一种高效制备纳米纤维的静电纺装置及方法与流程

1.本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其是一种高效制备纳米纤维的静电纺丝装置及方法。


背景技术：

2.自1934年，formhals首次提出聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维纤维细丝。虽然能制备纳米纤维，但由于纺丝效率低而应用受到限制，为了提高效率，科研界和工业界大多在针头数量、接收装置类型及运动方式、无针头方式展开研究和开发。针头数量增加以后，在一定程度上可以提高纺丝效率，但针头与针头之间会产生静电干扰，容易引起射流不稳定，而且针头数量过多，清洗堵塞的针头工作量也大。有的无针电纺是通过机械运动将纺丝液附着到纺丝头上形成射流（动态无针电纺）；需要射流喷射完后，才进行下一次附着纺丝液，周而复始；有的无针电纺是借助重力、磁力、气体压力使纺丝液表面形成刺突状以便能在高压下产生射流（静态无针电纺），这就使得结构复杂起来，需要更多零部件。


技术实现要素：

3.为了克服现有制备纳米纤维的静电纺丝中多针头堵塞、针头间静电干扰、效率低，本发明提供一种高效制备纳米纤维的装置及方法，所述装置及方法原理是：笼状喷丝器两侧边缘分布金属丝/棒，金属丝/棒平行于笼状喷丝器中轴，在转动过程中，金属丝/棒转过恒温储料槽，浸润后附着纺丝液，加有高压电的金属丝/棒在转出储液槽后瞬间同时产生泰勒锥射流，喷向收集系统堆积成纳米纤维。相比动态无针电纺，整根金属丝上的射流瞬间同时产生，效率更高；相比静态无针电纺，装置部件更简单，生产成本更低，产业化更有优势。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效制备纳米纤维的静电纺装置，包括：收集系统；笼状喷丝器；旋转动力系统；恒温储料槽；供料系统；高压发生器；温度控制系统。所述收集系统相对放置于笼状喷丝器。所述笼状喷丝器不限于圆形滚筒状，且中轴居中垂直横跨固定于恒温储料槽侧板上。所述旋转动力系统固定于恒温储料槽一侧板上，并与笼状喷丝器中轴的一端连接。所述恒温储料槽开口朝向收集系统，用于固定旋转动力系统的侧板高于相对侧板。所述供料系统通过恒温储料槽一侧板管道向恒温储料槽供料。所述高压发生器通过金属线与笼状喷丝器连接。所述温度控制系统固定于恒温储料槽上。
5.更优地，显然不限于以下技术方案，所述收集系统为相对笼状喷丝器方向平移收集纳米纤维，接收距离1～80cm可调。所述笼状喷丝器两侧由若干根金属丝/棒组成，并两两平行固定于两侧，金属丝/棒直径0.01～8mm，金属丝/棒长度0.01～8m,金属丝/棒分布数量最少2根。所述旋转动力系统提供转速范围1～9000rpm。所述恒温储料槽液面至少能覆盖一根金属丝/棒。供料系统，对于聚合物溶液，由进样液泵供料；对于聚合物熔体，由螺杆机构
旋转推进供料。高压发生器提供直流高压1～100kv或交流高压，峰值1～100kv。温度控制系统范围1～1000℃。
6.对应溶液静电纺，用所述的高效静电纺装置来制备纳米纤维的方法，包括步骤1：配制某一浓度的纺丝溶液，供料系统向恒温储料槽提供配置好的纺丝液，至少能覆盖一根金属丝/棒；步骤2：调节收集系统平面到笼状喷丝器的距离；步骤3：调高压发生器提供直流高压电场，至金属丝/棒上的形成泰勒锥射流；步骤4：调节旋转动力系统使笼状喷丝器转动；步骤5：待收集系统能收集到纳米纤维，调节进样泵流速保持供料。
7.对应熔体静电纺，用所述的高效静电纺装置来制备纳米纤维的方法，包括步骤1：供料系统向恒温储料槽供聚合物原料；步骤2：调节温度控制系统融化恒温储料槽里的聚合物；步骤3：待聚合物熔体液面至少能覆盖一根金属丝/棒，调节收集系统平面到喷丝器的距离；步骤4：调高压发生器提供高压电场；步骤5：调节旋转动力系统使笼状喷丝器转动，至金属丝/棒上形成泰勒锥射流；步骤6：待收集系统能收集到纳米纤维，调节螺杆机构旋转推进速度保持供料。
8.本发明的有益效果是1.本发明装置和方法采用金属丝/棒平行笼状喷丝器中轴固定于两侧，转动过程中，金属丝/棒经过储液槽，浸润后附着纺丝液，当金属丝/棒露出纺丝液面继续转动过程中，在高压电场的作用下，整根金属丝/棒上的纺丝液同时产生射流，喷向收集系统堆积成纳米纤维，由于是金属丝/棒上的纺丝液同时产生射流，从而大大提高纺丝效率。
9.2.本发明装置和方法既可以用于聚合物溶液静电纺丝又可以用于聚合物熔体静电纺丝。
附图说明
10.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
11.图1为本发明侧面示意图。
12.图2为本发明俯视图。
13.图中1.收集系统，2.笼状喷丝器，3.旋转动力系统， 4.恒温储料槽， 5.供料系统， 6.高压发生器， 7.温度控制系统。
具体实施方式
[0014] 以下为较优的实施方式，但不局限于以下实施例。基于本新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创新前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。在结合示意图描述具体实施方式时，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际过程中应包含长度、宽度及高度的三维尺寸。
[0015]
【实施例1】以氯仿和n,n
‑
二甲基酰胺(体积比为2∶ 1)的混合液作为溶剂，配制质量分数浓度为8 %的聚己内酯（pcl）溶液，磁力搅拌器混合溶解5小时后备用；将 pcl 纺丝原液加入到供料系统中，再泵入恒温储料槽（长580mm*宽300mm*高160mm）中，覆盖将近一半直径0.5mm金属丝；设置恒温储料槽温度为25℃；调节宽度600mm的收集条平面到笼状喷丝器（直径160mm,长度580mm)表面的距离为10cm；调高压发生器提供直流高压电，高压值为20kv;启动
旋转动力系统使笼状喷丝器转动，调节转速为200rpm；至金属丝上的形成泰勒锥射流；待收集条能收集到纳米纤维，以1mm/s速度向恒温储料槽宽度方向移动收集条；调节进样泵流速保持供料；纺丝5分钟停止整个装置，待纳米纤维膜上溶剂挥发走后取下收集条上的纳米纤维膜；整个过程为一种高效制备pcl纳米纤维的方法。
[0016]
【实施例2】用螺杆机构旋转推进器将聚丙烯（p p）原料装入恒温储料槽（长580mm*宽300mm*高160mm）中，设置恒温储料槽温度为190℃；待pp完全融化，pp熔体能覆盖将近一半直径0.5mm金属丝；调节宽度600mm的收集条平面到笼状喷丝器（直径160mm,长度580mm)表面的距离为18cm；调高压发生器提供交流高压电，峰值值为80kv;启动旋转动力系统使笼状喷丝器转动，调节转速为610rpm；至金属丝上的形成泰勒锥射流；待收集条能收集到纳米纤维，以1mm/s速度向恒温储料槽宽度方向移动收集条；调节螺杆机构旋转推进速度保持供料；纺丝5分钟停止整个装置，取下收集条上的纳米纤维膜；整个过程为一种高效制备熔体pp纳米纤维的方法。
[0017]
在本发明中，“固定”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接、直接相连、间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0018]
最后说明：以上2个实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的技术人员对上述2个实施例的技术方案进行的修改或替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的保护范围。