连续静电纺丝系统及制备精细纤维的方法
【专利摘要】本发明公开一种连续静电纺丝系统及制备纳米或亚微米精细纤维方法，属纺织工业领域。该系统包括：高压静电发生器与具有多个喷孔的平板喷丝头电连接，接收电极板接地；所述平板喷丝头与接地的所述接收电极板之间相对并保持一定距离设置；所述自动供液装置与平板喷丝头的进液口连接；所述纤维传送装置设置在所述平板喷丝头与所述接收电极板之间，纤维传送装置上输送的基布或纤维帘从所述平板喷丝头与所述接收电极板之间的区域穿过。由于采用一具有多个喷孔的平板喷丝头，可以克服采用多个针头式喷头存在的射流之间静电的干扰，从而可形成均匀的喷射流来制备出直径均匀的纳米纤维，也可以避免喷头的堵塞，且平板喷丝头易于清洗。
【专利说明】连续静电纺丝系统及制备精细纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及静电纺丝领域，尤其涉及一种连续静电纺丝系统及制备纳米、亚微米精细纤维方法。
【背景技术】
[0002]静电纺丝技术是一项制备纳米或亚微米纤维的新技术。在静电纺丝工艺过程中，将几千乃至几十万伏的高压静电施加在纺丝喷头上，于喷丝头和接地的收集器间产生一个强大的电场力。如果该电场力的大小等于纺丝溶液或熔体的表面张力时，液滴或熔滴就悬挂在喷丝头末端并处于平衡状态；随着电场力的增大，在喷丝头末端呈半球状的液滴或熔滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状，这就是Taylor锥；当电场力超过一个临界值后，它将克服液滴的表面张力形成射流。射流在从喷丝头末端向接收装置运动的过程中，会发生加速现象，这就导致射流在电场中的拉伸，最终在接收装置上形成纳米纤维。
[0003]由于静电纺丝制备的纳米纤维在生物医药、组织工程、过滤、隔热、吸音、纺织、复合材料、个体防护以及军事等诸多领域有着很好的应用前景，使得静电纺丝这种可制备纳米尺寸的技术成为了全球学者研究的热点之一。目前，静电纺丝技术已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法。但是，由于缺乏适合工业化生产的静电纺丝设备，无法大批量地生产静电纺丝纤维材料，从而阻碍了工业化的生产和应用。一些研究者采用多喷头纺丝装置以便提高静电纺丝效率，但由于喷头之间静电场的干扰、针孔堵塞、液滴、难于清理朝下的喷头设计难以避免纺丝液来不及形成纤维而滴下来等问题，还不能高效率地稳定生产直径均匀的纳米纤维。因此，研制一种适合工业化生产的静电纺丝设备成为静电纺丝纤维材料推广应用的关键。
【发明内容】
[0004]本发明可以解决现在技术存在的不足，提供一种可以连续静电纺丝在纱线表面形成纳米涂层的连续静电纺丝系统及制备纳米、亚微米精细纤维方法，可以制备直径小且均匀，性能好的纳米或亚微米精细纤维。
[0005]实现本发明目的的技术方案具体如下:
[0006]本发明给出一种连续静电纺丝系统，该系统包括:
[0007]高压静电发生器、自动供液装置、平板喷丝头、纤维传送装置和接收电极板；其中，
[0008]所述高压静电发生器与具有多个喷孔的平板喷丝头电连接，接收电极板接地；
[0009]所述平板喷丝头与接地的所述接收电极板之间相对并保持一定距离设置，所述平板喷丝头的喷孔朝上设置，接地的所述接收电极板设置在所述平板喷丝头的上方；
[0010]所述自动供液装置与平板喷丝头的进液口连接；
[0011]所述纤维传送装置设置在所述平板喷丝头与所述接收电极板之间，纤维传送装置上输送的基布或纤维帘从所述平板喷丝头与所述接收电极板之间的区域穿过。
[0012]此外，所述平板喷丝头包括:喷头、喷头盖以及喷头与喷头盖之间的密封圈和导流板；其中，所述喷头为容器式结构，其底板上设有液腔，液腔上端设有开口，底板本体上设置与液腔内连通的所述多个喷孔；
[0013]所述喷头盖设置覆盖在所述喷头液腔的开口上，所述喷头盖上设有进液口 ；
