CN112501700B - 一种旋转嵌合静电纺丝装置及纺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转嵌合静电纺丝装置及纺丝方法。所述旋转嵌合静电纺丝装置包括外空心圆柱喷丝头与内空心圆柱，用于将纺丝液注入内空心圆柱的注射器，用于控制注射器的数控微量注射泵，与内空心圆柱连接的高压正电极等。向内空心圆柱中注入纺丝液，待纺丝液涨高且液面高于内空心圆柱顶部开口时，打开伺服电机带动外空心圆柱喷丝头旋转，打开连接高压正极，增加电压，在开口上方产生多根静电纺丝射流，开始静电纺丝过程，通过收集装置接收静电纺丝射流。由于纺丝液在不同形态的开口上能形成不同状态的液膜，进而产生不同细度射流，本发明在不使用多种纺丝液不调整纺丝参数的情况下能一步制备四种或多种直径分布且层级分明的纳米纤维膜。

Description

一种旋转嵌合静电纺丝装置及纺丝方法

技术领域

本发明属于静电纺丝和纺织机械技术领域，特别涉及一种旋转嵌合静电纺丝装置及方法。

背景技术

静电纺丝是制备纳米纤维材料的最有效方式之一，相比于拉伸法、模板合成法、自组装等纳米材料的制备技术，静电纺丝具有操作简单、制备流程短、材料选择广泛等优点。

而与传统纺织纤维材料相比，纳米纤维材料由于极小的尺度，拥有许多在大尺度下难以展

现的特性，比如明显的表面与界面效应，特有的小尺寸效应，极大的比表面积和极高的孔隙率等。因此纳米纤维材料拥有更广泛的应用领域，比如在空气过滤，油水分离，医用敷料，组织工程支架等方向，纳米纤维材料都发挥着令整个行业为之瞩目的作用，使其拥有非常广泛的应用前景。

传统的静电纺丝装置以单针头或多针头为主，但是该两种装置都存在产量低的缺陷，难以满足产业所需的生产量。近年来，设计改造静电纺丝装置，提高其纳米纤维的产量已经成为静电纺丝技术领域的一大研究热点。在全世界范围内，批量化生产静电纺纳米纤维的装置和方法也井喷式地不断涌现。中国专利授权公告号为“CN103088443B”公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这是一种自由液面式纺丝，可以实现静电纺纳米纤维的批量化制备，但其最大的不足是液面与空气环境接触面积过大，使得溶剂极易挥发，从而影响纺丝的稳定性；无针头静电纺丝装置除了自由液面式纺丝，还有管状静电纺丝装置以及环状静电纺丝装置等狭缝式纺丝装置，如中国专利公告号为“CN108532002A”公开了一种管状静电纺丝装置及静电纺丝方法，中国专利公告号为“CN 108396391A”公开了一种环状静电纺丝装置及静电纺丝方法，能够有效减小溶剂的挥发并产生多根射流。但这些专利都是基于纳米纤维单种直径分布的调控和优化。而在学术界和工业界关注的过滤、能源、传感、生物医药等许多应用中，能够精细调控静电纺丝纳米纤维集合体结构以进一步提高产品性能，同时能实现其批量化制备显得尤为重要。如中国专利公告号为“CN108411383A”公开了一种多孔球形静电纺丝喷头及其纺丝方法，能够实现可控多级分布直径纳米纤维的生产，但其只有在孔表面以及球面形成两种不同状态的液膜，直径分布的级数有限，且直径无层级分布。

对于骨组织再生的仿生骨膜材料，牙周补片材料等一些生物医用材料，需要多层级直径分布的纳米纤维膜，通常采用的方法是针头式静电纺丝方法，首先纺一层纳米纤维膜，通过更换针头于第一层纤维膜上再纺一层不同直径分布的纳米纤维膜，效率低下，操作不便捷。因此设计一种直径分布级数多，能灵活调控的，直径分布层级分明，纺丝效率高的，一步成型制备多直径分布且层级分明的纳米纤维膜的静电纺丝装置具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前批量静电纺丝过程中纤维直径级数少，分布不可控，直径分布层级不分明的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种旋转嵌合静电纺丝装置，其特征在于，包括：

