CN111172600B - 一种气泡雾化静电纺丝喷头、静电纺丝装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于纺织机械领域，特别是指一种气泡雾化静电纺丝喷头、静电纺丝装置及其应用。基于气泡雾化喷射成形的静电纺丝过程，可分为气泡雾化喷射和微液滴（射流）牵伸两个阶段通过气泡雾化技术，首先将聚合物稀溶液雾化成超多数量的微液滴，之后这些微液滴受电场力和气流力的耦合作用直接牵伸形成纳米纤维。不同于现有泰勒锥静电纺丝的原理，本发明将气泡雾化技术引入静电纺丝中，通过气液混合产生的气泡流雾化喷射成大量微液滴，牵伸形成纳米纤维，最终达到气泡雾化静电纺丝方法的规模化生产纳米纤维。

Description

一种气泡雾化静电纺丝喷头、静电纺丝装置及其应用

技术领域

本发明属于纺织机械领域，特别是指一种气泡雾化静电纺丝喷头、静电纺丝装置及其应用。

背景技术

随着科学的进步，纳米纤维由于有特殊的性能，因此纳米材料会表现出很多不同于常规材料的特殊性能：量子尺寸效应、表面效应、体积效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等。这些效应拓宽了纳米材料的应用范围，使纳米材料获得了很多优异的性能，如电磁性能、非线性光学效应、高化学活性等，可说，纳米材料是常规材料的升级版和强化版。目前，制备纳米纤维的主要方法有：拉伸法、模板法、自组装法、静电纺丝法和溶液喷射法等。在纺丝拉伸技术中，聚合物溶液或熔体从喷丝孔挤出，应用机械力、高速气流、静电力等对挤出的液滴或细流进行拉伸。利用机械力拉伸技术进行纺丝，只能制备常规细度的纤维，目前研究的热点集中在熔喷技术和静电纺丝技术。但目前的纳米纤维的制备技术在推广上存在一定技术问题，目前静电纺丝机的产量很低，大规模应用的难度较大；熔喷技术达到的纳米纤维取向度较差，且直径较粗。因此，可以实现微纳米纤维的规模化制备，已发展成为纳米纤维的一大关键技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种气泡雾化静电纺丝喷头、静电纺丝装置及其应用。其原理是通过气泡雾化技术，将聚合物稀溶液雾化成超多数量的微液滴，这些微液滴进一步受电场力和气流力耦合牵伸作用批量化形成纳米纤维

本发明的技术方案是这样实现的：

一种气泡雾化静电纺丝喷头，包括内管，内管外配合套设有外管，外管的底部与气泡雾化喷头螺纹连接，外管的上部一侧设有进气接口管；气泡雾化喷头为锥型螺纹头，锥型螺纹头内设有凹台，凹台下方贯穿依次设有下游混合室和喷孔出口，气泡雾化喷嘴的喷孔出口连接射流内外环境，是气液压力的释放端口。

所述内管顶部设有液体入口管、中部为上游混合室，内管罐体上设有复数个充气口，充气口贯穿内管管壁，充气口呈360°分布于内管的四周，充气口的个数为16-20个，充气口的直径为0.8mm，是气体进入气泡雾化喷嘴混合室的入口，对气体充入混合室的速度和流量以及混合室内的气液混合过程具有重要的影响。通过充气口的数量可以对充气孔与喷孔的面积比进行调整，充气口至喷孔出口截面间的距离是影响整个气泡雾化喷嘴尺寸及喷嘴雾化效果的的重要参数。

所述进气接口管穿过外管的管壁与外管的内壁相齐，进气接口管的端口与外管的管壁之间设有密封圈。

所述液体入口管、上游混合室、下游混合室和喷孔出口紧密联通。

所述充气口距离喷孔出口的距离为72mm，上游混合室和下游混合室的总长度为50.5mm，上游混合室的区域横截面直径为8mm，下游混合室的位于喷头内的区域横截面直径为6mm，喷孔出口的直径为0.8mm。充气孔布置位置的涉及，它们距喷孔出口截面的距离为57mm。混合室是气泡雾化喷嘴内部气液相互作用的主要空间区域；混合室的长度和横截面积对喷嘴内部的气液流型具有重要的影响。

