专利名称：一种多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种静电纺丝装置，具体为ー种多辊实心针电极纳米纤维非织造布生
产装置。
背景技术：
纳米纤维狭义上是指直径小于IOOnm以下纤维，由于其直径极细，使得纤维的比表面积发生了质的飞跃，极大地提高了其表面能，从而赋予了其特殊的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在物理(光、热、电磁等)、化学等性质方面均表现出优异特性，成为未来二十一世纪的研究热点。纳米纤维非织造布在环保过滤材料、纳米复 合增强材料、组织工程支架、药物释放载体、光电器件、催化材料等方面具有广泛的应用前
旦
-5^ O静电纺丝是目前制备纳米纤维非织造布的最有效技术之一，该技术于1934年由美国人 Formnals Il 先发明[A. FORMHALS. Process and apparatus for preparingartifical threads USA, 1975504[P] 1934.],其核心是在高压静电场カ的作用下的聚合物溶液或熔体产生喷射射流，喷射状的纺丝细流在空气中将发生“扰动现象”又分裂成许多更微细的纤维细流，不断拉伸变细，同时细流中溶剂挥发(或熔体细流冷却)，纤维固化成形，被收集装置接受，得到纳米纤维非织造布。静电纺种类包括溶液静电纺和熔融静电纺两大类，其中溶液静电纺由于其设备及エ艺简单而得到快速发展。溶液静电纺丝机或装置主要包括喷丝头、纺丝液供给系统、高电压发生器和纤维收集板四大主要部分。传统静电纺丝机采用单金属毛细针管为喷丝头，如中国专利 200420020596. 3，200410025622. 6，200420107832. 5 等所公开的技术，美国专利US6753454, US6656394, US6713011 等所公开的技术。随着静电纺纳米纤维非织造布受到エ业界日益重视，传统单针管静电纺丝机由于产率较低，无法满足大規模应用的需求，已经成为制约其进ー步发展的瓶颈问题。提高电纺纳米纤维产量已成为专家、学者共同关心和面对的问题。在单针静电纺装置的基础上，许多学者开发了多针静电纺丝装置，Theron等将多个金属针管按照直线排列或矩阵排列的多喷头静电纺丝机[S.A. THERON, A. L. YARIN，E.ZUSSMAN, E.KROLL. Multiple jets in electrospinning !experiment and modeling.Polymer, 2005,46 (9) :2889-2899.]，国际上也出现了很多类似专利，如 TO2005/073441 I、WO 2004/016839 Al、USA6, 382，526、USA，6，616，435B2 等。尽管多针静电纺丝技术在产量上有了大幅提高，而且通过合理布置针的位置可以降低多针间的相互干扰等问题。但是在成千上万个针头纺丝过程中，一旦某个或多个针头出现堵塞或滴液现象，将严重影响产品的均匀性、质量，而且清理工作繁琐，影响生产。2004年，由捷克的ELMARC0公司于制造出的旋转辊轴静电纺丝技术开创了无针静电纺丝技术的先河，并申请了专利(W02005/024101 Al)。该技术的主要原理是在储液池中安装部分浸入溶液的旋转金属辊轴(或刻有不同花纹)，纺丝液随着辊轴的旋转带到辊轴表面,在储液池内或棍轴上施加有一高压静电,在电场力作用下棍轴表面的纺丝液形成多股射流，遍布滚筒长度方向，因而可获得较高的产量，该设备产量可达I 15g/min，纤维直径约100 lOOOnm，为纳米纤维エ业化生产的目标实现奠定了坚实的基础。由于该纺丝喷丝区域是在辊轴表面，未使用传统的毛细金属针管，故称之为无针静电纺丝机。与针式静电纺丝相比，由于其纤维喷射方向朝上，避免了液滴的产生，而且具有较高产量。但该无针辊轴式静电纺丝设备在纺丝过程中需要比针式纺丝机更高的高压静电，其启动电压(纺丝液形成泰勒锥时的电压值)通常在40kV以上，其原因在于辊轴表面曲率较大，电场在其表面分布不集中，而且辊轴旋转时，其表面带液量较多，因此需要更高的电压来克服纺丝液的表面张カ而形成泰勒锥；此外，辊轴式无针头静电纺制的纤维直径较针式电纺纤维粗，一般在300nm以上，有的甚至超过I μπι;再则过高的电压值会导致击穿、漏电现象，对设备绝缘要求更高，纺丝能耗相应増加。涉及可无针头辊轴式静电纺丝装置专利还有中国专利