相互嵌套的外空心圆柱喷丝头与内空心圆柱；

用于将纺丝液注入内空心圆柱的注射器；

用于控制注射器的数控微量注射泵；

用于驱动外空心圆柱喷丝头的伺服电机；

与内空心圆柱连接的高压正电极；

所述内空心圆柱的开口向上，外空心圆柱喷丝头上设有多种不同形状开口，当外空心圆柱喷丝头的开口与内空心圆柱的开口连通，且电压超过临界值时，开口处随即产生多根静电纺丝射流。

优选地，所述的内空心圆柱水平固定设置，其不随着外空心圆柱喷丝头的旋转而旋转。

优选地，所述内空心圆柱的长度为200-600mm，底面圆直径为100mm，壁厚为5mm，材质为黄铜。

优选地，所述伺服电机的转速为0-120r/min，能够精确控制启停与转速，从而精确的控制外空心圆柱喷丝头的位置以及转速，达到灵活切换外空心圆柱喷丝头开口位置；所述外空心圆柱喷丝头的长度为200-600mm，底面圆直径为 110mm，壁厚为10mm，材质为黄铜。

优选地，所述外空心圆柱喷丝头的外壁沿直径均分为四个开口区，四个开口区内均布的开口形状依次为圆形、长方形、正方形、曲线形；所述内空心圆柱的开口形状为长方形。

更优选地，所述外空心圆柱喷丝头上，长方形开口的宽度为1-4mm，长度为180-580mm，数量为3，与两侧底面圆各保持10mm距离，长方形开口的长度方向与外空心圆柱喷丝头的中心轴平行，相邻长方形开口间隔15mm；正方形开口的边长为1-10mm，数量为15-75，靠近底面圆的正方形开口与底面圆保持 10mm距离，正方形开口沿外空心圆柱喷丝头轴向分为5-15竖列分布，相邻竖列间隔15mm，每列竖列上的正方形开口间隔45mm；曲线形开口的宽度为 1-10mm，起点、终点与相邻底面圆各保持10mm距离；圆形开口的直径为 1-10mm，数量为15-45，靠近底面圆的圆形开口与底面圆保持10mm距离，圆形开口沿外空心圆柱喷丝头轴向分为5-15竖列分布，相邻竖列间隔15mm，每列竖列上的圆形开口间隔45mm；所述内空心圆柱的开口形状为宽60mm，长 200-600mm的长方形。

优选地，所述高压正电极的电压为50-60kV。

本发明还提供了一种静电纺丝方法，其特征在于，采用上述旋转嵌合静电纺丝装置，打开数控微量注射泵通过注射器向内空心圆柱中注入纺丝液，待纺丝液涨高且液面高于内空心圆柱顶部开口时，打开伺服电机带动外空心圆柱喷丝头旋转，打开连接高压正极，增加电压，当电压超过临界值，且外空心圆柱喷丝头开口与内空心圆柱开口连通时，在开口上方产生多根静电纺丝射流，开始静电纺丝过程，通过收集装置接收静电纺丝射流。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明采用的空心圆柱喷丝头，是无针式缝隙与孔形铜制喷头，喷头结构简单不易发生堵塞的现象；开口狭窄，溶液裸露面积小，溶液利用率高，溶剂挥发量少；溶液处于相对的静止状态，纺丝过程稳定，在开口处会产生多根纺丝射流，提升了纺丝效率，提高了产量，实现静电纺纳米纤维稳定连续的批量化制备。本发明可以有效地解决自由液面喷头溶剂易挥发，溶液利用率低等问题，克服无针式喷头装置复杂，纺丝过程不稳定等缺陷。

2、本发明提供的旋转嵌合静电纺丝装置，喷丝头有四种形态的孔与缝隙，且通过伺服电机能够灵活切换四种开口的形态，纺丝液在不形态的孔与缝隙上形成四种不同形态的液膜，能够在不使用多种纺丝液不调整纺丝参数的情况下可以一步成型制备四种或多种直径分布，层级分明的纳米纤维膜。实现多种直径分布，层级分明的纳米纤维膜一步法批量化生产，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为实施例提供的旋转嵌合静电纺丝装置的结构示意图；