安装有上述的气泡雾化静电纺丝喷头的静电纺丝装置。

一种利用上述的静电纺丝装置制备的微纳米纤维。

所述静电纺丝装置的工艺参数为：静电纺丝电压为40-60 kV，纺丝溶液总流量为50-60 mL/h，纺丝气压为0.1-0.2 MPa，气体流速为0.1L/min-6 L/min，喷头与接收板的距离为50-100 cm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过气泡雾化技术，将聚合物稀溶液雾化成超多数量的微液滴，这些微液滴进一步受电场力和气流力耦合牵伸作用批量化形成纳米纤维。气泡雾化纺丝喷头如图5所示。主要由外管、液体入口管、内管、气泡雾化喷嘴、充气口、混合室构成，在内管液道上方沿圆周方向开有一定数量的充气小孔。压缩空气经这些充气孔进入液道与纺丝溶液混合，在混合室内形成均匀离散的气泡流；气泡流从喷嘴喷射后，由于喷嘴内外的压差作用，会经历加速、变形、膨胀和爆破，从而雾化成超多的荷电微液滴，进入流-电耦合场中牵伸成纳米纤维，此纺丝方式大大提高了纳米纤维生产效率，有望达到批量化生产。

2、本发明的气泡雾化喷嘴能够在低气压、低耗气率下实现较好的雾化效果。一方面达到了节能的效果，另一方面是相对于超声速静电纺丝来说提高了纺丝的安全性以及可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为气泡雾化静电纺丝喷嘴的爆炸结构图，1外管、2进液接口管、3内管、4气泡雾化喷嘴。

图2、图3为气泡雾化静电纺丝喷头正面剖面视图和剖面透视图，5液体入口管、6气体入口管、7充气口、8上游混合室、9下游混合室、10喷孔出口。

图4为气泡雾化静电纺丝喷嘴的侧面截面剖视A-A结构示意图。

图5为气泡雾化静电纺丝喷嘴立体透视结构示意图。

图6为内管的立体结构示意图。

图7为实施例1制备的纳米纤维毡的SEM图片。

图8为对比例1制备的纳米纤维毡的SEM图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本申请设计了一种气泡雾化静电纺丝喷头，如图1、图4所示，包括内管3，内管3外配合套设有外管1，外管1的底部与气泡雾化喷头4螺纹连接，外管1的上部一侧设有进气接口管6；气泡雾化喷头4为锥型螺纹头，锥型螺纹头11内设有凹台，凹台下方贯穿依次设有下游混合室9和喷孔出口10，气泡雾化喷嘴的喷孔出口10连接射流内外环境，是气液压力的释放端口。

如图2、图3、图6所示，所述内管3顶部设有液体入口管5、中部为上游混合室8，内管3罐体上设有复数个充气口7，充气口7贯穿内管3管壁，充气口7呈360°分布于内管3的四周，充气口7的个数为16-20个，充气口7的直径为0.8mm，是气体进入气泡雾化喷嘴混合室的入口，对气体充入混合室的速度和流量以及混合室内的气液混合过程具有重要的影响。通过充气口的数量可以对充气孔与喷孔的面积比进行调整，充气口至喷孔出口截面间的距离是影响整个气泡雾化喷嘴尺寸及喷嘴雾化效果的的重要参数。

所述进气接口管6穿过外管1的管壁与外管1的内壁相齐，进气接口管6的端口与外管1的管壁之间设有密封圈。

所述液体入口管5、上游混合室8、下游混合室9和喷孔出口10紧密联通，如图5所示。

所述充气口7距离喷孔出口10的距离为72mm，上游混合室8和下游混合室9的总长度为50.5mm，上游混合室8的区域横截面直径为8mm，下游混合室9的位于喷头内的区域横截面直径为6mm，喷孔出口10的直径为0.8mm。充气孔布置位置的涉及，它们距喷孔出口截面的距离为72mm。混合室是气泡雾化喷嘴内部气液相互作用的主要空间区域；混合室的长度和横截面积对喷嘴内部的气液流型具有重要的影响。

