CN113930852B - 一种循环式自清洁静电纺丝装置及纺丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种循环式自清洁静电纺丝装置及纺丝方法，包括封闭式循环静电纺丝喷头组件，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件为一带状静电纺丝喷头绕着若干个旋转装置形成的封闭式结构，所述的带状静电纺丝喷头在旋转装置的驱动下进行循环移动，选取任意两个相邻的旋转装置之间的区域作为喷丝区域；供液单元，设置在所述喷丝区域的一侧，所述的带状静电纺丝喷头经过供液单元后进入喷丝区域，并在经过供液单元时带走供液单元提供的纺丝液；高压发生器，用于给带状静电纺丝喷头提供高压电。本发明可以解决无针式静电纺丝喷头溶液边缘固化造成的纺丝效率与纤维质量降低的问题。

Description

一种循环式自清洁静电纺丝装置及纺丝方法
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，具体为一种循环式自清洁静电纺丝装置及纺丝方法。
背景技术
静电纺丝现如今已经成为制备纳米纤维最有效率的方法之一。其纳米级的直径带来的巨大的比表面积，应用领域广泛，如组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料、复合增强材料、应力传感、能量转换、智能穿戴等等。由于静电纺丝工艺流程相对简单，性能优异，引起了大量学者的关注，发展前景十分广阔。
传统的单针头静电纺的方法装置灵活，纳米纤维均匀性好。但是由于单针头式静电纺丝装置受限于射流根数，纳米纤维的制备效率低，不能满足实际的工业生产的需求。因此，很多学者将目光聚集在了静电纺丝纳米纤维的大规模制备上。有的学者提出多针头纳米纤维纺丝，是将多个单针头进行规则排列，同时进行纺丝，该方法可以将纳米纤维的产量成倍提高。但是该方法会增加占地面积，且针头之间的电场会由于针头的排列而相互干扰，从而影响纤维质量。
无针式静电纺丝也是批量制备纳米纤维的常用方法之一。气泡式、自由液面式等静电纺丝装置和方法近年也受到很多学者的关注，并在这方面做了很多的努力。其中，无针式静电纺丝液面上可同时出现几十上百根射流，大大提高了静电纺丝的效率。
但是，过分暴露的纺丝液液面也会为纺丝过程带来不良的影响。由于液面边缘溶剂挥发，无针式静电纺丝喷头总会出现液面边缘固化，导致纺丝过程被迫暂停，影响纺丝效率；另一个不良影响是制成的纳米纤维与喷头边缘开始固化的溶液发生粘连，导致电场区域空气被击穿，不仅影响纺丝质量，而且存在安全隐患的问题。
因此，目前无针式静电纺丝喷头的主要问题在于如何保持液面不干，或者做到自动清洁静电纺丝喷头，从而解决因溶液液面的过快挥发污染喷头而无法连续纺丝的问题。
发明内容
本发明提供了一种循环式自清洁静电纺丝装置及纺丝方法，可以解决无针式静电纺丝喷头溶液边缘固化造成的纺丝效率与纤维质量降低的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供如下技术方案：一种循环式自清洁静电纺丝装置，包括：
封闭式循环静电纺丝喷头组件，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件为一带状静电纺丝喷头绕着若干个旋转装置形成的封闭式结构，所述的带状静电纺丝喷头在旋转装置的驱动下进行循环移动，选取任意的两个相邻的旋转装置之间的区域作为喷丝区域；
供液单元，设置在所述喷丝区域的一侧，所述的带状静电纺丝喷头经过供液单元后进入喷丝区域，并在经过供液单元时带走供液单元提供的纺丝液；
高压发生器，用于给带状静电纺丝喷头提供高压电。
作为优选，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件还包括位于两侧的侧板，所述的带状静电纺丝喷头和旋转装置均位于两侧的侧板之间。
作为优选，所述的旋转装置有四个，使封闭式循环静电纺丝喷头组件整体呈矩形。
作为优选，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件还包括一刮片，所述的刮片设置在喷丝区域的另一侧，对从喷丝区域出来的带状静电纺丝喷头进行刮滑。