图2a-d为外空心圆柱喷丝头的四种开口示意图；

图3为内空心圆柱示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1-3所示，本实施例提供的旋转嵌合静电纺丝装置，其包括外空心圆柱喷丝头3以及与其嵌合的内空心圆柱4，纺丝供液装置包括数控微量注射泵1与注射器2通软管与内空心圆柱4相连，外空心圆柱喷丝头3上存在四种不同类型的开口通过伺服电机6带动其旋转，内空心圆柱4与高压正电极相连，当外空心圆柱喷丝头3开口与内空心圆柱4开口连通时，且电压超过临界值时，会在连通的开口处产生多根静电纺丝射流。

所述的内空心圆柱4水平固定放置，不随着外空心圆柱喷丝头的旋转而旋转，高压正电极与其相连。内空心圆柱4长度为200mm，底面圆直径为100mm，壁厚为5mm，开口形状为宽60mm，长200-600mm的长方形，与外空心圆柱喷丝头相互嵌合，材质为黄铜，如图3所示。

所述的伺服电机转速为0-120r/min能够精确控制启停与转速，从而精确的控制外空心圆柱喷丝头的位置以及转速，达到灵活切换外空心圆柱喷丝头开口位置。

所述的外空心圆柱喷丝头，长度为200-600mm，底面圆直径为110mm，壁厚为10mm，材质为黄铜。

所述的外空心圆柱喷丝头3的开口分别有四种不同的形状。第一种形状为长方形开口(如图2a所示)，宽度为1-4mm，长度为180-580mm，与上下底面各保持10mm距离，数量为3，每条长方形开口各保持15mm的距离；第二种形状为正方形开口(如图2b所示)，正方形的边长为1-10mm，沿轴向设有3竖列，每竖列有5个正方形开口，每个数列上各个正方形开口保持45mm距离，靠近底面的孔与底面保持10mm距离，一共有3竖列各保持15mm距离；第三种形状为曲线形开口(如图2c所示)，曲线开口的宽度为1-10mm，起点、终点与相邻表面各保持10mm距离；第四种形状为圆形开口(如图2d所示)，圆形开口的直径为1-10mm，沿轴向设有3竖列，每竖列有5个圆形开口，每个数列上各个圆形开口保持45mm距离，靠近底面圆的圆形开口与底面圆保持10mm距离。

所述的外空心圆柱喷丝头3开口边缘打磨平整，使得每种开口形状保持一致，避免由于加工问题所导致的形状的改变。

采用旋转嵌合静电纺丝装置进行静电纺丝的方法为：

采用图1所示的旋转嵌合静电纺丝装置进行纺丝，溶液选用质量浓度为15％的聚丙烯腈(PAN)的N,N二甲基甲酰胺(DMF)溶液。将配置好的聚合物溶液装入注射器2中，打开数控微量注射泵1经过软管向外空心圆柱喷丝头4中注入聚合物溶液，待溶液涨高并铺满内空心圆柱4顶部开口时，打开连接外空心圆柱4外壳的高压正电极6，缓慢增加电压至50-60kV，打开伺服电机5将速度调为6r/min，当外空心圆柱喷丝头3长方形开口对准内空心圆柱开口时停止旋转 5min，当电压超过临界值，在连通开口处产生第一种形态的多根静电纺丝射流，开始静电纺丝过程；继续旋转到外空心圆柱喷丝头正方形孔对对准内空心圆柱开口时停止旋转5min，在连通开口处产生第二种形态的多跟静电纺丝射流，开始静电纺丝过程；继续旋转到外空心圆柱喷丝头曲线形开头对准内空心圆柱开口时停止旋转5min，在连通开口处产生第三种形态的多跟静电纺丝射流，开始静电纺丝过程；继续旋转到外空心圆柱喷丝头圆孔形开口对转内空心圆柱的开口时停止旋转5min，在连通开口处产生第四种形态的多跟静电纺丝射流，开始静电纺丝过程。以此为循环进行连续纺丝过程，利用距离外空心圆柱喷丝头顶部20cm 的接收装置进行接收，获得多种直径分布且层级的静电纺纳米纤维。