安装有上述的气泡雾化静电纺丝喷头的静电纺丝装置。

一种利用上述的静电纺丝装置制备的微纳米纤维的方法，步骤如下：

（1）将聚丙烯晴（PAN）溶解于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，于80℃下搅拌6 h得到质量分数为12%的PAN溶液；

（2）按照所搭建气流辅助静电纺丝装置进行，实验开始时，首先启动气体泵和液体蠕动泵，将气路的压力调节至0.1MPa，查管路是否有泄漏现象,蠕动泵的流量调至50ml/h；配合液相压力的调节，缓慢增大或减小气液两相流量以实现相同气相压力下不同工况的调节。由于喷嘴内部流型对气、液质量流量较为敏感，因此压力调节阀的调节和控制需缓慢进行；待流量及流型稳定后进行测量。一个喷嘴与高压发生器的正极相连，另一个喷嘴与高压发生器的负极相连，收集板与高压发生器的零线相连，静电纺丝电压为40 kV，纺丝溶液总流量为50 mL/h，纺丝气压为0.1MPa，喷头与接收板的距离为50cm，充气孔的数目为16个，喷孔出口直径为0.8m，制备出纳米纤维；

（3）利用SEM 影像测量所得到的微纳米纤维，所得微纳米纤维的直径在 300nm到500nm

之后间，电场力分丝效果较明显，纤维分散基本均匀，无缠结现象，纳米纤维毡的SEM图片见图7。

实施例2

利用实例1所述的静电纺丝装置在不同的原材料下制备的微纳米纤维的方法，步骤如下：

（1）将聚乙烯醇（PVA）溶解于纯水中，于90℃下搅拌2 h得到质量分数为10%的PVA溶液；

（2）按照所搭建气流辅助静电纺丝装置进行，实验开始时，首先启动气体泵和液体蠕动泵，将气路的压力调节至0.1MPa，查管路是否有泄漏现象,蠕动泵的流量调至50ml/h；配合液相压力的调节，缓慢增大或减小气液两相流量以实现相同气相压力下不同工况的调节。由于喷嘴内部流型对气、液质量流量较为敏感，因此压力调节阀的调节和控制需缓慢进行；待流量及流型稳定后进行测量。一个喷嘴与高压发生器的正极相连，另一个喷嘴与高压发生器的负极相连，收集板与高压发生器的零线相连，静电纺丝电压为40 kV，纺丝溶液总流量为50 mL/h，纺丝气压为0.3MPa，气相质量流量为0.1L/min，纺丝喷头与接收板的距离为50cm，充气孔的数目为16个，喷孔出口直径为0.8m，制备出纳米纤维；

（3）利用SEM 影像测量所得到的微纳米纤维，所得微纳米纤维的直径在 300nm到500nm

之后间，电场力分丝效果较明显，纤维分散基本均匀，无缠结现象。

实施例3

利用实施例1中公开的静电纺丝装置制备的微纳米纤维的方法，步骤如下：

（1）将聚丙烯晴（PAN）溶解于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，于50℃下搅拌6 h得到质量分数为10%的PAN溶液；

（2）按照所搭建气流辅助静电纺丝装置进行，实验开始时，首先启动气体泵和液体蠕动泵，将气路的压力调节至0.3MPa，查管路是否有泄漏现象,蠕动泵的流量调至50ml/h；配合液相压力的调节，缓慢增大或减小气液两相流量以实现相同气相压力下不同工况的调节。由于喷嘴内部流型对气、液质量流量较为敏感，因此压力调节阀的调节和控制需缓慢进行；待流量及流型稳定后进行测量。一个喷嘴与高压发生器的正极相连，另一个喷嘴与高压发生器的负极相连，收集板与高压发生器的零线相连，静电纺丝电压为60 kV，纺丝溶液总流量为60 mL/h ，纺丝气压为0.3MPa,喷头与接收板的距离为100cm,充气孔的数目为20个，喷孔出口直径为0.8m，制备出纳米纤维；

