CN115074841B - 一种溅落式多针头静电纺丝装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种溅落式多针头静电纺丝装置，包括多针头静电纺丝喷头，多针头静电纺丝喷头依次管接有储液槽、推进泵，多针头静电纺丝喷头为圆形阵列排布分层，多针头静电纺丝喷头的正下方设置有收集装置，多针头静电纺丝喷头与收集装置之间设置有风车，风车与多针头静电纺丝喷头之间设置有第一电极线圈，风车与收集装置之间设置有第二电极线圈，第一电极线圈、第二电极线圈分别连接第一高压发生器、第二高压发生器，本发明使纺丝液快速通过多针头静电纺丝喷头的针头形成纺丝液滴并坠落，避免了针头堵塞的问题，再通过风车使纺丝液破裂成大量小液滴，小液滴在由第一电极线圈形成的电场中被牵拉形成微纳米纤维，从而显著提高了制备微纳米纤维的产量与效率。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，具体涉及一种溅落式多针头静电纺丝装置及其使用方法。
背景技术
当物质的尺度介于纳米尺度范围内时，由于表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应与宏观量子隧道效应，该物质的物理化学性质将发生明显的变化，产生一些新的性能。因此，纳米材料的发展受到了各个领域广泛的关注。而纳米纤维由其超高的比表面积、柔性以及多孔性能，被广泛应用于生物医学、农业、环境监测、交通、能源以及纺织服装等领域。然而，如何纳米纤维的批量化制备纳米纤维是其产业化面临的重要问题。静电纺丝技术设备简单、操作便捷、工业可控性极强，可有效对纳米纤维集合体的结构与性能进行设计。传统的静电纺丝装置主要包括纺丝装置、收集装置与高压发生装置三部分。其中，高压发生装置的正极与纺丝装置连接，产生极强的静电场。纺丝装置端的高聚物纺丝液受到电场力的作用下，克服其自身表面张力与黏性力，形成纺丝射流，射流在空气中飞行，不断被电场牵伸，其内部的溶剂不断挥发，最终牵拉成纳米纤维，固化、沉积在收集装置表面。
然而，传统单针头静电纺丝装置的产量极低，仅为0.1-1g/h，无法满足产业化生产的需求。增加针头的数量是提高静电纺纳米纤维产量最为直接的方法。中国专利CN201811114850.9、CN202022414370.3、CN201920604545.1、CN201510278266.7公开了可批量化制备纳米纤维的静电纺丝装置。然而，随着针头数量的增加，针头之间的电场屏蔽现象十分严重，造成针头堵塞、纳米纤维直径变异系数增大等问题，纳米纤维的产量与直径的均匀性均受到了不利的影响。为了降低针头电场之间的相互干扰作用，TOMASZEWSKI研究了针头的排列方式对静电纺丝的影响[Investigation of electrospinning with the use ofa multi-jet electrospinning head[J].Fibres Text East Eur,2005,13(4):22-26]。但仅仅改变针头的排列问题，难以从根本上消除电场屏蔽对静电纺丝所造成的不利影响。综上所述，要实现静电纺丝技术的产业化应用，亟需解决多针头静电纺丝电场屏蔽的问题、提高多针头静电纺技术制备纳米纤维的产量与效率。
发明内容
本发明的主要目的是提出了一种溅落式多针头静电纺丝装置及其使用方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种溅落式多针头静电纺丝装置，包括多针头静电纺丝喷头，所述多针头静电纺丝喷头依次管接有储液槽、推进泵，所述多针头静电纺丝喷头为圆形阵列排布分层，所述多针头静电纺丝喷头的正下方设置有收集装置，所述多针头静电纺丝喷头与收集装置之间设置有风车，所述风车与多针头静电纺丝喷头之间设置有第一电极线圈，所述风车与收集装置之间活动设置有第二电极线圈，所述多针头静电纺丝喷头的阵列中心、风车的中心、第一电极线圈的中心、第二电极线圈的中心在同一轴线上，所述第一电极线圈电性连接有第一高压发生器，所述第二电极线圈电性连接有第二高压发生器。
可选的，所述收集装置与多针头静电纺丝喷头之间的距离为10-30cm。
可选的，所述多针头静电纺丝喷头的层数≤5层，最外层针头至圆形阵列中心的距离为5-10cm，针间距≥1cm。
可选的，所述风车的转速为0-3000r/min。
可选的，所述风车的叶片长度为30-50cm，所述风车与多针头静电纺丝喷头之间的距离为5-30cm。
可选的，所述第一电极线圈与第二电极线圈的直径为20-40mm，线径＜20mm。
