CN115305585B - 一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，包括储液池，储液池中的溶液经过空气压缩机外接气流通道后端导出口的气流作用产生气泡，然后气泡沿着喇叭口向上生长直至气泡壁贴合支撑网上有序错列排列的高曲率实心金属辅助电极尖端，产生临界稳态球弧面气泡，同时高压静电发生器连通的导电线产生高压静电，为高曲率实心金属辅助电极尖端提供相对均匀强电场，使得临界稳态球弧面气泡表面薄气泡壁轻微波动直至能量耗尽，接收装置将产生的纳米纤维得以收集。本发明结合有序错列排开的高曲率实心金属电极和空心临界气泡，控制薄气泡壁以一种相对稳定的状态连续出现，在静电场力作用下，形成稳定射流，从而制备小直径窄分布纳米纤维。
Description
技术领域
本发明涉及纺丝技术领域，具体为一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置。
背景技术
聚合物纤维直径越细、比表面积越大，单位质量材料对应的尺寸效应越明显，发挥的功能性越强，高新技术领域对较小直径窄分布的纳米纤维应用需求与日俱增，例如，新冠疫情中被大量使用的纳米纤维口罩依靠更细的纤维来实现病毒颗粒的物理过滤，纤维膜孔径更小，孔隙率更高，拦截效率越高，且其批量化生产也是最近几年的一个热点和难点方向。静电纺丝技术是目前制备小直径窄分布纳米纤维的主要方法之一，解决纳米纤维批量化生产的各项技术难题，提高其生产效率与稳定性，是全世界研究者的共同目标。
为提高小直径窄分布纳米纤维产量，研究者们通过改进一系列点、线、面式射流排列方式的措施来实施，实质都是增加射流数量，目前根据喷头的数量和形式归类，主要分为多针式和无针式。多针式通过增加一定针头数量并进行相应排布来实现连续生产，但是，多针式的主要问题是针头之间电场的相互干扰，纺丝效果差；同时存在针头易堵塞、针头数量受限制、供料系统复杂等问题。为克服针式纺丝方式的固有缺点，无针静电纺丝技术逐渐发展起来，即泰勒锥的形成不依靠传统针头作为载体，而是纺丝液本身，利用附加的外力或者静电力自身促使自由纺丝液面扰动形成大量凸起作为泰勒锥，纺丝射流大大增加，但为了得到极高分子量的聚合物纳米纤维，必须加很高的静电压，然而，过高的电压会使空气击穿，造成安全隐患。
针对上述技术问题，如何利用低能高效并具有批量生产潜质的新型无针静电纺丝方法制备小直径窄分布纳米纤维，不仅具有重要的理论意义，而且满足迫切的实际需求，所以有必要提供一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，以克服上述缺陷。
为了解决上述问题，本案由此而生。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，可有效提高小直径窄分布纳米纺丝的质量与产量。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，包括储液池、高压静电发生器、与储液池正对的接收装置、空气压缩机、高曲率实心金属辅助电极，所述空气压缩机外接有气流通道，气流通道的后端形成有导出口，所述储液池内设有呈倒置圆台状的喇叭口，导出口通至喇叭口的入口处，所述储液池内设有支撑网，其中支撑网与喇叭口均采用不导电材质，高曲率实心金属辅助电极有序错列排列于支撑网上，所述高压静电发生器通过导电线与高曲率实心金属辅助电极电性连接，并为其尖端提供相对均匀强电场。
优选的，所述球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置中，所述高曲率实心金属辅助电极材质为银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中的一种或多种混合物合金，数量为一个或多个，一个高曲率实心金属辅助电极则居中排列，多个高曲率实心金属辅助电极则位置呈有序错列排开对称状。
优选的，所述高曲率实心金属辅助电极的粗细全部一样或者部分对称排列开的粗细一样，长短尺寸由储液池边缘向中部逐渐递增，顶点以球弧面排列，顶端为圆锥尖端针状结构。
优选的，所述支撑网与喇叭口均为网状结构。
优选的，所述球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置中，所述空气压缩机气流通道连通至所述储液池的底部并横向水平设置，通至储液池底端中间由横向转为竖直向上，形成开口向上的气流导出口。
气流导出口开口方向由横向的气流通道转为向上，向上的气流导出口连接着喇叭口，喇叭口呈圆台状，上接储液池开口，这样气流瞬间集中转向，溶液也不会在气流通道中太多回流，避免了堵塞的情况。
优选的，所述高曲率实心金属辅助电极位于支撑网上，支撑网与所述气流导出口之间的距离范围为0—10cm；所述导出口开口直径范围为0—20cm，所述导出口的最下端与储液池底部的距离范围为0—10cm，所述空气压缩机气流强度范围为5—1000L/min。
优选的，所述导电线外包裹有导电线通道，所述导电线沿所述导电线通道一同连通至所述储液池内，所述导电线通道的外径与导电线的内径相匹配。