200410025622.6,200610036635.2,200710036447.4,200810032247.6等。从纺丝エ艺角度来讲，增大纺丝液浓度也在一定程度上有助于提高静电纺纳米纤维的产量，而且可減少溶剂使用量，降低生产成本和环境污染。然而，纺丝液溶度越大，其粘 性也越大，高浓度纺丝液在毛细针管中挤出困难，将加速喷射头堵塞；在无针辊轴表面带液量过多而导致纺丝困难，甚至无法进行静电纺丝。迄今为止，鲜有适于高浓度纺丝液的静电纺丝装置文献及专利报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供ー种多辊实心针电极纳米纤维非织造布エ业化生产装置。该生产装置特别设计了实心针电极喷丝辊，很好地解决了现有在毛细针管电纺丝过程中堵塞、滴液现象和无针辊轴纺丝过程中纺丝电压高、纤维直径粗的问题，攻克了高浓度纺丝溶液的电纺纳米纤维技术难点。本发明解决所述生产装置技术问题的技术方案是设计ー种多辊实心针电极纳米纤维非织造布エ业化生产装置，该生产装置主要包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4、高压静电发生器5。本发明所设计的带液辊2，其特征在于其材质为塑料或橡胶辊中的ー种。本发明所设计的实心针电极喷丝辊3，其特征在于该喷丝辊由金属轴31和实心针电极32组成；所述实心针电极32，特征在于其针形结构为叉形、圆柱形、棱柱形、圆锥形、棱锥形等中的ー种；所述实心针电极32与金属轴31紧密连接。与现有静电纺装置相比，本发明所设计的多辊实心针电极纳米纤维非织造布エ业化生产装置是利用转液辊2将储液池中的纺丝液均匀转移至其表面，然后再转移至实心针电极喷丝辊3的实心针电极32的针尖外表，有效解决了现有毛细管针式静电纺针孔堵塞现象；同吋，由于纺丝溶液经由转液辊2的过渡作用，可使实心针电极32的针尖外表带液量均匀，更为突出的是，该电纺装置中针尖处电场最为集中，电场强度最大，有助于形成稳定的泰勒锥射流，极大降到了纺丝电压，可满足高浓度纺丝液的电纺纳米纤维批量制备。此外，该生产装置亦可适用低溶度的纺丝液。
图I是本发明双辊实心针电极纳米纤维生产装置一种实施例的整体结构示意图；图2是本发明三辊实心针电极纳米纤维生产装置一种实施例的整体结构示意图；图3是本发明实心针电极纳米纤维生产装置一种实施例的实心电极喷丝辊的结构示意图；图4是本发明叉形实心针电极示意图；图5是本发明圆柱形实心针电极示意图；图6是本发明圆锥形实心针电极示意图；图7是本发明三棱锥形实心针电极示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一歩叙述本发明，但本发明的权利要求范围不受具体实施例的限制。本发明设计的多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置(简称装置，參见图I、
2)包括储液池1，储液池I上装有转液辊2，转液辊2的表面设有ー个或多个实心针电极喷丝辊3，实心针电极喷丝辊3的正上方安装有接收装置4 ;所述实心针电极喷丝辊3由金属轴31和实心针电极32组成；所述实心针电极喷丝辊3通过金属轴31与高压静电发生器5的正极51连接；所述接收装置4包括无孔网帘41和接地极板42等组成，所述高压静电发生器5的负极52与接收装置4中的接地极板42与地线连接。所述储液池I材质为超过分子量聚こ烯树脂，该树脂具有极高的強度和模量，同时兼备良好电绝缘性，耐有机溶剂、强酸、强碱以及极佳的熔接加工特性；所述储液池I设计了进液ロ 11和出液ロ 12，电纺过程中纺丝液不断从进液ロ 11补充，以保证纺丝液面与出液ロ 12平齐，其作用是为了控制转液辊2旋转过程中带液量稳定。所述转液辊2材质为聚丙烯树脂，外表包缠有氟橡胶。聚丙烯树脂和氟橡胶均具有优良的耐酸碱、耐有机溶剂和良好的电绝缘性等；所述带液辊2尺寸可设计，幅宽范围为20 200cm，优选100 150cm，半径范围为5 50cm，优选20 30cm。本发明特别设计一种实心针电极喷丝辊3，所述实心电极喷丝辊3由金属轴31和实心针电极32组成(參照图3);所述金属轴可为空心轴，亦可为实心轴，优先选择空心轴，空心轴更有助于高压静电发生器5发生的高压直流电传递至实心针电极32及其表面纺丝液；金属轴31和实心针电极32材质可为金、铜、铁等导电金属,优选铜。所述实心针电极喷丝辊3幅宽与带液辊一致，半径(实心针针尖距轴心距离)范围为3 20cm，优选5 IOcm ;所述的实心针电极22植针密度为I 16针/cm2，优选4 8针/cm2。喷丝辊3半径越大，植针密度越高，射流形成数量越多，产量越高，但所需电压也相对较高。所述实心针电极32，特征在于针形结构为叉形、圆柱形、圆锥形、棱锥形等中的一种(參照图4、5、6)，优先选择叉形结构；所述实心针电极32，其特征在于针长I 4cm，优选2 3cm，实心针针尖与转液辊表面距离为O. I 1mm。针尖与转液辊表面距离越近，实心针电极针尖所携帯的纺丝液量也越多，其生产效率会略有増加，同样需要的电压也高。所述接收装置4包括无孔网帘41和接地极板42等组成，所述无孔网帘41表面镀有致密金属银薄膜层，镀层作用是加速纳米纤维中表面电荷逸散；所述接地极板42接地。