作为优选，所述的带状静电纺丝喷头的截面呈中间厚、边缘薄的形状。
作为优选，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件上除喷丝区域以外的位置还依次设置有清洗槽和干燥器，从喷丝区域出来的带状静电纺丝喷头依次从清洗槽和干燥器中经过。
作为优选，所述的喷丝区域位于封闭式循环静电纺丝喷头组件的上部，所述的清洗槽和干燥器位于封闭式循环静电纺丝喷头组件的下部，所述的清洗槽内部盛装有有机溶剂。
作为优选，所述的干燥器内设置有鼓风干燥机与清洁辊，所述的清洁辊与带状静电纺丝喷头紧密接触，所述的鼓风干燥机产生气流将带状静电纺丝喷头吹干。
作为优选，所述的供液单元包括与带状静电纺丝喷头相接触的供液刷以及与供液刷相连的储液罐。
第二方面，本申请还提供一种纺丝方法，采用第一方面中所述的循环式自清洁静电纺丝装置，具体方法如下：在供液单元中储存纺丝液，打开干燥器的开关。打开旋转装置的开关，封闭式循环静电纺丝喷头组件开始逆时针或者顺时针运行，打开供液单元开关，纺丝液开始刷到带状静电纺丝喷头上，此时打开高压发生器，这样经过喷丝区域的带状静电纺丝喷头上开始出现纳米纤维，随着静电纺丝过程的进行，封闭式循环静电纺丝喷头组件的边缘处开始出现固化的溶液和粘住的少量纳米纤维，随着带状静电纺丝喷头的移动，固化的溶液和粘附的纳米纤维被刮刀刮掉，紧接着进入清洗槽，在有机溶液中溶解带状静电纺丝喷头上残余的纺丝液，带状静电纺丝喷头继续进入干燥室进行干燥处理，清洁干净的带状静电纺丝喷头继续移动至供液单元处，以此循环往复。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
设置有始终循环移动的封闭式循环静电纺丝喷头组件和供液单元，通过供液单元可以控制静电纺丝喷头上的纺丝液的量，避免喷头上纺丝液暴露时间过长导致纺丝液固化；还设置有清理结构，可以及时将固化的溶液以及粘连的纳米纤维清理掉，由于喷头是循环旋转，所以清洁干净的纺丝喷头可以再次刷上纺丝液进行纺丝，循环往复，解决无针式静电纺丝喷头溶液边缘固化造成的纺丝效率与纤维质量降低的问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的带状静电纺丝喷头的一种布置方式示意图；
图3为本发明的封闭式循环静电纺丝喷头组件的侧视结构图；
图4为本发明的清洗槽的立体结构图；
图5为本发明的带状静电纺丝喷头的截面结构图。
附图标记：
1、带状静电纺丝喷头，2、纺丝液槽，3、旋转内芯，4、驱动电机，5、储液罐，6、纺丝接收装置，7、干燥器；8、高压发生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-5所示，为了解决无针式静电纺丝喷头溶液边缘固化造成的纺丝效率与纤维质量降低的问题，本发明涉及一个实施例，具体为一种循环式自清洁静电纺丝装置，包括：
封闭式循环静电纺丝喷头组件，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件1为一带状静电纺丝喷头1绕着若干个旋转装置4形成的封闭式结构，所述的带状静电纺丝喷头1在旋转装置4的驱动下进行循环移动，选取任意的两个相邻的旋转装置4之间的区域作为喷丝区域，喷丝区域的位置并不是特定的，本领域技术人员可以根据需要进行设置，在带状静电纺丝喷头1上涂上纺丝液即可进行喷丝，所以喷丝区域往往与带状静电纺丝喷头1的涂液位置有关；
在本实施例中，为了实现对带状静电纺丝喷头1上的纺丝液的量进行控制，在封闭式循环静电纺丝喷头组件上设置供液单元2，该供液单元2设置在所述喷丝区域的一侧，所述的带状静电纺丝喷头1经过供液单元2后进入喷丝区域，并在经过供液单元2时带走供液单元2提供的纺丝液，供液单元2可以控制静电纺丝喷头上的纺丝液的量，避免喷头上纺丝液暴露时间过长导致纺丝液固化；
为了使带状静电纺丝喷头1上的纺丝液可以形成静电纺丝，所以安装有高压发生器8，用于给带状静电纺丝喷头1提供高压电，所述高压发生器(8)可施加的电压范围为1kV-100kV。
