专利名称：一种规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置的制作方法
技术领域：
本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及ー种能够快速、大規模制备微纳米纤维的线状喷头结构的静电纺丝装置，特别是一种规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置。
背景技术：
静电纺丝方法制得的纳米纤维材料具有比表面积大、孔径尺寸小等特点，这些纤维材料在高效过滤材料、生物医用材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域均有很好的应用前景。然而，目前其生产装置仍以单针头静电纺丝装置为主，其生产率极低(0.1-1克/小吋)，主要用于科学研究，难以满足エ业化、产业化需要。近几年，各国科学家 及相关专业研究人员均在对此问题进行攻关，依据多射流的获得来提高产量的思路，先后提出了改制单针头、多针头、无针头的静电纺丝装置。考虑到针头供液的易堵性，及多针头排列的结构复杂性，无喷头静电纺丝装置得到了广泛的关注。目前，世界上有些研究者的结果已经使静电纺丝初歩从实验室走向了应用的阶段，比较有代表性的是捷克利贝雷茨技术大学与爱勒马可(ELMARC0)公司合作生产的纳米纤维纺丝机“纳米蜘蛛”，其制备的纳米纤维毡已经初步进入了商业应用阶段，该纺丝机消除了喷丝头的限制，提高了静电纺丝的生产效率；但是该技术还没有十分完善，它对纺丝液的要求苛刻，静电纺丝所需要的电场强度很大；它还需要有真空装置和吹风装置等辅助系统来完成纺丝过程；该纺丝装置结构比较复杂，纺丝エ艺要求高，而且圆筒上的薄膜极易越来越厚，不易于泰勒(Taylor)锥的形成。国内有很多高校及科研院所也在从事静电纺丝规模化的研究，例如中国专利“共轴复合连续纳/微米纤维的多喷头静电纺丝装置”(专利申请号200310109222)中提到的纺丝装置通过增加喷头一定程度上増加了纺丝量，但是该设备结构比较复杂，エ艺不容易控制，喷出丝后，溶剂不易及时挥发，可能导致纤维间相互粘连在一起，造成纤维粗细不均匀等缺点；中国专利“超细聚合物纤维高速气吹静电纺丝复合制备方法及装置”(专利申请号200710009595)通过高速气流提高静电纺丝速度，与单针头纺丝相比速度可以提高10倍以上，具有较好应用前景，但该专利对外界条件(高速气流)依赖性强，且结构相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计制作ー种可用于规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置，以细的金属链条为纺丝喷头，通过细的金属链条的传动实现纺丝溶液在金属链条的涂覆，加上高电压后会在金属链条上形成ー维方向上的喷丝，通过增加射流数目，达到提高纺丝产量的效果。为了实现上述目的，本发明的主体结构包括供液釜、绝缘导管、供液泵、绝缘驱动滑轮、直流电机、绝缘基座、金属链条、调速器、纺丝收集极、金属棒电刷、高压电源正极、绝缘被动滑轮、高压电源负极、高压电源、微纳米纤维和绝缘杆；箱式结构的供液釜中盛有静电纺丝前驱体溶液，对称安装的两个供液泵与供液釜管道连通，从供液釜中抽取溶液，井分别通过各自的直径为2-4_的绝缘导管向宽度为1-4_的金属链条上的不同位置均匀输送纺丝溶液；板式绝缘基座上侧面左端安装有直流电机，板式绝缘基座的前侧边中心处制有调速器，调速器用以控制固定于绝缘基座上的直流电机的转速；板式结构的绝缘基座的长X宽X高分别为500 