CN115573102A - 一种螺旋型印刷式静电纺丝装置及静电纺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是指一种螺旋型印刷式静电纺丝装置及静电纺丝方法；解决了静电纺丝连续化生产效率低的问题。本发明底座上设有移动架，移动架与水平驱动机构相连接，移动架上设有储液式喷头，储液式喷头与设置在底座上的供液机构相连接；储液式喷头内贯穿有螺旋丝杆，螺旋丝杆的两端分别与设置在底座两侧的绝缘箱体相连接，螺旋丝杆与高压发生器的正极相连接，接收基板与高压发生器的负极相连接并接地，接收基板位于储液式喷头上方。本发明静电纺丝方法利用螺旋型印刷式喷头结构在螺旋型丝杆上均匀涂覆一层高聚物溶液，溶液浓度控制性好，使其始终处于良好的初始状态，为连续生产加工提供了生产条件，确保纺丝的质量和效率。

Description

一种螺旋型印刷式静电纺丝装置及静电纺丝方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是指一种螺旋型印刷式静电纺丝装置及静电纺丝方法。

背景技术

静电纺丝被广泛用于纳米纤维的生产制造，它利用电场将聚合物流体“吸引”到纤维中，是一种基于电流体动力过程形成连续细纤维的简单而通用的方法。静电纺纳米纤维由于其高的空气/液体渗透性、大的表面积-体积比、可调的纤维直径和易于功能化，在组织工程、药物递送、催化、传感器、能量转换、和环境保护等领域显示出巨大的应用潜力。

单针式静电纺丝以中空的金属毛细管作为纺丝喷头，一般只在针头顶部产生一根射流，射流以一根接一根的形式运动至收集装置。其传统的形式（生产依赖于通过单针孔的外部控制的流体流动）受到低产量的困扰，而且在纺丝过程中还会造成喷头堵塞的问题，连续化生产存在障碍。

近年来，随着静电纺丝纳米纤维材料及应用研究的蓬勃发展，纳米纤维制备效率低下的问题日益凸显有关静电纺连续制备纳米纤维的文章和专利涌现出许多。中国专利202023040993.5介绍了一种静电纺丝装置，运用专利中描述的方法能够实现纳米纤维的规模化生产，但是不足之处是纺丝盒内的溶液与空气的接触面积过大，在纺丝的过程中聚合物溶液极易挥发，这些缺点会影响纳米纤维的形态、稳定性，最后影响纳米纤维的品质。中国专利2021115422589.4公布了一种无针头线性电极静电纺丝装置，此种装置将纺丝溶液通过微型水泵喷射到金属丝电极上，金属丝电极上通有高压，纺丝溶液从金属丝状电极上被拉伸成射流细丝形成纤维，与针头电极静电纺丝装置相比，该方法提高了纳米纤维的生产效率，精简了喷头的复杂程度。但是现有线性电极纺丝装置中喷射式涂液，涂覆溶液不够均匀，喷射模块清洗困难，拆装繁琐，费时费力，不利于连续化生产。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种螺旋型印刷式静电纺丝装置及静电纺丝方法，解决了现有技术中静电纺丝连续化生产效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种螺旋型印刷式静电纺丝装置，包括底座和接收基板，所述底座上设有移动架，移动架与设置在底座上的水平驱动机构相连接，所述移动架上设有储液式喷头，储液式喷头与设置在底座上的供液机构相连接；所述储液式喷头内贯穿有螺旋丝杆，螺旋丝杆的两端分别与设置在底座两侧的绝缘箱体相连接，螺旋丝杆与高压发生器的正极相连接，接收基板与高压发生器的负极相连接并接地，接收基板位于储液式喷头上方；

供液机构将纺丝液注入储液式喷头内，储液式喷头对螺旋丝杆进行浸泡式上液；螺旋丝杆上的纺丝液在高压发生器作用下飞射到接收基板上形成纳米纤维无纺膜。

所述储液式喷头包括固定在移动架上的绝缘壳体，绝缘壳体内嵌设有金属喷头，金属喷头通过上盖体固定在绝缘壳体内；所述金属喷头包括下腔套和上腔套，下腔套和上腔套密封配合形成储液腔，储液腔的两侧壁上开设有内穿丝孔，绝缘壳体上开设有外穿丝孔，螺旋丝杆通过对应的内穿丝孔、外穿丝孔贯穿储液式喷头。

