一种离心静电纺丝装置的制作方法

1.本技术涉及静电纺丝装置领域，具体而言，涉及一种离心静电纺丝装置。


背景技术：

2.静电纺丝技术是一种常见的纳米纤维的生产方法。纺丝液在电场力的作用下形成泰勒锥，然后持续拉伸成直径为100至500纳米的纤维，最后被带静电的金属收集器收集并形成纳米纤维薄膜。
3.近年来，随着纳米技术的不断发展，具备一定厚度的纳米纤维毡凭借其特殊的三维网状结构，在细胞生物工程与超级电容容器等领域得到了广泛关注。目前常采用旋转离心静电纺丝法制备纳米纤维毡。该方法工作时通过使出丝针头旋转，在电场和离心双重作用下针头内的溶液更容易形成泰勒锥并持续拉伸从而形成纳米纤维吸附在收集器内层表面。但由于离心力较难精准控制且纳米纤维出丝量太大，离心法静电纺丝出丝不均匀容易产生挂丝的问题，从而引起纳米纤维毡生产和收集效率下降的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种离心静电纺丝装置，其能够改善现有的出丝电极在静电纺丝时容易挂丝，导致纳米纤维毡生产及收集效率低的技术问题。
5.本技术实施例提供一种离心静电纺丝装置，其包括：出丝电极、环状的接收电极、驱动机构以及高压发生器。
6.出丝电极具有底壁以及环状的周壁，底壁与周壁的底端连接以形成用于容置纺丝液的容置槽，周壁设有气阀接口、多个出丝孔、以及与多个出丝孔对应的多个气孔，出丝孔的两端分别贯穿周壁的内表面以及外表面，气孔有间隙的环设于对应的出丝孔的周向，且气孔的一端贯穿周壁的外表面，另一端位于周壁内且与气阀接口连通。
7.接收电极环设于出丝电极的周向，接收电极具有用于接收出丝电极输出的纤维的内环面，内环面与出丝电极的外表面存在间隙。
8.驱动机构与底壁绝缘连接并驱动出丝电极绕其轴线旋转。
9.高压发生器的正极与出丝电极电连接，高压发生器的负极与接收电极电连接。
10.在上述实现过程中，采用杯状的出丝电极和环状的接收电极配合，且出丝电极的周壁设有多个出丝孔，多个出丝孔的设置可避免纳米纤维出丝量太大，每个出丝孔的两端分别贯穿周壁的内表面以及外表面，因此采用驱动机构驱动出丝电极绕其轴线旋转时，位于容置槽内的纺丝液在离心力的作用下可经多个出丝孔均匀甩出，并且被电场力拉伸成丝状纤维，在静电场的作用下吸附在接收电极的内环面上。同时在静电纺丝过程中经气阀接口通入压缩气体，压缩空气自气孔喷出，由于气孔有间隙的环设于对应的出丝孔的周向，因此能够利用气流喷射进一步辅助甩出的纺丝液拉伸成丝状纤维，同时利用气流喷射的作用使其向内环面输送以吸附于内环面，可进一步提高出丝效率以及收集效率，有效降低出丝电极挂丝。
11.也即是，本技术提供的离心静电纺丝装置，利用旋转离心、静电场以及气流喷射的综合作用，使得纳米级丝状纤维更有效率地吸附在内环面上，形成蓬松的且具有一定厚度的纳米纤维毡，不仅有效增加了纺丝效率，同时避免挂丝，从而提高了纳米纤维毡在实际生产中的产出效率。
12.在一种可能的实施方案中，出丝电极的轴线与接收电极的轴线重合。
13.在上述实现过程中，出丝电极的轴线与接收电极的轴线重合，因此在旋转过程中，有利于获得厚度均匀的纳米纤维毡。
14.在一种可能的实施方案中，出丝孔的轴线与对应的气孔的轴线重合。
15.在上述实现过程中，利用出丝孔的轴线与对应的气孔的轴线重合，可使出丝孔甩出的纺丝液射流保持原有的运动方向，避免气流对纺丝液射流运动方向改变可能导致的挂丝现象。
16.在一种可能的实施方案中，出丝孔的直径为0.5mm-2mm。
17.在上述实现过程中，上述直径范围内有利于获得纳米级直径的纤维。
18.在一种可能的实施方案中，周壁沿周向设有间隔布置的多列气孔组，每列气孔组具有沿出丝电极的轴向间隔布置的多个气孔；其中，任意相邻的两列气孔组中的气孔交错布置。
19.在上述实现过程中，利用任意相邻的两列气孔组中的气孔交错布置，不仅可提高周壁的利用率，还可使位于同一水平面的多个气孔之间的间距较大，避免位于同一水平面的多个气孔间距较小可能导致的出丝黏连，从而获得均匀分布的纳米纤维毡。
20.在一种可能的实施方案中，每列气孔组中，任意相邻的两个出丝孔之间的间距为10mm-50mm。
