CN115262004A - 一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置及方法 - Google Patents
一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请关于一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置及方法，涉及静电纺丝领域。该用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置包括顶部开口的溶液槽，溶液槽内具有纺丝液，纺丝液通过位于溶液槽一侧的导入模块输送至溶液槽内；溶液槽的内底部转动连接有盘状转子，盘状转子通过驱动模块驱动；溶液槽的内壁上安装有电极，溶液槽远离导入模块的一侧具有直流高压电源，直流高压电源通过导线与电极电性连接；溶液槽的上方安装有纤维收集器，纤维收集器的位置与溶液槽顶部开口的位置相对应。解决了传统针头式纺丝装置容易堵塞、不易于清洗、单射流等不足的问题。
Description
技术领域
本申请涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置及方法。
背景技术
纳米纤维，因其具有纳米尺寸的纤维直径，较大比表面积和较高孔隙率等优势，已经被广泛应用于环保、生物医疗、空气过滤等领域。
目前，静电纺丝技术被认为是实现纳米纤维产业化最有潜力的一项技术；相较其他技术而言，静电纺丝技术简单、可纺材料多、生产成本较低。静电纺丝技术主要是通过施加高压电场，使得聚合物流体在高压电场力的作用下受到牵伸，发生形变形成泰勒锥，进而形成射流，再经过固化和收集得到纳米纤；其主要组成装置包括高压电源、喷丝头，供给系统以及收集装置等。
传统的单针头静电纺丝装置，一般情况下只能产生单射流，导致其产量较低，如0.01-0.1g/h，无法满足纳米纤维的应用要求；另外，对于粘度较大的纺丝液来讲，喷针头极易堵塞，不利于纺丝加工。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置及方法，以解决传统针头式纺丝装置容易堵塞、不易于清洗、单射流等不足的问题。
技术方案：为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：
一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，包括顶部开口的溶液槽，所述溶液槽内具有纺丝液，所述纺丝液通过位于所述溶液槽一侧的导入模块输送至所述溶液槽内；所述溶液槽的内底部转动连接有盘状转子，所述盘状转子通过驱动模块驱动；所述溶液槽的内壁上安装有电极，所述溶液槽远离所述导入模块的一侧具有直流高压电源，所述直流高压电源通过导线与所述电极电性连接；所述溶液槽的上方安装有纤维收集器，所述纤维收集器的位置与所述溶液槽顶部开口的位置相对应。
通过采用上述技术方案，实现了无针头式静电纺丝技术，可以避免针头式纺丝技术易堵塞、难清洗的问题。
在一种可能的实现方式中，所述导入模块包括计量泵以及储液器，所述计量泵的一端通过溶液导管与所述储液器连通，另一端通过所述溶液导管与所述溶液槽的内部连通。
通过采用上述技术方案，可以通过计量泵控制供液速度，确保溶液槽内纺丝液的液面高度保持不变。
在一种可能的实现方式中，所述驱动模块包括旋转电机、联轴器以及转轴，所述旋转电机以及所述联轴器位于所述溶液槽的外侧，所述转轴的第一端位于所述溶液槽的内底部与所述盘状转子连接，所述转轴的第二端贯穿过所述溶液槽的底部并通过所述联轴器与所述旋转电机连接，所述旋转电机与外部的电源电性连接；所述溶液槽的底部具有与所述转轴相匹配的贯穿孔。
通过采用上述技术方案，当旋转电机带动联轴器转动，联轴器带动转轴转动，转轴带动盘状转子转动时，盘状转子正上方的纺丝液由于韦森堡效应形成凸起，触发了多射流的形成，解决了针头式纺丝技术射流数量少、纤维产量低的问题。
在一种可能的实现方式中，所述转轴的第二端贯穿过所述贯穿孔的位置还具有密封环，所述密封环包括滚珠轴承以及密封圈，所述滚珠轴承套设在所述转轴的第二端上，所述密封圈位于所述滚珠轴承与所述溶液槽的外侧底面之间，所述密封圈通过防水胶水分别与所述滚珠轴承靠近所述溶液槽的一侧以及所述溶液槽的外侧底面密封连接。
通过采用上述技术方案，可以防止纺丝液渗漏。
在一种可能的实现方式中，所述溶液槽内的所述纺丝液与所述纤维收集器的垂直距离范围为50-300mm。
在一种可能的实现方式中，所述溶液槽内的所述纺丝液的高度高于所述电极在所述溶液槽内的高度。
在一种可能的实现方式中，所述旋转电机的转速范围为1-8000RPM。