可选的，一种溅落式多针头静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：
S1:启动推进泵，设置纺丝液的进液速度，推进泵将储液槽中的纺丝液以挤压的方式挤入多针头静电纺丝喷头的各针头中，直至有适量纺丝液从针头尖端溢出并在自身重力的作用下发生坠落；
S2:启动风车，使风车以一定的转速转动；
S3:打开第一高压发生器的开关，调节电压，坠落的纺丝液与转动的风车撞击破裂形成大量纺丝液小液滴，纺丝液小液滴在由第一电极线圈产生的电场的作用下被牵拉成射流，射流经过进一步的牵伸作用形成微纳米纤维；
S4:打开第二高压发生器的开关，调节电压，射流受到第二电极线圈中电场的约束，向中心聚拢，形成的微纳米纤维稳定地沉积在收集装置的表面。
本发明提供了一种溅落式多针头静电纺丝装置及其使用方法，具备以下有益效果：
通过增大进液速率，使纺丝液快速通过多针头静电纺丝喷头的针头形成纺丝液液滴并坠落，避免了针头堵塞，再通过风车的打击作用，使纺丝液液滴破裂成大量纺丝液小液滴，大量纺丝液小液滴在电场中被牵拉形成大量的射流与微纳米纤维，从而显著提高了多针头静电纺丝装置制备微纳米纤维的产量与效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的正视图。
图中：
1、多针头静电纺丝喷头；2、储液槽；3、推进泵；4、风车；5、第一电极线圈；6、第二电极线圈；7、第一高压发生器；8、第二高压发生器；9、收集装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一，如图1所示，一种溅落式多针头静电纺丝装置，包括多针头静电纺丝喷头1，所述多针头静电纺丝喷头1依次管接有储液槽2、推进泵3，所述多针头静电纺丝喷头1为圆形阵列排布分层，所述多针头静电纺丝喷头1的下方设置有收集装置9，所述多针头静电纺丝喷头1与收集装置9之间设置有风车4，所述风车4与多针头静电纺丝喷头1之间设置有第一电极线圈5，所述第一电极线圈5的中心与所述风车4的中心重合，所述风车4与收集装置9之间设置有第二电极线圈6，所述第二电极线圈6与所述第一电极线圈5的中心重合，所述第一电极线圈5电性连接有第一高压发生器7，所述第二电极线圈6电性连接有第二高压发生器8。
工作原理：推进泵3由电机驱动，可控制纺丝液的进液速度，风车4由电机驱动，风车4的转速也可进行调节，多针头静电纺丝喷头1电性连接有第一高压发生器7，第二电极线圈6电性连接有第二高压发生器8，具体的，第一高压发生器7和第二高压发生器8的负极接地，第一高压发生器7的正极与第一电极线圈5连接，第二高压发生器8的正极与第二电极线圈6连接，第一高压发生器7和第二高压发生器8调节的电压范围为0-100kV，收集装置9接地，第一电极线圈5与收集装置9之间产生电势差，形成静电场，第一电极线圈5的高度可根据具体情况进行调整，从而调整电场的强度，具体为第一电极线圈5离风车4的距离越近，即第一电极线圈5离收集装置9的距离越近，静电场的场强越大，第二电极线圈6能对通过第二电极线圈6的射流起到约束的作用，防止射流逸散，第二电极线圈6的高度可以根据射流的偏移情况进行调整。
工作时，启动推进泵3，设置纺丝液的进液速度，推进泵3将储液槽2中的纺丝液以挤压的方式挤入多针头静电纺丝喷头1的各针头中，直至有适量纺丝液从针头尖端溢出并在自身重力的作用下发生坠落，然后启动风车4，使风车4以一定的转速转动，再打开第一高压发生器7的开关，调节电压，第一电极线圈5与收集装置9之间形成静电场，此时，坠落的纺丝液与转动的风车4撞击破裂形成大量纺丝液小液滴，纺丝液小液滴在电场力的作用下被牵拉成射流，射流经过进一步的牵伸作用形成微纳米纤维，再打开第二高压发生器8的开关，调节电压，电压应低于第一高压发生器7的电压，第二电极线圈6对射流起到约束的作用，此时射流受到电场的约束，向中心聚拢，形成的微纳米纤维稳定地沉积在收集装置9表面。
本发明改变了现有技术中多针头静电纺丝装置在其针尖形成射流的传统思路，通过增大进液速率，使纺丝液快速通过多针头静电纺丝喷头1的针头形成纺丝液液滴并坠落，避免了针头堵塞，再通过风车4的打击作用，使纺丝液液滴破裂成大量纺丝液小液滴，大量纺丝液小液滴在电场中被牵拉形成大量的射流与微纳米纤维，从而显著提高了多针头静电纺丝装置制备微纳米纤维的产量与效率。