在本实施例中，如图3所示，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件还包括位于两侧的侧板9，所述的带状静电纺丝喷头1和旋转装置4均位于两侧的侧板9之间，侧板9采用聚四氟乙烯制成，可以设置成长为1-2m，高度为0.5-2m、厚度为1-10cm的结构。
在本实施例中，作为优选，所述的旋转装置4有四个，使封闭式循环静电纺丝喷头组件整体呈矩形，矩形结构方便带状静电纺丝喷头1上喷丝区域的设置，旋转装置4也可以设置为3个或者5个，可以根据需要和设备的空间进行设置。
为了将带状静电纺丝喷头1上固化的溶液以及粘连的纳米纤维清理掉，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件还包括一刮片5，所述的刮片5设置在喷丝区域的另一侧，对从喷丝区域出来的带状静电纺丝喷头1进行刮滑，所述刮片5为刀片状，并带有配套的集污槽，用于放置刮下来的纳米纤维，材质为聚四氟乙烯，刮片5的两侧可以固定在侧板9上，该刮刀5锋利端朝上，刀尖与带状静电纺丝喷头1紧贴，二者之间距离可调，放置方向也可以调节，优选为呈钝角，而且刮片5是可以拆卸更换的。
在本实施例中，如图5所示，所述的带状静电纺丝喷头1的截面呈中间厚、边缘薄的形状，厚度在0.1-1mm，宽度为5-10mm，带状静电纺丝喷头1的整体长度为1-2m，高度为0.5-2m。
所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件上除喷丝区域以外的位置还依次设置有清洗槽6和干燥器7，从喷丝区域出来的带状静电纺丝喷头1依次从清洗槽6和干燥器7中经过，所述的喷丝区域位于封闭式循环静电纺丝喷头组件的上部，所述的清洗槽6和干燥器7位于封闭式循环静电纺丝喷头组件的下部，所述的清洗槽6内部盛装有有机溶剂，有机溶剂可以将带状静电纺丝喷头1上固化的纺丝液溶解，如图4所示，所述清洗槽6为聚四氟乙烯材料制成，长200-400mm，宽100-300mm，置于封闭式循环静电纺丝喷头组件的下部，两侧固定在侧板9上，清洗槽6可拆卸，清洗槽6内的有机溶剂也可以更换。
有机溶剂与纺丝液的主要成分一致，如将一定量PAN(聚丙烯腈)溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，配成质量分数为10％-16％的纺丝液，这样清洗槽6内部的有机溶剂就可以是DMF(N,N-二甲基甲酰胺)，将带状静电纺丝喷头1上固化的纺丝液溶解后，再经过干燥器7的烘干就可以使带状静电纺丝喷头1恢复原状，继续进行循环使用。
作为干燥器7的一种具体实施例，所述的干燥器7内设置有鼓风干燥机与清洁辊，所述的清洁辊与带状静电纺丝喷头1紧密接触，所述的鼓风干燥机产生气流将带状静电纺丝喷头1吹干，所述清洁辊为绒布材质，装与干燥器7的出口处，用于擦拭带状静电纺丝喷头1上的残余液体溶剂，清洁辊可拆洗和更换。
作为供液单元2的一种具体实施方式，如图1所示，所述的供液单元2包括与带状静电纺丝喷头1相接触的供液刷以及与供液刷相连的储液罐3，储液罐3通过橡胶软管与供液刷相连，储液罐3上可以设置供液泵和开关，方便对供液刷上的纺丝液的量进行控制，供液刷始终与带状静电纺丝喷头1相接触，这样可以实现带状静电纺丝喷头1表面涂抹的纺丝液比较均匀。
在实际应用的过程中，也可以采用喷液方式的供液单元2将纺丝液均匀地喷涂在带状静电纺丝喷头1上。
作为循环式自清洁静电纺丝装置对应的纺丝方法：具体方法如下：
首先，本实施例在使用时，先将一定量PAN溶解于DMF中，配成质量分数为10％-16％的纺丝液，注入储液罐3中，用橡胶软管连接储液罐3与供液刷。在清洗槽6中装入一定量的DMF作为清洗液，打开干燥器7的开关，打开旋转装置4的开关，带状静电纺丝喷头1开始逆时针运动。打开储液罐3开关纺丝液开始刷到带状静电纺丝喷头1上。此时打开高压发生器8将电压调节到40-60kV，在带状静电纺丝喷头1可以在喷丝区域中开始出现纳米纤维。
随着静电纺丝过程的进行，带状静电纺丝喷头1的边缘处开始出现固化的溶液和粘住的少量纳米纤维。随着带状静电纺丝喷头1逆时针运动，固化的溶液和粘附的纳米纤维被刮刀5刮掉，紧接着进入清洗槽6，在DMF中溶解带状静电纺丝喷头1上残余的纺丝液。
