连续静电纺丝装置的制作方法

本发明涉及一种纺丝设备，尤其是涉及一种使用在制备纳米纤维的静电纺丝设备及其方法。

背景技术：

纳米纤维及其复合材料由于其高比表面积、高孔隙率及微孔径等优点，在组织工程、生物科技、纺织工程、能源、医疗与卫生健康等众多领域都有十分广阔的应用前景，而受到科学界越来越多的关注。目前制备纳米纤维的技术主要包括共轭纺丝法、牵伸法、模板聚合法、自组装法、熔喷法、静电纺丝法等。其中，能达到工业级生产的是熔喷法与静电纺丝法。

相对于熔喷法，静电纺丝法具有原料适用性广、成本低、设备简单等优点，同时，静电纺丝法所得的纳米纤维直径更小且分布更均一，被学术界和工业界广泛认为是一种极具前景的制备纳米纤维的简单高效方法。影响工业化静电纺丝生产效率及纤维直径分布的关键因素之一是设备的导电电极。静电纺设备的导电电极主要分为三类：针头型，金属滚筒型与金属丝型。由于针头型导电电极的生产效率最低且有堵塞的可能性，因而在工业化生产中不被看好；滚筒型导电电极有着最高的生产效率，但由于其纺丝液在纺丝过程中为自由表面且分布不均，因而纤维直径分布较广，仍需进一步改进；金属丝型导电电极是目前的最新形式，有着工业级的生产效率、且纤维直径分布较为均一，但其导电电极安装结构复杂、设备昂贵、生产及维护成本高。因而，结构简单的、且能保证纤维直径分布均一的导电电极仍然是工业化推广静电纺纳米纤维的研究重点。

目前现有的滚筒型静电纺丝设备的正电极为一个有着光滑表面的金属圆柱体，其存在的缺陷是：在静电纺丝过程中，受不同材料、不同浓度、及不同粘度的纺丝液的影响，附着在光滑圆柱体的纺丝液厚度具有随机性且不均匀性；同时，由于流体本身具有流动性，在重力与离心力的影响下产生随机流动，从而导致纺丝液表面进一步的不均匀，因而使纺丝环境不稳定，影响纺出的纳米纤维的直径，尤其是当圆柱体电极在快速转动时，纺出的纳米纤维的直径分布范围较广，从而影响纳米纤维膜的品质及性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种新型的连续静电纺丝装置，采用该装置可以有效的解决纳米纤维产量与纤维直径分布不够均一这对矛盾的技术问题，同时使纺丝设备结构简单、生产维护费用低，使该装置更适合规模化工业生产。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种连续静电纺丝装置，其特征在于：包括带输液口的储液槽、表面包覆网状物的滚筒、电机、收集板以及高压电源；滚筒被置于储液槽内；

在滚筒的前后两端分别固定连接金属棒Ⅰ和金属棒Ⅱ，滚筒、金属棒Ⅰ和金属棒Ⅱ的轴心线相重合；所述金属棒Ⅰ和金属棒Ⅱ均与储液槽转动相连；

在滚筒的左后两侧分别设置挡液板Ⅰ和挡液板Ⅱ，挡液板Ⅰ和挡液板Ⅱ与储液槽固定相连，挡液板Ⅰ和挡液板Ⅱ均正对于网状物；即，网状物落入挡液板Ⅰ和挡液板Ⅱ的长度范围内；

金属棒Ⅰ与电机相连，在金属棒Ⅱ上设置环形柔性电刷；高压电源的正极与环形柔性电刷相连、负极与收集板相连。

作为本发明的连续静电纺丝装置的改进：收集板位于网状物的正上方。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：收集板与网状物的最短距离为8cm～40cm。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：网状物的厚度为0.5mm～20mm。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：网状物的网格形状为正方形、菱形、长方形、圆形或椭圆形。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：

当网格形状为正方形或菱形时，其边长为1～50mm；

当网格形状为长方形时，其长边的长度为1～50mm；

当网格形状为圆形时，其直径为1～50mm；

当网格形状为椭圆形时，其长轴的长度为1～50mm。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：挡液板Ⅰ和挡液板Ⅱ均平行于滚筒，且挡液板Ⅰ与网状物之间的距离＝挡液板Ⅱ与网状物之间的距离，该距离为0.2mm～15mm。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：当网状物由导电材料制成时，滚筒由绝缘材料制成；或者，当网状物由绝缘材料制成时，滚筒由导电材料制成；

