CN115537941A - 一种线型静电纺丝装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种线型静电纺丝装置及使用方法，属于纳米纤维静电纺丝和纺织机械技术领域，包括：固定支架、供液棉芯、螺旋金属线、高压静电发生器、旋转拧紧接头、接收辊筒和接地线；供液棉芯安装在固定支架上部，螺旋金属线缠绕在供液棉芯表面，高压静电发生器安装在固定支架上，螺旋金属线的左端与高压静电发生器电连接，螺旋金属线的右端与旋转拧紧接头连接，接收辊筒转动连接在固定支架下部，接收辊筒通过接地线接地。本发明采用拧紧式的螺旋金属线作为纺丝的喷头，有效引导调控泰勒锥的成形与分布，实现在工业上进行批量化制备纳米纤维的静电纺丝技术，纤维直径均匀，易于调控射流分布密度，明显提高了纳米纤维的直径细度和直径分布均匀性。

Description

一种线型静电纺丝装置及使用方法

技术领域

本发明属于纳米纤维静电纺丝和纺织机械技术领域，尤其涉及一种线型静电纺丝装置及使用方法。

背景技术

聚合物纳米纤维具有直径小、比表面积大、孔隙率高且表面形貌可调控等特性，在光、电、磁、热等方面表现出良好的物理化学性能，在生物医药、能源、环保、电子信息等领域表现出很大的应用潜力和市场价值。目前制备纳米纤维的技术包括熔喷法、模板合成法、自组装和静电纺丝等。静电纺丝技术可实现连续、稳定、高效制备纳米纤维，被行业内公认为是可实现产业化制备纳米纤维的一项重要技术。

静电纺丝技术是指溶液或熔体在高压静电场下形成泰勒锥，当电场力足够强大使得液滴克服表面张力后拉伸细化产生射流，射流劈裂、旋转鞭动并挥发自身溶剂，最后固化并沉积在接收板上得到纤维的过程。迄今为止，相关研究团队研发了各种形式的静电纺丝方法和生产装置，按照喷头类型包括磁流体式、滚筒式、圆盘式、金字塔式、锯齿式等。新的技术和方法相比于传统的单针式静电纺丝，在纤维的生产效率方面有所提升。中国专利201210177134.1公开了一种气泡静电纺丝装置，通过在贮液池中设置喷气管，通过喷气作用在溶液表面形成大量气泡而进一步实现纺丝的效果。但是气泡在电场力作用下破裂大小不均，表面自组织形成泰勒锥和射流分布位置较难控制，纤维直径分布较宽且需要的纺丝电压较高。中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，此方法可以显著提升泰勒锥和射流的分布密度，进而有效提高纳米纤维的产量，但是伞状喷头表面分布的大量溶液与外界环境直接接触，容易致使溶剂快速挥发，影响到纤维的直径分布均匀性等质量问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种线型静电纺丝装置及使用方法，采用一种拧紧式的螺旋金属线作为纺丝喷头，提供一种有效引导调控泰勒锥的成形与分布，并可在工业上进行批量化制备纳米纤维的静电纺丝技术。同时，解决目前批量化无针静电纺丝技术中存在纤维直径不均匀，纺丝操作电压大、纺丝溶液溶剂挥发和射流密度分布调控难的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线型静电纺丝装置，包括：固定支架、供液棉芯、螺旋金属线、高压静电发生器、旋转拧紧接头、接收辊筒和接地线；所述供液棉芯左端固定安装在所述固定支架上部，所述螺旋金属线缠绕在所述供液棉芯的外表面，所述高压静电发生器安装在所述固定支架上，所述螺旋金属线的左端与所述高压静电发生器电连接，所述螺旋金属线的右端与所述旋转拧紧接头连接，所述接收辊筒转动连接在所述固定支架的下部。

进一步地，所述供液棉芯包括柔性软管和棉芯；所述柔性软管左端固定安装在所述固定支架上部，所述柔性软管上均匀分布有多个出液孔，所述棉芯包裹在所述柔性软管的外表面。

进一步地，还包括供液装置，所述供液装置包括供液注射器和输液管，所述供液注射器安装在所述固定支架上，所述输液管的两端分别连通所述供液注射器和所述柔性软管。

进一步地，所述供液装置还包括溶液推进器，所述溶液推进器安装在所述固定支架上，所述供液注射器安装在所述溶液推进器上。

进一步地，还包括电机，所述电机安装在所述固定支架上，所述旋转拧紧接头与所述电机的输出端固定连接。

进一步地，所述接收辊筒能够在竖直方向上沿所述固定支架上下移动。

进一步地，所述高压静电发生器电压调节范围为0-80kV。

进一步地，所述溶液推进器流速调节范围为1-30mL/h。

进一步地，所述接收辊筒通过所述接地线接地。

一种线型静电纺丝装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将螺旋金属线包裹在供液棉芯外侧，并固定在固定支架上；调整接收辊筒与螺旋金属线之间的纺丝距离，调节接收辊筒以一定速度转动；

