螺旋叶片纳米纤维发生器及静电螺旋纺丝装置的制作方法

专利名称：螺旋叶片纳米纤维发生器及静电螺旋纺丝装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种纺丝装置，特别是涉及一种静电纺丝装置。
背景技术：
传统的静电纺丝设备通常包括中空针状纺丝头，用于输送纺丝液的传动装置，收集器和高电压发生器。高电压通常施加于纺丝头和收集器(也叫“对电极”)。在静电纺丝过程中，高电压通过纺丝头施加于纺丝液，同时也在纺丝头和接收装置之间形成高压电场。 由于高压电场的作用，纺丝液在纺丝头顶端位被牵伸成锥状结构(也叫“泰勒锥”)。当电场力高到一定程度，纺丝液克服自身表面张力的作用，从泰勒锥的顶端喷射出来，形成“射流”。带电的射流随即受高压电场作用，迅速牵伸变细。射流内部相同电荷之间形成的排斥力也会加速射流牵伸和摆动。于此同时，溶剂的挥发导致射流固化，并最终沉积在对电极收集器上形成类似于非织造布状纳米纤维网络。有针静电纺纳米纤维制备技术只能提供非常有限的生产能力。因为每个纺丝头每小时最多只能产生三百毫克的纳米纤维。由于高压电势富集，当电压高于三万伏时，针状纺丝头的顶端会形成“辉光放电”，因而终止纺丝过程。正因如此，有针静电纺纳米纤维制备电压小于三万伏。在低的操作电压下制备的纳米纤维粗而且不均勻。提高液面面积会使静电场纳米纤维的生产能力大大提高。例如国际专利 W02005024101提供了一种无针静电纺丝设备。该设备包括一个部分浸泡于在聚合物溶液中的滚筒形电极(纤维发生器)，和距纤维发生器一定的距离纤维收集器(对电极)。滚筒电极的转动使聚合物溶液均勻地加载到整个滚筒表面。当加载的聚合物溶液位于滚筒电极和纤维收集器形成的电场中，并且电场足以强到使滚筒表面的液体形成泰勒锥时，滚筒的表面就可以纺出纳米纤维。在这种静电纺丝系统，纳米纤维的形成很大程度上取决于纺丝头附近以及整个电纺区域的电场强度与电场分布。由于电场在滚筒中间部分的强度远远小于滚筒两端，当电压低于临界值时，滚筒的中间部分失去纺丝能力。只有滚筒的两端能纺出纳米纤维。即使操作电压高于临界值，在不同滚筒部位产生的纳米纤维的直径也会有很大的不同。因此，制备的纳米纤维细度很不均勻。很有必要通过改进纺丝头来提高纳米纤维的质量。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种新的共轴螺旋叶片纳米纤维发生器和包含该共轴螺旋叶片纳米纤维发生器的静电螺旋纺丝装置，用于将各种粘性液体在静电场作用下加工成纳米纤维。根据本实用新型的一个方面，提供有一种螺旋叶片纳米纤维发生器，该螺旋叶片纳米纤维发生器用静电纺丝原理从粘性液体制备纳米纤维，该螺旋叶片纳米纤维发生器包括螺旋叶片和轴，该螺旋叶片与该轴连接。 优选的是，螺旋叶片的平均半径在5毫米到1000毫米之间。[0009]优选的是，螺旋叶片包含单个或多个共轴的叶片。优选的是，当螺旋叶片含有三个以上的叶片时，靠近两端的叶片的半径小于中间叶片的半径。优选的是，螺旋叶片纳米纤维发生器的长度在20毫米到6000毫米之间。优选的是，螺旋叶片的厚度在0. 5毫米到50毫米之间。优选的是，螺旋叶片的相邻叶片之间的距离在5毫米到800毫米。优选的是，螺旋叶片纳米纤维发生器由一排或多排螺旋叶片纳米纤维发生器组成，排与排之间的距离大于20毫米。优选的是，螺旋叶片纳米纤维发生器包括液体容器。优选的是，液体容器用以存放粘性液体。优选的是，螺旋叶片纳米纤维发生器的表面至少有一处和液体容器内的粘性液体相连。优选的是，螺旋叶片是中空结构，有孔分布于叶片的表面，叶片内部有通道与中空驱动轴连接。优选的是，叶片内部的中空通道与液体容器相连，以提供粘性液体。根据本实用新型的另一个方面，提供有一种静电螺旋纺丝装置，该静电螺旋纺丝装置在电场中从粘性液体中生产纳米纤维，该静电螺旋纺丝装置包含下列部分根据本实用新型的第一方面的螺旋叶片纳米纤维发生器；与该螺旋叶片纳米纤维发生器相隔一定距离的对电极纳米纤维收集器；装储用于纺丝的该粘性液体的液体容器；和高电压发生装置，该高压电极的电极分别连接于螺旋叶片纳米纤维发生器和对电极纳米纤维收集器。