CN202809021U - 静电纺丝设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种静电纺丝设备，属纺织工业领域。该设备包括：高压静电发生器与具有两个进液口和一个复合喷头的同轴复合喷头电连接，接收电极板接地；同轴复合喷头与接地的接收电极板之间相对并保持一定距离设置；自动供液装置与同轴复合喷头的各进液口连接；缠绕装置设置在同轴复合喷头与接收电极板之间，缠绕装置上输送的基布或纤维帘从同轴复合喷头与接收电极板之间的区域穿过。
Description
技术领域
本发明涉及纺织工业领域，尤其涉及一种能够制备纳米纤维的具有复合喷头的静电纺丝设备。
背景技术
中空纳米纤维在药物释放，组织支架，催化，纺织等很多方面有广阔的应用前景。
目前制备中空纳米纤维主要有自组装法和模板法。自组装法制备中空纳米纤维是通过用表面修饰有表面活性剂或者溶液中分散有表面活性剂的碳或者氮化硼和多肽的自组装来获得的。只有某些特定的材料才可以通过自组装的方法来制备中空纳米纤维。
模板法制备中空纤维的方法中，一种是在模板纤维表面的纳米级孔阵列中通过控制聚合反应的时间，来获得具有特定壁厚或者复制出纳米级孔阵列然后除去作为模板的纤维，从而获得有特定壁厚或者有特定表面结构的中空纤维；另一种方法是用电纺纤维作为模板，在模板纤维表面覆盖一层薄膜，然后通过溶剂或者煅烧的方法选择性地除去模板从而获得中空的纳米纤维。
国立大学法人名古屋大学(申请号：02823491.X和200810166051.6)利用模板法使催化剂和含碳化合物在500～1200℃温度下接触，制备以碳为主要成分的中空纳米纤维。东南大学(申请号：200610096750.9)利用电纺纤维为模板，结合层层组装技术制备多层中空纤维。但目前的静电纺丝技术存在对材料要求高且制备过程复杂的问题。
发明内容
为解决现在技术存在的不足，本发明提供一种静电纺丝设备及制备纳米纤维的方法，可以连续静电纺丝在纱线表面形成纳米涂层，从而制备出直径小且性能好的纳米纤维，以方便用该纳米纤维为模块制备中空纳米纤维。
实现本发明目的的技术方案具体如下：
一种静电纺丝设备，其特征在于，该设备包括：
高压静电发生器(3)、自动供液装置、同轴复合喷头(6)、缠绕装置和接收电极板(11)；其中，
所述高压静电发生器(3)与具有两个进液口和一个复合喷头的同轴复合喷头(6)电连接，接收电极板接地；
所述同轴复合喷头(6)与接地的所述接收电极板(11)之间相对并保持一定距离设置；
所述自动供液装置与同轴复合喷头(6)的各进液口(68、69)连接；所述同轴复合喷头(6)具有同轴设置的壳管喷头(66)和芯管喷头(67)，所述壳管喷头(66)和芯管喷头(67)分别与所述进液口(68、69)相连，以分别供应壳层溶液和芯层溶液。
所述缠绕装置设置在所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间，缠绕装置上输送的基布或纤维帘从所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间的区域穿过。
此外，所述同轴复合喷头包括：喷头本体(61)、喷头盖(62)、以及喷头本体(61)与喷头盖(62)之间的导流板(64)，所述喷头本体(61)上设有液腔(65)，液腔(65)上端设有开口，喷头本体(61)的底面上设置与液腔(65)内连通的所述复合喷头。
此外，所述喷头盖(62)覆盖设置在所述喷头本体(61)的液腔(65)的开口上，所述喷头盖(62)上设有两个进液口，其中一个进液口与所述复合喷头的芯管喷头(67)连通，另一个进液口经液腔(65)与所述复合喷头的壳管喷头(66)连通。
所述喷头盖(62)与所述喷头本体(61)的液腔开口之间的连接处设置所述密封圈(63)；
所述导流板(64)设置在所述喷头本体(61)的液腔内，导流板(64)为设有多个导流孔的板式结构。
所述同轴复合喷头的进液口为两个平行设置的管式结构；所述同轴复合喷头(6)的复合喷头由芯管喷头(67)外面套装壳管喷头(66)构成。
此外，所述同轴复合喷头的复合喷头朝下设置，接地的所述接收电极板设置在所述同轴复合喷头的下方。