S2：将纺丝溶液装入供液注射器内，溶液推进器使得纺丝溶液以一定的流量通过输液管至供液棉芯；

S3：开启电机，螺旋金属线以一定的速度旋转拧紧棉芯；

S4：打开高压静电发生器，调节电压至所需的纺丝电压水平，在螺旋金属线和接收辊筒之间形成高压静电场；下落的液滴在强大的电场力作用下形成泰勒锥进而被拉伸产生大量的纤维射流，射流经鞭动细化和溶剂挥发，最后固化沉积在接收辊筒上得到静电纺丝纳米纤维；

S5：当供液棉芯上溶液拧干后，调整电机反向旋转至原位，同时开启溶液推进器进行供液，重复步骤S1-S4。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用拧紧式的螺旋金属线作为纺丝喷头，有效利用拧紧的作用力和溶液的自身重力引导泰勒锥的成形，可以调控溶液在螺旋金属线表面呈现均匀的线型分布，进而提升纳米纤维的直径分布均匀性。

2)通过调整螺旋金属线的初始固定距离和电机旋转的速度，可以调节供液棉芯的受力，液滴产生的形状大小和液滴产生的速率，进而有效控制射流的分布密度以及纳米纤维的产量。

3)与目前大部分无针静电纺丝技术相比，结构简单，操作方便，减少溶剂的挥发；结合螺旋金属线拧紧作用力和液滴自身重力有效引导泰勒锥的成形，可以降低静电纺丝阈值电压；同时本发明技术也具备批量化制备纳米纤维的潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是一种线型静电纺丝装置的结构示意图。

图2是供液棉芯内部结构示意图。

其中，图中：

1-固定支架、2-高压静电发生器、3-输液管、4-供液注射器、5-溶液推进器、6-螺旋金属线、7-供液棉芯、8-旋转拧紧接头、9-电机、10-纤维射流、11-接收辊筒、12-接地线、13-柔性软管、14-出液孔、15-棉芯。

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，显然，所描述的实施例仅仅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。

参照附图1-2所示，本发明提供一种线型静电纺丝装置，包括：固定支架1、供液棉芯7、螺旋金属线6、高压静电发生器2、旋转拧紧接头8、接收辊筒11和接地线12；供液棉芯7左端固定安装在固定支架1上部，两根螺旋金属线6缠绕在供液棉芯7的外表面，高压静电发生器2安装在固定支架1上(固定支架1上固定安装高压静电发生器2为常规技术，图1固定支架1未画完整，下文中的电机9和溶液推进器5的安装与此情况相同)，螺旋金属线6的左端与高压静电发生器2电连接，螺旋金属线6的右端与旋转拧紧接头8连接，接收辊筒11转动连接在固定支架1的下部，接收辊筒11通过接地线12接地；并且接收辊筒11能够在固定支架1上竖直上下移动调节与螺旋金属线6之间的距离。其中，固定支架1材质为不导电的绝缘材质，聚四氟乙烯或亚克力板；螺旋金属线6材质为铜，有一定的弹性，直径为0.5-5mm；拧紧接头材质为聚四氟乙烯或其他不导电塑料，硬度较高；接收辊筒11为金属导电材质，辊筒直径20-200mm。

供液棉芯7包括柔性软管13和棉芯15；柔性软管13上均匀分布有多个出液孔14，棉芯15包裹在柔性软管13的外表面，柔性软管13材质为聚丙烯或聚乙烯，直径为4-16mm，柔性软管13上出液孔14直径大小为1-6mm，出液孔14的间距设置为4-8mm；棉芯15材质为蓬松柔软的棉花或海绵。

一种线型静电纺丝装置还包括供液装置，供液装置包括供液注射器4和输液管3，供液注射器4安装在固定支架1上，输液管3的两端分别连通供液注射器4和柔性软管13。供液注射器4容量为20-300mL；输液管3材质为聚丙烯或聚乙烯，直径4-16mm。

供液装置还包括溶液推进器5，溶液推进器5安装在固定支架1上，供液注射器4安装在溶液推进器5上。溶液推进器5流速可调范围为1-30mL/h。

一种线型静电纺丝装置还包括电机9，电机9安装在固定支架1上，旋转拧紧接头8与电机9的输出端固定连接。电机9可以实现正转与反转的控制，转速范围1-200转/分钟。

实施例1

本发明提供一种静电纺丝方法，采用上述一种线型静电纺丝装置，包括以下步骤：

步骤1：首先将螺旋金属线6左端固定在固定支架1上，两根螺旋线的固定距离调整好，螺旋金属线6包裹在供液棉芯7外侧。调整接收辊筒11与螺旋金属线6之间的纺丝距离，调节接收辊筒11以一定速度转动；

步骤2：将配置好的纺丝溶液装入供液注射器4内，开启溶液推进器5使得纺丝溶液以一定的流量通过输液管3至供液棉芯7；

步骤3：供液棉芯7内部设置柔性软管13，溶液在流体压力下通过出液孔14渗透至棉芯15，当供液棉芯7吸收纺丝溶液达到饱和状态，暂停供液，此时开启电机9，螺旋金属线6以一定的速度旋转拧紧棉芯15，棉芯15吸收的溶液被挤压以液滴的形式不断的滴落；