所述下腔套的底部设有出液接头，出液接头伸出绝缘壳体并与设置在移动架上的回收管相连接；所述上腔套的侧壁上连接有进液接头，进液接头伸出绝缘壳体并与供液机构相连接。

所述出液接头通过设置在绝缘壳体底部的导出孔伸出，回收管连接在导出孔处，绝缘壳体内底部设有与外穿丝孔对应的回流槽，回流槽与导出孔连通。

所述上腔套套设在下腔套内，且上腔套与下腔套之间设有与内穿丝孔相对应的刮液挡片，刮液挡片用于将螺旋丝杆上过多的纺丝液刮落到储液腔内。

所述供液机构包括设置在移动架上的储液瓶和供液泵，储液瓶通过进液管与进液接头相连接，回收管与储液瓶连通，供液泵连接在进液管与储液瓶之间。

所述水平驱动机构包括设置在底座的驱动电机和滑轨架，移动架与滑轨架滑动连接，所述驱动电机的输出端设有驱动轮，驱动轮带动设置在滑轨架上的传动带转动，移动架与传动带固定连接。

所述底座上设有挡液板，挡液板位于水平驱动机构上方，移动架为门型架，门型架横跨过挡液板，且门型架通过连接座与传动带相连接。

所述绝缘箱体内分设有若干个小腔室，小腔室与螺旋丝杆一一对应。

一种所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置的静电纺丝方法，步骤如下：

S1：通过供液机构将纺丝液注入储液式喷头内的储液腔内，确保储液腔内的纺丝液的液面高于螺旋丝杆；

S2：储液式喷头对位于其内部的螺旋丝杆部分进行浸泡式上液；

S3：启动水平驱动机构，在水平驱动机构的作用下，载有储液式喷头的移动架带动储液式喷头沿螺旋丝杆往复运动，对螺旋丝杆进行均匀上液；

S4：打开高压发生器，缓慢增加电压，当电压超过某一定值以后，螺旋丝杆上的纺丝液在高压发生器作用下以射流的形式飞射到接收基板上，射流在飞向接收极板的过程中，射流被拉伸，溶剂挥发，纺丝液固化，形成纳米纤维沉积在接收极板上，形成纳米纤维无纺膜。

本发明的有益效果为：本发明采用储液式喷头与螺旋型丝杆相结合的方式，纺丝液经过进液管到达喷头储液腔内，储液腔内的纺丝液以浸没的方式均匀涂敷到螺旋型丝杆上，减少堵塞，提高了纺丝液的利用程度；且在工作过程中，纺丝液能进行循环利用，减少了资源浪费。同时，在电场中由于大量射流会在螺旋型丝杆的螺纹上形成螺旋丝杆具有很好的尖端效应、表面积大，所需激发射流的临界电压小，所纺纤维产量高，纤维细等优势，提升纺丝的效率。本发明静电纺丝方法利用螺旋型印刷式喷头结构在螺旋型丝杆上均匀涂覆一层高聚物溶液，溶液浓度控制性好，使其始终处于良好的初始状态，为连续生产加工提供了生产条件，确保纺丝的质量和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构侧视示意图。

图2为本发明工作状态示意图。

图3为本发明去掉接收基板及挡液板后状态示意图。

图4为储液式喷头结构示意图。

图5为储液式喷头内部结构示意图。

图6为金属喷头内刮液挡片安装状态示意图。

图7为储液式喷头的绝缘壳体结构示意图。

图8为储液式喷头去掉上盖体状态示意图。

图9为金属喷头装配状态示意图。

图10为螺旋丝杆局部放大图。

图11为螺旋丝杆上电场尖端效应云图。

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付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。

如图2、3所示，实施例1，一种螺旋型印刷式静电纺丝装置，包括底座1和接收基板2，接收基板2位于底座的上方，可通过支架与底座连接。所述底座1上设有移动架3，移动架3与设置在底座1上的水平驱动机构4相连接，在水平驱动机构作用下，移动架能在底座上进行左右平移运动。所述移动架3上设有储液式喷头5，储液式喷头5的数量根据需要可设置多个，多个储液式喷头5沿移动架3上顶板均匀布置。储液式喷头5与设置在底座1上的供液机构6相连接；供液机构用于将纺丝液注入到储液式喷头5；所述储液式喷头5内贯穿有螺旋丝杆7，即螺旋丝杆从喷头内部穿过，储液式喷头5内的纺丝液均匀涂覆到螺旋丝杆7。螺旋丝杆7与储液式喷头一一对应，螺旋丝杆7的两端分别与设置在底座1两侧的绝缘箱体8相连接，所述绝缘箱体8内分设有若干个小腔室，小腔室与螺旋丝杆7一一对应，实现相邻两个螺旋丝杆7的端部在绝缘箱体8内有效隔开。螺旋丝杆7与高压发生器9的正极相连接，高压发生器9的正极通过电导线与螺旋丝杆7一一连接。接收基板2与高压发生器9的负极相连接并接地。高压发生器的电压范围为-20kv—150kv。接收基板2位于储液式喷头5上方，且两者之间的距离优选为1~50cm，以在电场作用下，螺旋丝杆7上的纺丝液能有效射流至接收基板2上为宜。如图10所示，螺旋丝杆为金属丝杆，螺纹外观呈现螺旋型，每个间隔都有一圈尖锐的突起，其中螺距为0.1~8mm、中径和大径为1~10mm，螺旋丝杆7直径为1~10mm，确保射流的均匀性。

