专利名称：一种制备纳米纤维的量产装置的制作方法
技术领域：
本发明描述了一种纳米纤维量产装置，该装置基于离心力和电场力的共同作用，
通过调节多孔筒式旋转喷头的转速和喷射速度，可大量制备不同厚度的纳米纤维膜，实现 纳米纤维量产化。
背景技术：
静电纺丝是一项借助高压电场作用，对聚合物溶液进行拉伸，制备比表面积大、孔
隙率高、长径比大、表面能高、活性高的纳米纤维的技术。相比于其它的纳米纤维的制备方
法，该方法具有更加方便、简单、灵活等优点，而且还可以将大量治疗型药物、抑菌物质、功
能基团甚至是活细胞等复合到纤维材料之中，因此在生物医药、生物传感、纳米电子、光电
子器件、催化等领域具有极高的应用价值，已成为纳米研究领域的热点之一。 常规的静电纺丝装置是将非牛顿流体输送至高压电正极处的单喷头口，由高压电
场作用形成纳微米纤维，并在与高压电负极相连金属板上富集沉积，得到纤维薄膜材料。该
装置采用的是单一喷头，采用金属平板作为收集装置，因此生产得到的纤维材料是无序的，
纤维薄膜的厚度不一，且产率极低，从而限制了纳米纤维的大规模生产及应用。近年来，
随着静电纺丝研究的日益深入，人们对静电纺丝装置的革新及其改进也在紧锣密鼓地进行
着，如将单喷头改造成并列喷头、多喷头、同心喷头等；也有将平板接收器改造成直径可变
的筒式收集器、传动式带状收集器以及圆盘收集器。除了对喷头和收集装置做进行改善之
外，一些科学家通过其他一些拉伸作用力对纺丝溶液进行拉伸，制备得到了微纳米级纤维
材料，如气喷、磁场拉伸、机械甩动或振动等。这些技术有效地解决了微纳米纤维产量低、不
可循环收集、有序度低等问题。然而这些技术依然存在以下几个问题首先，仍然需要借助
高压电场对纺丝溶液进行拉伸，工作电压一般为几十kV，因此具有很大的危险性；其次，这
些技术的生产效率虽有了显著的提高，但仍不能很好地实现纳米纤维的连续生产，亦不能
实现量产，满足对纳米纤维大规模应用的需求。
发明内容
技术问题为了克服技术背景中存在的问题，本发明提供了一种连续地量产制备
纳米纤维的装置。该装置基于离心力和电场力的共同作用，通过调节多孔筒式旋转喷头的
转速和喷射速度，使用不同传动速度、不同规格的收集带对纤维进行收集，可以大量同步制
备不同尺寸、不同厚度的纳米纤维膜。该装置借助多孔筒式旋转喷头旋转产生离心力，不仅
降低了工作电压，降低能耗成本，保障生产安全性，而且大幅提高纳米纤维的产率。 技术方案本发明的一种制备纳米纤维的量产装置包括中空筒式喷头、高压直流
电源、气体流量控制器、储液器、马达、金属箔片传送带(总个数为2 4个)、输液管、电源
开关、马达控制器、纺丝溶液、轴承、支架；其中，在中空筒式喷头的外围设有2 4个金属箔
片传送带，中空筒式喷头的一端接马达；在储液器中装有纺丝溶液，该储液器通过输液管接
中空筒式喷头，将纺丝溶液输送到中空筒式喷头中；在中空筒式喷头的纺丝溶液输入口接有高压直流电源的正极，高压直流电源的负极分别接第一金属箔片传送带、第二金属箔片 传送带；马达控制器的输出端接马达，控制马达的高速旋转。 所述的中空筒式喷头呈圆桶状，内部是中空的，外表面排列有大量的微孔。所述的中空筒式喷头的主体长度为10 200cm，其筒体外径5 80cm，内径3
77crn。 中空筒式喷头外表面的微孔三维结构呈漏斗形或梯形。
微孔的孔径为20 2000 ii m。 可传动的带状金属箔片的两端都是固定在两根转轴之上。 金属箔片传送带在旋转喷头外围呈等分排列，它们的传动速度可以是相同的，也 可以是不同的，每个传送带的宽度为10 200cm。 本发明采用气压作为液体推动力，使用气体流量控制器精确控制纺丝溶液的推进 速度，将纺丝液送入表面带有大量微孔的可旋转的中空筒式喷头(下文简称旋转喷头)的 筒体之中；接通电源，通过马达控制器调节旋转喷头的转速，使得旋转喷头微孔处的液珠 在离心力的作用下，从旋转喷头筒体表面脱离进入筒体与传动式带状金属箔片(下文简称 金属传送带)之间的空间地带，开启高压直流电源，在一定的工作电压下，这些微小液滴在 电场力的作用下，被拉伸成丝，定向沉积在金属传送带之上，通过调节金属传送带的传动速 度，即可得到不同厚度的纳米纤维薄膜。
有益效果本发明具有的有益效果为 1)采用多孔筒式旋转喷头，通过轴向转动产生的离心力可以部分或是全部克服液 滴与筒体之间的表面张力，从而可降低工作电压至10kV以下。 2)采用的多孔筒式旋转喷头上的微孔呈漏斗形或梯形结构，可以增大微孔处的液
压，有利于纺丝溶液的定向流动，且不易造成微孔堵塞，有利于生产的连续性。 3)采用多个不同传动速度、不同规格的金属箔片作为收集装置，可以同步制备不