21.在上述实现过程中，有利于均匀出丝，以提高纺丝效率。
22.在一种可能的实施方案中，间隙在径向的距离为50mm-600mm。
23.在上述实现过程中，内环面与出丝电极的外表面之间的距离为50mm-600mm，可实现更好的纺丝效果。
24.在一种可能的实施方案中，接收电极的内环面的直径为100mm-4000mm，接收电极的厚度为5mm-50mm，接收电极沿其轴向的高度为100mm-2000mm。
25.在一种可能的实施方案中，周壁具有伸出接收电极的顶端，气阀接口位于顶端的外表面，顶端的外表面设有安装部，离心静电纺丝装置还包括设置于安装部的气泵，气泵的出气口与气阀接口连通。
26.在上述实现过程中，利用气泵的出气口与气阀接口连通，以向气阀接口输送高压空气。
27.在一种可能的实施方案中，离心静电纺丝装置还包括推注器以及导管，推注器具有供液腔以及推注活塞，供液腔用于容置纺丝液，供液腔具有用于与导管连通的液体出入口，导管的出液端悬垂于出丝电极的上方，推注活塞可滑动地设置于供液腔内，以将纺丝液推注至导管内。
28.在上述实现过程中，由于导管出液端悬垂于出丝电极的上方，因此利用推注器可将纺丝液推注至导管，并经导管的出液端注入容置槽内。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
30.图1为本技术实施例1提供的离心静电纺丝装置的结构示意图；
31.图2为本技术实施例1提供的出丝电极的结构示意图；
32.图3为图2中a-a向剖面示意图。
33.图标：10-离心静电纺丝装置；100-出丝电极；101-底壁；102-周壁；103-顶端；104-容置槽；105-出丝孔；106-气孔；107-气阀；108-安装部；109-气泵；110-接收电极；111-内环面；120-高压发生器；130-驱动机构；131-电源；140-绝缘底座；141-安装面；151-连接轴；153-导电部；155-联轴器；161-推注器；163-导管。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
38.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
39.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
40.需要说明的是，纺丝液可以为聚合物溶液或聚合物熔体，其中聚合物包括但不局限于聚丙烯腈，还可以为聚乙烯醇等等，本领域技术人员可根据实际的需求进行选择，在此
不做限定。
41.实施例1
42.请参阅图1，一种离心静电纺丝装置10，其包括：出丝电极100、环状的接收电极110、驱动机构130以及高压发生器120。
43.出丝电极100的材质为不锈钢、铝合金或铜等导电金属。
44.请参阅图1以及图2，出丝电极100具有底壁101以及环状的周壁102。
45.其中，周壁102具有相对的顶端103以及底端，底壁101与底端连接以形成用于容置纺丝液的容置槽104。也即是，出丝电极100呈杯状，其中顶端103作为容置槽104的开口端，以用于将纺丝液接入容置槽104内。
46.周壁102的直径可如图1所示自周壁102的底端向顶端103保持不变，在一些其他实施例中，周壁102的直径自周壁102的底端向顶端103逐渐变大，便于接收纺丝液。无论哪种设置，出丝电极100均竖向布置(出丝电极100的轴线竖向延伸)，也即是周壁102在任一水平面上的截面均呈圆形。
47.请参阅图2以及图3，周壁102设有气阀接口、多个出丝孔105、以及与多个出丝孔105对应的多个气孔106。
48.其中，出丝孔105的两端分别贯穿周壁102的内表面以及外表面。
49.可选地，周壁102沿周向设有间隔布置的多列气孔组，每列气孔组具有沿出丝电极100的轴向间隔布置的多个气孔106；其中，任意相邻的两列气孔组中的气孔106交错布置。
50.任意相邻的两列气孔组中的气孔106交错布置是指：位于同一列的气孔组中相邻的两个气孔106之间形成间隔部，任意相邻的两列气孔组中，一组气孔组的气孔106与另一组气孔组的间隔部对应。