X 80 X 5mm，半径为10_20mm的绝缘驱动滑轮固定在直流电机的轴上并同步连动，绝缘被动滑轮的半径为10-20mm，固定安装在绝缘基板上侧面右端直立的绝缘杆上，绝缘被动滑轮绕绝缘杆自动转动，金属链条环绕在驱动滑轮和被动滑轮之间，两个滑轮的中心之间的距离为400-600mm，直流电机的转动通过两个绝缘滑轮转化成金属链条的传动；直立式固定在绝缘基座右端后侧的金属棒电刷的上端与金属链条滑动接触，金属棒电刷的下端牢固固定在绝缘基座上，并通过高压电源正极与高压电源的输出正极电相连，将来自于高压电源的电荷导入到金属链条上；纺丝收集极与高压电源负极电相连，纺丝收集极的几何尺寸的长X宽X高为600 X 100 X 5mm，纺丝收集极与绝缘基座之间悬空式对应平行固定安放，两者的平行间距能够在IO-IOOcm之间调节，以便收集静电纺丝制备的微纳米纤维。本发明装置的使用环境温度为20_30°C，环境相対湿度为30_60%RH ;先选取的纺丝溶液为质量百分比为13%的聚こ烯吡咯烷酮PVP溶液，将分子量为130万的PVP颗粒在磁カ搅拌下缓慢加入无水こ醇中，室温下磁力搅拌后静置即得PVP静电纺丝前躯体溶液；再 将配制好的PVP/こ醇纺丝溶液加入到供液釜中，调节纺丝收集极与金属链条之间的高度为15厘米，打开调速器开关，直流电机顺时针旋转，并调节转速为150转/分钟，打开高压电源开关，调节其电压为15千伏，高压电源产生的电荷经过金属棒电刷传到金属链条上，并与纺丝收集极之间产生高压电场；分别打开两个供液泵，使供液釜中的纺丝前驱体溶液经各自绝缘导管被抽送到金属链条上；导管ロ与金属链条之间有很小的间隙，纺丝溶液自绝缘导管出来后，由于金属链条的传动，会粘在金属链条上，金属链条与纺丝收集极之间有高压静电场，粘附在金属链条上的溶液产生泰勒锥并形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉イ申、固化，最后沉积在纺丝收集极上；纺丝结束后，先关闭供液泵电源，待金属链条上的残留溶液电纺完毕并不再有射流产生时，关闭高压电源的电源；最后调节调速器，将直流电机关闭，纺丝过程结束，制得PVP微纳米纤维。本发明与现有技术相比，一是结构简单，仅依靠金属链条的传动进行纺丝，不需要额外的气氛环境和辅助设施；ニ是无针头设计，没有针头就不会出现针头堵塞现象，可以进行长时间持续电纺；三是纺丝速率高，以细金属链条作为线状喷头，金属链条由小的金属扣相互嵌套组成，在满足导电的同时也可以方便的实现两个滑轮之间的传动，此外，每ー个凸起的金属扣相当于ー个喷丝头，ー维方向上密集排列的喷丝头大大增加了纺丝速率，单个装置的产丝量可达70克/小时左右(纺丝材料为分子量130万的聚こ烯吡咯烷酮PVP微纳米纤维)；四是纺丝量易控，由供液泵通过导管向纺丝区间提供溶液，正常纺丝的前提下，纺丝量完全由供液速度决定，因此，通过控制供液速度，可方便的实现对纺丝量(包括纤维膜厚度)的控制；其整体结构简単，原理可靠，使用操作方便，电纺效率高，纺丝质量好，可以エ业化生产，生产环境友好。
图I为本发明的主体结构采用线状纺丝喷头式的原理示意图。图2为本发明实现电纺纤维纺丝过程的结构原理示意图。
图3为本发明制备的聚こ烯吡咯烷酮PVP微纳米纤维的光学显微镜照片。
具体实施例方式
