专利名称：一种纳米纤维批量制造装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米纤维批量制造装置，尤其是涉及一种带有可升降辅助点阵喷射头的纺丝装置。
背景技术：
纳米纤维由于其很高的比表面积和优越的力学、光学和电学等性能，在传感器、 执行器、催化剂、电子、药物缓释、生物骨架、光学器件、过滤和防护服等很多领域潜在应用广泛。在制造纳米纤维的方法中，静电纺丝由于其技术简单，成本低等特点，在未来有可能成为主要的纳米纤维制造方法，近几年成为研究的热点。然而传统静电纺丝的产量只有0. 02g/h，效率很低，电纺纳米纤维的迫切需求与其效率极端低下的矛盾日益突出， 严重制约纳米纤维的工业应用与商业化推广。因此实现纳米纤维的批量制造来降低产品成本提高市场竞争力，是其产业化应用急需解决的关键技术问题。为此，世界范围内的科研人员开始尝试各种方法实现纳米纤维的批量电纺。S. A. Theron等(S. A. Theron， A.L. Yarin, E Zussman. Multiple jets inelectrospinning :experiment and modeling. Polymer 2005,46 =2889-2899)报道了一种组合多针尖喷头阵列电纺。该方法是对传统单根针尖喷头的自然扩展，将多根针尖以一定间距按直线、圆型、椭圆等方式排列进行喷射纺丝，但该方法中各喷头之间的电场相互影响，制备纳米纤维的直径差异性很大，甚至出现液滴和中间区域喷头无法喷射的问题。A. L. Yarin等(A. L. Yarin, E. Zussman. Upward needleless electrospinning of multiple nanofibers. Polymer 2004,45:2977-2980) 提出了自喷射批量电纺技术，其将下层铁磁性液体和上层聚合物溶液的分层溶液体系置于垂直磁场中。聚合物溶液通过磁性流体由于扰动效应形成了许多针状物喷射后再经过电场拉伸，最终产生大量纳米纤维然而这种方法由于射流中含有磁粉和硅油等其他杂质，影响了纤维的质量，极大限制了纤维的应用领域。尼日利亚研究人员O.O.Dosimmu等 (0. 0. Dosunmu, G. G. Chase，W. Kataphinan，D. H. Reneker. Electrospinning of polymer nanofibres frommultiple jets on a porous tubular surface. Nanotechnology 2006， 17 1123-1127)通过多孔管状批量电纺装置，利用气压装置将管内聚合物溶液缓慢的挤出孔外，在高压电场的作用下，产生多束射流到外围环绕的一层金属圆柱形接收网上。此方法需要气泵辅助供液，结构较为复杂，且存在管孔易堵塞问题。专利W02005/024101A1公开了一种无尖端批量纺丝，该方法采用浸入在聚合物溶液的圆柱形滚筒为喷射头，利用液态薄膜与电场相互作用自身产生的大量微小突起或波峰作为射流源，代替传统针尖喷头进行纺丝，产量显著提高，但其有喷射电压阈值高、滚筒上残余溶液不易清理以及不适合长时间生产等缺点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有批量电纺技术的缺陷，提供一种简单易扩展，无需气泵，且无喷嘴堵塞的纳米纤维批量制造装置。
本发明设有高压静电发生器、收集板、供液槽、溶液槽、辅助点阵喷射头和辅助点阵喷射头驱动装置；用于产生高压的高压静电发生器的负极与用于收集纳米纤维的收集板连接并接地；收集板设于溶液槽上方；用于供给聚合物溶液的供液槽通过导管与盛装聚合物溶液的溶液槽连通；辅助点阵喷射头设有阵列小曲率半径凸出，用于辅助形成高电场强度诱导溶液在凸出处产生射流，辅助点阵喷射头设于辅助点阵喷射头驱动装置上，辅助点阵喷射头与高压静电发生器的正极连接；辅助点阵喷射头驱动装置用于驱动辅助点阵喷射头的周期性运动。所述静电高压发生器的电压输出可为20 120kV。所述辅助点阵喷射头可为导电平板，在导电平板上设有顶端小曲率半径阵列喷头；所述顶端小曲率半径阵列喷头的半径可为0. 