[0014]所述喷头盖与所述喷头的液腔开口之间的接触处设置所述密封圈；
[0015]所述导流板设置在所述喷头的液腔内，导流板为设有多个导流孔的板式结构。
[0016]此外，所述喷头底板本体上设置的多个喷孔中，相邻三个喷孔之间呈正三角形分布，每圈喷孔呈正六边形外展。
[0017]此外，所述喷孔直径为0.1?3毫米，相邻喷孔的间距为I?50毫米。
[0018]此外，所述系统还包括:喷头位置驱动装置，与所述平板喷丝头连接，驱动平板喷丝头作直线往复运动。
[0019]此外，所述喷头位置驱动装置包括:控制装置、驱动装置和行程开关；其中，
[0020]控制装置分别与驱动装置和行程开关电连接，能根据行程开关发出的信号控制驱动装置；
[0021]所述行程开关设置在所述平板喷丝头安装位的两侧；
[0022]所述驱动装置与所述平板喷丝头连接，驱动平板喷丝头进行直线往复运动。
[0023]此外，所述高压静电发生器采用输出电压为5?100KV的直流高压静电发生器；
[0024]所述纤维传送装置由进料滚筒装置和出料滚筒装置构成，所述进料滚筒装置与出料滚筒装置分设在所述平板喷丝头与接收电极板之间区域的两侧。
[0025]此外，所述自动供液装置由计量泵和注射器连接而成，所述注射器的出液口与所述平板喷丝头的进液口连接；所述自动供液装置的流量控制范围为0.01?150mL/min。
[0026]本发明还给出一种制备纳米或亚微米精细纤维方法，该方法包括:
[0027]采用上述任一项所述的连续静电纺丝系统；
[0028]通过自动供液装置向平板喷丝头内输入纺丝溶液，通过高压静电发生器向平板喷丝头施加高压直流静电，使所述平板喷丝头与接地的接收电极板产生电场；
[0029]控制所述平板喷丝头上的高压直流静电，使所述平板喷丝头与接收电极板之间的电场力大于所述平板喷丝头的喷孔处纺丝溶液的表面张力，使平板喷丝头内的纺丝溶液从其喷孔内射流喷出包覆在所述平板喷丝头与接收电极板之间区域内穿过的基布或纤维帘上形成涂层，表面形成涂层的基布或纤维帘即为制得的纳米或亚微米精细纤维。
[0030]本发明的有益效果是:由于未设置多个针头式喷头作为喷丝装置，而是采用一具有多个喷孔的平板喷丝头，可以克服射流之间静电的干扰，从而形成均匀的喷射流来制备出直径均匀的纳米纤维，也可以避免传统静电纺丝设备的针头在制备纳米纤维的一些缺陷，如针孔堵塞、难清理、液滴、多个针孔间射流的相互排斥串扰、产率低等，设置的平板喷丝头易于清洗；平板喷丝头可以方便地拆卸和更换，可以根据所纺纤维的不同要求，通过改变平板喷丝头上喷孔的数量、喷孔直径等，来获得高品质的纳米纤维材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]下面给出实施例描述中所需要使用的附图。
[0032]图1为本发明实施例提供的系统结构示意图；
[0033]图2为本发明实施例提供的系统的平板喷头的结构示意图；[0034]图3为本发明实施例提供的系统的平板喷头的剖面示意图；
[0035]图4为本发明实施例提供的系统的平板喷头的整体结构示意图；
[0036]图5为本发明实施例提供的系统的平板喷头的多个喷孔排列示意图；
[0037]图6为本发明实施例提供的系统的纤维传送装置的进料滚筒装置示意图；
[0038]图7为本发明实施例提供的系统制备的聚丙烯腈纤维的SEM照片。
[0039]图8为图7所示系统制备的聚丙烯腈纤维产品直径统计图。
[0040]图中各标号对应的部件为:1_计量泵；2_注射器；3_高压静电发生器；4_控制装置；5_行程开关；6_平板喷丝头的喷孔；7_平板喷丝头；8_进料滚筒装置；9_出料滚筒装置；10_基布或纤维收集帘；11-接收电极板；
[0041]71-喷头；72-导流板；73-喷头盖；
[0042]80-支架；81_滚筒；82_电动机；83_电动机调速装置。
【具体实施方式】
