到收集装置。

然而单针头静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低，难以满足纳米纤维工业化应用的需求，且容易发生堵塞，不利于连续纺丝。当前，关于静电纺丝纳米纤维批量化制备的装置存在以下现有技术公开：

专利CN 104862788 A公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置及其制备纳米纤维网的方法，该装置可以提高纳米纤维的产量，但由于针头的使用还是存在针头容易堵塞及多针头间的相互干扰的缺点，纳米纤维的分布容易不匀，且针头的排列方式影响因素复杂。

专利CN205856663U公开了一种多孔型锥形静电纺丝喷头装置，在锥形喷头表面开有多个孔，多个针头的排布减少了针头堵塞的问题，但溶液供液控制较为复杂且射流间的距离较近，外圈的射流将被内圈排斥，纤维分布不均匀且不够集中。

专利CN 102660783 A公开了一种多孔气泡静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通入空气在高聚物自由液面形成气泡产生射流，通过该方法来提高纳米纤维的产量，但是气泡的形成和破裂是随机而不稳定的，因此该装置的纺丝射流在纺丝过程中易出现不稳定的问题，纤维分布难以均匀、集中，同时高聚物自由液面与空气接触范围较大，溶剂易挥发。

专利ZL201310032194.9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，但最大缺点是伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会影响到纳米纤维的质量，且喷头为外锥角喷头，制备的纤维不够集中。

因此，目前使用无针式喷头制备纳米纤维纱线的一大难点在于射流过于发散难以集中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种内锥角式静电纺丝装置及其使用方法，提高多射流的集中性和稳定性，保证射流的持续顺畅，提高纳米纤维纱线产量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种内锥角式静电纺丝装置，包括供液装置、高压发生器、纺丝喷头和纤维收集机构，所述供液装置和高压发生器分别与纺丝喷头连接，所述纤维收集机构设置于纺丝喷头上方，所述纺丝喷头包括内锥角式喷头和电场屏蔽盘，所述内锥角式喷头的顶部形成锥槽，所述锥槽的外廓自下而上向内倾斜，所述内锥角式喷头沿轴心设有与锥槽连通的通孔，所述电场屏蔽盘底部设有带内部空腔的安装柱，所述安装柱沿周向开有与内部空腔连通的供液孔，所述电场屏蔽盘通过安装柱装套于通孔中并设置在内锥角式喷头顶部的锥槽中，所述安装柱与通孔侧壁形成间隙。

所述纤维收集机构包括纤维收集滚筒和旋转驱动装置，所述纤维收集滚筒设置于纺丝喷头的正上方并通过旋转驱动装置驱动旋转。

所述纺丝喷头设置于上端敞口的溶液回收装置内部。

所述溶液回收装置设有导电极柱，所述导电极柱插入到电场屏蔽盘的安装柱内部空腔中，所述导电极柱与高压发生器连接。

所述供液装置的供液管与电场屏蔽盘的安装柱内部空腔连通。

所述电场屏蔽盘与锥槽的结构相匹配且电场屏蔽盘顶端高出于锥槽。

所述供液孔沿安装柱的周向均匀分布。

所述锥槽的外廓沿竖向的倾斜角度为1°～75°。

所述锥槽的内圈向内倾斜或者向外倾斜且与竖向的最大倾斜角度为60°。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种上述内锥角式静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝溶液注入供液装置，通过供液装置向内锥角式喷头与电场屏蔽盘之间的间隙输送纺丝溶液，调节流量使得内锥角式喷头与电场屏蔽盘之间的纺丝溶液液面达到饱和/近饱和状态；

(2)启动纤维收集机构；

(3)启动高压发生器，调节高压至多根纺丝溶液射流从内锥角式喷头与电场屏蔽盘之间喷出，并在纤维收集机构上沉积得到纳米纤维膜。

有益效果

第一，在本发明中，内锥角式喷头与电场屏蔽盘相配合形成纺丝喷头，电场屏蔽盘能够减弱多射流之间的相互干扰，且内锥角式喷头顶部向内倾斜的结构设计使得喷头中纺丝溶液受到的电场方向趋向轴心，使得喷丝相对于其他自由液面喷头更加集中和稳定。

第二，在本发明中，纺丝喷头中电场屏蔽盘的存在避免了纺丝溶液自由表面与大气环境的接触，有效地降低了溶剂挥发，有利于保证纺丝溶液的持续顺畅射出。

本发明制得的纳米纤维膜更加均匀、集中，单位面积产量高，有利于实现批量化的纳米纤维纱线的生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明纺丝喷头的结构示意图。

图3为内锥角式喷头的结构示意图。

图4为电场屏蔽盘的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示的一种内锥角式静电纺丝装置，包括供液装置1、高压发生器2、纺丝喷头3、纤维收集机构和溶液回收装置8。

如图2所示，纺丝喷头3包括内锥角式喷头4和电场屏蔽盘5。

如图3所示，内锥角式喷头4的顶部形成锥槽4-1，锥槽4-1的高度范围为2mm～10mm。锥槽4-1的外廓自下而上向内倾斜，外廓沿竖向的倾斜角度为1°～75°。锥槽4-1的内圈向内倾斜或者向外倾斜，且与竖向的最大倾斜角度为60°。内锥角式喷头4沿轴心位置设有与锥槽4-1连通的通孔4-2，用于电场屏蔽盘5的装套。内锥角式喷头4采用金属铜材料。

