CN205603730U - 一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，通过采用内外嵌套式的纺丝筒与储气筒作为纺丝装置，不同的溶液分离设置并通过单一输液管道输送至密闭的纺丝筒间，通过储气筒的转动使溶液混合均匀，实现批量化生产。供液装置为密闭设置，避免出现纺丝溶液性质的改变，保证纺丝质量，减少环境污染。将纺丝筒上的纺丝孔设计为等间距垂直轴向排列，有效避免了任意相邻的纺丝孔处产生的气泡相互影响；同时使纺丝孔至少有一个出气孔与其处于同一水平面上，保证每个纺丝孔都能正常纺丝，从而提高制备微纳米复合纤维材料的产量。将接收装置设置为滚筒式并环绕纺丝筒一周，这有效的增大了纤维的接收面积，并为持续化、批量化生产提供了可能。

Description

一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统

技术领域

本实用新型属于纺丝技术领域，具体涉及一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统。

背景技术

微纳米纤维材料具有尺寸微小，比表面积大，纤维连续性好，理化性能优异等一系列的优点，因而在环境卫生、信息科技、能源安全、生物医学、国防军事等领域具有广阔的应用前景。目前，制备微纳米纤维材料的方法多种多样、层出不穷，而静电纺丝技术由于具备工艺简单可控、成本低廉，可快速的获得不同直径、不同形貌、不同功能的微纳米纤维等优势，因而被公认为是制备微纳米纤维最有效的方法之一。

随着社会发展对微纳米纤维材料需求的急剧增加，微纳米纤维材料的批量化生产就成了一个必须面临并亟待解决的难题。然而，对于传统的单针头或多针头静电纺丝技术来说，由于其存在针头易堵塞，难清洗，产量低等缺陷，因此很难满足微纳米纤维的批量化生产。为了尽可能克服这类缺陷，研究者在对其不断改进的过程中提出了一些新的静电纺丝技术，如：滚筒静电纺丝技术，圆盘静电纺丝技术，离心纺技术，气泡静电纺丝技术等，这些纺丝技术都在一定程度上实现了微纳米纤维的批量化生产。

其中，气泡静电纺丝技术拥有低电压，可纺聚合物种类多等优势。其原理是通过气流在溶液表面形成单个或多个有规律且均匀的气泡，在气泡破裂后通过高压静电场的作用形成无数个纺丝泰勒锥，从而产生无数条微纳米纤维，这种方法在很大程度上提高了微纳米纤维的产量。但是，目前的气泡静电纺丝技术在制备复合纤维材料时存在纺丝液暴露在空气中导致溶液性质发生改变从而降低纺丝效率，多气泡相互影响导致气泡破裂产生的泰勒锥互相作用，不同性质、不同功能的溶液不能完全均匀的混合等问题，因而导致无法实现更大规模的批量化生产微纳米复合纤维材料。

针对上述技术问题，有必要提供一种有效的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝装置，用以解决气泡静电纺丝过程中气泡间相互影响以及不同纺丝液不能完全均匀混合的问题，实现微纳米复合纤维材料的批量化生产。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，通过采用内外嵌套式的纺丝筒与储气筒作为纺丝装置，不同的溶液分离设置并通过单一输液导管输送至密闭的纺丝筒与储气筒间，通过储气筒的转动使溶液混合均匀，实现微纳米复合纤维材料的批量化生产。

根据本实用新型的目的提出的一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，包括供液装置、供气装置、纺丝装置、接收装置以及高压直流供电装置，所述供液装置包括储液槽，至少一个设置于所述储液槽内的分液板，所述分液板将所述储液槽分隔形成至少两个储液单元，不同储液单元内输入不同的高聚物溶液，每个储液单元通过一输液导管与纺丝装置相连通；

所述纺丝装置包括纺丝筒与转动设置于所述纺丝筒内部的储气筒，所述纺丝筒上成型有纺丝孔，所述储气筒上成型有出气孔，所述供气装置通过导气管向所述储气筒内供气，所述纺丝筒与储气筒间存在间隙，形成高聚物溶液的储液空间，所述输液导管的输出端与该储液空间连通；

纺丝时，两种或两种以上的高聚物溶液通过输液导管分别进入储液空间内，在储气筒的转动作用下混合形成均匀的液膜，并在气流作用下在纺丝孔处形成气泡，气泡破裂产生大量的微纳米纤维，收集在接收装置上。