此外，所述设备还包括：由聚酰胺树脂制成的喷头箱，所述同轴复合喷头设 置在所述喷头箱内。
此外，所述设备还包括：喷头位置驱动装置，与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头作直线往复运动。
此外，所述喷头位置驱动装置包括：控制装置、驱动装置和行程开关；其中，
控制装置分别与驱动装置和行程开关电连接，能根据行程开关发出的信号控制驱动装置；
所述行程开关设置在所述同轴复合喷头安装位的两侧；
所述驱动装置与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头进行直线往复运动。
此外，所述高压静电发生器采用输出电压为5～100KV的直流高压静电发生器；
所述缠绕装置由进料滚筒装置和出料滚筒装置构成，所述进料滚筒装置与出料滚筒装置分设在所述同轴复合喷头与接收电极板之间区域的两侧；
所述自动供液装置由两个计量泵和两个注射器构成，每个计量泵与一个注射器连接，每个注射器的出液口分别与所述同轴复合喷头的一个进液口连接；所述自动供液装置的流量控制范围为0.01～150mL/min。
本发明的有益效果是：由于采用一具有复合喷头和多个进液口的同轴复合喷头，可以使壳层溶液均匀地包覆芯层溶液喷出从而形成复合纳米纤维；并且喷头可以方便地拆卸和更换，可以根据所需中空纳米纤维直径的不同，通过改变主体底板上喷头及针头的直径的设计多种喷头，以获得各种不同直径的中空纳米纤维。该设备结构简单，可以方便的制作多种直径的中空纳米纤维。并且，喷头也易于清洗，可以避免喷头的堵塞。
附图说明
下面给出实施例描述中所需要使用的附图。
图1为本发明实施例提供的设备结构示意图；
图2为本发明实施例提供的设备的同轴复合喷头的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的设备的同轴复合喷头的剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的设备的同轴复合喷头的复合喷头示意图；
图5为本发明实施例提供的设备的缠绕装置的进料滚筒装置示意图；
图中各标号对应的部件为：1、12-计量泵；2、13-注射器；3-高压静电发生器；4-控制装置；5-行程开关；6-同轴复合喷头；7-喷头箱；8-进料滚筒装置；9-出料滚筒装置；10-基布或纤维收集帘；11-接收电极板；
61-喷头本体；62-喷头盖；63-密封圈；64-导流板；65-液腔；66-复合喷头的壳管；67-复合喷头的芯管；68-芯层的进液口，69-壳层的进液口
80-支架；81-滚筒；82-电动机；83-电动机调速装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此为应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明给出一种静电纺丝设备，是一种通过同轴复合喷头作为喷丝头的静电纺丝设备，通过该设备可以方便的制备中空纳米纤维，如图1所示，该设备包括：高压静电发生器3、自动供液装置、同轴复合喷头6、缠绕装置和接收电极板11；
其中，高压静电发生器3与具有一复合喷头和多个进液口的同轴复合喷头6电连接，其可与所述同轴复合喷头6的进液口上设置的针头电连接，从而使同轴复合喷头6内的纺丝溶液带电，高压静电发生器3可采用输出电压为5～100KV的直流高压静电发生器，接收电极板11接地，接收电极板11可采用铝箔制成的平板式结构；
同轴复合喷头6与接地的接收电极板11之间相对并保持一定距离设置，可使同轴复合喷头的复合喷头朝下设置，接地的接收电极板11设置在所述同轴复合喷头6的下方，可实现同轴复合喷头向下喷射；
自动供液装置与同轴复合喷头6的进液口连接；自动供液装置由多个计量泵(1、12)和多个注射器(2、13)构成，每个计量泵(1、12)分别连接一个注射器(2、13)，分别形成对壳层溶液以及对芯层溶液的输送装置，每个注射器的出液口与同轴复合喷头(6)的一个进液口上的针头连接，通过针头与所述同轴复合喷头(6)的进液口连接，实际中也可使高压静电发生器(3)与各注射器的导管相连，从而使针头及输出的溶液带电。设置该自动供液装置可以满足连续 自动输液，保持精密稳定地输液，自动供液装置的流量控制范围为0.01～150mL/min，同时记录并显示流速、流量、工作时间等参数，为静电纺丝连续化生产提供了保障，能使同轴复合喷头(6)内液体的液面保持理想的弧形，多根射流能同时不间断地从弧形液面抽出。
