CN113235173B - 一种静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种静电纺丝设备，包括纺丝箱，包括多个单元电极的纺丝电极，连接杆，转动驱动部件，收集电极；单元电极通过连接杆与转动驱动部件连接；纺丝箱用于盛放纺丝液；转动驱动部件用于带动单元电极转动进入纺丝箱中取纺丝液，并带动沾有纺丝液的单元电极转出纺丝箱，以使纺丝液在收集电极和单元电极之间形成纳米纤维；收集电极用于收集纳米纤维形成纳米纤维膜。本申请中单元电极通过连接杆与转动驱动部件连接，通过转动驱动部件旋转进入和转出纺丝箱，沾有纺丝液的单元电极与收集电极之间不存在其他任何部件，对纳米纤维的产生过程不会产生任何影响，纳米纤维直接沉积在收集电极处，从而使收集电极处形成的纳米纤维膜均匀性好、质量高。

Description

一种静电纺丝设备

技术领域

本申请涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种静电纺丝设备。

背景技术

静电纺丝是一种使用静电场力将聚合物溶液、熔体牵伸克服表面张力，从纺丝头喷射出形成超细流体射流，射流在静电场力、表面张力、粘滞力、电荷排斥力等作用下牵涉变细，最终形成微纳米纤维并被收集电极接受的技术。

近年来，无针式静电纺丝技术因其纤维产量高、设备结构简单、使用与维护容易等优点成为研究的热点。但是，现有的无针式静电纺丝设备，在纺丝电极和收集电极之间设置有金属丝，通过向纺丝电极和收集电极之间区域(金属丝所在区域)施加聚合物溶液或者通过金属丝在其长度方向上的运动来将聚合物溶液传送到纺丝电极和收集电极之间区域进行纺丝。这种静电纺丝设备纺成的纳米纤维会挂在涂液部件或者金属丝上，影响纺丝过程和纳米纤维膜质量，使得纳米纤维膜的均匀性差。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种静电纺丝设备，以改善纳米纤维膜的均匀性，提升纳米纤维膜的质量。

为解决上述技术问题，本申请提供一种静电纺丝设备，包括：

纺丝箱，包括多个非连续的单元电极的纺丝电极，连接杆，转动驱动部件，收集电极；所述单元电极通过所述连接杆与所述转动驱动部件连接；

所述纺丝箱用于盛放纺丝液；所述转动驱动部件用于带动所述单元电极转动进入所述纺丝箱中取纺丝液，并带动沾有纺丝液的单元电极转出所述纺丝箱，以使纺丝液在所述收集电极和所述单元电极之间形成纳米纤维；所述收集电极用于收集所述纳米纤维形成纳米纤维膜。

可选的，相邻两个所述单元电极之间间距相等。

可选的，所述间距在0.5mm～10mm之间，包括端点值。

可选的，与每个所述单元电极相连的所述连接杆长度相等。

可选的，所述纺丝电极的数量为多个，且任意两个所述纺丝电极之间的夹角大于零。

可选的，所述转动驱动部件位于所述纺丝箱相对的两个侧壁之间。

可选的，所述转动驱动部件包括横轴，旋转轮，套在所述横轴上的旋转套，连接所述旋转套与所述旋转轮的传动带。

可选的，所述单元电极的形状为圆柱体、球体、棱柱中的任一种。

可选的，所述纺丝箱为半封闭式纺丝箱，所述半封闭式纺丝箱的预设表面设有与所述连接杆和所述单元电极的形状相匹配的开口。

可选的，当所述纺丝电极的数量为两个，且两个所述纺丝电极之间的夹角为180度时，所述开口朝上。

本申请所提供的一种静电纺丝设备，包括：纺丝箱，包括多个非连续的单元电极的纺丝电极，连接杆，转动驱动部件，收集电极；所述单元电极通过所述连接杆与所述转动驱动部件连接；所述纺丝箱用于盛放纺丝液；所述转动驱动部件用于带动所述单元电极转动进入所述纺丝箱中取纺丝液，并带动沾有纺丝液的单元电极转出所述纺丝箱，以使纺丝液在所述收集电极和所述单元电极之间形成纳米纤维；所述收集电极用于收集所述纳米纤维形成纳米纤维膜。

可见，本申请中的静电纺丝设备中纺丝电极中的单元电极通过连接杆与转动驱动部件连接，通过转动驱动部件旋转进入纺丝箱中取纺丝液，并在取液后转出纺丝箱，沾在单元电极上的纺丝液在单元电极和收集电极之间形成纳米纤维，转出纺丝箱后的单元电极与收集电极之间不存在其他任何部件，对纳米纤维的产生过程不会产生任何影响，纳米纤维直接沉积在收集电极处，从而使收集电极处形成的纳米纤维膜均匀性好、质量高。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种静电纺丝设备的结构示意图；