优选的是，对电极纳米纤维收集器和螺旋叶片纳米纤维发生器的轴向平行。优选的是，对电极纳米纤维收集器的长度和螺旋叶片纳米纤维发生器的长度和宽度相当。优选的是，对电极纳米纤维收集器是平板、滚筒或可传动的带状接收装置。优选的是，对电极纳米纤维收集器的表面为多孔状结构，以便用一定温度的干燥气体改善接收区域的空气对流。优选的是，静电螺旋纺丝装置使螺旋叶片纳米纤维发生器和对电极纳米纤维收集器产生高于3万伏特的电势差。优选的是，静电螺旋纺丝装置的螺旋叶片纳米纤维发生器和对电极纳米纤维收集器之间的距离在100毫米到600毫米之间。优选的是，静电螺旋纺丝装置的粘性液体是能够生成纳米纤维的粘性液体。优选的是，静电螺旋纺丝装置的螺旋叶片纳米纤维发生器浸在粘性液体里，并且螺旋叶片纳米纤维发生器被设计成可以沿中心轴旋转，这样可以在表面上加载粘性液体。优选的是，静电螺旋纺丝装置生产出来的纳米纤维为非织造布或有定向排列的纳米纤维薄膜。本实用新型所提供的螺旋叶片纳米纤维发生器和包含该螺旋叶片纳米纤维发生器的静电螺旋纺丝装置适用于大规模生产纳米纤维，而且生产的纤维更细更均勻。


5[0031]当前实用新型的图解与说明如下图1为根据本实用新型的螺旋叶片型无针静电纺纳米纤维生产装置。图2更加详细地描述了根据本实用新型的一种螺旋叶片纺丝头的形状和结构。图3显示根据本实用新型的静电螺旋纺丝装置中的螺旋叶片表面电场强度分布， 其中图的右半部分为放大的叶片，数字为等电势线的电场强度(单位千伏特/厘米)。图4显示传统有针静电纺装置的电场强度分布，其中图的右半部分为放大的针头。数字为等电势线的电场强度(单位千伏特/厘米)。
具体实施方式
目前实用新型提供了一种新的螺旋型无针静电纳米纤维生产设备，亦称为静电螺旋纺丝装置，主要用于将各种粘性液体在静电场作用下加工成纳米纤维。该纳米纤维生产设备的核心部分是由一个或一组含有任何数量螺旋叶片组成的纳米纤维发生装置(也叫 “纺丝头”)。共轴螺旋叶片纳米纤维发生器包括纺丝螺旋叶片和一个可转动的驱动轴， 其中螺旋叶片主要是固定在该驱动轴上。叶片与驱动轴的直径比大于1 3，更好是大于 1 5，最好大于1 10。螺旋叶片主要用于将静电场集中在叶片的边缘，并且降低或消除叶片形状和尺寸对静电场的影响。这样的装置会使高电场均勻而集中地分布于叶片的纤维形成区域表面。 在电纺时，当静电场强度足以将纺丝液拉成“泰勒锥”时，形成纳米纤维的射流产生于叶片边缘区域。当使用多个螺旋叶片时，可以通过优化叶片之间的距离降低或完全避免邻近叶片的电场干扰。与滚筒形无针静电纺丝头相比，这样的装置会产生更细和均勻的纳米纤维。 纺丝头的螺旋叶片可以由一个单独的叶片或多个叶片组成。当用于大规模纳米纤维生产时，纺丝头的螺旋叶片最好包含一组叶片，并沿中心轴向分布成螺旋结构，因为多个叶片会提供更大的纳米纤维生产面积，而且叶片沿轴向分布使生产的纳米纤维均勻地沉积在收集电极的表面。螺旋叶片可以设计成任何形状。如截面可以是圆形，椭圆，长方形，锥形，棱镜型或其他。螺旋叶片可以围绕中心轴分布。叶片的半径可以在5到1000毫米之间。叶片的厚度可以在0. 5到200毫米之间，最好是0. 7到50毫米之间。当使用一组叶片时，这些叶片可以相对独立排列。整个纺丝头的长度可以在20到6000毫米之间。当使用一组相同叶片时，纺丝头的螺旋叶片的两端叶片的电场强度往往高于中间部分的叶片。当两端叶片的半径较小时，螺旋叶片沿轴向产生的电场可以等强度地分布于每个叶片。因此两端的叶片最好设计成逐较小的半径。叶片与叶片之间要有一定的间隔，以降低叶片之间的相互影响。沿轴向叶片之间的距离，叶片厚度，直径和结构可以调整。螺旋叶片的相邻叶片之间的距离最好在5到800 毫米之间。螺旋叶片可以是任何材质，导电或绝缘材料均可。可以是金属铜，铁，或铝等，也可以是工程塑料，树脂，陶瓷，木材或复合材料。对螺旋叶片材料的主要要求是不能在纺丝液中溶解或降解。螺旋叶片可以是中空结构，有通道与空心的驱动轴连接，以传输纺丝液。这种情况下，叶片表面应有开孔。纺丝液可以通过叶片和驱动轴内部传输到生成纤维的叶片表面。