在一种可能的实现方式中，所述直流高压电源的电压输出范围为1-100kV。
在一种可能的实现方式中，所述计量泵的供液速度范围为0.1-10ml/h。
另一方面，本申请还提供一种纳米纤维的生产方法，所述方法适用于上述实施例中所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置当中，所述方法包括：
S1、配置纺丝液，将配置好的所述纺丝液注入溶液槽内，所述纺丝液的液面高度超过电极在所述溶液槽内的高度，并将多余的所述纺丝液存入储液器内；
S2、启动旋转电机，盘状转子开始转动，通过调节所述旋转电机的转速，使得所述纺丝液在所述盘状转子上方形成凸起液面；
S3、开启直流高压电源，使得所述盘状转子上方呈凸起状的所述纺丝液的液面在高压电场的作用下形成泰勒锥和射流，喷射到纤维收集器上，最终固化干燥形成纳米纤维；
S4、在纺丝过程中，通过调节所述纤维收集器到所述纺丝液的液面的垂直距离来改变所述纤维收集器的纤维收集区域，并且通过控制计量泵的供液速度，确保所述溶液槽内所述纺丝液的液面高度保持不变。
本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
1、本申请的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置采用无针头式，可以避免针头式易堵塞、难清洗的问题；
2、本申请利用韦森堡效应进行纺丝液的自动供给，使纺丝速度和供液速度自动匹配，提高纺丝过程连续性及纤维均匀性；
3、本申请中盘状转子在纺丝液中发生旋转时，盘状转子正上方的纺丝液由于韦森堡效应形成凸起，触发了多射流的形成，解决了针头式纺丝技术射流数量少、纤维产量低的问题。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置的结构示意图；
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的一种纳米纤维的生产方法的流程示意图；
图中：1、旋转电机；2、联轴器；3、密封环；4、转轴；5、盘状转子；6、溶液导管；7、电极；8、直流高压电源；9、纺丝液；10、计量泵；11、储液器；12、溶液槽；13、射流；14、纤维收集器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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。
下面结合附图和实施例对本申请作更进一步的说明。
首先，对本申请中出现的一些名词进行说明。
韦森堡效应，与牛顿流体不同，盛在容器里的高分子液体，当插入其中的圆棒旋转时，没有因为惯性作用而甩向容器壁附近，反而环绕在棒附近，出现沿棒向上爬的“爬杆”现象，这种现象称为韦森堡效应，法向应力效应，又称“包轴”效应。
泰勒锥，在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的泰勒锥(Taylorcone)。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表面张力，从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，最终形成直径在纳米级的纤维，并以随机的方式散落在收集装置上，形成无纺布。
纤维收集器，一般为导电的金属平板或者金属滚筒，在静电纺丝过程中来连接地线，与接高压的针头形成电场，这时表面带有正电荷的聚合物射流在电场中受到牵伸，并飞向纤维收集器。纤维被收集到收集器上时，纤维表面的正电荷会通过纤维收集器导走，从而使得最终收集到的纳米纤维成电荷中性。
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置的结构示意图，该用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置包括顶部开口的溶液槽12，溶液槽12内具有纺丝液9，纺丝液9通过位于溶液槽12一侧的导入模块输送至溶液槽12内；溶液槽12的内底部转动连接有盘状转子5，盘状转子5通过驱动模块驱动；溶液槽12的内壁上安装有电极7，溶液槽12远离导入模块的一侧具有直流高压电源8，直流高压电源8通过导线与电极7电性连接；溶液槽12的正上方安装有纤维收集器14，纤维收集器14的位置与溶液槽12顶部开口的位置相对应。
