新型多功能纳米纤维静电纺丝的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型多功能纳米纤维静电纺丝机，包括高压发生装置，纺丝装置，支架本体以及设于所述支架本体上并用于放置所述纺丝装置的支撑平台，其特征在于，还包括可拆卸式接收装置组，以及设于所述支架本体底部并位于所述支撑平台正下方的接收装置固定板，所述可拆卸式接收装置组包括可拆卸式浴液盘和可拆卸式接收滚筒，且所述可拆卸式浴液盘和所述可拆卸式接收滚筒以择一方式固定于所述接收装置固定板上；本发明的优点在于，既可以纺制连续卷绕的纳米纤维纱，也可以纺制纳米纤维膜，适用范围广。
【专利说明】新型多功能纳米纤维静电纺丝机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种静电纺丝装置，尤其是一种新型多功能纳米纤维静电纺丝机。
【背景技术】
[0002]静电纺丝法是制备纳米纤维的一种有效方法，装置简单，成本低廉，以高聚物溶液等为纺丝液可以制备得到直径从几纳米到数百纳米的纤维。由于该方法具有设备简单、成本低等优点，近年来国内外的研究人员采用该纺丝方法制备的各种静电纺纳米纤维材料已有100多种。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜由于具有很高的比表面积，独特的网状结构和孔隙等，在纺织服装、环境工程、生物科技、医疗与卫生健康、能源、化工等领域具有十分广阔的应用前景。
[0003]过去的十多年中，研究人员更多的关注无规排列的纳米纤维膜的研究与开发，产品形式相对单一，并不能适用所有场合。因此，近几年来学者开始投入精力研制纤维呈定向排列的产品，通常他们通过改进接收装置获得定向排列的纤维网或者长度为数厘米的纤维束，却很难获得能够连续卷绕的纳米纤维纱。
[0004]目前现有的电纺丝装置主要由高压发生装置、流量控制装置和收集装置组成，通常高压发生装置为一台输出电压可调节的高压电源，流量控制装置为一台可调节输出流量的流量泵，收集装置为金属平板、网格或金属滚筒。纺丝过程中主要会涉及到溶液性能、电压、纺丝距离、流量等可调节参数。目前常用的静电纺丝装置多为实验室自主搭建，装置整体性不强、零部件较分散、功能性不全面，一定程度上影响了纳米纤维材料的可纺性、批次稳定性以及最终的应用。国内外也有多喷头静电纺丝装置的报道，如=Taylor锥多喷头静电纺丝机(CN200710172744.1)、朝上喷的静电纺丝机(CN200720076954.6)，一般都只可纺制纤维呈无规排列的膜状材料并且产量有限，虽然也有少量关于静电纺纳米纤维管状材料的报道，但是未曾有类似于本发明:同一台纺丝机具有纺制连续纳米纤维纱、纳米纤维膜和多种管径的管状材料的功能，并既可进行立式纺丝又可进行卧式纺丝的相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明目的是:提供一种新型多功能纳米纤维静电纺丝机，不仅可以纺制连续卷绕的纳米纤维纱，也可以纺制纤维呈无规排列的纳米纤维膜。
[0006]本发明的技术方案是:一种新型多功能纳米纤维静电纺丝机，包括高压发生装置，纺丝装置，支架本体以及设于所述支架本体上并用于放置所述纺丝装置的支撑平台，其特征在于，还包括可拆卸式接收装置组，以及设于所述支架本体底部并位于所述支撑平台正下方的接收装置固定板，所述可拆卸式接收装置组包括可拆卸式浴液盘和可拆卸式接收滚筒，且所述可拆卸式浴液盘和所述可拆卸式接收滚筒以择一方式固定于所述接收装置固定板上。
[0007]优选地，在纺纳米纤维纱时，所述可拆卸式浴液盘固定于所述接收装置固定板上，在所述接收装置固定板一侧依次设有烘干装置和卷绕成型滚筒，且所述可拆卸式浴液盘、所述烘干装置以及所述卷绕成型滚筒位于同一条水平直线上，同时所述卷绕成型滚筒连接有一横向摆动装置，其摆动频率为每分钟往复O?30次。