图2至图6为本申请实施例所提供的不同单元电极的结构示意图；

图7为本申请实施例所提供的转动驱动部件的结构示意图；

图8为本申请实施例所提供的当纺丝电极的数量为两个时，纺丝电极与纺丝箱的结构示意图；

图9为本申请实施例所提供的当纺丝电极的数量为两个，夹角为180度时的示意图；

图10为本申请实施例所提供的半封闭式纺丝箱的结构示意图；

图11为本申请实施例所提供的当纺丝电极的数量为两个，且两个纺丝电极之间的夹角为180度时，半封闭式纺丝箱开口朝上的结构示意图；

图12为本申请实施例所提供的一种静电纺丝设备制备得到的PVA纳米纤维的扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有的无针式静电纺丝设备，在纺丝电极和收集电极之间设置有金属丝，通过向纺丝电极和收集电极之间区域(金属丝所在区域)施加聚合物溶液或者通过金属丝在其长度方向上的运动来将聚合物溶液传送到纺丝电极和收集电极之间区域进行纺丝。这种静电纺丝设备纺成的纳米纤维会挂在涂液部件或者金属丝上，影响纺丝过程和纳米纤维膜质量，使得纳米纤维膜的均匀性差。

有鉴于此，本申请提供了一种静电纺丝设备，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种静电纺丝设备的结构示意图，该设备包括：

纺丝箱3，包括多个非连续的单元电极11的纺丝电极1，连接杆2，转动驱动部件，收集电极5；所述单元电极11通过所述连接杆2与所述转动驱动部件连接；

所述纺丝箱3用于盛放纺丝液；所述转动驱动部件用于带动所述单元电极11转动进入所述纺丝箱3中取纺丝液，并带动沾有纺丝液的单元电极11转出所述纺丝箱3，以使纺丝液在所述收集电极5和所述单元电极11之间形成纳米纤维4；所述收集电极5用于收集所述纳米纤维4形成纳米纤维膜。

需要说明的是，静电纺丝设备还包括与纺丝电极1连接的高压电源，用于对纺丝电极1充电，使纺丝电极1和收集电极5之间产生电位差，收集电极5可以接地或者接与纺丝电极1相反的电势，所以，在纺丝电极1与收集电极5之间产生高压电场。收集电极5与转出纺丝箱3后的单元电极11相对设置，转出纺丝箱3后的单元电极11与收集电极5之间不存在其他任何部件。

纺丝电极1的数量可以为一个或者多个，根据需要进行设置即可，本申请不做具体限定。

纺丝箱3的材料为绝缘材料，例如，塑料或者陶瓷等等。纺丝液可以为聚合物溶液，聚合物熔体，溶胶-凝胶，或颗粒悬浮液等，为了更好的进行纺丝，纺丝液的粘度在1mPa.s至100000mPa.s之间。

纺丝电极1中的单元电极11通过转动把纺丝液带到纺丝箱3和收集电极5之间的纺丝区，在高压电场的作用下，每个单元电极11携带的纺丝液形成溶液射流，溶液射流在电场力的作用下飞向收集电极5，并且不断被牵伸变细，最终形成纳米纤维4沉积到收集电极5上，形成纳米纤维膜。

收集电极5的形状包括但不限于平板、网链、辊筒。纺丝电极1与收集电极5之间的距离可以在100mm～500mm之间，本申请不做具体限定。

本申请中对单元电极11的数量不做具体限定，可自行设置，每个单元电极11都能独立进行纺丝。需要说明的是，单元电极11旋转进入纺丝箱3的数量小于单元电极11的总数量。例如，每次转动的单元电极11的数量可以为1个，2个，…，n-1个，n为单元电极11的总数。在纺丝过程中，纺丝电极1上的任意数量单元电极11按径向排列顺序依次转动，保证整个非连续线性纺丝电极1带有纺丝液能够进行纺丝；当所有单元电极11同时进入纺丝箱3并同时转出纺丝箱3时，会造成纳米纤维膜的不连续。

由于单元电极11的数量有多个，每一个单元纺丝电极1都可以产生集中分布的高电场强度，每个单元电极11均可以进行纺丝，纺丝效率高，纤维直径小。另外，当纺丝电极1是线性的时，在幅宽方向电场分布均匀，产生的纳米纤维4直径小、分布均匀。

单元电极11的材料可以选用金属材料，例如，铁、铜、镍等等，或者其他的导电材料等。

单元电极11之间是存在一定间距的，即单元电极11是一段一段的，本申请中对相邻两个单元电极11之间的间距不做具体限定，例如，相邻两个单元电极11之间的间距可以0.5mm到10mm之间，包括端点值。相邻两个单元电极11之间间距既可以相等也可以不等，本申请中不做具体限定。相邻两个单元电极11之间的间距也可以为零，此时，每个单元电极11仍可以进行独立的转动。