在本申请实施例中，溶液槽12的侧壁上开设有进液孔，导入模块通过该进液孔将纺丝液9输送至溶液槽12内。在一个示例中，溶液槽12内的纺丝液9的高度高于电极7在溶液槽12内的高度，即电极7没入纺丝液9中进而满足纺丝要求。在另一个示例中，直流高压电源8的电压输出范围为1-100kV。在另一个示例中，溶液槽12内的纺丝液9与纤维收集器14的垂直距离范围为50-300mm。可选地，该溶液槽12呈内部中空的筒状。可选地，本申请中的溶液槽12的尺寸、盘状转子5的尺寸和厚度、溶液槽12侧璧上的进液孔以及电极7的位置均可根据实际工况灵活设置。
在一个可选的实施例中，请参阅图1，导入模块包括计量泵10以及储液器11，计量泵10的一端通过溶液导管6与储液器11连通，另一端通过溶液导管6与溶液槽12的内部连通。
在本申请实施例中，溶液导管6与上述溶液槽12侧壁上开设的进液孔相适配，溶液导管6与进液孔的连接处密封设置。可选地，在溶液导管6与进液孔的连接处打上防水密封胶。该计量泵10的一端通过溶液导管6与储液器11连通，另一端通过溶液导管6与溶液槽12的内部连通的设置，实现了纺丝液9的自动补给，使的纺丝速度和供液速度自动匹配，提高纺丝过程连续性及纤维均匀性。在一个示例中，计量泵10的供液速度范围为0.1-10ml/h。
在一个可选的实施例中，请参阅图1，驱动模块包括旋转电机1、联轴器2以及转轴4，旋转电机1以及联轴器2位于溶液槽12的外侧，转轴4的第一端位于溶液槽12的内底部与盘状转子5连接，转轴4的第二端贯穿过溶液槽12的底部并通过联轴器2与旋转电机1连接，旋转电机1与外部的电源电性连接；溶液槽12的底部具有与转轴4相匹配的贯穿孔。
在本申请实施例中，当旋转电机1处于工作状态时，旋转电机1的动力输出轴带动通过联轴器2带动转轴4转动，转轴4带动溶液槽12内底部的盘状转子5转动，盘状转子5旋转过程中，由于韦森堡效应，使得纺丝液9在盘状转子5的正上方发生凸起，在电极7电场力的作用下产生射流13，最后经过溶剂挥发和纤维固化沉积在位于溶液槽12正上方的纤维收集器14上。在一个示例中，旋转电机1的转速范围为1-8000RPM。在另一个示例中，溶液槽12内的纺丝液9与纤维收集器14的垂直距离范围为50-300mm。
在一个可选的实施例中，请参阅图1，转轴4的第二端贯穿过贯穿孔的位置还具有密封环3，密封环3包括滚珠轴承以及密封圈，滚珠轴承套设在转轴4的第二端上，密封圈位于滚珠轴承与溶液槽12的外侧底面之间，密封圈通过防水胶水分别与滚珠轴承靠近溶液槽12的一侧以及溶液槽12的外侧底面密封连接。
在本申请实施例中，滚珠轴承套设在转轴4的第二端上，当转轴4转动时滚珠轴承的内圈跟随转动，由于滚珠轴承内圈与外圈之间的多组滚珠的存在，滚珠轴承的外圈靠近溶液槽12的一侧与溶液槽12的外侧底面通过密封圈密封连接，密封圈的两侧通过防水胶水与滚珠轴承的外圈靠近溶液槽12的一侧以及溶液槽12的外侧底面密封胶粘，防止纺丝液9渗漏。在一个示例中，位于滚珠轴承远离所述溶液槽12的一侧还具有密封橡胶圈，密封橡胶圈将滚珠轴承的内圈与外圈之间滚珠的部分密封胶粘住，进一步防止纺丝液9渗漏。
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的一种纳米纤维的生产方法的流程示意图，该方法适用于如上述实施例中的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置当中，该方法包括：
S1、配置纺丝液9，将配置好的纺丝液9注入溶液槽12内，纺丝液9的液面高度超过电极7在溶液槽12内的高度，并将多余的纺丝液9存入储液器11内。
在本申请实施例中，配置纺丝液9实现为配置质量分数为8％的聚氧乙烯PEO水溶液。
S2、启动旋转电机1，盘状转子5开始转动，通过调节旋转电机1的转速，使得纺丝液9在盘状转子5上方形成凸起液面。
在本申请实施例中，旋转电机1设定的转速为1000RPM。
S3、开启直流高压电源8，使得盘状转子5上方呈凸起状的纺丝液9的液面在高压电场的作用下形成泰勒锥和射流13，喷射到纤维收集器14上，最终固化干燥形成纳米纤维。
在本申请实施例中，直流高压电源8的输出电压设为35kV。
S4、在纺丝过程中，通过调节纤维收集器14到纺丝液9的液面的垂直距离来改变纤维收集器14的纤维收集区域，并且通过控制计量泵10的供液速度，确保溶液槽12内纺丝液9的液面高度保持不变。
在本申请实施例中，计量泵10的供液速度设为5ml/h。
