一种静电纺丝的制备设备及制备工艺的制作方法

1.本发明涉及静电纺丝的生产技术领域，具体涉及一种静电纺丝的制备设备及制备工艺。


背景技术：

2.纺丝机是把含由聚合物的溶液或者熔融物形成丝状物的机器，根据不同的纺丝制备方法，纺丝机又可以细分为湿法、熔体、干法纺丝机三种。
3.在现有技术中，传统的工业纺丝机技术还无法得到纳米级别的纤维。为了能够得到更为细腻的纤维，静电纺丝机应运而生。通过在强电场作用下，聚合物溶液会由球形变为圆锥形，并在圆锥尖端延展为纤维细丝。通过这种方法可以获得纳米级直径的聚合物细丝。但是，静电纺丝的纤维极大的脆性限制了应用的发展，因此，开发具有柔韧性以及高效率的生产纤维是一个重要的课题。
4.影响静电纺丝质量的因素很多，包括电压，纺丝溶液，针头与接收板的距离。电压越大，溶液会在巨大的电压下产生泰勒锥，并使得纺丝变细。当纺丝液具有一定的导电率，且具有一定的粘度使得液体在电荷以及表面张力的束缚下形成泰勒锥，在纺丝中，考虑到溶液的挥发性需要一定的温度湿度条件。当针头和接受板距离过小或者过大时都不易成丝，过小时，由于没有足够的时间拉丝以及溶剂挥发会导致丝变粗以及伴随着液珠。而当纺丝距离过大，板子可能无法接收到丝。
5.因此，本技术领域亟需一种能够高效制备静电纺丝的制备设备及制备工艺。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提出一种结构配置简单、调节灵活方便且能高效制备静电纺丝的制备设备及制备工艺。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一方面，本发明公开了一种静电纺丝的制备设备，包括纺丝机箱体、纺丝接收装置及纺丝烘干装置，所述纺丝烘干装置通过红外光照的方式烘干纺丝，烘干温度可调节范围在室温到70℃之间；所述纺丝接收装置包括接收板及收丝筒，还包括注射器、推进装置、气流辅助装置及辅助气源，所述注射器，包括推杆、注射筒及纺丝针头，所述纺丝针头指向所述接收板；所述推进装置与所述推杆连接，用于为所述推杆提供往复驱动力；所述气流辅助装置，包括通气管路及气流罩，所述通气管路布设在所述注射器与所述接收板之间，所述纺丝针头沿所述通气管路的径向穿过所述通气管路，所述气流罩与所述纺丝针头对应设在所述通气管路的底部，所述气流罩背向所述通气管路的出气口与所述纺丝针头的出液口同轴且齐平；所述辅助气源与所述通气管路连通，用以提供压缩空气。
9.采用上述技术方案的有益效果是：充分考虑现有技术中静电纺丝拉出速率较低，生产效率低下且纺丝连续性较差的问题，在传统高压的基础上引入辅助气流，使其在静电纺丝的过程中加快丝体的拉出，所以对纺丝体的成型后的直径以及纺丝体的烘干和出丝量
有着较大的提升。具体而言，通过设置气流辅助装置及辅助气源，在注射器的纺丝针头处构建与纺丝拉出方向相同的高速气流，在强电场拉力的基础上叠加高速气流的带动力，纺丝拉出的速度大幅提升且静电纺丝的丝体直径明显缩小。
10.作为本发明技术方案的进一步改进，所述注射器的数量为两个以上，所述推进装置包括多个独立设置的推进单元，所述推进单元的数量不少于所述注射器的数量，每个所述注射器与一个所述推进单元独立连接，多个所述推进单元共同推进所述注射器或者独立推进所述注射器。
11.采用上述技术方案的有益效果是：设定推进单元数量不少于注射器的数量，有助于保证每个注射器由独立的推进单元提供推进动力，便于实现所有注射器同时推进或单独推动其中一支注射器的目的，对注射器的控制更为灵活。
12.作为本发明技术方案的再进一步改进，所述推进单元为蠕动泵。
13.采用上述技术方案的有益效果是：以蠕动泵为推进单元，充分利用了蠕动泵稳定性良好、精度高、无污染、密封性好且维护简单的优势，尤其对于静电纺丝的制备对纺丝溶液流量控制的高精度要求而言，蠕动泵的优势更为明显，以蠕动泵为推进单元的推进装置的推进速度可调范围为(0.001～1)ml/min。
14.作为本发明技术方案的又进一步改进，所述气流辅助装置还包括气流调节元件，所述气流调节元件与所述气流罩配合设置，所述气流调节元件用以控制和调节所述气流罩的空气流量。
15.采用上述技术方案的有益效果是：气流调节元件的设置，便于调节每个纺丝针头处的气流大小。
16.作为本发明技术方案的又进一步改进，静电纺丝的制备设备还包括竖直升降平台，所述竖直升降平台包括升降元件及承载平台，所述承载平台用以固定并承载所述推进装置及注射器，所述升降元件为所述承载平台沿竖直方向升降提供驱动力。