带状静电纺丝喷头1继续运动进入干燥室7，其中的鼓风干燥机对其进行干燥，最后清洁辊对进行擦拭。清洁干净的带状静电纺丝喷头1继续运动至供液刷处，循环往复。
本申请的纺丝装置设置有始终循环移动的封闭式循环静电纺丝喷头组件和供液单元，通过供液单元可以控制静电纺丝喷头上的纺丝液的量，避免喷头上纺丝液暴露时间过长导致纺丝液固化；还设置有清理结构，可以及时将固化的溶液以及粘连的纳米纤维清理掉，由于喷头是循环旋转，所以清洁干净的纺丝喷头可以再次刷上纺丝液进行纺丝，循环往复，解决无针式静电纺丝喷头溶液边缘固化造成的纺丝效率与纤维质量降低的问题。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种循环式自清洁静电纺丝装置，其特征在于，包括：
封闭式循环静电纺丝喷头组件，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件为一带状静电纺丝喷头（1）绕着若干个旋转装置（4）形成的封闭式结构，所述的带状静电纺丝喷头（1）在旋转装置（4）的驱动下进行循环移动，选取任意的两个相邻的旋转装置（4）之间的区域作为喷丝区域，其中，所述的带状静电纺丝喷头（1）的截面呈中间厚、边缘薄的形状，所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件上除喷丝区域以外的位置还依次设置有清洗槽（6）和干燥器（7），从喷丝区域出来的带状静电纺丝喷头（1）依次从清洗槽（6）和干燥器（7）中经过，所述的喷丝区域位于封闭式循环静电纺丝喷头组件的上部，所述的清洗槽（6）和干燥器（7）位于封闭式循环静电纺丝喷头组件的下部，所述的清洗槽（6）内部盛装有有机溶剂，所述的干燥器（7）内设置有鼓风干燥机与清洁辊，所述的清洁辊与带状静电纺丝喷头（1）紧密接触，所述的鼓风干燥机产生气流将带状静电纺丝喷头（1）吹干；
供液单元（2），设置在所述喷丝区域的一侧，所述的带状静电纺丝喷头（1）经过供液单元（2）后进入喷丝区域，并在经过供液单元（2）时带走供液单元（2）提供的纺丝液，通过供液单元（2）可以控制静电纺丝喷头上的纺丝液的量；
高压发生器(8)，用于给带状静电纺丝喷头（1）提供高压电。
2.根据权利要求1所述的循环式自清洁静电纺丝装置，其特征在于：所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件还包括位于两侧的侧板（9），所述的带状静电纺丝喷头（1）和旋转装置（4）均位于两侧的侧板（9）之间。
3.根据权利要求2所述的循环式自清洁静电纺丝装置，其特征在于：所述的旋转装置（4）有四个，使封闭式循环静电纺丝喷头组件整体呈矩形。
4.根据权利要求1所述的循环式自清洁静电纺丝装置，其特征在于：所述的封闭式循环静电纺丝喷头组件还包括一刮片（5），所述的刮片（5）设置在喷丝区域的另一侧，对从喷丝区域出来的带状静电纺丝喷头（1）进行刮滑。
5.根据权利要求1所述的循环式自清洁静电纺丝装置，其特征在于：所述的供液单元（2）包括与带状静电纺丝喷头（1）相接触的供液刷以及与供液刷相连的储液罐（3）。
6.一种纺丝方法，采用权利要求1-5中任一项所述的循环式自清洁静电纺丝装置，具体方法如下：在供液单元（2）中储存纺丝液，打开干燥器(7)的开关，打开旋转装置(4)的开关，封闭式循环静电纺丝喷头组件开始逆时针或者顺时针运行，打开供液单元（2）开关，纺丝液开始刷到带状静电纺丝喷头（1）上，此时打开高压发生器(8)，这样经过喷丝区域的带状静电纺丝喷头（1）上开始出现纳米纤维，随着静电纺丝过程的进行，封闭式循环静电纺丝喷头组件的边缘处开始出现固化的溶液和粘住的少量纳米纤维，随着带状静电纺丝喷头（1）的移动，固化的溶液和粘附的纳米纤维被刮刀（5）刮掉，紧接着进入清洗槽（6），在有机溶液中溶解带状静电纺丝喷头（1）上残余的纺丝液，带状静电纺丝喷头（1）继续进入干燥室（7）进行干燥处理，清洁干净的带状静电纺丝喷头（1）继续移动至供液单元（2）处，以此循环往复。
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