[0008]优选地，所述纺丝装置包括用于控制纺丝液流量的流量泵，与所述流量泵连接的储液针筒，设有多排等间距喷丝头安装口的纺丝液分配板，以及安装于所述喷丝头安装口的喷丝头，所述储液针筒通过输送管与所述纺丝液分配板连接。
[0009]优选地，还包括设于所述支撑平台上的横向移动装置，所述横向移动装置通过连接杆与以喷丝头朝下方向放置的纺丝液分配板连接，且所述支撑平台上设有供所述连接杆做横向运动的平移滑道。
[0010]优选地，所述高压发生装置为高压直流静电发生器，且其正极与所述纺丝液分配板内的铜板相连，同时在纺纳米纤维纱时，其负极连接在所述可拆卸式浴液盘底部；在纺纳米纤维膜时，其负极与所述可拆卸式接收滚筒上的接收纤维用导电膜相连。
[0011]优选地，所述支架本体上设有纺丝间距调节滑道，所述支撑平台活动安装于所述纺丝间距调节滑道上。
[0012]优选地，所述可拆卸式浴液盘的直径为5?30cm ;所述可拆卸式接收滚筒的卷绕线速度为O?100m/min。
[0013]更优选地，所述支架本体为立卧一体式支架。
[0014]本发明的工作原理如下:
(I)纺纳米纤维纱时:首先将纺丝溶液密闭储存在所述储液针筒内，通过输送管从背面输入所述纺丝液分配板内，并通过流量泵控制不同纺丝参数对应的流量，所述纺丝液分配板将纺丝溶液均匀地分配到各纺丝管中，将所述高压直流静电发生器的正极与所述纺丝液分配板内的铜板相连，其负极埋在可拆卸式浴液盘的中央底部，然后手动调节喷丝头到可拆卸式浴液盘的垂直距离及水平距离，并调节烘干温度、摆动频率以及卷绕成型滚筒转速，上述参数设定后，打开高压直流静电发生器并调节至需要的纺丝电压，然后从浴液表面拉出纳米纤维纱，经烘干装置高温烘干纱线表面残留的液体，再经卷绕成型滚筒后即可得到连续卷绕的纳米纤维纱。
[0015](2)纺纳米纤维膜:为满足不同的产品形式要求，本装置可以快速、方便地实现静电纺纳米纤维膜的纺丝要求。将可拆卸式浴液盘、烘干装置、卷绕成型滚筒及横向摆动装置移开，直接将可拆卸式接收滚筒固定在所述接收装置固定板上，此处可拆卸式接收滚筒可以直接采用上述卷绕成型滚筒代替，然后在可拆卸式接收滚筒表面设置金属接收网作为接收纤维用导电膜，并通过电极引出触头连接高压直流静电发生器的负极，金属接收网的目数根据纺丝液的种类确定，上述结构变动后，根据溶液性能设置纺丝电压、纺丝距离等参数，打开高压直流静电发生器，在可拆卸式接收滚筒表面即可得到纤维呈无规排列状的纳米纤维膜，同时还能够根据实际需要调节接收滚筒的直径，纺制多种管径的纳米纤维管状材料。
[0016]上述为立式纺丝，如需卧式纺丝，只需将支架本体旋转+90°或-90°，并相应调整可拆卸式接收滚筒的位置即可很简单地实现。
[0017]本发明的优点是:
1.适用范围广，本发明既可以纺制连续卷绕的纳米纤维纱，也可以纺制纳米纤维膜；
2.使用方便，本发明重要的工艺参数均可以根据需要调节和控制，并且根据具体溶液性能和纺丝要求，可以选择立式或卧式纺丝方式；
3.产量高，本发明的纺丝液分配板上可安装3~10排喷丝头，每排可放置5~10个喷丝头，大大地提高了纺丝产量，并且可根据需要进一步增加喷头数量。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图；
图3为本发明实施例1纺纳米纤维纱电镜图；
图4为本发明实施例2纺纳米纤维膜电镜图；
图5为本发明的纺丝液分配板与喷丝头排列示意图；
其中:I立卧一体 式支架，2支撑平台，3接收装置固定板，4可拆卸式浴液盘，5烘干装置，6卷绕成型滚筒，7横向摆动装置，8横向移动装置，9连接杆，10纺丝液分配板，10-1喷丝头安装口，10-2输送管，10-3铜板，11平移滑道，12纺丝间距调节滑道，13可拆卸式接收滚筒。