具体需要的纤维的直径级数可根据具体要求，通过调节使用的喷丝头不同开口的种类。如需要三种不同直径分布的纤维，通过伺服电机控制外空心圆柱的喷丝头的启停，例如选定长方形开口，正方形孔开口，以及曲线形开口进行静电纺丝，从长方形开口进行纺制到曲线形开头停止，并由曲线形开口倒转方向向长方形开口进行纺丝；具体不同直径层级的比重可根据具体要求，通过调节伺服电机的启停，控制外空心圆柱喷丝头在各个开口上的停留时间从而达到调控各直径所占比重。

Claims (6)

1.一种旋转嵌合静电纺丝装置，其特征在于，包括：

相互嵌套的外空心圆柱喷丝头(3)与内空心圆柱(4)；

用于将纺丝液注入内空心圆柱(4)的注射器(2)；

用于控制注射器(2)的数控微量注射泵(1)；

用于驱动外空心圆柱喷丝头(3)的伺服电机(5)；

与内空心圆柱(4)连接的高压正电极(6)；

所述内空心圆柱(4)的开口向上，外空心圆柱喷丝头(3)上设有多种不同形状开口；

所述外空心圆柱喷丝头(3)的外壁沿直径均分为四个开口区，四个开口区内均布的开口形状依次为长方形、正方形、曲线形、圆形；所述内空心圆柱(4)的开口形状为长方形；所述外空心圆柱喷丝头(3)上，长方形开口的宽度为1-4mm，长度为180-580mm，数量为3，与两侧底面圆各保持10mm距离，长方形开口的长度方向与外空心圆柱喷丝头(3)的中心轴平行，相邻长方形开口间隔15mm；正方形开口的边长为1-10mm，数量为15-75，靠近底面圆的正方形开口与底面圆保持10mm距离，正方形开口沿外空心圆柱喷丝头(3)轴向分为5-15竖列分布，相邻竖列间隔15mm，每列竖列上的正方形开口间隔45mm；曲线形开口的宽度为1-10mm，起点、终点与相邻底面圆各保持10mm距离；圆形开口的直径为1-10mm，数量为15-45，靠近底面圆的圆形开口与底面圆保持10mm距离，圆形开口沿外空心圆柱喷丝头(3)轴向分为5-15竖列分布，相邻竖列间隔15mm，每列竖列上的圆形开口间隔45mm；所述内空心圆柱(4)的开口形状为宽60mm，长200-600mm的长方形。

2.如权利要求1所述的旋转嵌合静电纺丝装置，其特征在于，所述的内空心圆柱(4)水平固定设置，其不随着外空心圆柱喷丝头(3)的旋转而旋转。

3.如权利要求1所述的旋转嵌合静电纺丝装置，其特征在于，所述内空心圆柱(4)的长度为200-600mm，底面圆直径为100mm，壁厚为5mm，材质为黄铜。

4.如权利要求1所述的旋转嵌合静电纺丝装置，其特征在于，所述伺服电机(5)的转速为0-120r/min；所述外空心圆柱喷丝头(3)的长度为200-600mm，底面圆直径为110mm，壁厚为10mm，材质为黄铜。

5.如权利要求1所述的嵌合静电纺丝装置，其特征在于，所述高压正电极(6)的电压为50-60kV。

6.一种静电纺丝方法，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的旋转嵌合静电纺丝装置，打开数控微量注射泵(1)通过注射器(2)向内空心圆柱(4)中注入纺丝液，待纺丝液涨高且液面高于内空心圆柱(4)顶部开口时，打开伺服电机(5)带动外空心圆柱喷丝头(3)旋转，打开连接高压正极(6)，增加电压，当电压超过临界值，且外空心圆柱喷丝头(3)开口与内空心圆柱(4)开口连通时，在开口上方产生多根静电纺丝射流(7)，开始静电纺丝过程，通过收集装置接收静电纺丝射流(7)。

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