为了进一步提升纳米纤维膜的均匀性，相邻两个所述单元电极11之间间距相等。

需要指出的是，本申请中对单元电极11的形状也不做具体限定，可自行设置，例如，所述单元电极11的形状包括但不限于圆柱体、球体、棱柱、半圆柱中的任一种。当单元电极11的形状为圆柱体、球体、半圆柱时，单元电极11的示意图如图2至图4所示；本申请中对棱柱的形状不做具体限定，例如可以为规则的三棱柱，如图5所示，也可以为不规则的棱柱，如图6所示。其中，当单元电极11的形状为圆柱体时，单元电极11的直径在2mm～20mm之间，长度在5mm～50mm之间；当单元电极11的形状为球体时，单元电极11的直径在2mm～20mm之间；当单元电极11的形状为不规则的棱柱时，不规则的棱柱截面边长在2mm～20mm之间，长度在5mm～50mm之间；当单元电极11的形状为三棱柱时，三棱柱的三角形截面边长在2mm～20mm之间，长度在5mm到50mm之间。

连接杆2的材料可以选用金属材料，例如，铁、铜、镍等等。为了避免连接杆2对高压电场和纺丝过程造成不良影响，连接杆2的尺寸远小于单元电极11的尺寸。本申请中对连接杆2的尺寸不做具体限定，视情况而定，例如，连接杆2的直径在0.1mm～2mm之间，连接杆2的长度在10mm～300mm之间。

连接杆2的数量与单元电极11的数量相等，本申请中对各个连接杆2的长度不做具体限定，可自行设置。例如，与每个所述单元电极11相连的所述连接杆2长度相等，此时多个单元电极11呈线性排列，即所有的单元电极11在同一条直线上；或者与每个单元电极11相连的连接杆2的长度各不相等；或者一部分连接杆2的长度均为第一长度，另一部分连接杆2的长度均为第二长度，第一长度与第二长度不等。

转动驱动部件的结构示意图如图7所示，所述转动驱动部件包括横轴7，旋转轮8，套在所述横轴7上的旋转套9，连接所述旋转套9与所述旋转轮8的传动带10。旋转套9与连接杆2连接。可以理解的是，单元电极11的旋转中心线为转动驱动部件的横轴7。转动驱动部件既可以采用电机驱动，也可以采用机械驱动，本申请中不做限定。

需要指出的是，纺丝箱3的数量既可以为一个也可以为多个。例如，当纺丝箱3的数量有多个时，可以在图1中纺丝箱3的上方或者下方进行叠加即可。当纺丝箱3有多个时，每个纺丝箱3中都有对应进入其中的纺丝电极1，然后进行纺丝。

为了缩小静电纺丝设备的体积，所述转动驱动部件位于所述纺丝箱3相对的两个侧壁之间。当纺丝箱3的数量为多个时，相邻两个纺丝箱3中横轴7的间距在20mm到400mm之间。

本申请中的静电纺丝设备中纺丝电极1中的单元电极11通过连接杆2与转动驱动部件连接，通过转动驱动部件旋转进入纺丝箱3中取纺丝液，并在取液后转出纺丝箱3，沾在单元电极11上的纺丝液在单元电极11和收集电极5之间形成纳米纤维4，转出纺丝箱3后的单元电极11与收集电极5之间不存在其他任何部件，对纳米纤维4的产生过程不会产生任何影响，纳米纤维4直接沉积在收集电极5处，从而使收集电极5处形成的纳米纤维膜均匀性好、质量高。

为了加快纺丝速度，提升纳米纤维膜的生产效率，在本申请的一个实施例中，所述纺丝电极1的数量可以为多个，且任意两个所述纺丝电极1之间的夹角大于零。

每个纺丝电极1包括多个单元电极11，每个纺丝电极1中单元电极11的数量可以相等，也可以不等。本申请中对纺丝电极1之间的夹角不做具体限定，例如，夹角可以为30度，60度，140度等等。

可以理解的是，纺丝电极1的数量为多个，且当连接杆2的长度均相等时，也即单元电极11有多排。

当纺丝电极1的数量为两个时，纺丝电极1与纺丝箱3的结构示意图如图8所示；当纺丝电极1的数量为两个，夹角为180度时的示意图如图9所示。

在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所示纺丝箱3为半封闭式纺丝箱，所述半封闭式纺丝箱的预设表面设有与所述连接杆2和所述单元电极11的形状相匹配的开口。

半封闭式纺丝箱的结构示意图如图10所示，开口包括第一开口部31和第二开口部32，第一开口部31需要与连接杆2的形状匹配，第二开口部32需要与单元电极11的形状匹配。