优选的，纺丝筒上不同水平面上的纺丝孔数量相同或不同，同一水平面上的纺丝孔为等距离排列，储气筒上不同水平面上的出气孔数量相同或不同，同一水平面上的出气孔为等距离排列。

优选的，出气孔的单孔面积在0.1-2cm²。

优选的，任意相邻两个纺丝孔的中心距比任意纺丝孔的最大直径至少大5mm。

优选的，所述纺丝筒的壁厚1-5mm，纺丝孔的单孔面积在0.5-3cm²范围内。

优选的，至少有一个出气孔与纺丝孔处于同一水平面上。

优选的，所述纺丝筒与所述储气筒间间距为0.1-1cm。

优选的，所述接收装置包括接收板与驱动滚筒，所述接收板环绕所述纺丝筒一周，所述驱动滚筒设置于所述接收板内侧，且外部与所述纺丝筒相切，所述接收板在所述驱动滚筒的驱动下绕纺丝筒一周转动。

优选的，所述气泡静电纺丝系统还包括用于调节接收装置与纺丝筒之间距离的调节器。

优选的，所述输液导管上设置有用以调节输液速率的计量泵，所述输液速率的计量范围为1-60ml/min。

与现有技术相比，本实用新型公开的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统的优点是：

通过采用内外嵌套式的纺丝筒与储气筒作为纺丝装置，不同的溶液分离设置并通过单一输液导管输送至密闭的纺丝筒与储气筒间，通过储气筒的转动使溶液混合均匀，实现微纳米复合纤维材料的批量化生产。

供液装置为密闭设置，避免出现纺丝溶液性质的改变，保证纺丝质量，减少环境污染。

将纺丝筒上的纺丝孔设计为等间距垂直轴向排列，有效的避免了任意相邻的纺丝孔处产生的气泡相互影响；同时使纺丝孔至少有一个出气孔与其处于同一水平面上，这保证每个纺丝孔都能正常纺丝，从而提高制备微纳米复合纤维材料的产量。

将接收装置设置为滚筒式并环绕纺丝筒一周，这有效的增大了纤维的接收面积，并为持续化、批量化生产提供了可能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为气泡静电纺丝系统的结构示意图；

图2为储气筒的结构示意图；

图3为纺丝筒的结构示意图；

图4为供液装置的结构示意图；

图5为接收装置的结构示意图。

1、电动机；2、转轴；

3、储气筒；31、进气口；32、出气孔；33、转轴接口；

4、纺丝筒；41、导气管通道；42、进液口；43、纺丝孔；44、转轴通道；

5、供液装置；51、进液输液阀；52、储液槽；53、计量泵；54、输液导管；55、分液板；

6、供气装置；7、导气管；8、聚合物气泡；

9、接收装置；91、传入滚筒；92、第一传动滚筒；92、第二传动滚筒；94、传出滚筒；95、接收板；10、高压直流供电装置。

具体实施方式

目前的气泡静电纺丝技术在制备复合纤维材料时存在纺丝液暴露在空气中导致溶液性质发生改变从而降低纺丝效率，多气泡相互影响导致气泡破裂产生的泰勒锥互相作用，不同性质、不同功能的溶液不能完全均匀的混合等问题，因而导致无法实现更大规模的批量化生产微纳米复合纤维材料。

本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，通过采用内外嵌套式的纺丝筒与储气筒作为纺丝装置，不同的溶液分离设置并通过单一输液管道输送至密闭的纺丝筒与储气筒间，通过储气筒的转动使溶液混合均匀，实现微纳米复合纤维材料的批量化生产。

下面将通过具体实施方式对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请一并参见图1至图5，如图所示，一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，包括供液装置5、供气装置6、纺丝装置、接收装置9以及高压直流供电装置10，供液装置5包括储液槽52，至少一个设置于储液槽内的分液板55，分液板55将储液槽52分隔形成至少两个储液单元，不同储液单元内输入不同的高聚物溶液，每个储液单元通过一输液导管54与纺丝装置相连通。每个储液单元互不干涉，不同性质、功能的溶液可以分开放在独立储液单元中，因此可以用来制备多功能复合纤维材料。

本实用新型中的供液装置设计为基本密闭的空间结构，有效的避免了溶剂挥发改变纺丝溶液的性质(如：粘度，浓度，表面张力等)，从而引起纺丝过程不稳定及对环境的污染等问题。