缠绕装置设置在所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间，缠绕装置上输送的基布或纤维帘从所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间的区域穿过。缠绕装置由进料滚筒装置(8)和出料滚筒装置(9)构成，进料滚筒装置(8)与出料滚筒装置(9)可分设在所述同轴复合喷头(6)与接收电极板(11)之间区域的两侧，从而从进料滚筒装置(8)向出料滚筒装置(9)输送的基布或纤维帘从所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间的区域穿过，可由进料滚筒装置(8)和出料滚筒装置(9)方便的控制基布或纤维帘的平移速度，从而可以得到不同厚度的纳米纤维毡，并可以实现电纺纤维的大批量生产。
上述设备中的同轴复合喷头如图2～4所示，该同轴喷头具体可采用圆柱形容器结构，包括：喷头本体61、喷头盖62以及喷头本体61与喷头盖62之间的密封圈63和导流板64；其中喷头本体61上设有容器式结构的液腔65，液腔65上端设有开口，喷头本体61的底面上设置与液腔内连通的所述复合喷头，复合喷头由芯管喷头67外面套装壳管喷头66构成，其中壳管喷头66的外径为3毫米，芯管喷头67的内径为1.5毫米；
喷头盖62覆盖设置在所述喷头本体61的液腔65的开口上，喷头盖62上设有两个进液口(68、69)，各进液口为两个平行设置的管式结构，每个进液口的外径均为4毫米，内径均为2毫米；其中一个进液口与所述复合喷头的芯管喷头67连通，另一个喷头经液腔与所述复合喷头的壳管喷头66连通，另设置两个针头分别连接在喷头盖的两个进液口上；实际中上述自动供液装置中一个计量泵与一个注射器连接在同轴复合喷头的中心处进液口上，从而与复合喷头6的芯管喷头67连通以供应芯层溶液；而自动供液装置中另一个计量泵与另一个注射器连接在同轴复合喷头6的中心外侧的另一进液口上，从而通过喷头本体61的液腔65与复合喷头6的壳管喷头66连通以供应壳层溶液。
喷头盖62与喷头本体61的液腔65开口之间的接触处设置所述密封圈63，起到很好的密封作用；导流板64设置在所述喷头本体61的液腔内，导流板64为设有多 个导流孔的板式结构，导流板64可以使进入该喷头的溶液均匀进入喷头本体61，使得壳层溶液能均匀的从喷孔中流出，均匀地包覆芯层溶液。
上述设备还可以设置由聚酰胺树脂制成的喷头箱，所述同轴复合喷头设置在所述喷头箱内，从而减少了静电排斥及对静电场的干扰。
上述设备还包括：喷头位置驱动装置，与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头作直线往复运动。该喷头位置驱动装置包括：控制装置、驱动装置和行程开关；其中，控制装置分别与驱动装置和行程开关电连接，能根据行程开关发出的信号控制驱动装置；其中，所述行程开关设置在所述同轴复合喷头安装位的两侧；所述驱动装置与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头进行直线往复运动。
上述设备中还包括喷头位置驱动装置，与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头作直线往复运动。该喷头位置驱动装置具体包括：控制装置、驱动装置和行程开关；其中，控制装置分别与驱动装置和行程开关电连接，能根据行程开关发出的信号控制驱动装置；行程开关设置在同轴复合喷头安装位的两侧，同轴复合喷头直线往复运动到位时能触发对应的行程开关；驱动装置与同轴复合喷头连接，能驱动同轴复合喷头进行直线往复运动。通过喷头位置驱动装置控制同轴复合喷头以往复运动的方式进行喷丝，不但加大了喷丝面，且增加了制成纤维的均匀度。