优选的，所述导电线通道最上端开口高于储液池最上端开口或至少高于液面设置。
上述装置的使用原理如下：
储液池中的溶液经过空气压缩机外接气流通道后端导出口的气流作用产生气泡，然后调控电压与气流大小，使储液池中初始单个气泡沿着喇叭口向上生长直至气泡壁贴合支撑网上有序错列排列的高曲率实心金属辅助电极尖端，产生临界稳态球弧面气泡。高压静电发生器连通导电线通道里的导电线产生高压静电，为有序错列排列的高曲率实心金属辅助电极尖端提供相对均匀强电场，在相对均匀强电场力的作用下临界稳态球弧面气泡表面薄气泡壁轻微波动直至能量耗尽，接收装置将产生的纳米纤维得以收集。
有益效果
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具备以下优点：
1.一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其以结合错列排开的高曲率实心金属辅助电极和空心临界气泡静电纺丝技术的优势为突破口，改进喷丝装置，在可接受电压值上，以高曲率实心金属电极提供相对均匀的强电场，有效减少电荷逸散，显著提高纺丝液荷电密度，同时在保证射流密度的前提下，减少电荷之间的干扰效应，为小直径窄分布纳米纤维的制备及其应用研究指明了方向。
2.一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，调控电压与气流大小，使储液池一直以单个气泡的状态生长，控制薄气泡壁沿着高曲率实心金属辅助电极的支撑以一种相对稳定的状态连续出现，在静电场力作用下，形成稳定多射流，可实现小直径窄分布纳米纤维的高效率、低耗能、连续化生产，同时为其规模化生产打下基础，设备简单，易操作，适应性强。
3.一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，高曲率实心金属辅助电极不会出现堵塞纺丝喷头的现象，溶液聚合物可选范围大，比较灵活，电压值不必设置过高，提高了安全度。
附图说明
图1所示为本发明实施例1中球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置的结构示意图；
图2所示为图1中储液池的俯视图；
图3所示为本发明实施例2中有单元区间的储液池俯视图。
图中：1、储液池； 2、导电线通道； 3、导电线； 4、高压静电发生器；5、接收装置；6、导出口； 7、空气压缩机； 8、气流通道； 9、支撑网；10、喇叭口；11、高曲率实心金属辅助电极；12、临界稳态球弧面气泡。
具体实施方式
本发明公开了一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，可以使小直径窄分布纳米纤维生产效率大大提高并且操作简便。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。
如图1所示，一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其包括储液池1、高压静电发生器4以及接收装置5，储液池1中的溶液经过空气压缩机7外接气流通道8后端导出口6的气流作用产生气泡，然后调控电压与气流大小，使储液池1中初始单个气泡沿着喇叭口10向上生长直至气泡壁贴合储液池1中支撑网9上有序错列排列的五个高曲率实心铜质辅助电极11尖端，产生临界稳态球弧面气泡12，所述高压静电发生器4连通导电线通道2里的导电线3产生高压静电，有序错列排列的高曲率实心铜质辅助电极11尖端提供相对均匀强电场，在相对均匀强电场力的作用下临界稳态球弧面气泡12表面薄气泡壁轻微波动直至能量耗尽，所述的接收装置5将产生的纳米纤维得以收集，其中支撑网9与喇叭口10的均为不导电网孔状材质。
如图1所示，五个铜质高曲率实心金属辅助电极粗细全部一样，位于储液池中心的高曲率实心铜质辅助电极最长，另外四个高曲率实心铜质辅助电极长度一样，并环绕中心高曲率实心铜质辅助电极对称错列排开，高曲率实心铜质辅助电极顶端为圆锥尖端针状结构，顶点以球弧面排列。临界稳态球弧面气泡沿着高曲率实心铜质辅助电极生长，直至气泡壁与五个高曲率实心铜质辅助电极相接。
如图1所示，气流导出口6开口方向由横向的气流通道8转为向上，这样气流在瞬间集中转向，溶液也不会在气流通道中太多回流，避免了堵塞的情况。
如图1所示，导电线通道2的直径与导电线3直径基本相仿，使导电线3正好通过，这样不会余留太多空间使溶液残余在通道中，避免了装置使用过程的污染情况。
如图1所示，导电线通道2最上端开口高于储液池1最上端开口，利用连通器原理，避免了溶液从导电线通道2最上端渗出。
优选的，高曲率实心金属辅助电极位于支撑网上，支撑网与所述气流导出口之间的距离范围为0—10cm；所述导出口开口直径范围为0—20cm，所述导出口的最下端与储液池底部的距离范围为0—10cm，所述空气压缩机气流强度范围为5—1000L/min。