[0043]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此为应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0044]本发明给出一种连续静电纺丝系统，是一种不用针头作为喷丝头的连续静电纺丝系统，如图1所示，该系统包括:高压静电发生器3、自动供液装置、平板喷丝头7、纤维传送装置和接收电极板11 ;
[0045]其中，高压静电发生器3与具有多个喷孔的平板喷丝头7电连接，高压静电发生器可采用输出电压为5?100KV的直流高压静电发生器，接收电极板11接地，接收电极板可采用铝箔制成的平板式结构；
[0046]平板喷丝头7与接地的接收电极板11之间相对并保持一定距离设置，可使平板喷丝头的多个喷孔朝上设置，接地的接收电极板11设置在所述平板喷丝头7的上方，可实现平板喷丝头向上喷射，使得平板喷丝头内的纺丝溶液不会滴到电纺接收材料上使得纤维质量恶化；
[0047]自动供液装置与平板喷丝头7的进液口连接；自动供液装置由计量泵I和注射器2连接而成，所述注射器I的出液口与所述平板喷丝头7的进液口连接。设置该自动供液装置可以满足连续自动输液，保持精密稳定地输液，自动供液装置的流量控制范围为0.01?150mL/min，同时记录并显示流速、流量、工作时间等参数，为静电纺丝连续化生产提供了保障，能使平板喷丝头7内液体的液面保持理想的弧形，多根射流能同时不间断地从弧形液面抽出。
[0048]纤维传送装置设置在所述平板喷丝头7与所述接收电极板11之间，纤维传送装置上输送的基布或纤维帘从所述平板喷丝头7与所述接收电极板11之间的区域穿过。纤维传送装置由进料滚筒装置8和出料滚筒装置9构成，进料滚筒装置8与出料滚筒装置9可分设在所述平板喷丝头7与接收电极板11之间区域的两侧，从而从进料滚筒装置8向出料滚筒装置9输送的基布或纤维帘从所述平板喷丝头与所述接收电极板之间的区域穿过，可由进料滚筒装置和出料滚筒装置方便的控制基布或纤维帘的平移速度，从而可以得到不同厚度的纳米纤维毡，并可以实现电纺纤维的大批量生产。
[0049]上述系统中的平板喷丝头如图2?5所示，具体包括:喷头71、喷头盖73以及喷头71与喷头盖73之间的密封圈和导流板72 ;其中，喷头为容器式结构，其底板上设有液腔，液腔上端设有开口，底板本体上设置与液腔内连通的所述多个喷孔；喷头盖73设置覆盖在所述喷头液腔的开口上，所述喷头盖73上设有进液口 ；喷头盖73与喷头71的液腔开口之间的接触处设置所述密封圈；导流板72设置在所述喷头71的液腔内，导流板72为设有多个导流孔的板式结构。这种结构的平板喷丝头可以方便地拆卸和更换，可以根据电纺纤维的不同要求,通过改变底板本体上喷孔的数量、喷孔直径等,来获得高品质的纳米纤维材料；平板喷丝头内的导流板可以使进入喷头的纺丝溶液均匀进入喷头盖，使得溶液能均匀的从喷孔中流出。
[0050]上述喷头71具体可采用圆柱形容器结构，该喷头底板本体上设置的多个喷孔中，相邻三个喷孔之间呈正三角形分布，每个喷孔直径为0.1?3毫米，相邻喷孔的间距为I?50毫米，每圈喷孔呈正六边形外展，这种结构的喷孔以及喷孔分布方式可保证扩大喷射出纺丝溶液的面积，提高静电纺丝的生产效率。
[0051]上述系统中还包括喷头位置驱动装置，与所述平板喷丝头连接，驱动平板喷丝头作直线往复运动。该喷头位置驱动装置具体包括:控制装置4、驱动装置和行程开关5 ;其中，
[0052]控制装置4分别与驱动装置和行程开关5电连接，能根据行程开关发出的信号控制驱动装置；行程开关设置在平板喷丝头安装位的两侧，平板喷丝头直线往复运动到位时能触发对应的行程开关；驱动装置与平板喷丝头连接，能驱动平板喷丝头进行直线往复运动。通过喷头位置驱动装置控制平板喷丝头以往复运动的方式进行喷丝，不但加大了喷丝面，且增加了制成纤维的均匀度。
