CN115287772A - 一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，包括储液装置、收集装置，储液装置内设置有振动装置，振动装置包括支撑柱，支撑柱的底部与储液装置的内腔底部连接，支撑柱的顶部安装有转动装置，转动装置连接有若干振动棒，储液装置的外围设置有电极线圈，电极线圈连接有高压发生器，储液装置的底部开设若干连接孔，气囊的顶部开设有若干出气孔，连接孔与出气孔通过分导管连通，气囊的底部开设有进气孔，进气孔通过主导管连接有空气泵。本发明为分离式静电纺丝装置，电极线圈与纺丝液分离，可以加大电极线圈与收集装置的电势差，提高静电场的牵伸力，通过振动棒将气泡分解，提高了微纳米纤维的生产效率，改善了纤维膜的均匀性。
Description
技术领域
本发明属静电纺丝技术领域，特别是涉及一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置及其使用方法。
背景技术
微纳米纤维集合体的宏量制备技术是纺织领域的研究热点之一。微纳米纤维直径细、柔性好，具有极高的比表面积和孔隙率，因此，其在能源、生物医药、个体防护与纺织服装等各个领域均展现了极高的应用价值。
制备微纳米纤维集合体的方法有模板合成法、拉伸法等，但是上述制备微纳米纤维的方法较为复杂、工序繁杂、合成效率较低。随着微纳米材料科学的发展，静电纺丝技术凭借其设备简单、操作便捷和工艺可控性强等特点，成为目前连续制备微纳米纤维集合体最为高效的技术之一。
一般而言，静电纺丝装置主要包括喷头装置、高压发生装置、收集装置、供液装置等。通过供液装置连续向喷头装置提供纺丝液，高压发生装置为静电纺丝装置提供电势差，最终在电场力的作用下，喷头中的纺丝液克服其表面张力形成射流，射流经过一段相对稳定的直线飞行阶段后，在环境流场及其自身所带电荷的排斥力作用下，发生剧烈的鞭动现象，在鞭动的过程中，静电纺射流发生充分的牵伸，最终形成微纳米纤维并沉积在收集装置中。
然而，传统的单针头静电纺丝装置制备微纳米纤维的效率极低，制备的纤维直径相对较粗，难以满足产业化及高品质产品的要求，如何实现超细微纳米纤维的批量化制备成为工程材料科学界的研究热点。
THERON等采用多个针头同时进行静电纺丝制备微纳米纤维[Multiple jets inelectrospinning:experiment and modeling[J].Polymer,2005, 46(9):2889-99]。TOMASZEWSKI研究了针头的排列方式对静电纺丝的影响 [Investigation ofelectrospinning with the use of a multi-jet electrospinning head[J].FibresText East Eur,2005,13(4):22-6]。然而，随着针头数量的增多，针头之间的电场发生强烈的互相干扰作用，改变针头的排列方式无法根本上解决电场的干扰现象，造成了针头堵塞、产量下降等问题。相对而言，无针式静电纺丝技术在微纳米纤维的宏量制备上更具优势。中国专利CN201610296863.7、CN202110355602.9、CN201610629977.9 等公开多种无针式静电纺丝技术，无针式静电纺丝装置通过增加静电纺射流的数量，显著提高了静电纺制备微纳米纤维集合体的制备效率。但是，随着静电纺射流数量的增加，其所形成的微纳米纤维的直径变异较大、纤维的平均直径较粗。为了控制静电纺微纳米纤维直径的均匀性，降低纤维直径，Yang 提出了一种气泡静电纺丝技术[Yang R,He J,Lan X,et al. Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers[J].Polymer,2009, 50(24):5846-5850.]，通过控制射流的质量形成极细的微纳米纤维。然而，在气泡静电纺丝的过程中，对气流控制的要求较高。在气流上浮形成气泡的过程中，容易形成相对固定的气流通道，使射流形成的位置相对固定，造成静电纺纤维膜厚度上分布不匀。
发明内容
本发明的主要目的是提出了一种气泡均匀分布的分离式空气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：