挡液板Ⅰ和挡液板Ⅱ均由绝缘材料制成；

储液槽由绝缘材料制成。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：在网状物的两端分别设置紧固壳体Ⅰ和紧固壳体Ⅱ，依靠紧固壳体Ⅰ和紧固壳体Ⅱ，网状物与滚筒固定相连；

所述金属棒Ⅰ和金属棒Ⅱ均与滚筒固定相连，或者，金属棒Ⅰ与紧固壳体Ⅰ固定相连、金属棒Ⅱ与紧固壳体Ⅱ固定相连。

作为本发明的连续静电纺丝装置的进一步改进：紧固壳体Ⅰ和紧固壳体Ⅱ均由导电材料制成。

在本发明中，网状物的长度占滚筒长度的70％～90％，滚筒与储液槽之间的间距为15～20mm。高压电源是指≥20kv的电源。

本发明针对现有滚筒型静电纺丝设备存在的不足，在其基础上改进了圆柱体电极结构形式，在圆柱体(即，滚筒)表面包覆一层网状物，以及增加了一对对称设置的挡液板。这层网状物不仅可以限制纺丝液的自由流动，同时将纺丝液附着在微小直径的网丝上或细小的网格内，易于被电场力激发而牵拉成丝，有着高效的、工业化的纳米纤维生产能力。此外，挡液板可以有效的控制纺丝液的厚度，且使纺丝液表面均匀、厚度一致。利用网状物与挡液板，可以使纺丝液均匀的分布在微小直径的网丝上或细小的网格内，使被高压电场激发的纺丝液的质量均匀一致，从而使被纺出的纳米纤维直径均匀一致，改善纳米纤维膜的品质与性能。

本发明实际使用时，输液口与蠕动泵或控制装置相连，在蠕动泵或控制装置的控制下，纺丝液通过输液口进入储液槽内。

本发明具有如下技术优势：

1、结构简单、生产及维护方便、且能连续高效的生产纳米纤维，易于工业规模化推广。

2、通过丝网和挡液板来控制纺丝液的自由流动，使纺丝液分布均匀，从而提高纤维直径分布的均一性，改善了纳米纤维及其复合材料的品质。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的连续静电纺丝装置的结构示意图；

图2为图1中带输液口2的储液槽1的结构示意图；

图3为图1中挡液板Ⅱ62的结构示意图；

图4为图1中网状物8的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1、一种连续静电纺丝装置，包括带输液口2的储液槽1、滚筒9、电机4、收集板10以及高压电源11等。

滚筒9的表面包覆网状物8，网状物8例如为丝网等，网状物8的长度占滚筒9长度的70％～90％；在网状物8的两端分别设置紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52，依靠紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52，网状物8被固定包覆于滚筒9的表面。

滚筒9被置于储液槽1内；在滚筒9的两端分别设置金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32，滚筒9、金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32的轴心线相重合；金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32均与储液槽1转动相连。金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32可直接与滚筒9固定相连；也可以金属棒Ⅰ31与紧固壳体Ⅰ51固定相连、金属棒Ⅱ32与紧固壳体Ⅱ52固定相连，从而间接实现金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32与滚筒9的固定相连。

在滚筒9的左后两侧分别设置长度相等的挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62，挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62与储液槽1固定相连，挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62均正对于网状物8；即，就长度方向(滚筒9的轴心线)而言，网状物8落入挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62的长度范围内。挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62均平行于滚筒9，且挡液板Ⅰ61与网状物8之间的距离＝挡液板Ⅱ62与网状物8之间的距离，该距离为0.2mm～15mm。

金属棒Ⅰ31与电机4相连，在金属棒Ⅱ32上设置环形柔性电刷7；高压电源11的正极与环形柔性电刷7相连、负极与收集板10相连。

收集板10位于网状物8的正上方；收集板10与网状物8的最短距离为8cm～40cm，网状物8的厚度为0.5mm～20mm；网状物8的网格形状为正方形、菱形、长方形、圆形或椭圆形。当网格形状为正方形或菱形时，其边长为1～50mm；当网格形状为长方形时，其长边的长度为1～50mm；当网格形状为圆形时，其直径为1～50mm；当网格形状为椭圆形时，其长轴的长度为1～50mm。

当金属棒Ⅰ31与紧固壳体Ⅰ51固定相连、金属棒Ⅱ32与紧固壳体Ⅱ52固定相连时，紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52均由导电材料制成，挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62均由绝缘材料制成，储液槽1由绝缘材料制成；网状物8和滚筒9可选择以下任意一种：当网状物8由导电材料制成时，滚筒9由绝缘材料制成；或者，当网状物8由绝缘材料制成时，滚筒9由导电材料制成。