6[0043]本实用新型所提供的在电场中从粘性液体(即，“纺丝液”)中生产纳米纤维的无针静电纳米纤维生产设备，亦称为静电螺旋纺丝装置，其主要包括如下部分如上所述的螺旋叶片纳米纤维发生器(即“螺旋叶片纺丝头”)；与纳米纤维发生装置相隔一定距离的对电极纳米纤维接收器(亦称为“对电极收集器”)；装储用于纺丝的粘性液体(纺丝液)的容器；和高电压发生装置。高电压发生器的电极分别连接于螺旋叶片纺丝头和对电极收集器，以产生高电势差。纳米纤维产生于覆盖于螺旋叶片纺丝头表面的纺丝液。高压发生器使螺旋叶片纳米纤维发生器和对电极纳米纤维收集器产生高电势差。当纺丝液体表面与对电极收集器之间形成的电势差高于一定数值(如3万伏特)时，射流就会从叶片表面产生，并最终形成纳米纤维。产生纳米纤维的临界电场强度与很多因素有关，包括螺旋叶片纺丝头和对电极收集器的形状与尺寸，它们之间的距离(也叫“纺丝距离”，或“收集距离”)和纺丝液的理化性质。一般来说，纳米纤维的产生需要至少4万伏高电压。多数情况下最好大于6万伏。螺旋叶片纺丝头与对电极收集器之间距离会影响电场强度和纳米纤维的质量。当然，影响也会来自螺旋叶片纺丝头和对电极收集器的形状，和纺丝液的性质。一般来说，对电极纳米纤维收集器和螺旋叶片纳米纤维发生器的轴向平行。对电极纳米纤维收集器的长度和所述螺旋叶片纳米纤维发生器的长度和宽度相当。纺丝头与对电极相隔距离为100到 600毫米。纺丝液可以是能够生成纳米纤维的任何液体，如聚合物溶液，溶胶凝胶，颗粒悬浮液，或者是熔融的聚合物液体。多数情况下，纺丝液是由至少一种聚合物和一种挥发性的溶剂组成。高分子聚合物，如合成高分子，天然高分子和生物大分子，热塑聚合物或活性高分子均可。溶剂的使用主要取决于聚合物的种类和性质。它们可以是挥发性溶剂，包括水，乙醇，氯仿，二甲基甲酰胺等。在电纺过程中溶剂的挥发有利于纳米纤维的固化和成形。很多方法可以用于将纺丝液加载到螺旋叶片纺丝头的表面。例如，使静电螺旋纺丝装置的螺旋叶片纳米纤维发生器浸在粘性液体里，并且螺旋叶片纳米纤维发生器被设计成可以沿中心轴旋转，这样可以在表面上加载粘性液体。叶片的旋转会使纺丝液覆盖到整个叶片表面。这种情况下，螺旋叶片纳米纤维发生器的表面至少有一处和液体容器内的粘性液体相连。对电极收集器最好处于螺旋叶片纺丝头的正上方，并与螺旋叶片纺丝头的驱动轴平行。电纺时，纳米纤维从叶片边缘顶表面纺出，并沉积到对电极接收器上。纺丝液也可以从螺旋叶片的内部加载到叶片的表面。这种情况下螺旋叶片为中空结构，并有通道与外部储液槽相连。叶片表面的开孔使纺丝液均勻地加载到纺丝头的纤维发生区域。在这种情况下，螺旋叶片纺丝头下方液槽主要用于收集过量的纺丝液。对电极收集器也可以使用不同的结构。除了固定的平板接收装置以外，旋转的滚筒，或者是类似于传送带的连续收集装置会更加有效地将纳米纤维续收集起来。有些情况下，为了便于溶剂挥发和纳米纤维固化，对电极收集器的对电极纤维接收表面可以使用多孔网络状结构，并用一定温度的干燥空气加速收集区域的空气对流和溶剂扩散。静电螺旋纺丝装置生产出来的纳米纤维为非织造布或有定向排列的纳米纤维薄[0056]为了更大规模地制备纳米纤维，无针纳米纤维纺丝设备可以包括相互平行的多排螺旋叶片纺丝头。在这种情况下，多排螺旋叶片可以共用一个大的储液槽，或者采用多个单独的储液装置。为了避免邻近螺旋叶片的影响，排与排之间的距离多大于20毫米，最好是大于50毫米。