一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，包括储液装置、收集装置，所述收集装置位于所述储液装置的正上方，所述收集装置接地，所述储液装置内设置有振动装置，所述振动装置包括支撑柱，所述支撑柱的底部与所述储液装置的内腔底部垂直固定连接，所述支撑柱的顶部固定安装有转动装置，所述转动装置上水平固定连接有若干振动棒，所述若干振动棒等间距分布，所述振动棒的顶部的高度低于所述储液装置的顶部的高度，所述储液装置的外围设置有电极线圈，所述电极线圈的高度低于所述振动棒的高度，所述电极线圈电性连接有高压发生器，所述储液装置的底部开设有均匀分布的若干连接孔，所述储液装置的正下方设置有气囊，所述气囊的顶部开设有若干出气孔，所述出气孔与所述连接孔一一对应，所述连接孔与所述出气孔均通过分导管连通，所述气囊的底部开设有进气孔，所述进气孔通过主导管固定连接有空气泵。
优选的，所述电极线圈为无尖端的光滑闭合结构。
优选的，所述储液装置为圆筒状，壁厚<1mm，高度10～50mm，直径为 50～200mm。
优选的，所述振动棒的顶部与所述储液装置的顶部的高度差为10～30mm。
优选的，所述振动棒的直径为1～10mm。
优选的，所述电极线圈的直径为20～40cm，线径<20mm。
优选的，所述高压发生器的工作电压范围为30～70kV。
优选的，所述连接孔的孔径为0.1～1mm。
优选的，所述连接孔与所述振动棒的数量关系为：n＝ml，其中n表示所述连接孔的数量，m表示所述振动棒的数量，l表示所述振动棒的长度。
优选的，一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：
S1:首先在储液装置中注入纺丝液，直至纺丝液浸没振动棒，并且在工作过程中，纺丝液始终保持浸没振动棒的状态；
S2:启动转动装置与振动棒，调节转动装置的转动速率和振动棒的振动频率；
S3:启动空气泵，调节进气速率，空气经过主导管进入气囊，再经过若干分导管进入储液装置中，在均匀分布的连接孔上形成气泡，气泡在振动棒的振动作用下被分解成小气泡，随后小气泡继续上浮到纺丝液表面；
S4:打开高压发生器，调节工作电压，纺丝液表面的小气泡在电场力的牵伸下破裂形成射流，进一步被牵伸成微纳米纤维，小气泡持续生成并破裂形成微纳米纤维，微纳米纤维最终均匀地沉积在收集装置的表面形成纤维膜。
本发明提供了一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置及其使用方法，具备以下有益效果：
本发明为分离式静电纺丝装置，通过高压发生器与电极线圈电性连接，电极线圈又与纺丝液分离，与现有技术相比，可以加大电极线圈与收集装置之间的电势差，提高静电场的电场强度，从而提高静电场对小气泡的牵伸力，显著降低传统的高压连接方式造成的电场损耗，在储液装置底部形成均匀的气泡，并且通过振动棒将气泡分解成小气泡，提高了微纳米纤维的生产效率，并且明显改善了所制得的纤维膜在厚度方向的均匀性。
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、储液装置；11、连接孔；2、收集装置；3、振动装置；31、支撑柱；32、转动装置；33、振动棒；4、电极线圈；5、高压发生器；6、气囊； 7、分导管；8、主导管；9、空气泵。
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。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、 "长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例，如图1-2所示，一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，包括储液装置1、收集装置2，储液装置1用来盛放纺丝液，所述收集装置2 位于所述储液装置1的正上方，所述收集装置2接地，收集装置2可以是金属平板或者金属滚筒，根据具体需要选择，并且收集装置2的接收面积大于储液装置1的面积，避免微纳米纤维的浪费。
所述储液装置1内设置有振动装置3，所述振动装置3包括支撑柱31，所述支撑柱31的底部与所述储液装置1的内腔底部垂直固定连接，所述支撑柱31的顶部固定安装有转动装置32，转动装置32通过转动电机驱动，转动装置32的转动速率为0～300r/min，所述转动装置32上水平固定连接有若干振动棒33，所述若干振动棒33等间距分布，并且处于同一高度，振动棒33 通过振动电机驱动，振动棒33的振动频率为0～6000Hz，所述振动棒33的顶部的高度低于所述储液装置1的顶部的高度，确保储液装置1中纺纱液能够浸没振动棒33。