【具体实施方式】
[0019]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。
[0020]实施例1:静电纺PA6/SWNTs纳米纤维纱 纺丝溶液与接收浴液的配制:
称取一定量的碳纳米管，加入到质量分数为88%~98%甲酸中，用超声波处理3(T90 min后将一定量的PA6颗粒加入到上述SWNTs/甲酸分散液中，配制成聚酰胺6 (PA6)的质量分数为15~30%的混合液，经磁力搅拌至PA6颗粒完全溶解，再将所得溶液继续用超声波处理3(Tl20 min，获得碳纳米管均匀分散且稳定的PA6/CNTs纺丝溶液。
[0021]称一定量的平平加O匀染剂加入去离子水中并在磁力搅拌器上充分搅拌，配成5wt%。的接收浴液，以减小浴液的表面张力。
[0022]参照图1所示，一种新型多功能纳米纤维静电纺丝机，包括高压发生装置，纺丝装置,立卧一体式支架I (该立卧一体式支架I的高度调节范围O~100cm),设于立卧一体式支架I上并用于放置纺丝装置的支撑平台2，可拆卸式浴液盘4，以及设于立卧一体式支架I底部并位于支撑平台2正下方的接收装置固定板3，可拆卸式浴液盘4固定于接收装置固定板3上，在接收装置固定板3 —侧依次设有烘干装置5 (该烘干装置5的温度范围在常温~200°C，加温区长度及深度均可根据实际需要进行调节，调节范围分别为5-15cm和
0.5-2cm)和卷绕成型滚筒6，且可拆卸式浴液盘4、烘干装置5以及卷绕成型滚筒6位于同一条水平直线上，同时卷绕成型滚筒6连接有一横向摆动装置7。
[0023]参照图1、5所示，在支撑平台2上还设有横向移动装置8，横向移动装置8通过连接杆9与以喷丝头朝下方向放置的纺丝液分配板10连接，该纺丝液分配板10上设有多排等间距喷丝头安装口 10-1，并通过输送管10-2与储液针筒连接；在支撑平台2上设有供连接杆9做横向运动的平移滑道11，同时立卧一体式支架I上设有纺丝间距调节滑道12，该支撑平台2活动安装于纺丝间距调节滑道12上。
[0024]在纺纳米纤维纱时:首先将纺丝溶液密闭储存在所述储液针筒内，通过输送管10-2从背面输入所述纺丝液分配板10内(该输送管10-2为聚四氟乙烯管)，通过流量泵控制不同纺丝参数要求的流量，纺丝液分配板10负责将纺丝溶液均匀地分配到各纺丝管中，将高压供电装置的正极与所述纺丝液分配板10内的铜板10-3相连，其负极埋在可拆卸式浴液盘4的中央底部，在喷丝头与可拆卸式浴液盘4之间即形成一定电场强度的高压电场，在烘干温度、摆动频率和滚筒转速控制系统界面上设定烘干温度140°C，摆动频率为每分钟往复10次，卷绕成型滚筒6转速为50?300r/min，喷丝头的尖端到浴液表面的垂直距离为8cm，喷丝头内径为0.85mm,纺丝液流量为2ml/h，然后打开高压直流静电发生器并调节纺丝电压至20KV，然后从浴液表面拉出纳米纤维纱，经烘干装置高温烘干纱线表面残留的液体，再经卷绕成型滚筒6后即可制备得到PA6/SWNTs纳米纤维纱，图3为该PA6/SWNTs纳米纤维纱的电镜图。
[0025]本发明的纺丝液分配板10上的每个喷丝头安装口 10-1均可根据实际需要安装上常规医用针头，作为纺丝时的喷丝头，针头直径可根据需要选配。
[0026]本实施例中采用的高压供电装置至少包括从正负极引出的高压输出导线，而该高压供电装置也可以是本发明中高压发生装置的一部分。
[0027]实施例2:静电纺PA6/SWNTs纳米纤维膜 该实施例的纺丝溶液配制方法同实施例1。