下面通过实施例并结合附图作进ー步说明。实施例本实施例的主体结构包括供液爸I、绝缘导管2、供液泵3、绝缘驱动滑轮4、直流电机5、绝缘基座6、金属链条7、调速器8、纺丝收集极9、金属棒电刷10、高压电源正极11、绝缘被动滑轮12、高压电源负极13、高压电源14、微纳米纤维15和绝缘杆16 ;箱式结构的供液釜I中盛有静电纺丝前驱体溶液，对称安装的两个供液泵3与供液釜I管道连通，从供液爸I中抽取溶液，并分别通过各自的直径为2-4_的绝缘导管2向宽度为1-4_的金属链条7上的不同位置均匀输送纺丝溶液；板式绝缘基座6上侧面左端安装有直流电机5，板式绝缘基座6的前侧边中心处制有调速器8，调速器8用以控制固定于绝缘基座6上的直流电机5的转速；板式结构的绝缘基座6的长X宽X高分别为500 X 80 X 5mm，半径为10-20mm的绝缘驱动滑轮4固定在直流电机5的轴上并同步连动，绝缘被动滑轮12的半径为10-20mm，固定安装在绝缘基板6上侧面右端直立的绝缘杆16上，绝缘被动滑轮12绕绝缘杆16自动转动，金属链条7环绕在驱动滑轮4和被动滑轮12之间，两个滑轮的中心之间的距离为400-600mm，直流电机5的转动通过两个绝缘滑轮转化成金属链条7的传动；直立式固定在绝缘基座6右端后侧的金属棒电刷10的上端与金属链条7滑动接触，金属棒电刷10的下端牢固固定在绝缘基座6上，并通过高压电源正极11与高压电源14的输出正极电相连，将来自于高压电源的电荷导入到金属链条7上；纺丝收集极9与高压电源负极13电相连，纺丝收集极9的几何尺寸的长X宽X高为600 X 100 X 5mm，纺丝收集极9与绝缘基座6之间悬空式对应平行固定安放，两者的平行间距能够在IO-IOOcm之间调节，以便收集静电纺丝制备的微纳米纤维15。本实施例实施的环境温度为24. 5° C，环境相対湿度为43%RH;具体制备エ艺为I)溶液选择选取的纺丝溶液为质量百分比为13%的聚こ烯吡咯烷酮PVP溶液，先将13克PVP (分子量130万)颗粒在磁力搅拌下缓慢加入87克无水こ醇中，室温下磁力搅拌4小吋，然后静置O. 5小吋，即得均匀透明的质量百分比为13%的PVP静电纺丝前躯体溶液；2)操作方法先将配制好的PVP/こ醇纺丝溶液加入到供液釜I中，调节纺丝收集极9与金属链条7之间的高度为15厘米，打开调速器开关8，电机顺时针旋转，并调节转速为150转/分钟(rpm)，打开高压电源开关14，调节其电压为15千伏，此时高压电源产生的电荷会经过金属棒电刷10传到金属链条7上，并与纺丝收集极9之间产生高压电场；分别打开两个供液泵3，供液釜I中的纺丝前驱体溶液就会经各自导管2被抽送到金属链条7上；绝缘导管ロ与金属链条7之间有很小的间隙，溶液自绝缘导管2出来后，由于金属链条7的传动，溶液会粘在金属链，7上，金属链条7与纺丝收集极9之间有高压静电场，粘附在金属链条7上的溶液会产生泰勒锥并形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化，最后沉积在纺丝收集极9上，如图2所示；纺丝结束后，先关闭供液泵电源3，经过约30秒左右，待金属链条7上的残留溶液电纺完毕，不再有射流产生时，关闭高压电源14的电源；最后调节调速器8，将直流电机5关闭，纺丝过程结束；图3为本实施例制备的PVP微纳米纤维的光学显微镜照片，其纤维呈无序状态，粗细均匀，与单个针头电纺制得的微纳米
纤维的形貌没有太大的区別。
权利要求