17.采用上述技术方案的有益效果是：竖直升降平台的设置，便于升降推进装置及注射器，从而可以调整注射器与接收板的距离，以适应不同纺丝溶液对纺丝针头与接收板间距的需求。
18.另一方面，本发明还进一步公开了一种静电纺丝的制备工艺，包括如下步骤：
19.s1、配制纺丝溶液，纺丝溶液包括溶质及溶剂，溶质的质量占纺丝溶液的质量为8％～50％；
20.s2、检查静电纺丝的制备设备，确保供电供气的元器件工作正常；
21.s3、接通总电源及通气管路，设定高压电源的参数及纺丝工艺参数；
22.s4、操控垂直升降平台，调整纺丝针头的出液口与纺丝接收装置的接收板的间距；
23.s5、调整推进单元位置，安装气流辅助装置及注射器，加注纺丝溶液，设定推进单元的推进速度；
24.s6、关闭纺丝机箱体门，检查高压电源；
25.s7、接通高压电源，启动纺丝开关，推进单元低速运行，收丝筒转动，开始纺丝；
26.s8、结束纺丝，先关闭高压电源，再开启纺丝机箱体门。
27.采用上述技术方案的有益效果是：通过上述制备工艺制作静电纺丝，制备效率高，静电纺丝质量稳定，操作规范，减少不必要的窝工现象，安全风险有效降低。
28.作为本发明技术方案的又进一步改进，步骤s1中的溶质的质量占纺丝溶液的质量为8％～10％。
29.采用上述技术方案的有益效果是：不论是聚丙烯腈(pan)基的n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)纺丝液或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)基的乙醇纺丝液还是聚乙烯醇(pva)基的纯水溶液，溶质的质量占纺丝溶液的质量的占比处于8％～10％时，纺丝溶液的粘度最为适宜。
30.作为本发明技术方案的又进一步改进，步骤s3中高压电源的电压范围为10.0kv～15.0kv。
31.采用上述技术方案的有益效果是：不论是聚丙烯腈(pan)基的n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)纺丝液或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)基的乙醇纺丝液还是聚乙烯醇(pva)基的纯水溶液，高压电源的电压处于10.0kv～15.0kv范围时，所制备的静电纺丝的丝体直径粗细适中，且制备更为稳定。
32.作为本发明技术方案的更进一步改进，所述s3步骤中的纺丝工艺参数包括通气管路流量，设定纺丝机箱体内温湿度目标值，设定纺丝气流温度，设定收丝筒转速及设定单个纺丝针头的出液流量。
33.采用上述技术方案的有益效果是：通过对通气管路流量，纺丝针头的出液流量、纺丝机箱体内温度、湿度以及气流温度的设定，便于调整相应参数，以适应不同纺丝溶液的特性从而满足不同纺丝纤维的制备需求。
34.作为本发明技术方案的更进一步改进，单个纺丝针头的出液流量范围为0.02ml/h～0.08ml/h。
35.采用上述技术方案的有益效果是：不论是聚丙烯腈(pan)基的n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)纺丝液或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)基的乙醇纺丝液还是聚乙烯醇(pva)基的纯水溶液，单个纺丝针头的出液流量处于0.02ml/h～0.08ml/h范围时，所制备的静电纺丝的丝体直径粗细适中，静电纺丝的制备更为高效稳定。
附图说明
36.为了更为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一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，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它附图。
37.图1为本发明的静电纺丝的制作设备配置示意图；
38.图2为本发明的单只气流辅助的静电纺丝制备原理示意图；
39.图中数字所表示的相应的部件名称如下：
40.纺丝机箱体1；温湿度传感器11；纺丝接收装置2；接收板21；收丝筒22；纺丝烘干装置3；注射器4；推杆41；注射筒42；纺丝针头43；推进装置5；推进单元51；蠕动泵511；气流辅助装置6；通气管路61；气流罩62；气流调节元件63；气体压力表64；油气分离器65；辅助气源7；竖直升降平台8；升降元件81；承载平台82；排风装置9。