同时，供液装置设计为互相隔离的多单元空间结构，能有效的解决不同性质纺丝溶液(如：含有纳米颗粒的溶液，粘度相差较大的溶液，具有不同功能的溶液等)不完全混合的缺点，有利于制备更加均匀、多功能化的微纳米复合纤维材料。

供液装置上还设置有用以调节输液速率的计量泵53，计量泵的输液速率的计量范围为1-60ml/min，计量泵位于输液导管54上，计量泵能有效的控制进液量，使各种不同性质、不同功能的溶液能按适当的配比充分混合。此外，供液装置上还设置进液输液阀51，通过设置进液输液阀能有效保证溶液的连续供给，并保持供液装置中各储液单元的压力平衡和正常供液。

纺丝装置包括纺丝筒4与转动设置于纺丝筒4内部的储气筒3，供气装置6通过导气管7向储气筒3内供气。

储气筒3上设置有进气口31、出气孔32和转轴接口33。储气筒3包括若干个沿轴向等距离排列在其侧面的出气孔32，对于处于不同水平面上的出气孔32的数量可以不相同，但对于处于同一水平面上几个出气孔32应该保持等距离排列，这样有利于液膜形成气泡。出气孔32的单孔面积在0.1-2cm²范围内，可以根据实际气压大小选择，确保气流能使液膜变成稳定的气泡。

纺丝筒上设置有导气管通道41、进液口42、纺丝孔43和转轴通道44。纺丝筒4包括若干个沿轴向等距离排列在其侧面的纺丝孔43，对于处于不同水平面上的纺丝孔43的数量可以不相同，但对于处于同一水平面上几个纺丝孔43应该保持等距离排列，并且对于任意相邻的两个纺丝孔43的中心距离都需要比任意单孔最大直径至少大5mm，这样有利于气泡的形成，同时避免相邻气泡之间互相影响。纺丝筒4的侧壁厚度在1-5mm范围内，这有利于保持纺丝孔中的液膜稳定并避免纺丝孔中溶液堆积，从而使气泡在纺丝孔处容易产生。

纺丝孔43的单孔面积在0.5-3cm²范围内，可以根据实际溶液表面张力、粘度等因素选择，确保产生稳定的气泡。

设计时，出气孔与纺丝孔的数量可相等或不等，只要满足使沿轴向排列在纺丝筒4上的纺丝孔43至少有一个沿轴向排列在储气筒3上的的出气孔32与其处于同一水平面上，如此保证每个纺丝孔43都能正常产生气泡进行纺丝。

纺丝筒与储气筒采用嵌套式结构，二者之间存在间隙，该间隙形成高聚物溶液的储液空间，输液导管的输出端与该储液空间连通，向储液空间内分别输入多种高聚物溶液。本实用新型中纺丝筒与储气筒间间距保持在0.1-1cm范围内，这有利于储气筒旋转带动溶液均匀混合，并在纺丝筒内表面形成均匀分布的液膜。

本实用新型中，储气筒为金属材料制成，形状为圆柱形或圆锥形或圆锥台形等，纺丝筒同样采用金属材料制成，形状与储气筒保持一致，保证正常纺丝。其中储气筒与纺丝筒的材质及其形状可根据需要设定，在此不做限制。

纺丝时，两种或两种以上的高聚物溶液通过输液导管分别进入储液空间内，纺丝筒固定不动，储气筒在电动机1与转轴2的带动下转动，将多种溶液进行混合形成均匀的液膜，并在气流作用下在纺丝孔处形成气泡，气泡破裂产生大量的微纳米纤维，收集在接收装置上。本实用新型中的储气筒的转速与供液装置的输液速率按一定的比例配置。

接收装置9与高压直流供电装置10的负极连接或接地，接收装置9包括接收板95与驱动滚筒，接收板95环绕纺丝筒4一周，驱动滚筒设置于接收板内侧，且外部与纺丝筒相切，接收板在驱动滚筒的驱动下绕纺丝筒一周转动。该接收板可为金属板，该金属板可为实心板或网板等结构形式，具体不做限制。

