往复给液式无喷嘴静电纺丝装置及其制纳米纤维膜的方法与流程

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置，本发明还涉及利用上述装置制备纳米纤维膜的方法。

背景技术：

纳米纤维由于比表面积大，导致其表面能和表面活性增大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，在光学、电学、磁学以及热学等方面表现出优异的性质，在物理、化学、电子和材料等领域得到广泛关注。目前，在多种制备纳米纤维的方法中，静电纺丝法以操作简单、适用范围广等优点而被广泛使用。

目前传统静电纺丝技术最大的缺点是采用单根针头作为喷丝头，一般一根针头只能产生一束射流，喷射效率很低，无法满足多种应用要求，因此如何实现批量化制造纳米纤维是静电纺丝技术获得工业应用的关键。到目前为止，提高纳米纤维产量的技术主要包括多喷嘴静电纺丝技术、无喷嘴静电纺丝技术、气流辅助多喷嘴静电纺丝技术和离心静电纺丝技术等。

其中，多喷嘴静电纺丝技术和无喷嘴静电纺丝技术是实现纳米纤维批量化生产的主要途径，因此关于这方面的研究较多。但是对于多喷嘴静电纺丝装置，各针尖尖端电场相互影响，纤网均匀性难以保证，且喷头容易堵塞，使生产无法连续进行。所以我们更多的关注无针头多射流静电纺，其能明显地改善有针静电纺中针头易阻塞的缺点，且能够更大限度地提高静电纺纤维的产量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置，解决了现有多喷嘴静电纺丝过程中喷丝头易堵塞的问题。

本发明的另一目的是提供利用上述一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置制备纳米纤维膜的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置，包括空心槽筒和设置于空心槽筒腔体内的气囊，气囊开口与空心槽筒一端连接，空心槽筒与气囊开口连接的一端设置有电子气泵，空心槽筒另一端与储液槽连接，且与储液槽相通；储液槽相对的两个侧壁上均设置有导丝块，导丝块之间设置有不锈钢丝，不锈钢丝一端与直流高压发生器正极连接，储液槽上方设置有收集帘，收集帘接地。

本发明的特点还在于，

导丝块高于储液槽与槽筒的连接处，导丝块所在的其中一个侧壁与空心槽筒连接。

导丝块中空，导丝块上设置有孔眼，不锈钢丝经孔眼相互平行排布。

本发明所采用的另一技术方案是，一种制备纳米纤维膜的方法，所采用的一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置，包括空心槽筒和设置于空心槽筒腔体内的气囊，气囊开口与空心槽筒一端连接，空心槽筒与气囊开口连接的一端设置有电子气泵，空心槽筒另一端与储液槽连接，且与储液槽相通；储液槽相对的两个侧壁上均设置有导丝块，导丝块之间设置有不锈钢丝，不锈钢丝一端与直流高压发生器正极连接，储液槽上方设置有收集帘，收集帘接地；

导丝块高于储液槽与槽筒的连接处，导丝块所在的其中一个侧壁与空心槽筒连接；

导丝块中空，导丝块上设置有孔眼，不锈钢丝经孔眼相互平行排布；

具体按照以下步骤实施：

将纺丝液注入储液槽中，控制环境温度和湿度，调节不锈钢丝与收集帘的距离，开启电子气泵，调节输送气体的总量和速度，开启直流高压发生器，调节外加电压，在电场力的作用下，不锈钢丝上涂覆的纺丝液产生射流，射流固化形成纳米纤维沉积在收集帘上，经过一定时间的纺丝后即得到纳米纤维膜。

本发明的特点还在于，

环境温度为室温，相对湿度范围为40％～60％。

不锈钢丝与收集帘的垂直距离为100mm～300mm。

外加电压为10kV～30kV。

电子气泵开启前，储液槽中纺丝液与不锈钢丝处于一种绝对接近但未相互接触的状态。

电子气泵输送气体的总量和速度，以使气囊产生稳定的体积变化，并且在气囊体积最大时纺丝液与不锈钢丝充分接触为准。

本发明的有益效果是，

1.本发明装置结构简单，操作便利，采用无喷嘴静电纺丝装置可有效提高纳米纤维膜的产量；

2.本发明使用不锈钢丝作为载体，并在纺丝过程中保持固定不动的状态，控制条件要求较低，可有效提高纳米纤维的细度均匀性；

3.本发明采用电子气泵以一定速率周期性充气抽气来控制气泵的充满状态，持续调节液面高度，使纺丝可持续不间断进行。

附图说明

图1是本发明一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置的结构示意图。

图中，1.气囊，2.空心槽筒，3.电子气泵，4.储液槽，5.不锈钢丝，6.导丝块，7.直流高压发生器，8.收集帘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种往复给液式无喷嘴静电纺丝装置其结构如图1所示，包括空心槽筒2和设置于空心槽筒2腔体内的气囊1，气囊1开口与空心槽筒2一端连接，空心槽筒2与气囊1开口连接的一端设置有电子气泵3，空心槽筒2另一端与储液槽4连接，且与储液槽4相通；储液槽4相对的两个侧壁上均设置有导丝块6，导丝块6之间设置有不锈钢丝5，不锈钢丝5一端与直流高压发生器7正极连接，储液槽4上方设置有收集帘8，收集帘8接地。