作为可选的，收集装置9与多针头静电纺丝喷头1之间的距离为10-30cm，多针头静电纺丝喷头1的层数≤5层，最外层针头至圆形阵列中心的距离为5-10cm，针间距≥1cm，风车4的转速为0-3000r/min，风车4的叶片长度为30-50cm，风车4与多针头静电纺丝喷头1之间的距离为5-30cm，第一电极线圈5与第二电极线圈6的直径为20-40mm，线径＜20mm，多针头静电纺丝喷头1采用聚丙烯材料，第一电极线圈5和第二电极线圈6采用铜材料，风车4的叶片的材质采用铜片、不锈钢等金属或合金材料，收集装置9可以是金属平板或金属滚筒。
实施例二，作为实施例一的进一步可选方案，一种溅落式多针头静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：
S1:启动推进泵3，设置纺丝液的进液速度，推进泵3将储液槽2中的纺丝液以挤压的方式挤入多针头静电纺丝喷头1的各针头中，直至有适量纺丝液从针头尖端溢出并在自身重力的作用下发生坠落；
S2:启动风车4，使风车4以一定的转速转动；
S3:打开第一高压发生器7的开关，调节电压，坠落的纺丝液与转动的风车4撞击破裂形成大量纺丝液小液滴，纺丝液小液滴在由第一电极线圈5产生的电场的作用下被牵拉成射流，射流经过进一步的牵伸作用形成微纳米纤维；
S4:打开第二高压发生器8的开关，调节电压，射流受到第二电极线圈6中电场的约束，向中心聚拢，形成的微纳米纤维稳定地沉积在收集装置9表面。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种溅落式多针头静电纺丝装置，包括多针头静电纺丝喷头(1)，所述多针头静电纺丝喷头(1)依次管接有储液槽(2)、推进泵(3)，所述多针头静电纺丝喷头(1)为圆形阵列排布分层，所述多针头静电纺丝喷头(1)的正下方设置有收集装置(9)，其特征在于:所述多针头静电纺丝喷头(1)与收集装置(9)之间设置有风车(4)，所述风车(4)与多针头静电纺丝喷头(1)之间设置有第一电极线圈(5)，所述风车(4)与收集装置(9)之间活动设置有第二电极线圈(6)，所述多针头静电纺丝喷头(1)的阵列中心、风车(4)的中心、第一电极线圈(5)的中心、第二电极线圈(6)的中心在同一轴线上，所述第一电极线圈(5)电性连接第一高压发生器(7)，所述第二电极线圈(6)电性连接第二高压发生器(8)。
2.根据权利要求1所述的一种溅落式多针头静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置(9)与多针头静电纺丝喷头(1)之间的距离为10-30cm。
3.根据权利要求1所述的一种溅落式多针头静电纺丝装置，其特征在于：所述多针头静电纺丝喷头(1)的层数≤5层，最外层针头至圆形阵列中心的距离为5-10cm，针间距≥1cm。
4.根据权利要求1所述的一种溅落式多针头静电纺丝装置，其特征在于：所述风车(4)的转速为0-3000r/min。
5.根据权利要求1所述的一种溅落式多针头静电纺丝装置，其特征在于：所述风车(4)的叶片长度为30-50cm，所述风车(4)与多针头静电纺丝喷头(1)之间的距离为5-30cm。
6.根据权利要求1所述的一种溅落式多针头静电纺丝装置，其特征在于：所述第一电极线圈(5)与第二电极线圈(6)的直径为20-40mm，线径＜20mm。
7.根据权利要求1-6任一项的一种溅落式多针头静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：
S1:启动推进泵(3)，设置纺丝液的进液速度，推进泵(3)将储液槽(2)中的纺丝液以挤压的方式挤入多针头静电纺丝喷头(1)的各针头中，直至有适量纺丝液从针头尖端溢出并在自身重力的作用下发生坠落；
S2:启动风车(4)，使风车(4)以一定的转速转动；
S3:打开第一高压发生器(7)的开关，调节电压，坠落的纺丝液与转动的风车(4)撞击破裂形成大量纺丝液小液滴，纺丝液小液滴在由第一电极线圈(5)产生的电场的作用下被牵拉成射流，射流经过进一步的牵伸作用形成微纳米纤维；
S4:打开第二高压发生器(8)的开关，调节电压，射流受到第二电极线圈(6)中电场的约束，向中心聚拢，形成的微纳米纤维稳定地沉积在收集装置(9)的表面。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《螺线式无针头静电纺丝过程中场强的分布与改善》;刘延波;《天津工业大学学报》;20210831;第40卷(第4期);38-44 * |
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| CN115074841A (zh) | 2022-09-20 |
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