所述高压静电发生器5为公知市售高压直流电源，电压范围为O IOOkV ;所述高压静电发生器5的正极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31与相连，负极52接地；所述高压静电发生器作用是使实心针表面纺丝液带上高压电，并与接地极板42形成高压静电场，以使纺丝液在高压电场作用下牵伸细化成纳米纤維。本发明装置的基本工作原理是纺丝液通过进液ロ 11注入储液池I中，安装在储液池上的转液辊2在外カ驱动下以I 30r/min速度转动，随着转液辊2的旋转而使得其氟橡胶表面带上一定量的纺丝液，此时，实心针电极喷丝辊3也按照一定速率旋转，旋转速度为I 10r/min，实心针电极32与转液辊2表面纺丝液接触后而使得其针尖带上均匀的纺丝液；实心针电极32通过金属轴31与高压静电发生器5的正极51相连，由高压静电发生器所产生的直流高压电(15 60kV)通过金属轴传递到实心针电极32针尖表面的液滴，并与接收装置4中的接地极板42形成高压电场(二者之间距离10 25cm可调)，这样，实心针电极32针尖表面液滴在电场作用下形成大量的泰勒锥，进而产生大量的纤维射流。在高压静电场的作用下，射流经历了加速、扰动、分裂等过程后，不断变细，并在空气中冷却或溶剂挥发成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上，形成分布均匀、平均直径在50 500nm，幅宽为20 200cm的纳米纤维非织造布。与现有的多针管静电纺丝机以及无针辊式静电纺丝机相比，本发明特别设计的实心针电极喷丝辊由于液滴在实心针电极22针尖表面，可胜任浓度高达25%以上纺丝液电纺纳米纤维生产，且其临界电压通常不高于25kV，其生产效率可在20g/min以上，制备的纳米纤维直径范围为50 500nm，平均直径小于400nm。
本发明未述及之处适用于现有技术。实施例I如图I所示的ー种双辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4和高压静电发生器5等。所述转液辊2幅宽为20cm，半径为5cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为5cm，选择如图4所示的叉形实心针电极，实心针电极32针长为1cm，叉ロ宽度为O. 5mm,植针密度为6针/cm2，针尖与带液辊3氟橡胶表面的距离为O. 5mm。工作吋，将30%的聚こ烯醇/水纺丝液由进液ロ11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以15r/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为3r/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相连，输出40kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的正上方设有接收装置4，设定二者之间的距离为18cm ；此时，在多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了一个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为40 160nm，平均直径约80nm，产率约为30g/min。该溶液体系启动电压为20kV。实施例2如图I所示的ー种双辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4和高压静电发生器5等。所述转液辊2幅宽为200cm，半径为50cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为20cm，选择如图5所示的圆柱形实心针电极，实心针电极32针长为4cm，植针密度为16针/cm2，针尖与转液辊3氟橡胶表面的距离为1mm。工作吋，将6%的聚こ烯吡咯烷酮/こ醇纺丝液由进液ロ 11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以30r/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为10r/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相连，输出15kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的正上方设有接地的接收装置4，设定二者之间的距离为25cm;此时，在多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了ー个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为120 380nm，平均直径约210nm，产率约为180g/min。