上述设备中的缠绕装置中的进料滚筒装置的结构，由支架上设置的滚筒，驱动所述滚筒转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接。出料滚筒装置结构与进料滚筒装置结构一致，在此不再重复。
利用上述静电纺丝设备制备中空纳米纤维方法，具体包括以下步骤：
通过自动供液装置向同轴复合喷头内输入纺丝溶液，通过高压静电发生器向同轴复合喷头施加高压直流静电，使所述同轴复合喷头与接地的接收电极板产生电场；
控制所述同轴复合喷头上的高压直流静电，使所述同轴复合喷头与接收电极板之间的电场力大于所述同轴复合喷头的喷孔处纺丝溶液的表面张力，使同轴复合喷头内的纺丝溶液从其喷孔内射流喷出包覆在所述同轴复合喷头与接收电极板之间区域内穿过的基布或纤维帘上形成涂层得到复合纤维；
将得到的复合纤维置于电阻炉中在空气中进行预氧化，将预氧化后的纤维 置于氮气保护的电阻炉中进行炭化后，即得到中空纳米纤维。
利用该设备的操作流程具体为：打开总电源开关→打开高压直流电源以预热高压静电发生器→开启芯层溶液计量泵输液→开启壳层溶液计量泵输液→打开高压发生器高压开关，调整电压，开始纺丝→打开控制箱及行程开关，喷头箱开始往复运动→打开进料滚筒及出料滚筒装置，调节电机转速从而调节基布或纤维收集帘平动速率→纺丝完毕后依次关闭芯层溶液及壳层溶液计量泵，停止输液→关闭高压静电发生器高压开关，停止纺丝→关闭高压发生器的电源→关闭纤维传送装置的电源，停止基布或纤维收集帘的卷曲→关闭控制箱，停止喷头往复运动→关闭总电源开关→从纤维传送装置上取下纺好的纤维→将纺好的复合纤维置于电阻炉中在空气中进行预氧化→将预氧化后的纤维置于N2保护的电阻炉中进行炭化。
当使用本发明的设备，采用聚丙烯腈(PAN)溶液为壳层溶液，甲基硅油为芯层溶液进行纺丝时，PAN溶液浓度为1.5g/mL～2.0g/mL，PAN溶液注入壳层溶液计量泵，甲基硅油注入芯层溶液计量泵，输液速度控制在0.01mL/min～1mL/min。将高压静电发生器的电压调节到20kV，缠绕装置以0.5m/min的速度平移，缠绕装置与同轴复合的距离为20cm。将静电纺丝所得的复合纳米纤维置于电阻炉中在250℃空气中进行预氧化处理2h，然后在电阻炉中N2保护的情况下在900℃炭化2h，得到中空纳米纤维。
本发明的组合喷头可以使壳层溶液均匀地包覆芯层溶液从而形成复合纳米纤维；组合喷头可以方便地拆卸和更换，可以根据所需中空纳米纤维直径的不同，通过改变主体底板上喷头及针头的直径的设计多种喷头，以获得各种不同直径的中空纳米纤维；导流板可以使进入喷丝头的溶液均匀进入喷头盖，使得壳层溶液能均匀的从喷口中流出，均匀地包覆芯层溶液；组合喷头固定于喷头箱内，喷头箱由聚酰胺树脂合成，减少了静电排斥及对静电场的干扰；电纺纤维接收材料采用滚筒传送装置，可以实现电纺复合纤维的大批量生产，从为碳纳米管的大批量生产提供了保证；在工艺条件相同的情况下，纺制的纳米纤维细度比传统静电纺丝机的小一半；设计电纺纤维送装置，通过调节进料滚筒装置和出料滚筒装置，可以控制电纺接收材料经过电纺纤维产生区的速度，从而可以得到不同厚度的复合纳米纤维毡，复合纳米纤维毡经预氧化和碳化处理后可以得到不同厚度的碳纳 米管；自动输液装置可以满足连续自动输液，保持精密的输液量，为静电纺丝连续化生产提供了保障，能使喷头内液体的液面保持理想的弧形，多根射流能同时不间断地从弧形液面抽出。
上述仅是本发明较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限在这些实施例，本技术领域的技术人员在本发明披露技术范围内，可以想到的变化及替换，都在本发明保护范围内。因此，本发明保护范围以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种静电纺丝设备，其特征在于，该设备包括：
高压静电发生器(3)、自动供液装置、同轴复合喷头(6)、缠绕装置和接收电极板(11)；其中，
所述高压静电发生器(3)与具有两个进液口和一个复合喷头的同轴复合喷头(6)电连接，接收电极板接地；
所述同轴复合喷头(6)与接地的所述接收电极板(11)之间相对并保持一定距离设置；