工作时供液机构6将纺丝液注入储液式喷头5内，储液式喷头5对螺旋丝杆7进行浸泡式上液，确保对螺旋丝杆上液均匀性；螺旋丝杆7上的纺丝液在高压发生器9作用下飞射到接收基板2上形成纳米纤维无纺膜。

作为进一步优选方案，如图4、5所示，所述储液式喷头5包括固定在移动架3上的绝缘壳体501，绝缘壳体501通过螺栓固定在移动架3上。绝缘壳体501内嵌设有金属喷头，金属喷头通过上盖体502固定在绝缘壳体501内，上盖体502与绝缘壳体501密封连接。所述金属喷头包括下腔套503和上腔套504，下腔套503和上腔套504密封配合形成储液腔513；工作时供液机构将纺丝液注入到储液腔513内，确保纺丝液浸没位于内部的螺旋丝杆。储液腔513的两侧壁上开设有内穿丝孔505，绝缘壳体501上开设有外穿丝孔506，穿丝孔的孔径为1-10mm，螺旋丝杆7通过对应的内穿丝孔505、外穿丝孔506贯穿储液式喷头5，便于螺旋丝杆与纺丝液充分接触。

本实施例中所述下腔套503的底部设有出液接头507，出液接头507伸出绝缘壳体501并与设置在移动架3上的回收管508相连接；多余的纺丝液经出液接头507及回收管508流回供液机构6，实现纺丝液的循环利用，提高其利用率。所述上腔套504的侧壁上连接有进液接头509，进液接头509伸出绝缘壳体501并与供液机构6相连接，供液机构通过进液接头将纺丝液注入到喷头内，其供液速度可调，以实现对螺旋丝杆的均匀上液。

如图7、8所示，实施例2，一种螺旋型印刷式静电纺丝装置，在实施例1的基础上，所述出液接头507通过设置在绝缘壳体501底部的导出孔511伸出，回收管508连接在导出孔511处；出液接头507与导出孔511之间留有间隙，绝缘壳体501内底部设有与外穿丝孔506对应的回流槽512，回流槽512与导出孔511连通。上述结构设计使绝缘壳体50内螺旋丝杆滴落的纺丝液经液接头507与导出孔511之间的间隙流至回收管508，实现对纺丝液的充分回收，避免造成资源浪费。

如图6、9所示，本实施例中储液式喷头5为长方形结构，有绝缘的壳体和金属的核心喷头组成。金属的核心喷头采用不锈钢材质制成。其中绝缘的壳体部分为绝缘材质、长度为20-100mm、宽度为10-60mm与金属核心喷头连接处的壁厚为1-10mm。所述上腔套504套设在下腔套503内。下腔套503长方形结构长度为10-50mm、宽度为10-30mm、厚度为1-5mm。上腔套504与下腔套503之间设有与内穿丝孔505相对应的刮液挡片510，刮液挡片510用于将螺旋丝杆7上过多的纺丝液刮落到储液腔513内。上腔套504为矩形结构的长度为5-40mm，两侧与刮液挡片9配合在一起，刮液挡片9厚度为1-5mm，喷头移动过程中，刮液挡片9与螺旋丝杆7接触，用于将多余的纺丝液刮落。

作为进一步优选方案，所述供液机构6包括设置在移动架3上的储液瓶601和供液泵，供液泵为液体流动提供动力。储液瓶601通过进液管602与进液接头509相连接，实现向喷头内注液。回收管508与储液瓶601连通，用于回液，实现纺丝液的循环利用。供液泵连接在进液管602与储液瓶601之间，在供液泵的作用下，储液瓶601内的纺丝液进入喷头内，且通过供液泵能调节液体的流动速度。