当金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32直接与滚筒9固定相连时，金属棒Ⅰ31和金属棒Ⅱ32与紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52相接触，挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62均由绝缘材料制成，储液槽1由绝缘材料制成；网状物8、滚筒9、紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52可选择以下任意一种：当网状物8由导电材料制成时，滚筒9由绝缘材料制成，紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52均由导电材料制成；或者，当网状物8由绝缘材料制成时，滚筒9由导电材料制成，则紧固壳体Ⅰ51和紧固壳体Ⅱ52可由绝缘材料制成。

本发明实际使用时，输液口2与蠕动泵或控制装置相连，具体如下：

1、在蠕动泵或控制装置的控制下，纺丝液通过输液口2进入储液槽1内。纺丝液的输送速率可以通过纳米纤维的产率来计算控制；

2、打开电机4的开关，从而带动滚筒9做旋转运动，纺丝液会随着滚筒9的旋转而涂覆在滚筒9及网状物8(即，丝网)的整个表面，纺丝液的涂覆量由网状物8的厚度以及挡液板Ⅰ61(挡液板Ⅱ62)与网状物8之间的距离来控制。

静电纺丝过程中，随着滚筒9的转动，储液槽1内的纺丝液会附着在网状物8的网丝上以及网格内，限制纺丝液的自由流动；附着有纺丝液的滚筒9转动时，挡液板(即，挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62)可以将不均匀的纺丝液阻挡住，使纺丝液表面均匀、厚度一致，并使多余的纺丝液回流到储液槽1内；此外，可以通过调节挡液板与网状物8表面间的距离来控制纺丝液的厚度。因此，利用网状物8与挡液板，可以使纺丝液均匀的分布在微小直径的网丝上或细小的网格内，使被高压电场激发的纺丝液的质量均匀一致，从而使被纺出的纳米纤维直径均匀一致，改善纳米纤维膜的品质与性能。

3、打开高压电源11的开关，利用环形柔性电刷7、金属棒32及网状物8或滚筒9的电传导(备注说明：当网状物8为导电材料时，由网状物8传导；反之，当滚筒9为导电材料时，由滚筒9传导)；从而使纺丝液带电，在纺丝液与收集板10之间形成高压电场，通过高压电场的拉伸作用，网状物8上的纺丝液被拉伸形成纳米纤维；最终在收集板10收集。

实验一、实施例1中的连续静电纺丝装置中的零部件的尺寸具体如下：

滚筒9的直径为50mm，长度为250mm；滚筒9与储液槽1内壁之间的距离为15mm；

网状物8的厚度为1mm，长度为200mm，网格形状为正方形，该正方形的边长为3mm，

挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62的长度为230mm；挡液板Ⅰ61(挡液板Ⅱ62)与网状物8之间的距离为0.2mm；

收集板10与网状物8的最短距离为15cm。

纺丝液的配方为8％PVDF(聚偏氟乙烯)溶于DMF(二甲基甲酰胺)中。

纺丝液的输送速率为100ml/min，电机4的转速为150rpm，高压电源11提供的正极电压为30kv，负极电压为-10kv。

最终所得的纳米纤维的产量为500g/h，纤维直径为60nm～100nm。

对比实验1、将实验一中的本发明连续静电纺丝装置改成背景技术中告知的现有滚筒型，即，同时取消实验一中的挡液板Ⅰ61、挡液板Ⅱ62、网状物8这些零部件的设置，其余等同于实验一。

最终所得的纳米纤维的产量为450g/h，纤维直径为50nm～140nm。

对比实验2、取消实验一中的挡液板Ⅰ61和挡液板Ⅱ62这两个零部件的设置，其余等同于实验一。

最终所得的纳米纤维的产量为470g/h，纤维直径为45nm～120nm。

对比实验3-1、将实验一中的收集板10与网状物8的最短距离由15cm改成5cm，其余等同于实验一。

最终所得的纳米纤维的产量为600g/h，纤维直径为80nm～180nm。同时，由于收集板10与网状物8之间的距离太小，溶剂挥发不够充分，出现珠状纤维。另一方面，电极间距离太小，有被击穿的危险性。

对比实验3-2、将实验一中的收集板10与网状物8的最短距离由15cm改成50cm，其余等同于实验一。最终所得的纳米纤维的产量为0。由于收集板10与网状物8之间的距离太大，电场力强度不够，无法激发纺丝液，从而无法纺出纤维。虽然可以通过增加正负极间的电压差来提高电场强度，但太高的电压差会增加高压电源对安全性的保障，从而增加静电纺丝的危险性。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。