专利名称：一种高度取向纳米纤维收集装置及方法
技术领域：
本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种高度取向纳米纤维收集装置及方法。
背景技术：
静电纺丝是一种目前比较流行的制备纳米纤维的简单方法，以其具备设备简单、原料来源广泛、工艺过程不破坏材料本体等特点，受到了越来越多的研究者的关注。由于静电纺纳米纤维细度细，孔隙率高，表面积大，应用范围广，可用在过滤材料，传感器，组织工程，药物缓释等方面。
静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千乃至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力足够大时，电场力可在泰勒锥锥尖克服溶液表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。
到目前为止，大多数静电纺纳米纤维是以无纺布的形式收集到的，纳米纤维的排列杂乱无章，因此限制了其应用范围。然而从传统的纤维和纺织工业我们知道，连续的单根纳米纤维和沿轴向取向的纳米纤维毡则有更加广泛的应用。但是，利用静电纺制取取向排列的纳米纤维毡或单根的纳米纤维都是非常困难的，因为在静电纺过程中，聚合物射流的运动是非常复杂的、三维的“鞭动”，而非直线的运动状态，因此国内外许多研究者都在努力研究制得取向纳米纤维的方法。目前用于收集取向纳米纤维的方法主要有两种:一种是利用高速旋转的滚筒作为收集装置，该方法对滚筒的转速要求较高，且取向度较差，部分学者利用辅助电极等方法进行了改进，但是效果不明显，如中国专利200810070364.1利用铜管组成滚筒收集取向的纳米纤维，所用的转速为800-1000rpm，转速依然很高，而且收集的取向纳米纤维的数量很少；另一种是采用平行金属板所组成的收集装置，该装置收集的纳米纤维取向度较高，但是当数量增多时纤维取向变差，在此基础上部分学者进行了改进，但是效果仍不明显。所以到目前为止，还没有制取到取向度较高且产量也较高的纳米纤维。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高度取向纳米纤维收集装置及方法，使得取向纳米纤维的取向度提高，且产量增加。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种高度取向纳米纤维收集装置，包括金属安装盘、金属丝、联轴器、电机、金属刀片、金属导杆和负极高压静电输出装置，所述金属丝安装在所述金属安装盘上组成滚筒；所述金属安装盘通过联轴器与所述电机相连，并通过所述电机驱动旋转；所述金属导杆上分布有金属刀片，带有金属刀片的金属导杆位于由所述金属丝所组成的滚筒内部；所述金属导杆与所述负极高压静电输出装置相连。
所述电机和金属导杆分别通过支架固定在底板上。
所述金属丝以平行等距排列的方式安装在所述金属安装盘的同一圆周平面内，所述金属丝之间的间距为0.5_3cm。所述联轴器由金属材料制成，并且外层喷有绝缘漆。所述电机外层喷有绝缘漆或者所述电机安装在静电屏蔽装置内。所述支架和所述底板均采用绝缘材料制成。所述金属刀片呈平行等距排列安装在所述金属导杆上，所述金属刀片均带有刀锋，且刀锋侧指向喷丝头。所述金属刀片之间的间距范围为0.5-5cm。所述金属导杆外层喷有绝缘漆。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:还提供一种高度取向纳米纤维收集方法，使用上述的高度取向纳米纤维收集装置，包括以下步骤:(I)将纺丝液注入注射器，注射器的出口与喷丝头相连，并将喷丝头固定在由所述金属丝组成的滚筒的正上方，将正极高压静电输出装置与喷丝头相连；(2)开启电机，驱动由一组金属丝所组成的滚筒旋转；(3)开启正极闻压静电输出装置和负极闻压静电输出装置；(4)利用所述金属刀片来集中电场，减小射流的弯曲不稳定性，并且利用所述金属丝彼此之间形成的电容，将射流拉伸在金属丝之间，最终高度取向的纳米纤维将收集在由金属丝所组成的滚筒上。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:本发明采用一组金属刀片和由一组金属丝所组成的滚筒配合收集取向纳米纤维。一组金属刀片相当于辅助电极，均带有锋利的刀锋，可以集中电场，有效减小射流的弯曲不稳定性，提高纳米纤维的取向；一组金属丝彼此之间形成的电容，可以将射流拉伸在金属丝之间，进而有效的提高纳米纤维的取向，并且降低电机的转速。综上，该发明收集到的纳米纤维面积比较大，产量比较多，效率比较高。另外，本发明结构简单且可以实现静电纺取向纳米纤维的连续生产。
图1是高度取向纳米纤维收集装置的正视图；图2是高度取向纳米纤维收集装置的俯视图；图3是利用高度取向纳米纤维收集装置进行静电纺丝的结构示意图；图4是利用高度取向纳米纤维收集装置收集到的纳米纤维毡的扫描电子显微镜图。
具体实施例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。此外应理解，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作各种改动或修改，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。
本发明涉及一种高度取向纳米纤维收集装置，如图1和图2所示，包括金属安装盘1、一组金属丝2、联轴器3、电机4、支架5、一组金属刀片6、金属导杆7、支架8、底板9、接地线10和负极高压静电输出装置11。一组金属丝2呈平行等距排列，安装在金属安装盘I的同一圆周平面内组成滚筒，滚筒通过联轴器3与电机4相连，由电机4驱动旋转，电机4与接地线10相连，相当于滚筒接地，因此相邻两根金属丝2之间相当于电容，从而可以使纳米纤维产生取向，并且当滚筒旋转时可使取向纳米纤维覆盖整个滚筒区域，增加取向纳米纤维的收集面积。一组金属刀片6均与金属导杆7相连，并位于滚筒内部，金属导杆7接负极高压静电输出装置11，相当于一组金属刀片6均带高压负电。金属刀片6平行等距排列，且均带有锋利的刀锋，刀锋侧均指向带高压正电的喷丝头，因此，金属刀片6相当于辅助电极，可以集中电场，有效减小射流的弯曲不稳定性，提高纳米纤维的取向。在一组金属刀片6和由一组金属丝2所组成的滚筒的配合作用下，可以有效降低滚筒的转速，消除了传统方法中高速滚筒表面产生的气流打断纤维的缺点。