1 2. 5mm，所述阵列喷头的形状可以是但不局限于棱锥形、圆锥形或半球形，可任意排列。所述辅助点阵喷射头可在液面附近上下运动，周期为1 10s。所述辅助点阵喷射头驱动装置可采用磁力升降机构、盘形凸轮机构或圆柱形凸轮机构等。所述磁力升降机构设有弹簧连接板、电磁铁和控制电路，电磁铁设在弹簧连接板下方并与控制电路电连接，通过磁力升降设备控制导电平板的升降。所述盘形凸轮机构设有平板、驱动装置、固定在平板上的盘形凸轮及其连接杆，平板设在盘形凸轮顶部，盘形凸轮通过连接杆与驱动装置连接。通过盘形凸轮的转动控制导电平板的升降。其转动速度和盘形凸轮轮廓线根据生产过程中各单个射流的持续产生时间来确定。所述圆柱形凸轮机构设有刻有螺旋形轨道的圆柱体凸轮、驱动装置，所述圆柱体凸轮与驱动装置连接，通过沿螺旋形轨道运动的凸轮滚动控制导电平板的升降，其转动速度和凸轮轮廓线根据生产过程中各单个射流的持续产生时间来确定。所述供液槽和溶液槽至少通过一根导管连通，供液槽内溶液通过重力作用向溶液槽供液。在纳米纤维批量制造过程中，首先开启高压静电发生器产生高压，接着辅助点阵喷射头驱动装置将浸没在聚合物溶液中的辅助点阵喷射头上升至液面以上，其凸出顶端带有一薄层溶液。凸出顶端的强电场诱导该处的溶液产生许多射流，射流经过电场拉伸和溶剂挥发后在收集板上得到纳米纤维；当凸出顶端的溶液产生射流后，辅助点阵喷射头驱动装置将辅助点阵喷射头下降到液面以下，此时溶液表面的射流继续喷射一段时间。在所诱导的射流停止喷射之前继续将辅助点阵喷射头上升至液面之上相同高度，如此周而复始， 液面上的射流不断喷射，连续收集到大量的纳米纤维。在生产的整个过程中由于供液槽对溶液槽的持续供液，溶液槽中的溶液并不会减少，液面与收集板的距离保持不变。与现有技术相比，本发明的优点在于1、采用辅助点阵喷射头，能够有效降低纺丝时的工作电压阈值，无需清洗；2、通过周期性升降辅助点阵喷射头的方法，使纺丝的过程能够连续进行，提高生产效率。
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1中的辅助点阵喷射头的结构示意图。图3是本发明实施例1中的磁力升降机构的结构示意图。图4是本发明实施例2中的盘形凸轮机构的结构示意图。图5是本发明实施例3中的圆柱形凸轮机构的结构示意图。
具体实施例方式实施例1 如图1 3所示，一种纳米纤维批量制造装置包括高压静电发生器1、收集板2、供液槽3、溶液槽4、辅助点阵喷射头5、辅助点阵喷射头驱动装置6。供液槽3对溶液槽4供液。收集板2与高压静电发生器1的负极连接并接地。辅助点阵喷射头5与高压静电发生器1的正极相连接。收集板2置于溶液槽4的正上方。所述的辅助点阵喷射头5放置于溶液槽4内，与辅助点阵喷射头驱动装置6相连接。本实施例中，辅助点阵喷射头5为设有半球形喷头的导电平板，半球形喷头的直径为2mm。辅助点阵喷射头驱动装置6为磁力升降机构。所述磁力升降机构设有弹簧连接板8、电磁铁9和控制电路7，电磁铁9设在弹簧连接板8下方并与控制电路7电连接，通过磁力升降机构控制导电平板的升降。工作溶液为浓度15%的聚氧化乙烯(ΡΕ0，平均分子量 300，000)水溶液。收集板2与溶液槽4之间距离设为12cm。点阵喷射头驱动装置6带动辅助点阵喷射头5从溶液内上升至液面以上2mm处。调节高压静电发生器1的电压至27kV， 在各喷头上开始产生射流，在收集板2上收集到纳米纤维，接着辅助点阵喷射头驱动装置6 带动辅助点阵喷射头5下降至溶液液面以下，溶液上的射流继续喷射。3s后，辅助点阵喷射头驱动装置6带动辅助点阵喷射头5上升至液面以上2mm处，如此反复。实施例2如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，辅助点阵喷射头驱动装置6为盘形凸轮机构，所述盘形凸轮机构设有平板13、盘形凸轮11和电机101，平板13设在盘形凸轮11顶部，盘形凸轮11设在电机101主轴上。通过盘形凸轮的转动控制导电平板的升降。其转动速度和盘形凸轮轮廓线根据生产过程中各单个射流的持续产生时间来确定。通过控制凸轮转动和改变凸轮轮廓线控制辅助点阵喷射头5的升降周期。实施例3如图5所示，本实施例与实施例2的不同之处在于，点阵喷射头驱动装置6为圆柱型凸轮机构，所述圆柱形凸轮机构设有支架14、圆柱形凸轮12和电机102，支架14设在圆柱形凸轮12 —侧，圆柱形凸轮12设在电机102主轴上。通过沿螺旋形轨道运动的凸轮滚动控制导电平板的升降，其转动速度和凸轮轮廓线根据生产过程中各单个射流的持续产生时间来确定。通过控制凸轮转动和改变凸轮轮廓线控制辅助点阵喷射头5的升降周期。