51.可选地，每列气孔组中，任意相邻的两个出丝孔105之间的间距为10mm-50mm，例如本实施例中，每列气孔组中，任意相邻的两个出丝孔105之间的间距为30mm，其中，间距是指沿各气孔组的排列方向上，两个出丝孔105的孔壁之间的最小距离。
52.其中，各出丝孔105的直径为0.5mm-2mm，例如出丝孔105的直径为0.5mm、1mm或2mm，本实施例中，各出丝孔105的直径为1mm。
53.气孔106有间隙的环设于对应的出丝孔105的周向，且气孔106的一端贯穿周壁102的外表面，另一端位于周壁102内且与气阀107连通。可以理解的是，气孔106有间隙的环设于对应的出丝孔105的周向，也即是气孔106与对应的出丝孔105相互独立不连通。
54.可选地，出丝孔105的轴线与对应的气孔106的轴线重合。
55.气阀接口位于顶端103的外表面，气阀接口安装有气阀107。
56.如图1所示，顶端103伸出接收电极110，气阀107位于顶端103的外表面，顶端103的外表面设有安装部108，离心静电纺丝装置10还包括设置于安装部108的气泵109，气泵109的出气口与气阀107连通。通过上述设置，可使气泵109随着出丝电极100的转动而同步转动，有利于纺丝过程的顺畅进行。
57.接收电极110环设于出丝电极100的周向，接收电极110具有用于接收出丝电极100输出的静电纺丝的内环面111，内环面111与出丝电极100的外表面存在间隙。
58.可选地，间隙在径向的距离为50mm-600mm，上述间隙距离合理，有利于出丝孔105甩出的纺丝液射流形成纳米级纤维并吸附于内环面111。
59.可选地，接收电极110的内环面111的直径为100mm-4000mm，接收电极110的厚度为5mm-50mm，接收电极110沿其轴向的高度为100mm-2000mm。
60.其中，接收电极110的材质为不锈钢、铝合金或铜等导电金属，接收电极110的材质可以与出丝电极100的材质相同，也可以不同，在此不做限定。
61.可选地，出丝电极100的轴线与接收电极110的轴线重合，因此在出丝电极100旋转过程中，有利于获得厚度均匀的纳米纤维毡。实际使用过程中，出丝电极100的轴线竖向延伸，也即是，出丝电极100和接收电极110均竖向布置，有利于出丝的均匀性。
62.请参阅图1，高压发生器120的正极与出丝电极100电连接，高压发生器120的负极与接收电极110电连接，高压发生器120可为高压直流电源131，从而使出丝电极100和接收电极110之间形成高压电场，以实现静电纺丝。
63.驱动机构130与底壁101绝缘连接并驱动出丝电极100绕其轴线旋转。
64.实际操作过程中，驱动机构130可被配置为驱动出丝电极100以不低于1000rpm的速度高速旋转，通过旋转离心作用经上述直径的出丝孔105甩出液滴，然后在电场力作用下可拉伸成直径200-300nm的纳米纤维丝束。
65.为了静电离心纺丝过程的稳定性，离心静电纺丝装置10还包括绝缘底座140以及传动组件，绝缘底座140具有安装面141以及贯穿安装面141的通孔，其中接收电极110放置于安装面141且围设于通孔的周向，出丝电极100位于安装面141的上方，驱动机构130位于绝缘底座140的下方，传动组件可转动地穿设于通孔，传动组件的一端与底壁101连接，另一端与驱动机构130连接，从而利用驱动机构130驱动出丝电极100沿其轴向相对于接收电极110旋转。
66.如图1所示，驱动机构130为电机，驱动机构130连接有为其供电的电源131。
67.传动组件包括连接轴151、导电部153以及联轴器155，其中连接轴151与底壁101同轴且导电连接，连接轴151可转动地穿设于通孔并伸出绝缘底座140，连接轴151位于绝缘底座140的下方的一端作为连接端，导电部153轴向不动周向可转动地套设于连接端，导电部153与连接端导电连接，连接端的端部经联轴器155和电机的传动轴同轴连接，其中联轴器155由绝缘材质制得。