具体实施方式
41.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全
面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
42.为了实现本发明的目的，本发明提供的技术方案为：
43.在本发明的一些实施方式中，如图1,2所示，本发明公开了一种静电纺丝的制备设备，包括纺丝机箱体1、纺丝接收装置2及纺丝烘干装置3，纺丝机箱体1内置有温湿度传感器11，用以实时测量纺丝机箱体1内的空气温度和湿度；纺丝烘干装置3通过红外光照的方式烘干纺丝，烘干温度可调节范围在室温到70℃之间；纺丝接收装置2包括接收板21及收丝筒22，还包括注射器4、推进装置5、气流辅助装置6及辅助气源7，注射器4，包括推杆41、注射筒42及纺丝针头43，纺丝针头43指向接收板21；推进装置5与推杆41连接，用于为推杆41提供往复驱动力；气流辅助装置6，包括通气管路61及气流罩62，通气管路61布设在注射器4与接收板21之间，纺丝针头43沿通气管路61的径向穿过通气管路61，气流罩62与纺丝针头63对应设在通气管路61的底部，气流罩62背向通气管路61的出气口与纺丝针头43的出液口同轴且齐平；辅助气源7与通气管路61连通，用以提供压缩空气。
44.采用上述技术方案的有益效果是：充分考虑现有技术中静电纺丝拉出速率较低，生产效率低下且纺丝连续性较差的问题，在传统高压的基础上引入辅助气流，使其在静电纺丝的过程中加快丝体的拉出，所以对纺丝体的成型后的直径以及纺丝体的烘干和出丝量有着较大的提升。具体而言，通过设置气流辅助装置及辅助气源，在注射器的纺丝针头处构建与纺丝拉出方向相同的高速气流，在强电场拉力的基础上叠加高速气流的带动力，纺丝拉出的速度大幅提升且静电纺丝的丝体直径明显缩小。
45.在本发明的另一些实施方式中，如图1所示，注射器4的数量为两个以上，推进装置5包括多个独立设置的推进单元51，推进单元51的数量不少于注射器4的数量，每个注射器4与一个推进单元51独立连接，多个推进单元51共同推进注射器4或者独立推进注射器4。
46.采用上述技术方案的有益效果是：设定推进单元数量不少于注射器的数量，有助于保证每个注射器由独立的推进单元提供推进动力，便于实现所有注射器同时推进或单独推动其中一支注射器的目的，对注射器的控制更为灵活。
47.在本发明的另一些实施方式中，如图2所示，推进单元51为蠕动泵511。
48.采用上述技术方案的有益效果是：以蠕动泵为推进单元，充分利用了蠕动泵稳定性良好、精度高、无污染、密封性好且维护简单的优势，尤其对于静电纺丝的制备对纺丝溶液流量控制的高精度要求而言，蠕动泵的优势更为明显，以蠕动泵为推进单元的推进装置的推进速度可调范围为(0.001～1)ml/min。
49.在本发明的另一些实施方式中，如图1所示，气流辅助装置6还包括气流调节元件63、气体压力表64及油气分离装置65，气流调节元件63与气流罩62配合设置，气流调节元件63用以控制和调节气流罩62的空气流量；气体压力表64用以实时测量通气管路61中的气压；油气分离装置65用以分离并去除压缩空气中的微小油滴，从而为静电纺丝的制备提供纯净的压缩空气。
50.采用上述技术方案的有益效果是：气流调节元件的设置，便于调节每个纺丝针头处的气流大小。
51.在本发明的另一些实施方式中，如图1所示，静电纺丝的制备设备还包括竖直升降平台8，竖直升降平台8包括升降元件81及承载平台82，承载平台82用以固定并承载推进装
置5及注射器4，升降元件81为承载平台82沿竖直方向升降提供驱动力。
52.采用上述技术方案的有益效果是：竖直升降平台的设置，便于升降推进装置及注射器，从而可以调整注射器与接收板的距离，以适应不同纺丝溶液对纺丝针头与接收板间距的需求。
53.在本发明的另一些实施方式中，如图1所示，静电纺丝的制备设备还包括排风装置9，排风装置9设置在纺丝机箱体1的外部，用以及时排出纺丝机箱体1内的多余气体，以防止纺丝机箱体1内的气压过大影响纺丝的拉出。
54.在本发明的另一些实施方式中，本发明还进一步公开了一种静电纺丝的制备工艺，包括如下步骤：
55.s1、配制纺丝溶液，纺丝溶液包括溶质及溶剂，溶质的质量占纺丝溶液的质量为8％～50％；