权利要求
1.一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于设有高压静电发生器、收集板、供液槽、溶液槽、辅助点阵喷射头和辅助点阵喷射头驱动装置；用于产生高压的高压静电发生器的负极与用于收集纳米纤维的收集板连接并接地；收集板设于溶液槽上方；用于供给聚合物溶液的供液槽通过导管与盛装聚合物溶液的溶液槽连通；辅助点阵喷射头设有阵列小曲率半径凸出，用于辅助形成高电场强度诱导溶液在凸出处产生射流，辅助点阵喷射头设于辅助点阵喷射头驱动装置上，辅助点阵喷射头与高压静电发生器的正极连接；辅助点阵喷射头驱动装置用于驱动辅助点阵喷射头的周期性运动。
2.如权利要求1所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述静电高压发生器的电压输出为20 120kV。
3.如权利要求1所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述辅助点阵喷射头为导电平板，在导电平板上设有顶端小曲率半径阵列喷头。
4.如权利要求3所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述顶端小曲率半径阵列喷头的半径为0. 1 2. 5mm，所述阵列喷头的形状可以是但不局限于棱锥形、圆锥形或半球形，可任意排列。
5.如权利要求1所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述辅助点阵喷射头在液面附近上下运动，周期为1 10s。
6.如权利要求1所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述辅助点阵喷射头驱动装置采用磁力升降机构、盘形凸轮机构或圆柱形凸轮机构。
7.如权利要求6所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述磁力升降机构设有弹簧连接板、电磁铁和控制电路，电磁铁设在弹簧连接板下方并与控制电路电连接，通过磁力升降设备控制导电平板的升降。
8.如权利要求1所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述盘形凸轮机构设有平板、驱动装置、固定在平板上的盘形凸轮及其连接杆，平板设在盘形凸轮顶部，盘形凸轮通过连接杆与驱动装置连接。
9.如权利要求1所述的一种纳米纤维批量制造装置，其特征在于所述圆柱形凸轮机构设有刻有螺旋形轨道的圆柱体凸轮、驱动装置，所述圆柱体凸轮与驱动装置连接。
全文摘要
一种纳米纤维批量制造装置，提供一种简单易扩展，无需气泵，且无喷嘴堵塞的纳米纤维批量制造装置。设有高压静电发生器、收集板、供液槽、溶液槽、辅助点阵喷射头和辅助点阵喷射头驱动装置；用于产生高压的高压静电发生器的负极与用于收集纳米纤维的收集板连接并接地；收集板设于溶液槽上方；用于供给聚合物溶液的供液槽通过导管与盛装聚合物溶液的溶液槽连通；辅助点阵喷射头设有阵列小曲率半径凸出，用于辅助形成高电场强度诱导溶液在凸出处产生射流，辅助点阵喷射头设于辅助点阵喷射头驱动装置上，辅助点阵喷射头与高压静电发生器的正极连接；辅助点阵喷射头驱动装置用于驱动辅助点阵喷射头的周期性运动。
文档编号D01D5/00GK102191574SQ201110131548
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者吴德志, 孙道恒, 胡兴旺, 费云飞, 黄翔宇 申请人:厦门大学