本方案结合有序错列排开的高曲率实心金属电极和空心临界气泡，控制薄气泡壁以一种相对稳定的状态连续出现，在静电场力作用下，形成稳定射流，从而制备小直径窄分布纳米纤维。将高曲率实心金属辅助电极间距错列地排开，在保证射流密度的前提下，减少电荷之间的干扰效应，保证球弧面薄气泡壁以相对稳定的状态轻微波动，使得制备纳米纤维的过程低耗能易操作，适应性强，小直径窄分布纳米纤维的生产效率提高，为纳米纤维的工业化生产提供基础。
实施例1
如图1所示，本发明在使用时首先将储液池1装满纺丝溶液，通过空气压缩机7外接的气流通道8将气流从导出口6中瞬间集中作用于溶液，使溶液在导出口6处被吹成气泡，然后调控电压与气流大小，使储液池1中初始单个气泡沿着喇叭口向上生长直至气泡壁贴合支撑网9上有序错列排列的五个高曲率实心铜质辅助电极11尖端，产生临界稳态球弧面气泡12，其中储液池1中高曲率实心铜质辅助电极11排列俯视图如图2所示。接通静电发生器4，临界稳态球弧面气泡12通过导电线3的传输导电作用被电场力拉伸，高曲率实心铜质辅助电极增加了临界稳态球弧面气泡的导电性和多射流产生的稳定性。 最后，将得到的纳米纤维接收到接收装置5上。
实施例2
如图3所示，其余与实施例1相同， 不同之处在于，高曲率实心铜质辅助电极11的数量为十九个，位于中心的高曲率实心铜质辅助电极最粗，其余呈两圈环状排列的十八个高曲率实心铜质辅助电极直径一样，比位于中心的高曲率实心铜质辅助电极更细。
以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项使用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。
Claims (7)
1.一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：包括储液池（1）、高压静电发生器（4）、与储液池（1）正对的接收装置（5）、空气压缩机（7）、高曲率实心金属辅助电极（11），所述空气压缩机（7）外接有气流通道（8），气流通道（8）的后端形成有导出口（6），所述储液池（1）内设有呈倒置圆台状的喇叭口（10），导出口（6）通至喇叭口（10）的入口处，所述储液池（1）内设有支撑网（9），其中支撑网（9）与喇叭口（10）均采用不导电材质，所述高曲率实心金属辅助电极（11）有序错列排列于支撑网（9）上，所述高压静电发生器（4）通过导电线（3）与高曲率实心金属辅助电极（11）电性连接，并为其尖端提供相对均匀强电场；所述高曲率实心金属辅助电极（11）的粗细全部一样或者部分对称排列开的粗细一样，长短尺寸由储液池（1）边缘向中部逐渐递增，对应顶点以球弧面排列，顶端为圆锥尖端针状结构。
2.根据权利要求1所述的一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述高曲率实心金属辅助电极（11）材质为银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中的一种或多种混合物合金，数量为多个，其中采用一个高曲率实心金属辅助电极（11）为居中排列，采用多个高曲率实心金属辅助电极（11）位置呈有序错列排开对称状。
3.根据权利要求1所述的一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述支撑网（9）与喇叭口（10）均为网状结构。
4.根据权利要求1所述的一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述空气压缩机（7）外接的气流通道（8）连通至所述储液池（1）的底部并横向水平设置，通至储液池（1）底端中间由横向转为竖直向上，形成开口向上的气流导出口（6），所述导出口（6）向上通至喇叭口（10），喇叭口（10）上接储液池（1）的开口。
5.根据权利要求4所述的一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述高曲率实心金属辅助电极（11）位于支撑网（9）上，支撑网（9）与所述导出口（6）之间的距离范围为0—10cm；所述导出口（6）开口直径范围为0—20cm，所述导出口（6）的最下端与储液池（1）底部的距离范围为0—10cm，空气压缩机（7）气流强度范围为5—1000L/min。
6.根据权利要求1所述的一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述导电线（3）外包裹有导电线通道（2），所述导电线（3）沿所述导电线通道（2）一同连通至所述储液池（1）内，所述导电线通道（2）的外径与导电线（3）的内径相匹配。
7.根据权利要求6所述的一种球弧面强电场稳态气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述导电线通道（2）最上端开口高于储液池（1）最上端开口或至少高于液面设置。
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2022
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