驱动滚筒包括传入滚筒91、第一传动滚筒92、第二传动滚筒93，传出滚筒94。纤维材料收集在接收板95上由驱动滚筒传送实现连续稳定收集。

此外，气泡静电纺丝系统还包括用于调节接收装置与纺丝筒之间距离的调节器(未示出)。可根据具体需要设定接收装置相对纺丝装置的位置。

本实用新型的工作原理如下：

将聚合物溶液通过进液输液阀51注入到储液槽52中，再打开供气装置6通过导气管7向储气筒3中输送气体；与此同时，启动电动机1，电动机1驱动转轴2带动储气筒3匀速旋转；此时，将接收装置9调节至需要的接收距离处；在打开计量泵53，使储液槽52中的溶液通过输液导管54向纺丝筒4中输送溶液，通过调剂计量泵53的流量来适当控制各组分溶液的比例；最后，打开高压直流供电装置10调节至需要的电压。进入纺丝筒中的溶液受到储气筒3与纺丝筒4之间的剪切作用形成性质均匀的液膜，位于纺丝孔43处的液膜受到来自出气孔32的气流的作用在纺丝筒4的外表面形成聚合物气泡8，聚合物气泡8在克服其表面张力破裂后形成无数条微细液柱，在高压直流供电装置10提高的高压静电场的作用下，每条液柱就相当于一个泰勒锥，这样就形成无数纺丝的泰勒锥产生大量的微纳米纤维，这些纤维最终被收集在接收装置9上，从而在一定程度上实现连续化、批量化制备复合纤维材料。

本实用新型公开了一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，通过采用内外嵌套式的纺丝筒与储气筒作为纺丝装置，不同的溶液分离设置并通过单一输液管道输送至密闭的纺丝筒与储气筒间，通过储气筒的转动使溶液混合均匀，实现微纳米复合纤维材料的批量化生产。

供液装置为密闭设置，避免出现纺丝溶液性质的改变，保证纺丝质量，减少环境污染。

将纺丝筒上的纺丝孔设计为等间距垂直轴向排列，有效的避免了任意相邻的纺丝孔处产生的气泡相互影响；同时使纺丝孔至少有一个出气孔与其处于同一水平面上，这保证每个纺丝孔都能正常纺丝，从而提高制备微纳米复合纤维材料的产量。

将接收装置设置为滚筒式并环绕纺丝筒一周，这有效的增大了纤维的接收面积，并为持续化、批量化生产提供了可能。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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)

1.一种制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，包括供液装置、供气装置、纺丝装置、接收装置以及高压直流供电装置，其特征在于，所述供液装置包括储液槽，至少一个设置于所述储液槽内的分液板，所述分液板将所述储液槽分隔形成至少两个储液单元，不同储液单元内输入不同的高聚物溶液，每个储液单元通过一输液导管与纺丝装置相连通；

所述纺丝装置包括纺丝筒与转动设置于所述纺丝筒内部的储气筒，所述纺丝筒上成型有纺丝孔，所述储气筒上成型有出气孔，所述供气装置通过导气管向所述储气筒内供气，所述纺丝筒与储气筒间存在间隙，形成高聚物溶液的储液空间，所述输液导管的输出端与该储液空间连通。

2.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，纺丝筒上不同水平面上的纺丝孔数量相同或不同，同一水平面上的纺丝孔为等距离排列，储气筒上不同水平面上的出气孔数量相同或不同，同一水平面上的出气孔为等距离排列。

3.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，出气孔的单孔面积在0.1-2cm²。

4.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，任意相邻两个纺丝孔的中心距比任意纺丝孔的最大直径至少大5mm。

5.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，所述纺丝筒的壁厚1-5mm，纺丝孔的单孔面积在0.5-3cm²范围内。

6.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，至少有一个出气孔与纺丝孔处于同一水平面上。

7.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，所述纺丝筒与所述储气筒间间距为0.1-1cm。

8.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，所述接收装置包括接收板与驱动滚筒，所述接收板环绕所述纺丝筒一周，所述驱动滚筒设置于所述接收板内侧，且外部与所述纺丝筒相切，所述接收板在所述驱动滚筒的驱动下绕纺丝筒一周转动。

9.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，所述气泡静电纺丝系统还包括用于调节接收装置与纺丝筒之间距离的调节器。

10.如权利要求1所述的制备复合纤维材料的气泡静电纺丝系统，其特征在于，所述输液导管上设置有用以调节输液速率的计量泵，所述输液速率的计量范围为1-60ml/min。