所述自动供液装置与同轴复合喷头(6)的各进液口(68、69)连接；所述同轴复合喷头(6)具有同轴设置的壳管喷头(66)和芯管喷头(67)，所述壳管喷头(66)和芯管喷头(67)分别与所述进液口(68、69)相连，以分别供应壳层溶液和芯层溶液；
所述缠绕装置设置在所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间，缠绕装置上输送的基布或纤维帘从所述同轴复合喷头(6)与所述接收电极板(11)之间的区域穿过。
2.根据权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述同轴复合喷头包括：喷头本体(61)、喷头盖(62)、以及喷头本体(61)与喷头盖(62)之间的导流板(64)，所述喷头本体(61)上设有液腔(65)，液腔(65)上端设有开口，喷头本体(61)的底面上设置与液腔(65)内连通的所述复合喷头。
3.根据权利要求2所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述喷头盖(62)覆盖设置在所述喷头本体(61)的液腔(65)的开口上，所述喷头盖(62)上设有两个进液口，其中一个进液口与所述复合喷头的芯管喷头(67)连通，另一个进液口经液腔(65)与所述复合喷头的壳管喷头(66)连通。
4.根据权利要求2所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述喷头盖(62)与所述喷头本体(61)的液腔开口之间的连接处设置所述密封圈(63)；
所述导流板(64)设置在所述喷头本体(61)的液腔内，导流板(64)为设有多个导流孔的板式结构。
5.根据权利要求1-4中任意一个所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述同轴复合喷头的进液口为两个平行设置的管式结构；所述同轴复合喷头(6)的复合喷头由芯管喷头(67)外面套装壳管喷头(66)构成。
6.根据权利要求1-4中任意一个所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述 同轴复合喷头(6)的复合喷头朝下设置，接地的所述接收电极板(11)设置在所述同轴复合喷头(6)的下方。
7.根据权利要求1-4中任意一个所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述设备还包括：由聚酰胺树脂制成的喷头箱，所述同轴复合喷头设置在所述喷头箱内。
8.根据权利要求1-4中任意一个所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述设备还包括：喷头位置驱动装置，与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头作直线往复运动。
9.根据权利要求8所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述喷头位置驱动装置包括：控制装置、驱动装置和行程开关；其中，
控制装置分别与驱动装置和行程开关电连接，能根据行程开关发出的信号控制驱动装置；
所述行程开关设置在所述同轴复合喷头安装位的两侧；
所述驱动装置与所述同轴复合喷头连接，驱动同轴复合喷头进行直线往复运动。
10.根据权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述高压静电发生器采用输出电压为5～100KV的直流高压静电发生器；
所述缠绕装置由进料滚筒装置和出料滚筒装置构成，所述进料滚筒装置与出料滚筒装置分设在所述同轴复合喷头与接收电极板之间区域的两侧；
所述自动供液装置由两个计量泵和两个注射器构成，每个计量泵与一个注射器连接，每个注射器的出液口分别与所述同轴复合喷头的一个进液口连接；所述自动供液装置的流量控制范围为0.01～150mL/min。
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