专利名称：高分子溶液静电纺丝制备纳米纤维膜方法和其实施设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从高分子溶液制备纳米纤维膜方法和实施该方法的设备。 本发明涉及的制备纳米纤维膜的方法为静电纺丝法，涉及实施该方法的设备为 静电纺丝制膜装置。
背景技术：
由纳米纤维形成的膜是一种新品质的材料，具有许多有价值的性质。这类 膜最典型的应用领域是作为电池的隔膜、过滤膜、复合材料、药物载体等。采用静电纺丝制备高分子纳米纤维膜，在专利W0127365; W0250346; US2002175449; US2002084178中都有描述。在这些技术方案中，纺丝喷头为直 径0. 5mm左右的圆柱形毛细管。每个毛细管一小时加工高分子量大约o. 1克左 右，达到工业化生产需要许多毛细管组成多喷头组。但是，仍然存在许多缺点， 例如加工高分子量仍受限制；毛细管多喷头制造困难；使用后清洗不便等。在专利申请号为200480056915中，描述了一种非喷头静电纺丝装置。这个 技术方案主要的特点是一种带电电极装在驱轴上，其底部浸在高分子溶液中。 当带有高分子溶液的带电电极表面进入电场时，形成无数泰勒锥体进行静电纺 丝。该技术存在几个主要缺点电纺液的粘度范围受限，300厘泊以上溶液电纺 困难；为了便于电纺，加入电解质调节电纺液的电导率，从而改变了电纺产品 的性质；电纺液储槽的非封闭性，对电纺液是易挥发的溶剂体系不利。 本发明为了克服上述缺点，提出一种双层结构圆柱喷头静电纺丝制膜方法和装 置，可以应用于工业上高能力制备纳米纤维膜。发明的内容发明目的是通过本发明达到在工业上高能力生产纳米纤维膜。其基本原理 是双层结构圆柱喷头，内外两层处在相同电位下，当高分子溶液通过喷头的夹 层时，溶液被极化，形成多个泰勒锥体进行纺丝，并在对电极表面形成纳米纤 维膜。此方法可以提高每一个喷头的单位时间纺丝生产量，大约为单层喷头的 三倍以上，有利于工业化生产。依据本发明生产纳米纤维膜的方法，提出一种实施该方法的装置，称之为 静电纺丝制膜装置。该装置包括直流高压电源、供液设备、由双层结构圆筒喷 头组成的喷头组、接丝设备、收巻设备、恒温设备、溶剂回收设备和静电整理设备。直流高压电源为一正负可调、最大电流3raA、电压范围0 ±30000伏可 调的设备。供液设备为一储液槽，处在喷头组的上方。连接一个自动输液泵使 储液槽中的液面保持恒定，采用液面差为喷头提供电纺液。接丝设备和收巻设 备由两个500mm长的圆筒组成，收巻设备又称收巻圆筒，与可调速的电机相连。 接丝设备又称接丝圆筒，直径为200mm，与地端相连，具有镜面光洁的表面。恒 温设备由红外加热器与温控器组成，温度控制在0 100。C范围。溶剂回收设备 主要由两个溶剂吸收器和冷凝器组成。双层结构圆筒喷头组的每个喷头由一个 外层圆筒和一个内层小圆筒组成，内层小圆筒一端大约有1/3是实心圆锥体。 空心部分在靠近实心处筒壁有两个对称小孔与外层圆筒相通，其顶端与外层圆 筒顶端紧密相连，可以任意拆卸。并一同与喷头储液槽相连，纺丝液从这端进 入，由另一端喷出。在电纺液的喷头出口处，内筒约比外筒长。内圆筒和外圆 筒为两个同心圆，其间距离为0.3 0.8mm。在接丝圆筒两侧水平方向设有两组 喷头组，并于直流高压电源高压端相连。每组喷头数根据喷头喷液量和系统运 转速度而定。两组的喷头间相对位置相错排列，以消除静电纺时电场的干扰，保证生产得到均匀的膜。在接丝圆筒与收巻圆筒之间由牵引膜连接，可以是金 属材料，也可以是高分子材料。用于制备锂电池隔膜时，也可以直接采用电极 膜作牵引膜，制成电极隔膜的复合膜。
