CN111118620A - 一种饱和微液面实心针阵列纺丝装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置及其使用方法，包括用于产生纺丝射流的实心针阵列纺丝系统、用于向实心针阵列纺丝系统供液的供液系统和用于收集纺丝射流形成的纳米纤维的纳米纤维收集系统。本发明采用了阻尼式供液泵和从下往上的纺丝方式，可精准调控聚合物溶液的供给；微孔盖板的微孔与实心铜针位置组合设计保证了静电纺丝的连续性和高效性，同时利用针尖的尖端效应降低纺丝的工作电压；实心铜针阵列和隔离器不仅能大幅提高纳米纤维产量，解决溶液堵塞针头的问题，同时也能显著降低纺丝射流间的干扰，确保纳米纤维成膜的均匀性，实现了纳米纤维的批量、高效、连续制备，拓宽其工业化应用。

Description

一种饱和微液面实心针阵列纺丝装置及其使用方法

技术领域

本发明属于纳米静电纺丝和纺织机械技术领域，特别涉及一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置及其使用方法。

背景技术

聚合物纳米纤维的直径通常在100-1000nm，具有直径小、比表面积高、结构易调控、表面易功能性等显著特点，因而被广泛应用于过滤分离、能源、生物医用以及功能性纺织品领域。静电纺丝是当下唯一能够连续规模化制备纳米纤维材料的通用性方法，具有纺丝装置加工简单，操作方便等优点，因此具有很好的工业实施性。

传统的单针头静电纺丝方法采用的是空心平口金属针作为纺丝喷头，针头芯部的聚合物溶液在平口针尖处形成泰勒锥，当施加的电压达到临界值时，电场力克服聚合物溶液的表面张力产生射流，射流在电场力和溶剂挥发协同作用下拉伸细化为连续的纳米纤维。但传统的单针头静电纺丝装置存在纳米纤维制备效率低、聚合物溶液易堵塞纺丝针头等突出问题，严重限制了纳米纤维的功能性与工业化应用范围。

针对上述问题，中国知识产权局2007年5月16日公开的发明专利“高效多针静电纺丝喷丝装置”，专利申请号CN200610157106.8，该申请公案公布了一种多针组合式静电纺丝喷头，由该装置制备的纳米纤维产量显著提高，但由于纺丝方式为从上往下纺丝，因此，溶液的堵塞以及供液的控制(易造成溶液滴落的现象)等仍难以得到有效地解决。中国知识产权局2015年8月26日公开的发明专利“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”，专利申请号CN201510278266.7，该申请公案公布了一种具有辅助喷气功能的喷丝板，通过增加辅助喷气孔，提高纺丝溶剂的挥发速度和射流的拉伸速度，从而提高纳米纤维制备效率，尽管纺丝效率和纳米纤维产量显著提升，但仍面临着溶液和辅助气流可控性差的突出问题。为此，采用实心针头纺丝成为了新的解决途径。中国知识产权局2016年11月16日公开的发明专利“一种实心针头静电纺丝装置”，专利申请号CN201610804952.8，该申请公案公布了一种实心针头纺丝系统，利用绝缘导液棒包裹实心针头，并利用在升降系统调节针头与圆锥沉头部分的间隙大小进行溶液供给，该装置成功地解决了传统单针头纺丝效率低以及溶液易堵塞的难题，但由于纺丝方式仍为从上往下，间隙难以精准控制，因此仍未能有效解决纺丝过程中溶液滴落的问题，严重影响纺丝的连续性和纳米纤维膜的品质。因此发明一种能显著提高纳米纤维制备效率、解决针头溶液堵塞的连续可控静电纺丝装置显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置及其使用方法，通过设计实心针阵列纺丝喷头以及饱和微液面供液，旨在解决目前针头式静电纺丝产量及制备效率低、溶液易在针内堵塞、溶液供给控制难、纺丝连续差等系列问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，包括供液系统、实心针阵列纺丝系统和纳米纤维收集系统，实心针阵列纺丝系统由基座、隔离器、实心铜针、微孔盖板和高压发生器组成，基座内部中空，上表面设置有带有螺纹微间隙孔阵列的金属层，若干实心铜针等间距排列固定在基座的金属层的螺纹微间隙孔上，每个实心铜针外均套有隔离器并与其同轴，隔离器与微孔盖板在实心铜针周围共同形成电隔绝纺丝单元，避免实心铜针之间的电场干扰，微孔盖板覆盖在实心铜针阵列上方，且实心铜针的针尖微高于微孔盖板上表面，高压发生器通过导线与基座的金属层相连，保证实心铜针均能产生高压静电；供液系统由储液瓶、控液阀门、供液泵组成，储液瓶用于储存粘性聚合物溶液，并通过管道与基座连接，控液阀门安装在管道内靠近储液瓶处，供液泵设置在管道上控液阀门和实心针阵列纺丝系统之间的位置；纳米纤维收集系统包括地线、电机和金属滚筒，金属滚筒设置在实心针阵列纺丝系统上方，地线与金属滚筒相连，以保证金属滚筒处于零电势，电机带动金属滚筒转动。