进一步，如图1所示，所述水平驱动机构4包括设置在底座1的驱动电机401和滑轨架402，移动架3与滑轨架402滑动连接，所述驱动电机401的输出端设有驱动轮403，驱动轮403带动设置在滑轨架402上的传动带404转动，移动架3与传动带404固定连接。其中驱动轮为带轮时，传动带为传送带；驱动轮也可为链轮，此时传动带为链条。优选地，所述底座1上设有挡液板10，挡液板10位于水平驱动机构4上方，移动架3为门型架，门型架横跨过挡液板10，将水平驱动机构与喷头有效隔开，防止部分纺丝液散落至水平驱动机构4上。门型架通过连接座405与传动带404相连接，一个门型架可对应一个传动带结构，也可对应两个传动带结构，确保移动架移动的稳定性。

其他结构与实施例1相同。

实施例3：如图11所示，一种如实施例2所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置的静电纺丝方法，步骤如下：

S1：通过供液机构6将纺丝液注入储液式喷头5内的储液腔513内，即打开供液泵开关，调节供液速度，纺丝溶液经过进液管道匀速流进喷头进液口进入喷头内的储液腔，将纺丝溶液供满储液腔；确保储液腔513内的纺丝液的液面高于螺旋丝杆7。即要求储液式喷头5内的储液腔513内的纺丝液能没过螺旋丝杆7。

S2：储液式喷头5对位于其内部的螺旋丝杆7部分进行浸泡式上液；确保上液的均匀性和全面覆盖性。

S3：启动水平驱动机构4，在水平驱动机构4的作用下，载有储液式喷头5的移动架3带动储液式喷头5沿螺旋丝杆7往复运动，对螺旋丝杆7进行均匀上液，提高纺丝液的利用程度。

S4：打开高压发生器9，缓慢增加电压，当电压超过某一定值以后，螺旋丝杆7上的纺丝液在高压发生器9作用下以射流的形式飞射到接收基板2上，射流在飞向接收极板14的过程中，射流被拉伸，溶剂挥发，纺丝液固化，形成纳米纤维沉积在接收极板上，形成纳米纤维无纺膜。

以采用聚丙烯晴（PAN）与N-N二甲基甲酰胺（DMF）所配制的纺丝液制备纳米纤维为例：配置的纺丝液的质量分数为13% ，将配置好的PAN溶液倒入储液罐中，打开供液泵，调节供液速度控制纺丝液的流动，使聚合物溶液充满喷头储液腔。把接收极板与地线连接，接收极板与螺旋型丝杆之间距离调整为220mm，在接收极板位置上安装基布卷，保持基布拉伸状态。启动传动机构的刷液电机，喷头下方刷液组件以2m/s的速度沿着螺旋型丝杆做往复运动，同时聚合物溶液被涂覆到螺旋型丝杆上，将与螺旋型丝杆相连的正高压发生器打开，逐渐调大电压，当电压大于35kv后，螺旋型丝杆表面形成电场尖端效应，在螺旋型丝杆表面便可以形成多股射流，射流在向接收极板快速移动的过程中被静电力拉伸，溶剂迅速挥发，高聚物固化，最终形成的纳米纤维沉积在接收极板表面的基布上形成一层纳米纤维无纺膜。

实施例4：以采用聚氨酯（PU）与N-N二甲基甲酰胺（DMF）所配制的纺丝液制备纳米纤维为例，配置的纺丝液的质量分数为12% ，将配置好的PAN溶液倒入储液罐中，打开供液泵，调节供液速度控制纺丝液的流动，使聚合物溶液充满喷头储液腔。把接收极板与地线连接，接收极板与螺旋型丝杆之间距离调整为200mm，在接收极板位置上安装基布卷，保持基布拉伸状态。启动传动机构的刷液电机，喷头下方刷液组件以2m/s的速度沿着螺旋型丝杆做往复运动，同时聚合物溶液被涂覆到螺旋型丝杆上，将与螺旋型丝杆相连的正高压发生器打开，逐渐调大电压，当电压大于35kv后，螺旋型丝杆表面形成电场尖端效应，在螺旋型丝杆表面便可以形成多股射流，射流在向接收极板快速移动的过程中被静电力拉伸,溶剂迅速挥发,高聚物固化，最终形成的纳米纤维沉积在接收极板表面的基布上形成一层纳米纤维无纺膜。