1.一种规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于包括供液釜、绝缘导管、供液泵、绝缘驱动滑轮、直流电机、绝缘基座、金属链条、调速器、纺丝收集极、金属棒电刷、高压电源正极、绝缘被动滑轮、高压电源负极、高压电源、微纳米纤维和绝缘杆；箱式结构的供液釜中盛有静电纺丝前驱体溶液，对称安装的两个供液泵与供液釜管道连通，从供液釜中抽取溶液，并分别通过各自的直径为2-4_的绝缘导管向宽度为1-4_的金属链条上的不同位置均匀输送纺丝溶液；板式绝缘基座上侧面左端安装有直流电机，板式绝缘基座的前侧边中心处制有调速器，调速器用以控制固定于绝缘基座上的直流电机的转速；板式结构的绝缘基座的长X宽X高分别为500 X 80 X 5mm，半径为10_20mm的绝缘驱动滑轮固定在直流电机的轴上并同步连动，绝缘被动滑轮的半径为10-20mm，固定安装在绝缘基板上侧面右端直立的绝缘杆上，绝缘被动滑轮绕绝缘杆自动转动，金属链条环绕在驱动滑轮和被动滑轮之间，两个滑轮的中心之间的距离为400-600mm，直流电机的转动通过两个绝缘滑轮转化成金属链条的传动；直立式固定在绝缘基座右端后侧的金属棒电刷的上端与金属链条滑动接触，金属棒电刷的下端牢固固定在绝缘基座上，并通过高压电源正极与高压电源的输出正极电相连，将来自于高压电源的电荷导入到金属链条上；纺丝收集极与高压电源负极电相连，纺丝收集极的几何尺寸的长X宽X高为600 X 100 X 5mm，纺丝收集极与绝缘基座之间悬空式对应平行固定安放，两者的平行间距能够在IO-IOOcm之间调节，以便收集静电纺丝制备的微纳米纤维。
2.根据权利要求I所述的规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于使用环境温度为20-30°C，环境相对湿度为30-60%RH ;先选取的纺丝溶液为质量百分比为13%的聚乙烯吡咯烷酮PVP溶液，将分子量为130万的PVP颗粒在磁力搅拌下缓慢加入无水乙醇中，室温下磁力搅拌后静置即得PVP静电纺丝前躯体溶液；再将配制好的PVP/乙醇纺丝溶液加入到供液釜中，调节纺丝收集极与金属链条之间的高度为15厘米，打开调速器开关，直流电机顺时针旋转，并调节转速为150转/分钟，打开高压电源开关，调节其电压为15千伏，高压电源产生的电荷经过金属棒电刷传到金属链条上，并与纺丝收集极之间产生高压电场；分别打开两个供液泵，使供液釜中的纺丝前驱体溶液经各自绝缘导管被抽送到金属链条上；导管口与金属链条之间有很小的间隙，纺丝溶液自绝缘导管出来后，由于金属链条的传动，会粘在金属链条上，金属链条与纺丝收集极之间有高压静电场，粘附在金属链条上的溶液产生泰勒锥并形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化，最后沉积在纺丝收集极上；纺丝结束后，先关闭供液泵电源，待金属链条上的残留溶液电纺完毕并不再有射流产生时，关闭高压电源的电源；最后调节调速器，将直流电机关闭，纺丝过程结束，制得微纳米纤维。
全文摘要
本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置，供液釜中盛有静电纺丝前驱体溶液，供液泵与供液釜管道连通并通过导管向金属链条输送纺丝溶液；绝缘基座上侧面左端安装直流电机，前侧边中心处制有调速器控制直流电机；绝缘驱动滑轮固定在直流电机的轴上同步连动，被动滑轮固定在绝缘基板上侧面右端的绝缘杆上绕绝缘杆转动，金属链条环绕在驱动滑轮和被动滑轮间，直流电机转动转成金属链条传动；固定在绝缘基座右端后侧的金属棒电刷上端与金属链条滑动接触，纺丝收集极与绝缘基座的平行间距在10-100cm；其整体结构简单，原理可靠，使用操作方便，电纺效率高，纺丝质量好，可以工业化生产，生产环境友好。
文档编号D01D4/02GK102864503SQ20121038057
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者龙云泽, 刘术亮, 孙彬, 张红娣, 曹桂全 申请人:青岛大学