56.s2、检查静电纺丝的制备设备，确保供电供气的元器件工作正常；
57.s3、接通总电源及通气管路，设定高压电源的参数及纺丝工艺参数；
58.s4、操控垂直升降平台，调整纺丝针头的出液口与纺丝接收装置的接收板的间距；
59.s5、调整推进单元位置，安装气流辅助装置及注射器，加注纺丝溶液，设定推进单元的推进速度；
60.s6、关闭纺丝机箱体门，检查高压电源；
61.s7、接通高压电源，启动纺丝开关，推进单元低速运行，收丝筒转动，开始纺丝；
62.s8、结束纺丝，先关闭高压电源，再开启纺丝机箱体门。
63.采用上述技术方案的有益效果是：通过上述制备工艺制作静电纺丝，制备效率高，静电纺丝质量稳定，操作规范，减少不必要的窝工现象，安全风险有效降低。
64.在本发明的另一些实施方式中，步骤s1中的溶质的质量占纺丝溶液的质量为8％～10％。
65.采用上述技术方案的有益效果是：不论是聚丙烯腈(pan)基的n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)纺丝液或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)基的乙醇纺丝液还是聚乙烯醇(pva)基的纯水溶液，溶质的质量占纺丝溶液的质量的占比处于8％～10％时，纺丝溶液的粘度最为适宜。
66.在本发明的另一些实施方式中，步骤s3中高压电源的电压范围为10.0kv～15.0kv。
67.采用上述技术方案的有益效果是：不论是聚丙烯腈(pan)基的n,n
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二甲基甲酰胺(dmf)纺丝液或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)基的乙醇纺丝液还是聚乙烯醇(pva)基的纯水溶液，高压电源的电压处于10.0kv～15.0kv范围时，所制备的静电纺丝的丝体直径粗细适中，且制备更为稳定。
68.在本发明的另一些实施方式中，s3步骤中的纺丝工艺参数包括通气管路流量，设定纺丝机箱体内温湿度目标值，设定纺丝气流温度，设定收丝筒转速及设定单个纺丝针头的出液流量。
69.采用上述技术方案的有益效果是：通过对通气管路流量，纺丝针头的出液流量、纺丝机箱体内温度、湿度以及气流温度的设定，便于调整相应参数，以适应不同纺丝溶液的特性从而满足不同纺丝纤维的制备需求。
70.在本发明的另一些实施方式中，单个纺丝针头的出液流量范围为0.02ml/h～
0.08ml/h。
71.采用上述技术方案的有益效果是：不论是聚丙烯腈(pan)基的n,n
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二甲基甲酰胺(dmf)纺丝液或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)基的乙醇纺丝液还是聚乙烯醇(pva)基的纯水溶液，单个纺丝针头的出液流量处于0.02ml/h～0.08ml/h范围时，所制备的静电纺丝的丝体直径粗细适中，静电纺丝的制备更为高效稳定。
72.在本发明的另一些实施方式中，纺丝为聚乙烯吡咯烷酮纤维，纺丝溶液的溶质及溶剂分别为聚乙烯吡咯烷酮及乙醇；聚乙烯吡咯烷酮的粉末质量占纺丝溶液质量的8％；在s3步骤中高压电源的电压设置为10.0kv；在s3步骤中单个纺丝针头的出液流量设置为0.08ml/h；在s4步骤中纺丝针头的出液端与接收板的距离为18cm。
73.在本发明的另一些实施方式中，纺丝为聚乙烯醇纤维，纺丝溶液的溶质及溶剂分别为聚乙烯醇及纯水；聚丙烯腈质量占纺丝溶液质量的9％；在s3步骤中高压电源的电压设置为11.0kv；在s3步骤中单个纺丝针头的出液流量设置为0.02ml/h；在s4步骤中纺丝针头的出液端与接收板的距离为25cm。
74.在本发明的另一些实施方式中，纺丝为聚丙烯腈纤维，纺丝溶液的溶质及溶剂分别为聚丙烯腈及n,n
‑
二甲基甲酰胺；聚丙烯腈质量占纺丝溶液质量的10％；在s3步骤中高压电源的电压设置为15.0kv；在s3步骤中单个纺丝针头的出液流量设置为0.05ml/h；在s4步骤中纺丝针头的出液端与接收板的距离为15cm,最终拉出的纺丝的直径在20～500nm,出丝溶液10～3400μl/min。
75.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。