其他结构与方法参照实施例3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺旋型印刷式静电纺丝装置，包括底座（1）和接收基板（2），其特征在于：所述底座（1）上设有移动架（3），移动架（3）与设置在底座（1）上的水平驱动机构（4）相连接，所述移动架（3）上设有储液式喷头（5），储液式喷头（5）与设置在底座（1）上的供液机构（6）相连接；所述储液式喷头（5）内贯穿有螺旋丝杆（7），螺旋丝杆（7）的两端分别与设置在底座（1）两侧的绝缘箱体（8）相连接，螺旋丝杆（7）与高压发生器（9）的正极相连接，接收基板（2）与高压发生器（9）的负极相连接并接地，接收基板（2）位于储液式喷头（5）上方；

供液机构（6）将纺丝液注入储液式喷头（5）内，储液式喷头（5）对螺旋丝杆（7）进行浸泡式上液；螺旋丝杆（7）上的纺丝液在高压发生器（9）作用下飞射到接收基板（2）上形成纳米纤维无纺膜。

2.根据权利要求1所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述储液式喷头（5）包括固定在移动架（3）上的绝缘壳体（501），绝缘壳体（501）内嵌设有金属喷头，金属喷头通过上盖体（502）固定在绝缘壳体（501）内；所述金属喷头包括下腔套（503）和上腔套（504），下腔套（503）和上腔套（504）密封配合形成储液腔（513），储液腔（513）的两侧壁上开设有内穿丝孔（505），绝缘壳体（501）上开设有外穿丝孔（506），螺旋丝杆（7）通过对应的内穿丝孔（505）、外穿丝孔（506）贯穿储液式喷头（5）。

3.根据权利要求2所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述下腔套（503）的底部设有出液接头（507），出液接头（507）伸出绝缘壳体（501）并与设置在移动架（3）上的回收管（508）相连接；所述上腔套（504）的侧壁上连接有进液接头（509），进液接头（509）伸出绝缘壳体（501）并与供液机构（6）相连接。

4.根据权利要求3所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述出液接头（507）通过设置在绝缘壳体（501）底部的导出孔（511）伸出，回收管（508）连接在导出孔（511）处，绝缘壳体（501）内底部设有与外穿丝孔（506）对应的回流槽（512），回流槽（512）与导出孔（511）连通。

5.根据权利要求2或3或4所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述上腔套（504）套设在下腔套（503）内，且上腔套（504）与下腔套（503）之间设有与内穿丝孔（505）相对应的刮液挡片（510），刮液挡片（510）用于将螺旋丝杆（7）上过多的纺丝液刮落到储液腔（513）内。

6.根据权利要求5所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述供液机构（6）包括设置在移动架（3）上的储液瓶（601）和供液泵，储液瓶（601）通过进液管（602）与进液接头（509）相连接，回收管（508）与储液瓶（601）连通，供液泵连接在进液管（602）与储液瓶（601）之间。

7.根据权利要求1~4、6任一项所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述水平驱动机构（4）包括设置在底座（1）的驱动电机（401）和滑轨架（402），移动架（3）与滑轨架（402）滑动连接，所述驱动电机（401）的输出端设有驱动轮（403），驱动轮（403）带动设置在滑轨架（402）上的传动带（404）转动，移动架（3）与传动带（404）固定连接。

8.根据权利要求7所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述底座（1）上设有挡液板（10），挡液板（10）位于水平驱动机构（4）上方，移动架（3）为门型架，门型架横跨过挡液板（10），且门型架通过连接座（405）与传动带（404）相连接。

9.根据权利要求8所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述绝缘箱体（8）内分设有若干个小腔室，小腔室与螺旋丝杆（7）一一对应。

10.一种如权利要求1~9任一项所述的螺旋型印刷式静电纺丝装置的静电纺丝方法，其特征在于：步骤如下：

S1：通过供液机构（6）将纺丝液注入储液式喷头（5）内的储液腔（513）内，确保储液腔（513）内的纺丝液的液面高于螺旋丝杆（7）；

S2：储液式喷头（5）对位于其内部的螺旋丝杆（7）部分进行浸泡式上液；

S3：启动水平驱动机构（4），在水平驱动机构（4）的作用下，载有储液式喷头（5）的移动架（3）带动储液式喷头（5）沿螺旋丝杆（7）往复运动，对螺旋丝杆（7）进行均匀上液；

S4：打开高压发生器（9），缓慢增加电压，当电压超过某一定值以后，螺旋丝杆（7）上的纺丝液在高压发生器（9）作用下以射流的形式飞射到接收基板（2）上，射流在飞向接收极板（14）的过程中，射流被拉伸，溶剂挥发，纺丝液固化，形成纳米纤维沉积在接收极板上，形成纳米纤维无纺膜。

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