68.也即是，出丝电极100和接收电极110同轴布置，且旋转过程中导电部153与出丝电极100同轴布置且相对距离不变，上述设置有利于在后续驱动机构130驱动出丝电极100绕其轴线旋转时，高压发生器120提供的电场不因为转动而出现影响，同时连接轴151由绝缘材质制得，也可以避免高压电对电机产生不良影响。
69.其中，导电部153可以为金属导电滑环或金属轴承，本领域技术人员可根据实际的需求进行选择，在此不做限定。
70.也即是，本技术提供的离心静电纺丝装置10，利用旋转离心、静电场以及气流喷射的综合作用，使得纳米丝状纤维更有效率地吸附在内环面111上，形成蓬松的且具有一定厚度的纳米纤维毡，不仅有效增加了纺丝效率，同时避免挂丝，从而提高了纳米纤维毡在实际生产中的产出效率。
71.离心静电纺丝装置10还包括供液系统，供液系统具有：推注器161以及导管163，推注器161具有供液腔以及推注活塞，供液腔用于容置纺丝液，供液腔具有用于与导管163连通的液体出入口，导管163的出液端悬垂于出丝电极100的上方，推注活塞可滑动地设置于
供液腔内，以将纺丝液推注至导管163内。
72.其中，导管163的出液端可直接悬垂于出丝电极100的开口端上方，在一些可选地实施例中，离心静电纺丝装置10还可包括盖体(图未示)，盖体盖设于出丝电极100的开口端以封闭容置槽104的开口端，盖体与开口端可转动地连接，盖体设有与容置槽104连通的安装孔，导管163远离供液腔的一端与盖体连接且与安装孔连通。利用上述设置可避免在离心时纺丝液从开口端甩出，同时由于盖体与开口端可转动地连接，因此出丝电极100旋转过程中不会干涉导管163。
73.实施例2
74.采用实施例1提供的离心静电纺丝装置10进行聚丙烯腈(pan)静电纺丝纳米纤维毡的制备和收集过程。
75.1.使用推注器161抽取200ml12％聚丙烯腈(pan)溶液并且安装在供液腔内，将导管163安装在推注器161上且经液体出入口与供液腔连通，导管163的出液端悬垂于出丝电极100开口端的上方。
76.2.用导线连接导电部153至高压直流电源131的正极，用导线连接接收电极110至高压直流电源131的负极；用气管连接出丝电极100的气阀107和气泵109。
77.3.打开气阀107。开启电机并且调节出丝电极100转速至1000rpm，调节推注器161推注速率为30ml/min；开启直流电源131，调节正极电压为 30kv，负极电压为-20kv。持续纺丝至供液腔内纺丝液消耗完毕。
78.4.关闭高压直流电源131和电机。
79.结果表明，离心静电纺丝装置10和纺丝机其他组件运行稳定，通过持续纺丝和快速收集，获得了结构蓬松且具有一定厚度的白色pan纳米纤维毡。
80.实施例3
81.采用实施例1提供的离心静电纺丝装置10进行聚乙烯醇(pva)静电纺丝纳米纤维毡的制备和收集过程。
82.1.使用推注器161抽取300ml10％聚乙烯醇(pva)溶液并且安装在供液腔内，将导管163安装在推注器161上且经液体出入口与供液腔连通，导管163的出液端悬垂于出丝电极100开口端的上方。
83.2.用导线连接导电部153至高压直流电源131的正极，用导线连接接收电极110至高压直流电源131的负极；用气管连接出丝电极100的气阀107和气泵109。
84.3.打开气阀107。开启电机并且调节出丝电极100转速至1500rpm，调节推注器161推注速率为35ml/min；开启直流电源131，调节正极电压为 35kv，负极电压为-25kv。持续纺丝至供液腔内纺丝液消耗完毕。
85.4.关闭高压直流电源131和电机。
86.结果表明，离心静电纺丝装置10和纺丝机其他组件运行稳定，通过持续纺丝和快速收集，获得了结构蓬松且具有一定厚度的白色pva纳米纤维毡。
87.综上，本技术提供的离心静电纺丝装置，其利用旋转离心、静电场以及气流喷射的综合作用，使得纳米纤维丝更有效率地吸附在内环面上，形成蓬松的且具有一定厚度的纳米纤维毡，不仅有效增加了纺丝效率，同时避免挂丝，从而提高了纳米纤维毡在实际生产中的产出效率。
88.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。