[0053]上述系统中的纤维传送装置中的进料滚筒装置的结构如图6所示，由支架80上设置的滚筒81，驱动所述滚筒转动的电动机82以及调节电动机速度的电机速度调节器83连接。出料滚筒装置结构与进料滚筒装置结构一致，在此不再重复。
[0054]利用上述连续静电纺丝系统制备纳米或亚微米精细纤维方法，具体包括以下步骤:
[0055]通过自动供液装置向平板喷丝头内输入纺丝溶液，通过高压静电发生器向平板喷丝头施加高压直流静电，使所述平板喷丝头与接地的接收电极板产生电场；
[0056]控制所述平板喷丝头上的高压直流静电，使所述平板喷丝头与接收电极板之间的电场力大于所述平板喷丝头的喷孔处纺丝溶液的表面张力，使平板喷丝头内的纺丝溶液从其喷孔内射流喷出包覆在所述平板喷丝头与接收电极板之间区域内穿过的基布或纤维帘上形成涂层，表面形成涂层的基布或纤维帘即为制得的纳米或亚微米精细纤维。
[0057]利用该系统的操作流程具体为:打开总电源开关一打开高压直流电源以预热高压静电发生器一开启计量泵输液一打开高压发生器高压开关，调整电压，开始纺丝一打开控制箱及行程开关，喷头箱开始往复运动一打开进料滚筒及出料滚筒装置，调节电机转速从而调节基布或纤维收集帘平动速率一纺丝完毕后关掉计量泵，停止输液一关闭高压静电发生器高压开关，停止纺丝一关闭高压发生器的电源一关闭纤维传送装置的电源，停止基布或纤维收集帘的卷曲一关闭控制箱，停止喷头往复运动一关闭总电源开关一从纤维传送装置上取下纺好的纤维基布。
[0058]当使用本发明的系统，采用四孔无针喷头，以聚丙烯腈(PAN)进行纺丝时，采用PAN溶液的质量浓度为1.5g/mL?2.0g/mL,纺丝液注入计量泵，输液速度控制在0.0lmL/min?0.lmL/min。将高压静电发生器的电压调节到20kV,纤维传送装置以0.5m/min的速度平移，纤维传送装置与平板喷丝头的距离为20cm，所纺出的PAN纤维的SM照片(扫描电镜照片)如图7所示，PAN纳米纤维的直径约为426nm。
[0059]本发明的连续静电纺丝系统是一种去除针头的静电纺丝系统，避免针头在静电纺丝制备纳米纤维所存在针孔堵塞、难清理、液滴、多个针孔间射流的相互排斥串扰、产率低等缺陷，可以高效的制备纳米纤维。并且在工艺条件相同的情况下，利用该连续静电纺丝系统纺制的纳米纤维细度可比传统静电纺丝机制得的纤维直径小一半。
[0060]综上所述，本发明的系统的优点在于:结构简单，操作方便，通过采用具有多个喷孔的平板喷丝头，无的方式，可以克服设置多个针式喷头造成的射流之间静电干扰的问题，从而可形成均匀的纳米纤维，并可以避免喷头的堵塞等问题，平板喷丝头易于清洗，喷射均匀，从而可以制备出质量更好的电纺纤维。利用本发明系统，可将具有特殊功能的纳米微粒与纺织原料进行复合制得纳米纤维，从而开发出多功能、高附加值的纺织品，有效地改善织物性能。
[0061]上述仅是本发明较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限在这些实施例，本【技术领域】的技术人员在本发明披露技术范围内，可以想到的变化及替换，都在本发明保护范围内。因此，本发明保护范围以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种连续静电纺丝系统，其特征在于，该系统包括: 高压静电发生器(3)、自动供液装置、平板喷丝头(7)、纤维传送装置和接收电极板(11);其中， 所述高压静电发生器(3)与具有多个喷孔的平板喷丝头(7)电连接，接收电极板(11)接地； 所述平板喷丝头(7)与接地的所述接收电极板(11)之间相对并保持一定距离设置，所述平板喷丝头(7)的喷孔朝上设置，所述接收电极板(11)设置在所述平板喷丝头(7)的上方； 所述自动供液装置与平板喷丝头(7)的进液口连接； 所述纤维传送装置设置在所述平板喷丝头(7)与所述接收电极板(11)之间，纤维传送装置上输送的基布或纤维帘从所述平板喷丝头(7)与所述接收电极板(11)之间的区域穿过。