[0028]参照图2所示，将可拆卸式浴液盘4、烘干装置、卷绕成型滚筒6及横向摆动装置7移开，直接将可拆卸式接收滚筒13固定在所述接收装置固定板3上，此处可拆卸式接收滚筒13直接采用实施例1中的卷绕成型滚筒6，然后在可拆卸式接收滚筒13表面设置金属接收网作为接收纤维用导电膜，并通过电极引出触头连接高压直流静电发生器的负极，金属接收网的目数根据纺丝液的种类确定，上述结构变动后，在烘干温度、摆动频率和滚筒转速控制系统界面上关闭烘干功能，摆动频率为每分钟往复10次，可拆卸式接收滚筒13转速10?50r/min，在喷丝头的尖端到可拆卸式接收滚筒13表面的垂直距离为15cm，喷丝头为内径0.85mm,纺丝液流量2ml/h的条件下，打开高压直流静电发生器调整纺丝电压至20KV，在可拆卸式接收滚筒13表面即可得到PA6/SWNTs纳米纤维膜，图4为该PA6/SWNTs纳米纤维膜的电镜图。
[0029]当然上述实施例只是为说明本发明的技术构思及特点所作的例举而非穷举，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种新型多功能纳米纤维静电纺丝机，包括高压发生装置，纺丝装置，支架本体以及设于所述支架本体上并用于放置所述纺丝装置的支撑平台，其特征在于，还包括可拆卸式接收装置组，以及设于所述支架本体底部并位于所述支撑平台正下方的接收装置固定板，所述可拆卸式接收装置组包括可拆卸式浴液盘和可拆卸式接收滚筒，且所述可拆卸式浴液盘和所述可拆卸式接收滚筒以择一方式固定于所述接收装置固定板上。
2.根据权利要求1所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，在纺纳米纤维纱时，所述可拆卸式浴液盘固定于所述接收装置固定板上，在所述接收装置固定板一侧依次设有烘干装置和卷绕成型滚筒，且所述可拆卸式浴液盘、所述烘干装置以及所述卷绕成型滚筒位于同一条水平直线上，同时所述卷绕成型滚筒连接有一横向摆动装置，其摆动频率为每分钟往复O?30次。
3.根据权利要求1所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，所述纺丝装置包括用于控制纺丝液流量的流量泵，与所述流量泵连接的储液针筒，设有多排等间距喷丝头安装口的纺丝液分配板，以及安装于所述喷丝头安装口的喷丝头，所述储液针筒通过输送管与所述纺丝液分配板连接。
4.根据权利要求3所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，还包括设于所述支撑平台上的横向移动装置，所述横向移动装置通过连接杆与以喷丝头朝下方向放置的纺丝液分配板连接，且所述支撑平台上设有供所述连接杆做横向运动的平移滑道。
5.根据权利要求3所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，所述高压发生装置为高压直流静电发生器，且其正极与所述纺丝液分配板内的铜板相连，同时在纺纳米纤维纱时，其负极连接在所述可拆卸式浴液盘底部；在纺纳米纤维膜或管状材料时，其负极与所述可拆卸式接收滚筒上的接收纤维用导电膜相连。
6.根据权利要求1所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，所述支架本体上设有纺丝间距调节滑道，所述支撑平台活动安装于所述纺丝间距调节滑道上。
7.根据权利要求1所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，所述可拆卸式浴液盘的直径为5?30cm ； 所述可拆卸式接收滚筒的卷绕线速度为O?100m/min。
8.根据权利要求1至7任一项所述的新型多功能纳米纤维静电纺丝机，其特征在于，所述支架本体为立卧一体式支架。
【文档编号】D01D4/02GK103952777SQ201410124491
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】潘志娟, 李 杰, 田龙, 刘洋 申请人:苏州大学