同厚度、不同尺寸的纳米纤维薄膜，实现了产品的多样化。 该装置具有设计合理、结构简单、操作简便、成本低廉、生产效率高、安全性好及产 品多样化等特点。
图1 :本发明的整体结构示意图。
图2 :表面带有大量微孔的可旋转的中空筒式喷头剖面示意图(漏斗形微孔)。
图3 :表面带有大量微孔的可旋转的中空筒式喷头剖面示意图(梯形微孔)。
图中1中空筒式喷头；2高压直流电源；3气体流量控制器；4储液器；5马达；6第
一金属箔片传送带；7第二金属箔片传送带(第一、二金属箔片传送带的总数量为2 4个，
且它们是等分排列在旋转喷头外围)；8输液管；9电源开关；10马达控制器；11纺丝溶液； 12轴承；13钢化玻璃支架；14筒体喷头表面漏斗形微孔的截面图；15筒体喷头表面漏斗形 微孔的鸟瞰图；16进液口 ；17筒体喷头表面梯形微孔的截面图；18筒体喷头表面梯形微孔 的鸟瞰图；19进液口 ；H和L分别为中空筒式喷头的外径和长度。
具体实施例方式
下面以两个金属箔片传送带组成的纤维收集系统，结合附图和实施例对本发明进 行进一步说明。 如图1、2所示，本发明包括中空筒式喷头1、高压直流电源2、气体流量控制器3、储
液器4、马达5、第一金属箔片传送带6、第二金属箔片传送带7、输液管8、电源开关9、马达
控制器10、纺丝溶液11、轴承12、钢化玻璃支架13。 所述的高压直流电源拥有正、负两极，可输出电压为0 60kV。 所述的中空筒式喷头1的内部是中空的，表面布满大量微孔，每个微孔的空间结
构呈漏斗形或是梯形，孔径为20 2000 ii m。中空筒式喷头1的两端各有一根转轴，其中一
根转轴是中空的，可作为纺丝溶液的进样口，另一根则是密封的。通过这两根转轴可以将旋
转喷头的两侧分别固定在长方体钢化玻璃支架上的两个轴承之中。喷头的主体(即带有微
孔的筒体部分)长度为10 200cm，其筒体外径5 80cm，内径3 77cm。通过马达控制
器来控制其传动速度。 马达的调节范围为0 8000转/分。 第一金属箔片传送带6、第二金属箔片传送带7的宽度为10 200cm，通过马达控 制器来控制其传动速度。用来控制第一金属箔片传送带6、第二金属箔片传送带7马达的调 节范围为0 3000转/分。 所述的中空筒式喷头1与第一金属箔片传送带6、第二金属箔片传送带7之间的垂 直距离为4 150cm。 所述的贮液器的体积为0. 1 5000. 0L。通过特氟龙输液管以及相应的管道连接 件进行相连的。 所述的气体流量控制器可调节气体流量为0 10. 0升/分。 所述的纺丝溶液可以是将一种或几种的有机或无机高分子聚合物溶解到一种或 几种溶剂中得到带有粘性的胶体溶液的。 本发明采用气压作为液体推动力，使用气体流量控制器精确控制纺丝溶液的推进 速度，将纺丝液送入表面带有大量微孔的可旋转的中空筒式喷头(下文简称旋转喷头)的 筒体之中；接通电源，通过马达控制器调节旋转喷头的转速，使得旋转喷头微孔处的液珠在 离心力的作用下，从旋转喷头筒体表面脱离进入筒体与第一金属箔片传送带6、第二金属箔 片传送带7 (下文简称金属传送带)之间的空间地带，开启高压直流电源，随着电压的增大， 这些微小液滴在电场力的作用下，被拉伸成丝，定向沉积在金属传送带之上，通过调节金属 传送带的传动速度，即可得到不同厚度的纳米纤维薄膜。 实施例1 :采用筒体尺寸为20X60cm(半径X主体长度)，储液器容量为1L，两个 金属传送带宽度分别为60cm和40cm。操作过程为首先，将配置好的浓度为10%的PAN/ (DMF+THF，体积比3 : 7)纺丝液装入储液器中，通过调节气体流量控制器控制N2流速，使 得气体将贮液器中的PAN溶液经输液管连续地输送至旋转喷头之中；接着调节高速马达控 制器来控制旋转喷头的转速，由于轴向离心力的作用，PAN溶液便会从筒体内部经微孔通道 输送至筒体表面；然后将工作电压缓慢调节至7kV，此时旋转喷头筒体表面的PAN液滴受电 场力作用，呈现泰勒圆锥，并被拉伸成丝，随着溶剂的快速挥发，并固化成丝，沉积在两个不 同尺寸的金属传送带表面；最后，根据不同厚度的需求，适当调节金属传动带的传动速度，即可得到不同厚度、不同尺寸的PAN纳米纤维薄膜。 实施例2 :采用筒体尺寸为20X60cm(半径X主体长度)，储液器容量为5L，两个 金属传送带宽度分别为60cm和40cm。操作过程为首先，将配置好的浓度为15X的PMMA/ 甲酸纺丝液装入储液器中，通过调节气体流量控制器控制N2流速，使得气体将贮液器中的 PMMA溶液经输液管连续地输送至旋转喷头之中；接着调节高速马达控制器来控制旋转喷 头的转速，由于轴向离心力的作用，PMMA溶液便会从筒体内部经微孔通道输送至筒体表面； 然后将工作电压缓慢调节至8kV，此时旋转喷头筒体表面的PMMA液滴受电场力作用，呈现 泰勒圆锥，并被拉伸成丝，随着溶剂的快速挥发，并固化成丝，沉积在两个不同尺寸的金属 传送带表面；最后，根据不同厚度的需求，适当调节金属传动带的传动速度，即可得到不同 厚度、不同尺寸的PMMA纳米纤维薄膜。 