以下结合附图具体说明根据本实用新型的静电螺旋纺丝装置的实例。如图1所述，静电螺旋纺丝装置1由螺旋叶片纺丝头10，对电极收集器11，纺丝液储槽12，和高电压电源13组成。纺丝头10包括驱动轴101和螺旋叶片102。高电压发生器的电极分别经由电极连线Ha和14b连接于纺丝头10和对电极收集器11。纺丝液储存于储槽12内部。纺丝液的液面与叶片102有一定的连接。当叶片缓慢转动时(如，转速 40rpm)，由于液体的润湿作用，纺丝液会均勻地涂布于螺旋叶片的表面。图2显示了更加详细的螺旋叶片纺丝头结构。金属螺旋叶片沿轴向沿伸。当螺旋叶片含有三个以上的叶片时，靠近两端的叶片半径比中间叶片的半径要小。螺旋叶片部分浸泡于纺丝液中。作为典型的例子，上述装置用于制备聚丙烯腈纳米纤维。纺丝液为9%的聚丙烯腈(PAN)-二甲基甲酰胺(DMF)溶液。在静电纺过程中，纳米纤维生产于叶片表面的边缘区域。作为对比，传统的有针电纺设备也用于加工相同的纺丝液。实验结果在电纺过程中，由于螺旋叶片的转动，粘性PAN溶液会均勻地加载于叶片表面。当施加高压电场时，大量射流形成于叶片边缘表面。最小的应用电压为6万伏特。无针设备生产的纳米纤维十分均勻。平均直径均大约150纳米。而有针纺纺出来的纤维的平均直径要大于200纳米。与传统的有针纺相比，这种无针静电纺丝设备生产出来的纳米纤维要细得多，而且纤维的直径分布也更均勻。其中，一种操作条件如下所示操作电压6万伏特； 收集距离150毫米；纺丝液9%的聚丙烯腈-二甲基甲酰胺溶液。另一种操作条件如下所示操作电压=2万伏；收集距离150毫米；坊丝液9%的聚丙烯腈-二甲基甲酰胺溶液。图3和图4显示电场强度的分布情况。不难看出，高电场主要集中形成于叶片边缘的顶端区域。而且电场强度很大。这个区域实际上与纤维产生的区域重合。也就是说， 纳米纤维主要形成于叶片表面的电场富集区域。虽然，传统的有针静电纺丝装置也会在纺丝头的端为富集电场，但电场强度的数值要小得多。对于一个长度为20厘米的静电螺旋纺丝装置，纳米纤维的生产能力为每小时20 克。当装置的长度为一米，而且使用10排相同的螺旋纺丝装置时，纳米纤维的生能力为每小时1公斤。相比之下，对于传统有针电纺设备，单针装置需要20X10厘米平方的面积，其纳米纤维生产能力不超过每小时0. 3克。多针静电纺设备在1米平方内大约100根纺丝针， 其纳米纤维的生产能力为每小时30克。进一步的实验也证明，叶片的尺寸对电场和纤维直径的影响很小，但对生产速度影响很大。
权利要求1.一种螺旋叶片纳米纤维发生器，所述螺旋叶片纳米纤维发生器用静电纺丝原理从粘性液体制备纳米纤维，其特征在于，所述螺旋叶片纳米纤维发生器包括螺旋叶片和轴，所述螺旋叶片与所述轴连接。
2.如权利要求1所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片的平均半径在5毫米到1000毫米之间。
3.如权利要求1所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片包含单个或多个共轴的叶片。
4.如权利要求3所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，当所述螺旋叶片含有三个以上的叶片时，靠近两端的叶片的半径小于中间叶片的半径。
5.如权利要求3所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片纳米纤维发生器的长度在20毫米到6000毫米之间。
6.如权利要求1所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片的厚度在0.5毫米到50毫米之间。
7.如权利要求3所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片的相邻叶片之间的距离在5毫米到800毫米。
8.如权利要求1所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片纳米纤维发生器由一排或多排螺旋叶片纳米纤维发生器组成，排与排之间的距离大于20毫米。
9.如权利要求1所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片纳米纤维发生器包括液体容器。
10.如权利要求9所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述液体容器用以存放所述粘性液体。