进一步，供液泵为阻尼式供液泵，用于精准供液，保证粘性聚合物溶液在微孔盖板上呈弧形饱和微液面。

进一步，实心铜针底部设置有螺纹，可直接安装在基座的金属层的螺纹微间隙孔上，并可通过旋转实心铜针调节其高度。通过旋转便可方便的调节实心铜针的高度，而且装拆简单，省时省力，同时基座内腔的粘性聚合物溶液可通过安装实心铜针的螺纹孔进入隔离器内。

进一步，实心铜针长度为1-2cm，针尖曲率为0.01-0.05cm，底部直径为0.1-0.2cm，针间距为3-10cm。

进一步，实心铜针针尖微高于微孔盖板上表面0.1-0.3cm。

进一步，隔离器是内径为0.3-0.5cm，外径为1-2cm的空心圆柱体。

进一步，微孔盖板的微孔为空心圆台，用于形成弧形饱和微液面。

进一步，储液瓶、隔离器、微孔盖板均为绝缘、耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，基座上表面的金属层为铜材质。

进一步，高压发生器电压调节范围为0-100kv。

本发明还包括一种如上所述的饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(a)打开控液阀门，启动供液泵，粘性聚合物溶液通过基座进入隔离器中，并且液面逐渐上升，一段时间后在微孔盖板上的微孔处形成弧形饱和微液面，且液面顶点与实心铜针针尖相平；

(b)打开电机，金属滚筒恒速运转；

(c)打开高压发生器，缓慢增加电压，当电压加到临界值时，实心铜针的针尖处形成射流，射流在电场力的作用下发生拉伸，随着溶剂的挥发，射流最终固化为纳米纤维，沉积在金属滚筒上；

(d)装置使用完成后，依次关掉高压发生器、控液阀门、供液泵以及电机。

本发明采用了阻尼式供液泵和从下往上的纺丝方式，可精准调控聚合物溶液的供给；微孔盖板的微孔与铜针位置组合设计保证了静电纺丝的连续性和高效性，同时利用针尖的尖端效应降低纺丝的工作电压；实心铜针阵列和隔离器不仅能大幅提高纳米纤维产量，解决溶液堵塞针头的问题，同时也能显著降低纺丝射流间的干扰，确保纳米纤维成膜的均匀性，实现了纳米纤维的批量、高效、连续制备，拓宽其工业化应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明单个实心针纺丝系统放大图。

1、储液瓶，2、控液阀门，3、供液泵，4、高压发生器，5、基座，6、隔离器，7、实心铜针，8、微孔盖板，9、弧形饱和微液面，10、射流，11、地线，12电机，13、金属滚筒，14、金属层，15、微孔。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明实现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。

实施例一

如图1所示，本实施例包括供液系统、实心针阵列纺丝系统和纳米纤维收集系统，供液系统由储液瓶1、控液阀门2、供液泵3组成，储液瓶1用于储存粘性聚合物溶液，并通过管道与实心针阵列纺丝系统连接，控液阀门2安装在管道内靠近储液瓶1处，供液泵3为设置在管道上控液阀门2和实心针阵列纺丝系统之间的位置。

实心针阵列纺丝系统由基座5、隔离器6、实心铜针7、微孔盖板8和高压发生器4组成，基座5内腔与供液系统的管道连接。如图2所示，基座5上表面为铜材质的带有螺纹微间隙孔阵列的金属层14，实心铜针7等间距排列，底部设置有螺纹，可直接安装在基座5的金属层14的螺纹微间隙孔上，并可通过旋转实心铜针7调节其高度，每个实心铜针7外均套有隔离器6并与其同轴，隔离器6与微孔盖板8在实心铜针周围共同形成电隔绝纺丝单元，避免实心铜针之间的电场干扰，微孔盖板8覆盖在实心铜针7阵列上方，且实心铜针7的针尖微高于微孔盖板8上表面，高压发生器4电压调节范围为0-100kv，通过导线与基座5相连，保证实心铜针7均能产生高压静电。实心铜针7长度为1-2cm，针尖曲率为0.01-0.05cm，底部直径为0.1-0.2cm，针间距为3-10cm。实心铜针7针尖微高于微孔盖板8上表面0.1-0.3cm。隔离器6是内径为0.3-0.5cm，外径为1-2cm的空心圆柱体。微孔盖板8的微孔15为空心圆台，用于形成弧形饱和微液面9。

纳米纤维收集系统包括地线11、电机12和金属滚筒13，金属滚筒13设置在实心针阵列纺丝系统上方，地线11与金属滚筒13相连，以保证金属滚筒13处于零电势，电机12带动金属滚筒13转动。

储液瓶1、隔离器6、微孔盖板8均为耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，供液泵3为阻尼式供液泵，用于精准供液，保证粘性聚合物溶液在微孔盖板8上呈弧形饱和微液面9。