如图4所示，电场屏蔽盘5底部设有带内部空腔的安装柱5-1，安装柱5-1高度范围为1mm-8mm，内部空腔高度为0.5mm-4mm，安装柱5-1沿周向均匀开有与内部空腔连通的供液孔5-2。电场屏蔽盘5采用聚四氟乙烯材料。电场屏蔽盘5设置在内锥角式喷头4顶部的锥槽4-1中，安装柱5-1装套于通孔4-2中，且安装柱5-1与通孔4-2侧壁形成间隙。电场屏蔽盘5与锥槽4-1的结构相匹配，且电场屏蔽盘5顶端高出于锥槽4-1，高出内锥角式喷头4的高度为2mm～50mm。

纺丝喷头3设置于上端敞口的溶液回收装置8内部。溶液回收装置8设有导电极柱，导电极柱插入到电场屏蔽盘5的安装柱5-1内部空腔中，导电极柱与高压发生器2连接。溶液回收装置8的底部开有穿孔，用于穿过供液装置1的供液管，供液管与电场屏蔽盘5的安装柱5-1内部空腔连通，供液装置1采用精密供液泵。

纤维收集机构包括接地的纤维收集滚筒6和旋转驱动装置7，纤维收集滚筒6设置于纺丝喷头3的正上方并通过旋转驱动装置7驱动旋转，旋转驱动装置7可采用电机。

下面提供一种上述的内锥角式静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝溶液注入供液装置1，通过供液装置1向内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间的间隙输送纺丝溶液，调节流量使得内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间的纺丝溶液液面达到饱和/近饱和状态。所谓的液面饱和状态是指纺丝溶液沿内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间的周向间隙完全填充。

(2)启动电机驱动纤维收集滚筒6旋转。

(3)启动高压发生器2，调节高压至多根纺丝溶液射流从内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间喷出，射向纤维收集滚筒6，并在纤维收集滚筒6上沉积得到纳米纤维膜。

Claims (10)

1.一种内锥角式静电纺丝装置，包括供液装置(1)、高压发生器(2)、纺丝喷头(3)和纤维收集机构，所述供液装置(1)和高压发生器(2)分别与纺丝喷头(3)连接，所述纤维收集机构设置于纺丝喷头(3)上方，其特征在于：所述纺丝喷头(3)包括内锥角式喷头(4)和电场屏蔽盘(5)，所述内锥角式喷头(4)的顶部形成锥槽(4-1)，所述锥槽(4-1)的外廓自下而上向内倾斜，所述内锥角式喷头(4)沿轴心设有与锥槽(4-1)连通的通孔(4-2)，所述电场屏蔽盘(5)底部设有带内部空腔的安装柱(5-1)，所述安装柱(5-1)沿周向开有与内部空腔连通的供液孔(5-2)，所述电场屏蔽盘(5)通过安装柱(5-1)装套于通孔(4-2)中并设置在内锥角式喷头(4)顶部的锥槽(4-1)中，所述安装柱(5-1)与通孔(4-2)侧壁形成间隙。

2.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述纤维收集机构包括纤维收集滚筒(6)和旋转驱动装置(7)，所述纤维收集滚筒(6)设置于纺丝喷头(3)的正上方并通过旋转驱动装置(7)驱动旋转。

3.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝喷头(3)设置于上端敞口的溶液回收装置(8)内部。

4.根据权利要求3所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述溶液回收装置(8)设有导电极柱，所述导电极柱插入到电场屏蔽盘(5)的安装柱(5-1)内部空腔中，所述导电极柱与高压发生器(2)连接。

5.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述供液装置(1)的供液管与电场屏蔽盘(5)的安装柱(5-1)内部空腔连通。

6.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述电场屏蔽盘(5)与锥槽(4-1)的结构相匹配且电场屏蔽盘(5)顶端高出于锥槽(4-1)。

7.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述供液孔(5-2)沿安装柱(5-1)的周向均匀分布。

8.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述锥槽(4-1)的外廓沿竖向的倾斜角度为1°～75°。

9.根据权利要求1所述的一种内锥角式静电纺丝装置，其特征在于：所述锥槽(4-1)的内圈向内倾斜或者向外倾斜且与竖向的最大倾斜角度为60°。

10.一种权利要求1所述的内锥角式静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝溶液注入供液装置(1)，通过供液装置(1)向内锥角式喷头(4)与电场屏蔽盘(5)之间的间隙输送纺丝溶液，调节流量使得内锥角式喷头(4)与电场屏蔽盘(5)之间的纺丝溶液液面达到饱和/近饱和状态；

(2)启动纤维收集机构；

(3)启动高压发生器(2)，调节高压至多根纺丝溶液射流从内锥角式喷头(4)与电场屏蔽盘(5)之间喷出，并在纤维收集机构上沉积得到纳米纤维膜。

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