11.如权利要求9所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片纳米纤维发生器的表面至少有一处和所述液体容器内的所述粘性液体相连。
12.如权利要求1所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，所述螺旋叶片是中空结构，有孔分布于叶片的表面，叶片内部有通道与中空驱动轴连接。
13.如权利要求12所述的螺旋叶片纳米纤维发生器，其特征在于，叶片内部的中空通道与所述液体容器相连，以提供所述粘性液体。
14.一种静电螺旋纺丝装置，所述静电螺旋纺丝装置在电场中从粘性液体中生产纳米纤维，其特征在于，所述静电螺旋纺丝装置包含下列部分如权利要求1-13所述的螺旋叶片纳米纤维发生器；与所述螺旋叶片纳米纤维发生器相隔一定距离的对电极纳米纤维收集器；装储用于纺丝的所述粘性液体的液体容器；和高电压发生装置，所述高压电极的电极分别连接于螺旋叶片纳米纤维发生器和对电极纳米纤维收集器。
15.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述对电极纳米纤维收集器和所述螺旋叶片纳米纤维发生器的轴向平行。
16.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，对电极纳米纤维收集器的长度和所述螺旋叶片纳米纤维发生器的长度和宽度相当。
17.如权利要求16所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述对电极纳米纤维收集器是平板、滚筒或可传动的带状接收装置。
18.如权利要求16所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述对电极纳米纤维收集器的表面为多孔状结构，以便用一定温度的干燥气体改善接收区域的空气对流。
19.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，静电螺旋纺丝装置使所述螺旋叶片纳米纤维发生器和所述对电极纳米纤维收集器产生高于3万伏特的电势差。
20.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述静电螺旋纺丝装置的所述螺旋叶片纳米纤维发生器和所述对电极纳米纤维收集器之间的距离在100毫米到600 毫米之间。
21.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述静电螺旋纺丝装置的所述粘性液体是能够生成纳米纤维的粘性液体。
22.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述静电螺旋纺丝装置的所述螺旋叶片纳米纤维发生器浸在所述粘性液体里，并且所述螺旋叶片纳米纤维发生器被设计成可以沿中心轴旋转，这样可以在表面上加载所述粘性液体。
23.如权利要求14所述的静电螺旋纺丝装置，其特征在于，所述静电螺旋纺丝装置生产出来的纳米纤维为非织造布或有定向排列的纳米纤维薄膜。
专利摘要本实用新型提供一种新的螺旋叶片纳米纤维发生器和包含该螺旋叶片纳米纤维发生器的静电螺旋纺丝装置，用于将粘性液体(如聚合物溶液，溶胶凝胶，颗粒悬浮物或熔融体)高效率加工成纳米纤维或纳米纤维网状结构。螺旋叶片纳米纤维发生器包括螺旋叶片和轴，螺旋叶片与轴连接。静电螺旋纺丝装置包含下列部分螺旋叶片纳米纤维发生器；与螺旋叶片纳米纤维发生器相隔一定距离的对电极纳米纤维收集器；装储用于纺丝的粘性液体的液体容器；和高电压发生装置，高压电极的电极分别连接于螺旋叶片纳米纤维发生器和对电极纳米纤维收集器。与传统的有针静电纺丝技术相比，该技术适用于大规模生产纳米纤维，而且生产的纤维更细更均匀。
文档编号D01D13/02GK202107802SQ20102065002
公开日2012年1月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者赵晓利 申请人:赵曙光