本实施例在使用时，首先采用聚丙烯腈(PAN)和N-N二甲基甲酰胺(DMF)配置质量分数为10wt％的高聚物溶液，再将配好的溶液倒入到储液瓶1中。采用的实心铜针7长度为1.5cm，针尖曲率为0.02cm，底部直径为0.15cm，针间距为5cm，实心铜针7针尖微高于微孔盖板8上表面0.15cm；采用的隔离器6是内径为0.3cm，外径为2cm的空心圆柱体。打开控液阀门2、阻尼式供液泵3，调节供液速率为40ml/h，溶液进入到隔离器6中，并且液面逐渐上升，一段时间后在微孔盖板8上的微孔15处形成弧形饱和微液面9，且液面顶点与实心铜针7针尖相平，此时打开电机12，金属滚筒13以100r/min稳定运转，打开高压发生器4，调节电压至35kv，开始纺丝，射流1高压发生器40在实心铜针7针尖处形成，并经电场力和溶剂挥发的耦合作用，拉伸细化为纳米纤维，沉积在金属滚筒13上。连续纺制30min，结束实验，依次关掉高压发生器4、控液阀门2、阻尼式供液泵3以及电机12。

实施例二

本实施例与实施例一的结构相同，不同之处在于采用质量分数为27wt％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/N-N二甲基甲酰胺(DMF)溶液纺丝，高压发生器4电压为40kv。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，包括供液系统、实心针阵列纺丝系统和纳米纤维收集系统，其特征在于，所述实心针阵列纺丝系统由基座(5)、隔离器(6)、实心铜针(7)、微孔盖板(8)和高压发生器(4)组成，所述基座(5)内部中空，上表面设置有带有螺纹微间隙孔阵列的金属层(14)，若干所述实心铜针(7)等间距排列固定在基座(5)的金属层(14)的螺纹微间隙孔上，每个实心铜针(7)外均套有所述隔离器(6)并与其同轴，隔离器(6)与微孔盖板(8)在实心铜针(7)周围共同形成电隔绝纺丝单元，避免实心铜针(7)之间的电场干扰，所述微孔盖板(8)覆盖在实心铜针(7)阵列上方，且实心铜针(7)的针尖微高于微孔盖板(8)上表面，所述高压发生器(4)通过导线与基座(5)的金属层(14)相连，保证实心铜针(7)均能产生高压静电；

所述供液系统由储液瓶(1)、控液阀门(2)、供液泵(3)组成，所述储液瓶(1)用于储存粘性聚合物溶液，并通过管道与基座(5)内腔连接，所述控液阀门(2)安装在管道内靠近储液瓶(1)处，所述供液泵(3)设置在控液阀门(2)和基座(5)之间的管道上；

所述纳米纤维收集系统包括地线(11)、电机(12)和金属滚筒(13)，所述金属滚筒(13)设置在实心针阵列纺丝系统上方，所述地线(11)与金属滚筒(13)相连，以保证金属滚筒(13)处于零电势，所述电机(12)带动金属滚筒(13)转动。

2.如权利要求1所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，所述供液泵(3)为阻尼式供液泵，用于精准供液，保证粘性聚合物溶液在微孔盖板(8)上呈弧形饱和微液面(9)。

3.如权利要求1所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，所述实心铜针(7)底部设置有螺纹，可直接安装在基座(5)的金属层(14)的螺纹微间隙孔上，并可通过旋转实心铜针(7)调节其高度。

4.如权利要求3所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，所述实心铜针(7)长度为1-2cm，针尖曲率为0.01-0.05cm，底部直径为0.1-0.2cm，针间距为3-10cm。

5.如权利要求4所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，所述实心铜针(7)针尖微高于微孔盖板上表面0.1-0.3cm。

6.如权利要求5所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，隔离器(6)是内径为0.3-0.5cm，外径为1-2cm的空心圆柱体。

7.如权利要求1所述的一种饱和液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，微孔盖板(8)的微孔(15)为空心圆台，用于形成弧形饱和微液面(9)。

8.如权利要求7所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，所述储液瓶(1)、隔离器(6)、微孔盖板(8)均为绝缘、耐腐蚀的聚四氟乙烯材料，所述基座(5)上表面的金属层(14)为铜材质。

9.如权利要求1所述的一种饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置，其特征在于，所述高压发生器(4)电压调节范围为0-100kv。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的饱和微液面实心针阵列静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)打开控液阀门(2)，启动供液泵(3)，粘性聚合物溶液通过基座(5)进入隔离器(6)中，并且液面逐渐上升，一段时间后在微孔盖板(8)上的微孔(15)处形成弧形饱和微液面(9)，且液面顶点与实心铜针(7)针尖相平；

(b)打开电机(12)，金属滚筒(13)恒速运转；

(c)打开高压发生器(4)，缓慢增加电压，当电压加到临界值时，实心铜针(7)的针尖处形成射流(10)，射流(10)在电场力的作用下发生拉伸，随着溶剂的挥发，射流(10)最终固化为纳米纤维，沉积在金属滚筒(13)上；

(d)装置使用完成后，依次关掉高压发生器(4)、控液阀门(2)、供液泵(3)以及电机(12)。

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