本实施例中纺丝箱3为半封闭纺丝箱3，只留下连接杆2和单元电极11的开口，可以防止纺丝液中溶剂挥发和保证溶液的稳定性，进而提升纺丝稳定性和纳米纤维4的质量。

本申请中对开口在半封闭纺丝箱3的位置不做具体限定，视情况而定。例如，当纺丝电极1的数量为一个时，开口的位置可以在设置在侧面，即开口朝向侧面，或者开口的设置在上表面，即开口朝上；当所述纺丝电极1的数量为两个，且两个所述纺丝电极1之间的夹角为180度时，所述开口朝上，如图11所示。

下面本申请中的静电纺丝设备中的各个部件进行进一步具体举例。

例1

静电纺丝设备中收集电极为辊筒式收集电极，收集电极与接地极连接，其转速是50rpm；单元纺丝电极的形状为圆柱体，圆柱的直径为4mm，圆柱的长度为10mm；相邻单元纺丝电极间距为5mm，所有单元纺丝电极组成的纺丝电极总长度为160mm。连接单元纺丝电极与旋转套的金属连接杆的直径为1mm，长度为40mm；纺丝箱的材料为聚四氟乙烯塑料；纺丝液是聚合物水溶液，粘度为1200mPa.s，含有PVA((polyvinyl alcohol，聚乙烯醇，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解)。纺丝箱中的聚合物溶液通过一个浸没的电极(未显示)与高压电源连接。当进行纺丝时，高压电源聚合物溶液充电，在纺丝电极与纤维收集电极之间产生70kV的电势差。

本实施例中制备得到的PVA纳米纤维的扫描电镜图如图12所示，纳米纤维粗细均匀，表面没有串珠，纳米纤维平均直径为310nm，纳米纤维的平均产量为5.9g/h。

例2

静电纺丝设备中单元纺丝电极形状为圆柱体，圆柱的直径为4mm，圆柱的长度为10mm；相邻单元纺丝电极间距为5mm，所有单元纺丝电极组成的纺丝电极总长度为160mm，单元电极的数量为一排；连接单元纺丝电极与旋转套的金属连接杆直径为1mm，长度为40mm；纺丝箱的材质是聚四氟乙烯塑料；纺丝液为聚合物溶液，粘度为1500mPa.s，含有PVA(聚乙烯醇，平均分子量为146,000至186,000)；纺丝使用的电压为65kV。

本实施例制备得到的PVA纳米纤维的平均直径为348nm，平均产量为4.3g/h。

例3

静电纺丝设备中单元纺丝电极形状为圆柱体，圆柱的直径为4mm，圆柱的长度为10mm，相邻单元纺丝电极间距为5mm；所有单元纺丝电极组成的纺丝电极总长度为160mm，单元纺丝电极有两排；连接单元纺丝电极与旋转套的金属连接杆直径为1mm，长度为40mm；纺丝箱的材质是聚四氟乙烯塑料；纺丝液为聚合物溶液，粘度为1500mPa.s，含有PVA(聚乙烯醇，平均分子量为146,000至186,000)；纺丝时外加电压为65kV。

本实施例制备得到的PVA纳米纤维的平均直径为350nm，平均产量为8.1g/h。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的静电纺丝设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种静电纺丝设备，其特征在于，包括：

纺丝箱，包括多个非连续的单元电极的纺丝电极，连接杆，转动驱动部件，收集电极；所述单元电极通过所述连接杆与所述转动驱动部件连接；

所述纺丝箱用于盛放纺丝液；所述转动驱动部件用于带动所述单元电极转动进入所述纺丝箱中取纺丝液，并带动沾有纺丝液的单元电极转出所述纺丝箱，以使纺丝液在所述收集电极和所述单元电极之间形成纳米纤维；所述收集电极用于收集所述纳米纤维形成纳米纤维膜；所述单元电极每次旋转进入所述纺丝箱的数量为一个；

与每个所述单元电极相连的所述连接杆长度相等，多个所述单元电极呈线性排列；

所述转动驱动部件包括横轴，旋转轮，套在所述横轴上的旋转套，连接所述旋转套与所述旋转轮的传动带。

2.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，相邻两个所述单元电极之间间距相等。

3.如权利要求2所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述间距在0.5mm～10mm之间，包括端点值。

4.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述纺丝电极的数量为多个，且任意两个所述纺丝电极之间的夹角大于零。

5.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述转动驱动部件位于所述纺丝箱相对的两个侧壁之间。

6.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述单元电极的形状为圆柱体、球体、棱柱中的任一种。

7.如权利要求1至6任一项所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述纺丝箱为半封闭式纺丝箱，所述半封闭式纺丝箱的预设表面设有与所述连接杆和所述单元电极的形状相匹配的开口。

8.如权利要求7所述的静电纺丝设备，其特征在于，当所述纺丝电极的数量为两个，且两个所述纺丝电极之间的夹角为180度时，所述开口朝上。

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