步骤4：打开高压静电发生器2，调节电压至所需的纺丝电压水平，此时在螺旋金属线6喷头和接收辊筒11之间形成强大的高压静电场；下落的液滴在强大的电场力作用下形成泰勒锥进而被拉伸产生大量的纤维射流10，射流经鞭动细化和溶剂挥发，最后固化沉积在接收辊筒11上得到静电纺丝纳米纤维；

步骤5：当供液棉芯7上溶液拧干后，调整电机9反向旋转至原位，同时开启溶液推进器5进行供液，重复步骤1-4，可进行连续的静电纺丝制备纳米纤维。

实施例2

纺丝溶液采用聚乙烯醇(PVA)为溶质，纯水(H₂O)为溶质所配制的聚合物溶液制备纳米纤维，配制PVA溶液浓度为10％。

选定直径为2mm的螺旋金属线6，供液棉芯7外径为2cm。将螺旋金属线6左端固定在固定支架11上，两根螺旋线的固定距离2.5cm，螺旋金属线6包裹在供液棉芯7外侧。调整接收辊筒11与螺旋金属线6之间的纺丝距离为12cm，调节接收辊筒11转速为200r/min；将配置好的10％的PVA溶液装入供液注射器4内，开启溶液推进器5以20mL/h的流速输送溶液供液棉芯7。当供液棉芯7吸收纺丝溶液达到饱和状态，暂停供液，此时开启电机9，螺旋金属线6以20r/min旋转拧紧棉芯15，棉芯15吸收的溶液被挤压以液滴的形式不断的滴落。打开高压静电发生器2，调节电压至30kV，此时在螺旋金属线6喷头和接收辊筒11之间形成强大的高压静电场；下落的液滴在强大的电场力作用下形成泰勒锥进而被拉伸产生大量的纤维射流10，射流经鞭动细化和溶剂挥发，最后固化沉积在接收辊筒11上得到静电纺丝纳米纤维。当供液棉芯7上溶液拧干后，调整电机9反向旋转至原位，同时开启溶液推进器5进行供液，重复步骤1-4，可进行连续的静电纺丝制备纳米纤维。经测试，制备的静电纺丝纳米纤维的直径分布均在200-400nm之间，而现有技术得到的纳米纤维的直径普遍在300nm～800nm之间，与现有技术相比，本发明的技术方案明显提高了纳米纤维的直径细度和直径分布均匀性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种线型静电纺丝装置，其特征在于，包括：固定支架、供液棉芯、螺旋金属线、高压静电发生器、旋转拧紧接头、接收辊筒和接地线；所述供液棉芯左端固定安装在所述固定支架上部，所述螺旋金属线缠绕在所述供液棉芯的外表面，所述高压静电发生器安装在所述固定支架上，所述螺旋金属线的左端与所述高压静电发生器电连接，所述螺旋金属线的右端与所述旋转拧紧接头连接，所述接收辊筒转动连接在所述固定支架的下部。

2.根据权利要求1所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，所述供液棉芯包括柔性软管和棉芯；所述柔性软管左端固定安装在所述固定支架上部，所述柔性软管上均匀分布有多个出液孔，所述棉芯包裹在所述柔性软管的外表面。

3.根据权利要求2所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，还包括供液装置，所述供液装置包括供液注射器和输液管，所述供液注射器安装在所述固定支架上，所述输液管的两端分别连通所述供液注射器和所述柔性软管。

4.根据权利要求3所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，所述供液装置还包括溶液推进器，所述溶液推进器安装在所述固定支架上，所述供液注射器安装在所述溶液推进器上。

5.根据权利要求1所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，还包括电机，所述电机安装在所述固定支架上，所述旋转拧紧接头与所述电机的输出端固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，所述接收辊筒能够在竖直方向上沿所述固定支架上下移动。

7.根据权利要求1所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，所述高压静电发生器电压调节范围为0-80kV。

8.根据权利要求4所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，所述溶液推进器流速调节范围为1-30mL/h。

9.根据权利要求1所述的一种线型静电纺丝装置，其特征在于，所述接收辊筒通过所述接地线接地。

10.根据权利要求1-9任意项所述的一种线型静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将螺旋金属线包裹在供液棉芯外侧，并固定在固定支架上；调整接收辊筒与螺旋金属线之间的纺丝距离，调节接收辊筒以一定速度转动；

S2：将纺丝溶液装入供液注射器内，溶液推进器使得纺丝溶液以一定的流量通过输液管至供液棉芯；

S3：开启电机，螺旋金属线以一定的速度旋转拧紧棉芯；

S4：打开高压静电发生器，调节电压至所需的纺丝电压水平，在螺旋金属线和接收辊筒之间形成高压静电场；下落的液滴在强大的电场力作用下形成泰勒锥进而被拉伸产生大量的纤维射流，射流经鞭动细化和溶剂挥发，最后固化沉积在接收辊筒上得到静电纺丝纳米纤维；

S5：当供液棉芯上溶液拧干后，调整电机反向旋转至原位，同时开启溶液推进器进行供液，重复步骤S1-S4。

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