附图中示意地显示了本发明设备的横截面。图中标1为储液槽。2为接丝圆 筒。3为导向辊。4为收巻圆筒。5为喷头组。6为一静电整理设备。7为牵引膜。 8为双层结构圆筒喷头剖面图。9为直流高压电源。IO为直流高压电源高压端连 接点。
具体实施方式
采用本发明的静电纺丝制膜装置，以适当的高分子溶液制备纳米纤维膜。 其过程是高分子溶液也称电纺液从储液槽1流向喷头组5，再由喷头流出。当喷 头与接丝圆筒之间形成高电场时，电纺液在喷头顶端形成泰勒锥体。由于电场 的作用，液流分裂成若干细流，流向接丝圆筒。同时溶剂挥发高分子固化成纤 维，在接丝圆筒上成膜。制膜之前，在接丝圆筒和收巻圆筒之间由牵引膜连接， 随后纤引膜将制备的纳米纤维膜从接丝圆筒上拨离，连续收巻在收巻圆筒上。实例1.以聚偏氟乙烯(PVDF)为电纺材料，分子量Mw=800， 000，以二甲基 甲酰胺(DMF)为溶剂，丙酮为调节剂。以DMF:丙酮=8: 2(V/V)的混和溶剂，配 制PVDF含量为8W的电纺液，其粘度为300厘泊。采用本发明的静电纺丝制膜装 置，进行制备纳米纤维膜。将电纺液用自动输液泵输送至储液槽l，随之流入喷 头组5的储液槽。然后电纺液经过双层结构圆筒喷头的内层小圆筒，到达外层 圆筒从顶端流出。直流高压电源的高压端与喷头组5相连，另一端接地，同时 接丝圆筒也与地端相连。调节高压输出在20000 30000伏，喷头与接丝圆筒间 距为180mm，电纺温度30 45T。从顶端流出的电纺液，在电场作用下分裂成若干细液柱。溶剂挥发高分子凝固形成直径在40 2000nm的纤维，在接丝圆筒上 形成非织造布，称为纳米纤维膜。调节PVDF的浓度和收巻圆筒的转速，可以得 到10 50Mm不同厚度的纳米纤维膜。改变DMF与丙酮的比例和电纺温度，可以 得到40 80%不同孔隙率的纳米纤维膜。实例2.以聚丙烯氰(PNA)为电纺材料，分子量Mw二65， 000，以二甲基甲酰 胺(DMF)为溶剂。配制PNA含量10%的溶液，其粘度为280厘泊。采用本发明的 静电纺丝制膜装置，进行制备纳米纤维膜。控制电纺电压23000伏，温度30。C， 喷头与接丝圆筒间距为180mra。得到厚度为25拜的纳米纤维膜，孔隙率为75%。工业实用性本发明的方法和设备适合于生产各种类型的纳米纤维膜。不同种类膜有不 同的应用前景。可用于锂电池隔膜；燃料电池隔膜；水处理膜；防腐护用品等。
权利要求
1. 一种制备纳米纤维膜的方法，该方法为静电纺丝制膜方法，其设备为一种静电纺丝制模装置，其特征在于喷头为多个双层结构圆筒喷头组合。
全文摘要
本发明涉及一种从高分子溶液制备纳米纤维膜的方法和实施该方法的设备。本发明涉及的制备纳米纤维膜的方法为静电纺丝法，涉及的实施该方法的设备为静电纺丝制膜装置。该装置的组成特征是具有由双层结构圆筒喷头组成的喷头组。每个喷头由一个外层圆筒和一个内层小圆筒组成，电纺液经过内层到外层在夹层进行静电纺丝制膜。此方法可以提高每一个喷头的单位时间纺丝量，大约为单层喷头的三倍以上，有利于工业化生产。采用本发明的静电纺丝制膜装置，以适当的高分子溶液制备纳米纤维膜，可形成连续化生产。生产各种类型的纳米纤维膜。
文档编号D01D5/00GK101220524SQ20071000053
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者冉 刘 申请人:冉 刘