实施例3 :采用筒体尺寸为20X60cm(半径X主体长度)，储液器容量为IOOL，两 个金属传送带宽度分别为100cm和80cm。操作过程为首先，将配置好的浓度为15X的PS/ (DMF+THF，体积比4 : 6)纺丝液装入储液器中，通过调节气体流量控制器控制N2流速，使 得气体将贮液器中的PS溶液经输液管连续地输送至旋转喷头之中；接着调节高速马达控 制器来控制旋转喷头的转速，由于轴向离心力的作用，PS溶液便会从筒体内部经微孔通道 输送至筒体表面；然后将工作电压缓慢调节至6kV，此时旋转喷头筒体表面的PS液滴受电 场力作用，呈现泰勒圆锥，并被拉伸成丝，随着溶剂的快速挥发，并固化成丝，沉积在两个不 同尺寸的金属传送带表面；最后，根据不同厚度的需求，适当调节金属传动带的传动速度， 即可得到不同厚度、不同尺寸的PS纳米纤维薄膜。
权利要求
一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于该装置包括中空筒式喷头(1)、高压直流电源(2)、气体流量控制器(3)、储液器(4)、马达(5)、第一金属箔片传送带(6)、第二金属箔片传送带(7)、输液管(8)、电源开关(9)、马达控制器(10)、纺丝溶液(11)、轴承(12)、支架(13)；其中，在中空筒式喷头(1)的上侧设有第一金属箔片传送带(6)，在中空筒式喷头(1)的下侧设有第二金属箔片传送带(7)，中空筒式喷头(1)的一端接马达(5)；在储液器(4)中装有纺丝溶液(11)，该储液器(4)通过输液管(8)接中空筒式喷头(1)，将纺丝溶液(11)输送到中空筒式喷头(1)中；在中空筒式喷头(1)的纺丝溶液输入口接有高压直流电源(2)的正极，高压直流电源(2)的负极分别接第一金属箔片传送带(6)、第二金属箔片传送带(7)；马达控制器(10)的输出端接马达(5)，控制马达(5)的高速旋转。
2. 根据权利要求1所述的一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于所述的中空筒式 喷头(1)呈圆桶状，内部是中空的，外表面排列有大量的微孔。
3. 根据权利要求2所述的一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于所述的中空筒式 喷头(1)的主体长度为10 200cm，其筒体外径5 80cm，内径3 77cm。
4. 根据权利要求2所述的一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于中空筒式喷头 (1)上表面的微孔三维结构呈漏斗形或梯形。
5. 根据权利要求2所述的一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于微孔的孔径为 20 2000 iim。
6. 根据权利要求2所述的一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于喷头外围等分分 布着数量为2 4个带状金属箔片，且每个可传动的带状金属箔片的两端固定在两根转轴 之上。
7. 根据权利要求6所述的一种制备纳米纤维的量产装置，其特征在于所有的带状金 属箔片的传动速度相同或不同，传送带的宽度为10 200cm。
全文摘要
一种纳米纤维量产装置，包括转速可控的多孔筒式旋转喷头、高压直流供电系统、传动式收集系统以及供液系统。通过供液系统对多孔筒式旋转喷头进行精确定量地供液；而后接通电源，调节多孔筒式旋转喷头的转动速度，并开启高压电源；此时纺丝液通过多孔筒式旋转喷头的微孔，在离心力和电场力共同作用下，进行拉伸，并随着溶剂的挥发，固化成丝，沉积在传动式收集带表面，得到纳米纤维膜。该装置借助多孔筒式旋转喷头旋转产生离心力，不仅降低了工作电压，降低能耗成本，保障生产安全性，而且大幅提高纳米纤维的产率，实现纳米纤维的量产化。并且，使用多个不同传动速度、不同规格的收集带对纤维进行收集，可以同步得到不同厚度、尺寸的纳米纤维膜。
文档编号D01D5/18GK101787573SQ20101001829
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者温作杨, 许茜, 顾忠泽 申请人:东南大学