2.根据权利要求1所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述平板喷丝头包括:喷头(71)、喷头盖(73)、以及喷头(71)与喷头盖(73)之间导流板(72)。
3.根据权利要求2所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，其中所述喷头(71)为容器式结构，其底板上设有液腔，液腔上端设有开口，底板本体上设置与液腔内连通的所述多个喷孔； 所述喷头盖(73)设置覆盖在所述喷头液腔的开口上，所述喷头盖(73)上设有进液Π ；` 所述喷头盖(73)与所述喷头(71)的液腔开口之间的接触处设置有密封圈； 所述导流板(72)设置在所述喷头的液腔内，导流板(72)为设有多个导流孔的板式结构。
4.根据权利要求3所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述喷头(71)底板本体上设置的多个喷孔中，相邻三个喷孔之间呈正三角形分布，每圈喷孔呈正六边形外展。
5.根据权利要求3或4所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述喷孔直径为0.1-3毫米，相邻喷孔的间距为I-50毫米。
6.根据权利要求1所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述系统还包括:喷头位置驱动装置，与所述平板喷丝头连接，驱动平板喷丝头作直线往复运动。
7.根据权利要求6所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述喷头位置驱动装置包括:控制装置(4)、驱动装置和行程开关(5);其中， 控制装置(4)分别与驱动装置和行程开关(5)电连接，能根据行程开关(5)发出的信号控制驱动装置； 所述行程开关(5)设置在所述平板喷丝头(7)安装位的两侧； 所述驱动装置与所述平板喷丝头(7)连接，驱动平板喷丝头(7)进行直线往复运动。
8.根据权利要求1所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述高压静电发生器(3)采用输出电压为5-100KV的直流高压静电发生器； 所述纤维传送装置由进料滚筒装置(8)和出料滚筒装置(9)构成，所述进料滚筒装置(8)与出料滚筒装置(9)分设在所述平板喷丝头(7)与接收电极板(11)之间区域的两侧。
9.根据权利要求1所述的连续静电纺丝系统，其特征在于，所述自动供液装置由计量泵(I)和注射器(2)连接而成，所述注射器(I)的出液口与所述平板喷丝头(7)的进液口连接；所述自动供液装置的流量控制范围为0.0l-150mL/min。
10.一种制备纳米或亚微米精细纤维方法，其特征在于，该方法包括: 采用上述权利要求1-9任一项所述的连续静电纺丝系统； 通过自动供液装置向平板喷丝头⑵内输入纺丝溶液，通过高压静电发生器(3)向平板喷丝头(7)施加高压直流静电，使所述平板喷丝头(7)与接地的接收电极板(11)产生电场； 控制所述平板喷丝头(7)上的高压直流静电，使所述平板喷丝头(7)与接收电极板(11)之间的电场力大于所述平板喷丝头(7)的喷孔处纺丝溶液的表面张力，使平板喷丝头(7)内的纺丝溶液从其喷孔内射流喷出包覆在所述平板喷丝头(7)与接收电极板(11)之间区域内穿过的基布或纤维帘上形成涂层，表面形成涂层的基布或纤维帘即为制得的纳米或亚微米精细纤维。`
【文档编号】D01D5/00GK103451749SQ201210172374
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】杨大祥, 魏梧淞 申请人:湖南博弈飞装备新材料研究所