其中导丝块6所在的其中一个侧壁与空心槽筒2连接，导丝块6高于储液槽4与槽筒2的连接处。

导丝块6中空，导丝块6上设置有孔眼，不锈钢丝5经孔眼相互平行排布。

采用上述往复给液式无喷嘴静电纺丝装置制备纳米纤维膜，具体按照以下步骤实施：

将纺丝液注入储液槽4中，控制环境温度为室温，相对湿度范围为40％～60％，调节不锈钢丝5与收集帘8的距离为100mm～300mm，开启电子气泵3，调节输送气体的总量和速度，使得气囊1产生稳定的体积变化，并且保证在气囊1体积最大时纺丝液与不锈钢丝5充分接触；然后开启直流高压发生器7，调节外加电压为10kV～30kV，在电场力的作用下，不锈钢丝5上涂覆的纺丝液产生射流，射流固化后形成的纳米纤维沉积在收集帘8上，经过一定时间的纺丝后即得到纳米纤维膜。

纺丝过程中，不锈钢丝5与纺丝液液面平行。电子气泵3开启前，储液槽4中纺丝液与不锈钢丝5处于一种绝对接近但未相互接触的状态；由于储液槽4、空心槽筒2和电子气泵3之间紧密连接，同时气囊1内部与电子气泵3构成一个封闭的空间，电子气泵3启动之后，开始对气囊1充气，使气囊1内气体增多，体积变大，使槽筒2内纺丝液逐渐向储液槽4中移动，从而导致储液槽4中纺丝液面升高，使纺丝液面与不锈钢丝5接触，接触之后调节电子气泵3抽出一定量气体，气囊1体积变小，部分纺丝液再次返回槽筒2中，同时使纺丝液面与不锈钢丝5分离。在不锈钢丝5与液面分离后，不锈钢丝5的的表面会包覆一层较薄的溶液，进而在电场力的作用下使得溶液层形成凸起，最后产生纳米纤维。如此通过调节电子气泵3来控制气囊1的充满状态，使纺丝液以一定速率升降，从而与不锈钢丝5不断接触、分离，实现纳米纤维膜的制备。

本发明使用不锈钢丝作为载体，并在纺丝过程中保持固定不动的状态，控制条件要求较低，可有效提高纳米纤维的细度均匀性；本发明采用电子气泵以一定速率周期性充气抽气来控制气泵的充满状态，持续调节液面高度，使纺丝可持续不间断进行。由于采用无喷头静电纺丝装置进行纺丝，有效提高了纳米纤维膜的产量。

实施例1

将聚丙烯腈(PAN)溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，配置成浓度为12wt％的纺丝溶液。在室温和相对湿度为40％的环境下，将纺丝液注入到储液槽4中，不锈钢丝5与收集帘8的垂直距离为100mm，开启直流高压发生器7，逐渐增加电压，直到静电纺射流刚好形成，此时电压为10kV，纳米纤维沉积在收集帘8上，纺丝时间为1小时，得到了厚度均匀的纳米纤维膜。实验结果表明，利用此设备纺丝，纳米纤维的单位时间产量相比于单针头静电纺丝提高了70倍，同时有效改善了纤维的细度均匀性。

实施例2

将聚乙烯醇(PVA)1788型粉末溶解于70℃蒸馏水中，配成浓度为12wt％的纺丝液；在室温和相对湿度为60％的环境下，将纺丝液注入到储液槽4中，不锈钢丝5与收集帘8的垂直距离为300mm，开启直流高压发生器7，逐渐增加电压，直到静电纺射流刚好形成，此时电压为30kV，纳米纤维沉积在收集帘8上，纺丝时间为1小时，得到了厚度均匀的纳米纤维膜。实验结果表明，利用此设备纺丝，纳米纤维的单位时间产量相比于单针头静电纺丝提高了100倍，同时有效改善了纤维的细度均匀性。

实施例3

将聚氧化乙烯(PEO)溶解在60℃蒸馏水中，配置成浓度为15wt％的纺丝液。在室温和相对湿度为50％的环境下，将纺丝液注入到储液槽4中，不锈钢丝5与收集帘8的垂直距离为200mm，开启直流高压发生器7，逐渐增加电压，直到静电纺射流刚好形成，此时电压为20kV，纳米纤维沉积在收集帘8上，纺丝时间为1小时，得到了厚度均匀的纳米纤维膜。实验结果表明，利用此设备纺丝，纳米纤维的单位时间产量相比于单针头静电纺丝提高了80倍，同时有效改善了纤维的细度均匀性。