该溶液体系启动电压为15kV。实施例3如图I所示的ー种双辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4和高压静电发生器5等。所述转液辊2幅宽为IOOcm，半径为20cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为10cm，选择如图6所示的圆锥形实心针电极，实心针电极32针长为2cm，植针密度为16针/cm2，针尖与转液辊2氟橡胶表面的距离为O. 5mm。工作吋，将25%的聚氨酯/N，N-ニ甲基甲酰胺纺丝液由进液ロ 11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以25r/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为5r/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相连，输出30kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的正上方设有接收装置4，设定二者之间的距离为20cm ；此时，在多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了ー个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为90 190nm，平均直径约130nm，产率约为90g/min。该溶液体系启动电压为15kV。实施例4如图2所示的ー种三辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4和高压静电发生器5等。所述带液辊2幅宽为80cm，半径为10cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为2cm，选择如图7所示的三棱锥形实心针电极，实心针电极32针长为3cm，植针密度为8针/cm2，针尖与带液辊2氟橡胶表面的距离为O. 8mm。工作吋，将30%的聚乳酸/1，2-ニ氯こ烷纺丝液由进液ロ 11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以10r/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为3r/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相连，输出35kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的正上方设有接收装置4，设定二者之间的距离为15cm ;此时，在 多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了一个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为180 380nm，平均直径约230nm，产率约为160g/min。该溶液体系启动电压为20kV。实施例5如图2所示的ー种三辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4和高压静电发生器5等。所述转液辊2幅宽为40cm，半径为20cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为5cm，选择如图4所示的三棱锥形实心针电极，实心针电极32针长为1cm，植针密度为3针/cm2，针尖与转液辊2氟橡胶表面的距离为O. 6mm。工作吋，将28%的聚氨酷/聚丙烯腈/N，N-ニ甲基甲酰胺纺丝液由进液ロ 11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以16r/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为8r/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相 连，输出35kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的正上方设有接收装置4，设定二者之间的距离为18cm ;此时，在多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了ー个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为180 380nm，平均直径约230nm，产率约为250g/min。该溶液体系启动电压为19kV。