（3）利用SEM 影像测量所得到的微纳米纤维，所得微纳米纤维的直径在 300nm到500nm之后间，电场力分丝效果较明显，纤维分散基本均匀，无缠结现象。

对比例 1

与实施例1的静电纺丝装置相比，本实施例采用常规的同心圆喷头（规格为16G，内径为1.30mm）进行纺丝，步骤如下：

（1）将聚丙烯晴（PAN）溶解于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，于80℃下搅拌6 h得到质量分数为12%的PAN溶液；

（2）用实验室现有的同心圆式的静电纺丝设备进行纳米纤维的制备，同心圆式的静电纺装置主要由同心圆喷头、高压发生器、供液装置、供气装置和接收装置组成。其中，喷头为核壳结构式的喷头，接收装置为导电金属板。实验中喷头与高压电源正极相连，接收装置与高压电源负极相连。在静电纺丝过程中，给聚合物溶液在静电力和气流力的双重作用下被拉长、变细或者分裂成更细的射流。经溶剂的挥发和射流的固化，随之它们的直径迅速减小几个数量级，形成聚合物纤维并沉积在接地的接收装置上，形成无规则排列的纳米纤维毡。

对比例1制备的纳米纤维毡，利用SEM 影像测量所得到的微纳米纤维的电镜图（如图8所示），由图8电镜图中可以看到大量的珠结现象，这是由于溶剂没有完全挥发造成。而本发明，通过气液先混合再纺丝的方式大大改善了这一现象，并且达到批量化生产的量，为下一步制作高性能的纳米纤维做铺垫。

本发明实施例1的注射量可达50mL/h-100mL/h，并且溶液也达到了充分利用。首先充气孔将气液充分混合，溶液从喷口流出时在气流力和静电力的双重作用下被充分牵伸、固化。纳米纤维膜的质量有了明显的改善。在同等时间内制得的纳米纤维膜通过称重得到，相较于同心圆式的喷头，产量得到一定的提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气泡雾化静电纺丝喷头，其特征在于：包括内管（3），内管（3）外配合套设有外管（1），外管（1）的底部与气泡雾化喷头（4）螺纹连接，外管（1）的上部一侧设有进气接口管（6）；气泡雾化喷头（4）为锥型螺纹头，锥型螺纹头（11）内设有凹台，凹台下方贯穿依次设有下游混合室（9）和喷孔出口（10）；

所述内管（3）顶部设有液体入口管（5）、中部为上游混合室（8），内管（3）罐体上设有复数个充气口（7），充气口（7）贯穿内管（3）管壁，充气口（7）呈360°分布于内管（3）的四周，充气口（7）的个数为16-20个，充气口（7）的直径为0.8mm；

所述进气接口管（6）穿过外管（1）的管壁与外管（1）的内壁相齐，进气接口管（6）的端口与外管（1）的管壁之间设有密封圈；

所述液体入口管（5）、上游混合室（8）、下游混合室（9）和喷孔出口（10）紧密联通；

所述充气口（7）距离喷孔出口（10）的距离为72mm，上游混合室（8）和下游混合室（9）的总长度为50.5mm，上游混合室（8）的区域横截面直径为8mm，下游混合室（9）的位于喷头内的区域横截面直径为6mm，喷孔出口（10）的直径为0.8mm。

2.安装有权利要求1所述的气泡雾化静电纺丝喷头的静电纺丝装置。

3.一种利用权利要求2所述的静电纺丝装置制备的微纳米纤维。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝装置制备的微纳米纤维，其特征在于，所述静电纺丝装置的工艺参数为：静电纺丝电压为40-60 kV，纺丝溶液总流量为50-60 mL/h，纺丝气压为0.1-0.2 MPa，气体流速为0.1L/min-6 L/min，喷头与接收板的距离为50-100 cm。

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