综上所述，本申请的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置一方面，采用无针头式，可以避免针头式易堵塞、难清洗的问题；另一方面，利用韦森堡效应进行纺丝液的自动供给，使纺丝速度和供液速度自动匹配，提高纺丝过程连续性及纤维均匀性；另一方面，盘状转子在纺丝液中发生旋转时，盘状转子正上方的纺丝液由于韦森堡效应形成凸起，触发了多射流的形成，解决了针头式纺丝技术射流数量少、纤维产量低的问题。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，包括顶部开口的溶液槽(12)，所述溶液槽(12)内具有纺丝液(9)，所述纺丝液(9)通过位于所述溶液槽(12)一侧的导入模块输送至所述溶液槽(12)内；所述溶液槽(12)的内底部转动连接有盘状转子(5)，所述盘状转子(5)通过驱动模块驱动；所述溶液槽(12)的内壁上安装有电极(7)，所述溶液槽(12)远离所述导入模块的一侧具有直流高压电源(8)，所述直流高压电源(8)通过导线与所述电极(7)电性连接；所述溶液槽(12)的上方安装有纤维收集器(14)，所述纤维收集器(14)的位置与所述溶液槽(12)顶部开口的位置相对应。
2.根据权利要求1所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述导入模块包括计量泵(10)以及储液器(11)，所述计量泵(10)的一端通过溶液导管(6)与所述储液器(11)连通，另一端通过所述溶液导管(6)与所述溶液槽(12)的内部连通。
3.根据权利要求2所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述驱动模块包括旋转电机(1)、联轴器(2)以及转轴(4)，所述旋转电机(1)以及所述联轴器(2)位于所述溶液槽(12)的外侧，所述转轴(4)的第一端位于所述溶液槽(12)的内底部与所述盘状转子(5)连接，所述转轴(4)的第二端贯穿过所述溶液槽(12)的底部并通过所述联轴器(2)与所述旋转电机(1)连接，所述旋转电机(1)与外部的电源电性连接；所述溶液槽(12)的底部具有与所述转轴(4)相匹配的贯穿孔。
4.根据权利要求3所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述转轴(4)的第二端贯穿过所述贯穿孔的位置还具有密封环(3)，所述密封环(3)包括滚珠轴承以及密封圈，所述滚珠轴承套设在所述转轴(4)的第二端上，所述密封圈位于所述滚珠轴承与所述溶液槽(12)的外侧底面之间，所述密封圈通过防水胶水分别与所述滚珠轴承靠近所述溶液槽(12)的一侧以及所述溶液槽(12)的外侧底面密封连接。
5.根据权利要求1所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述溶液槽(12)内的所述纺丝液(9)与所述纤维收集器(14)的垂直距离范围为50-300mm。
6.根据权利要求1所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述溶液槽(12)内的所述纺丝液(9)的高度高于所述电极(7)在所述溶液槽(12)内的高度。
7.根据权利要求3所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述旋转电机(1)的转速范围为1-8000RPM。
8.根据权利要求1所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述直流高压电源(8)的电压输出范围为1-100kV。
9.根据权利要求2所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置，其特征在于，所述计量泵(10)的供液速度范围为0.1-10ml/h。
10.一种纳米纤维的生产方法，所述方法适用于如权利要求4所述的用于生产纳米纤维的自由液面多射流静电纺丝装置当中，其特征在于，所述方法包括：
S1、配置纺丝液(9)，将配置好的所述纺丝液(9)注入溶液槽(12)内，所述纺丝液(9)的液面高度超过电极(7)在所述溶液槽(12)内的高度，并将多余的所述纺丝液(9)存入储液器(11)内；
S2、启动旋转电机(1)，盘状转子(5)开始转动，通过调节所述旋转电机(1)的转速，使得所述纺丝液(9)在所述盘状转子(5)上方形成凸起液面；
S3、开启直流高压电源(8)，使得所述盘状转子(5)上方呈凸起状的所述纺丝液(9)的液面在高压电场的作用下形成泰勒锥和射流(13)，喷射到纤维收集器(14)上，最终固化干燥形成纳米纤维；
S4、在纺丝过程中，通过调节所述纤维收集器(14)到所述纺丝液(9)的液面的垂直距离来改变所述纤维收集器(14)的纤维收集区域，并且通过控制计量泵(10)的供液速度，确保所述溶液槽(12)内所述纺丝液(9)的液面高度保持不变。
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