所述储液装置1的外围设置有电极线圈4，所述电极线圈4的高度低于所述振动棒33的高度，所述电极线圈4电性连接有高压发生器5，电极线圈4 与收集装置2之间产生电势差，形成静电场，振动棒33位于静电场中，高压发生器5的正极通过金属导线与电极线圈4连接，负极通过金属导线接地，高压发生器5可调节电压的范围为0～100KV。
所述储液装置1的底部开设有均匀分布的若干连接孔11，所述储液装置 1的正下方设置有气囊6，所述气囊6的顶部开设有若干出气孔，所述出气孔与所述连接孔11一一对应，具体的，出气孔与连接孔11的数量、孔径、位置都一一对应，所述连接孔11与所述出气孔均通过分导管7连通，所述气囊 6的底部开设有进气孔，所述进气孔通过主导管8固定连接有空气泵9，空气泵9控制气囊6的进气速率。
工作原理：
工作时，在储液装置1中注入纺丝液，直至纺丝液浸没振动棒33，并且在工作过程中，纺丝液始终保持浸没振动棒33的状态，然后打开转动电机与振动电机，启动转动装置32与振动棒33，调节转动装置32的转动速率和振动棒33的振动频率，再启动空气泵9，调节进气速率，空气经过主导管8进入气囊6，再经过若干分导管7进入储液装置1中，在均匀分布的连接孔11 上形成气泡，气泡上浮过程中受到振动棒33产生的水平方向的离心力，气泡在振动棒33的振动作用下被分解成大量小气泡，并且转动装置32带动若干振动棒33匀速转动使气泡充分分解，随后小气泡继续上浮到纺丝液表面，再打开高压发生器5，调节工作电压，纺丝液表面的小气泡在电场力的牵伸下破裂形成射流，进一步被牵伸成微纳米纤维，小气泡持续生成并破裂形成微纳米纤维，微纳米纤维最终均匀地沉积在收集装置2的表面形成纤维膜。
本发明为分离式静电纺丝装置，通过高压发生器5与电极线圈4电性连接，电极线圈4又与纺丝液分离，与现有技术相比，可以加大电极线圈4 与收集装置2之间的电势差，提高静电场的电场强度，从而提高静电场对小气泡的牵伸力，显著降低传统的高压连接方式造成的电场损耗，在储液装置1 底部形成均匀的气泡，并且通过振动棒33将气泡分解成小气泡，提高了微纳米纤维的生产效率，并且明显改善了所制得的纤维膜在厚度方向的均匀性。
在本实施例中，支撑柱31的直径为5mm，进气孔的孔径为15mm，储液装置1采用聚四氟乙烯材料，支撑柱31、振动棒33、电极线圈4均采用金属铜材料，分导管7和主导管8采用绝缘材料。
作为本实施例的进一步优选方案，所述电极线圈4为无尖端的光滑闭合结构，避免了传统针头在高电压下的尖端放电现象，可良好地适应高电压的工作要求。
作为本实施例的进一步优选方案，所述储液装置1为圆筒状，壁厚<1mm，高度10～50mm，直径为50～200mm，所述振动棒33的顶部与所述储液装置1 的顶部的高度差为10～30mm，所述振动棒33的直径为1～10mm，所述电极线圈4的直径为20～40cm，线径<20mm，所述高压发生器5的工作电压范围为 30～70kV，所述连接孔11的孔径为0.1～1mm，所述收集装置2与所述储液装置1的顶部的距离为10～20cm。
作为本实施例的进一步优选方案，按照振动棒33的长度和数量来配置连接孔11，所述连接孔11与所述振动棒33的数量关系为：n＝ml，其中n表示所述连接孔11的数量，m表示所述振动棒33的数量，l表示所述振动棒33 的长度。
作为本实施例的进一步优选方案，一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：
S1:首先在储液装置1中注入纺丝液，直至纺丝液浸没振动棒33，并且在工作过程中，纺丝液始终保持浸没振动棒33的状态；
S2:启动转动装置32与振动棒33，调节转动装置32的转动速率和振动棒 33的振动频率；
S3:启动空气泵9，调节进气速率，空气经过主导管8进入气囊6，再经过若干分导管7进入储液装置1中，在均匀分布的连接孔11上形成气泡，气泡上浮过程中受到振动棒33产生的水平方向的离心力，气泡在振动棒33的振动作用下被分解成大量小气泡，并且转动装置32带动若干振动棒33匀速转动使气泡充分分解，随后小气泡继续上浮到纺丝液表面；
S4:打开高压发生器5，调节工作电压，纺丝液表面的小气泡在电场力的牵伸下破裂形成射流，进一步被牵伸成微纳米纤维，小气泡持续生成并破裂形成微纳米纤维，微纳米纤维最终均匀地沉积在收集装置2的表面形成纤维膜，制得的纤维膜类似非织造布。