实施例6如图2所示的ー种三辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4、高压静电发生器5和接等。所述转液辊2幅宽为120cm，半径为10cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为3cm，选择如3所示的叉形实心针电极，实心针电极32针长为1cm，植针密度为I针/cm2，针尖与转液辊2氟橡胶表面的距离为O. 1mm。工作吋，将50%的铝盐溶胶凝胶纺丝液由进液ロ 11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以lr/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为lr/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相连，输出45kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的E方设有接收装置4，设定二者之间的距离为23cm ;此时，在多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了ー个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为280 480nm，平均直径约360nm，产率约为40g/min。该溶液体系启动电压为25kV。实施例7如图2所示的ー种三辊实心针电极纳米纤维生产装置，包括储液池I、转液辊2、实心针电极喷丝辊3、接收装置4和高压静电发生器5等。所述转液辊2幅宽为200cm，半径为50cm，所述实心针电极喷丝辊3半径(实心针针尖距轴心距离)为3cm，选择如3所示的叉形实心针电极，实心针电极32针长为1cm，植针密度为16针/cm2，针尖与转液辊2氟橡胶表面的距离为O. 1mm。工作吋，将5%的聚こ烯吡咯烷酮/L醇纺丝液由进液ロ 11注入储液池I中，过量纺丝液经由出口 12流出，转液辊2在外カ驱动下以15r/min转动速度转动，实心针电极喷丝辊3转动速度为15r/min，待喷丝辊3转动稳定后打开高压静电发生器5，高压静电发生器5正电极51与实心针电极喷丝辊3的金属轴31相连，输出40kV的直流高压静电，在多针喷丝辊3的正上方设有接收装置4，设定二者之间的距离为20cm ;此时，在多针喷丝辊3与接收装置4的接地极板42之间形成了ー个高压静电场，实心针31针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并 在空气中冷却成型，最終以纳米纤维的形式沉积在接收装置4上所生产的纳米纤维的平均直径约为60 120nm，平均直径约90nm，产率约为20g/min。该溶液体系启动电压为15kV。
权利要求
1.一种多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置，该生产装置主要包括储液池、转液辊、实心针电极喷丝辊、接收装置、高压静电发生器。
2.根据权利要求I所述带液辊材质为聚丙烯树脂，外表包缠有氟橡胶，幅宽为20 200cm,半径范围为5 50cm。
3.根据权利要求I所述实心针电极喷丝辊，其特征在于由金属轴和实心针电极组成，幅宽与带液辊保持一致，半径为3 20cm ； 所述的实心针电极植针密度为I 16针/cm2。
4.根据权利要求I或3所述实心针电极，特征在于其针形结构为叉形、圆柱形、棱柱形、圆锥形、棱锥形等中的ー种；所述实心针电极，其特征在于针长I 4cm，针尖与带液辊氟橡胶表面距离为O. I 1mm。
全文摘要
本发明公开一种多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置，该生产装置主要包括储液池、转液辊、实心针电极喷丝辊、接收装置、高压静电发生器；所述带液辊2材质为聚丙烯树脂，外表包缠有氟橡胶，幅宽为20～200cm，半径范围为5～50cm；所述实心针电极喷丝辊3幅宽与带液辊保持一致，半径为3～20cm；所述的实心针电极22植针密度为1～16针/cm2；所述实心针电极，特征在于其针形结构为叉形、圆柱形、棱柱形、圆锥形、棱锥形等中的一种；所述实心针电极22，其特征在于针长1～4cm，针尖与带液辊表面距离为0.1～1mm。本发明生产装置可胜任浓度高达25％以上纺丝液电纺纳米纤维生产，且其临界电压通常不高于25kV，其生产效率可在20g/min以上，制备的纳米纤维直径范围为50～500nm，平均直径小于400nm。
文档编号D04H1/728GK102704192SQ20121020912
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者刘亚, 刘雍, 庄旭品, 康卫民, 程博闻, 蔡占军, 赵义侠, 闫静 申请人:天津工业大学