此外，联轴器3、电机4和金属导杆7的外层均喷有绝缘漆，支架5和支架8，以及底板9均采用绝缘材料制成，且控制滚筒转速的电机4是采用直流供电，可有效避免对高压电场产生影响。
下面对使用高度取向纳米纤维收集装置进行静电纺丝的方法进一步进行说明，如图3所示，包括以下步骤:(I)将纺丝液15注入注射器12，注射器12的出口与喷丝头13相连，并将喷丝头13固定在由一组金属丝2所组成的滚筒的正上方，将正极高压静电输出装置14与喷丝头13相连；(2)将金属导杆7接负极高压输出装置11，相当于一组金属刀片6带高压负电，将电机4接地，相当于由一组金属丝2所组成的滚筒接地；(3)开启电机4，驱动由一组金属丝2所组成的滚筒旋转；(4)开启正极高压静电输出装置14和负极高压静电输出装置11 ; (5)利用金属刀片6来集中电场，减小射流16的弯曲不稳定性，并且利用金属丝2彼此之间形成的电容，将射流16拉伸在金属丝之间，最终高度取向的纳米纤维将收集在由金属丝所组成的滚筒上。
下面采用聚丙烯腈(PAN)与二甲基甲酰胺(DMF)所配制的溶液进行纺丝。将浓度为12%的PAN溶液注入注射器，注射器的出口与喷丝头相连，并将喷丝头固定在由一组金属丝所组成的滚筒的正上方，垂直距离为15cm，将正极高压静电输出装置与喷丝头相连；将金属导杆接负极闻压输出装置，将电机接地；开启电机，设置转速为50rmp ;开启正极闻压静电输出装置和负极高压静电输出装置，分别设置为+18kV和-0.5kV ;高度取向的纳米纤维收集在由金属丝所组成的滚筒上，直径约为593nm，如图4所示，其放大倍数为3000倍。
权利要求
1.一种高度取向纳米纤维收集装置，包括金属安装盘(I)、金属丝(2)、联轴器(3)、电机(4)、金属刀片(6)、金属导杆(7)和负极高压静电输出装置(11),其特征在于，所述金属丝(2 )安装在所述金属安装盘(I)上组成滚筒；所述金属安装盘(I)通过联轴器(3 )与所述电机(4)相连，并通过所述电机(4)驱动旋转；所述金属导杆(7)上分布有金属刀片(6)，带有金属刀片(6)的金属导杆(7)位于由所述金属丝(2)所组成的滚筒内部；所述金属导杆(7)与所述负极高压静电输出装置(11)相连。
2.根据权利要求1所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述电机(4)和金属导杆(7 )分别通过支架(5，8 )固定在底板(9 )上。
3.根据权利要求1所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述金属丝(2)以平行等距排列的方式安装在所述金属安装盘(I)的同一圆周平面内，所述金属丝(2)之间的间距为0.5-3cm。
4.根据权利要求1所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述联轴器(3)由金属材料制成，并且外层喷有绝缘漆。
5.根据权利要求1所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述电机(4)外层喷有绝缘漆或者所述电机(4)安装在静电屏蔽装置内。
6.根据权利要求2所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述支架(5，8)和所述底板(9)均采用绝缘材料制成。
7.根据权利要求1所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述金属刀片(6)呈平行等距排列安装在所述金属导杆(7)上，所述金属刀片(6)均带有刀锋，且刀锋侧指向嗔丝头。
8.根据权利要求7所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述金属刀片(6)之间的间距范围为0.5-5cm。
9.根据权利要求1所述的高度取向纳米纤维收集装置，其特征在于，所述金属导杆(7)外层喷有绝缘漆。
10.一种高度取向纳米纤维收集方法，其特征在于，使用如权利要求1-9中任一权利要求所述的高度取向纳米纤维收集装置，包括以下步骤: (1)将纺丝液注入注射器，注射器的出口与喷丝头相连，并将喷丝头固定在由所述金属丝组成的滚筒的正上方，将正极高压静电输出装置与喷丝头相连； (2)开启电机，驱动由一组金属丝所组成的滚筒旋转； (3)开启正极高压静电输出装置和负极高压静电输出装置； (4)利用所述金属刀片来集中电场，减小射流的弯曲不稳定性，并且利用所述金属丝彼此之间形成的电容，将射流拉伸在金属丝之间，最终高度取向的纳米纤维将收集在由金属丝所组成的滚筒上。
全文摘要
本发明涉及一种高度取向纳米纤维收集装置及方法。装置包括金属安装盘、金属丝、联轴器、电机、金属刀片、金属导杆和负极高压静电输出装置，所述金属丝安装在所述金属安装盘上组成滚筒；所述金属安装盘通过联轴器与所述电机相连，并通过所述电机驱动旋转；所述金属导杆上分布有金属刀片，带有金属刀片的金属导杆位于由所述金属丝所组成的滚筒内部；所述金属导杆与所述负极高压静电输出装置相连。方法是利用金属刀片来集中电场，减小射流的弯曲不稳定性，并且利用金属丝彼此之间形成的电容，将射流拉伸在金属丝之间，最终高度取向的纳米纤维将收集在由金属丝所组成的滚筒上。本发明使得取向纳米纤维的取向度提高，且产量增加。
文档编号D01D5/00GK103173874SQ20131013467
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者覃小红, 吴韶华 申请人:东华大学