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 (10)
1.一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，包括储液装置(1)、收集装置(2)，所述收集装置(2)位于所述储液装置(1)的正上方，所述收集装置(2)接地，所述储液装置(1)内设置有振动装置(3)，其特征在于：所述振动装置(3)包括支撑柱(31)，所述支撑柱(31)的底部与所述储液装置(1)的内腔底部垂直固定连接，所述支撑柱(31)的顶部固定安装有转动装置(32)，所述转动装置(32)上水平固定连接有若干振动棒(33)，所述若干振动棒(33)等间距分布，所述振动棒(33)的顶部的高度低于所述储液装置(1)的顶部的高度，所述储液装置(1)的外围设置有电极线圈(4)，所述电极线圈(4)的高度低于所述振动棒(33)的高度，所述电极线圈(4)电性连接有高压发生器(5)，所述储液装置(1)的底部开设有均匀分布的若干连接孔(11)，所述储液装置(1)的正下方设置有气囊(6)，所述气囊(6)的顶部开设有若干出气孔，所述出气孔与所述连接孔(11)一一对应，所述连接孔(11)与所述出气孔均通过分导管(7)连通，所述气囊(6)的底部开设有进气孔，所述进气孔通过主导管(8)固定连接有空气泵(9)。
2.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述电极线圈(4)为无尖端的光滑闭合结构。
3.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述储液装置(1)为圆筒状，壁厚<1mm，高度10～50mm，直径为50～200mm。
4.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述振动棒(33)的顶部与所述储液装置(1)的顶部的高度差为10～30mm。
5.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述振动棒(33)的直径为1～10mm。
6.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述电极线圈(4)的直径为20～40cm，线径<20mm。
7.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述高压发生器(5)的工作电压范围为30～70kV。
8.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述连接孔(11)的孔径为0.1～1mm。
9.根据权利要求1所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置，其特征在于：所述连接孔(11)与所述振动棒(33)的数量关系为：n＝ml，其中n表示所述连接孔(11)的数量，m表示所述振动棒(33)的数量，l表示所述振动棒(33)的长度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种气泡均匀分布的分离式空气静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:首先在储液装置(1)中注入纺丝液，直至纺丝液浸没振动棒(33)，并且在工作过程中，纺丝液始终保持浸没振动棒(33)的状态；
S2:启动转动装置(32)与振动棒(33)，调节转动装置(32)的转动速率和振动棒(33)的振动频率；
S3:启动空气泵(9)，调节进气速率，空气经过主导管(8)进入气囊(6)，再经过若干分导管(7)进入储液装置(1)中，在均匀分布的连接孔(11)上形成气泡，气泡在振动棒(33)的振动作用下被分解成小气泡，随后小气泡继续上浮到纺丝液表面；
S4:打开高压发生器(5)，调节工作电压，纺丝液表面的小气泡在电场力的牵伸下破裂形成射流，进一步被牵伸成微纳米纤维，小气泡持续生成并破裂形成微纳米纤维，微纳米纤维最终均匀地沉积在收集装置(2)的表面形成纤维膜。
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