一种制备纳米纤维的静电纺丝装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，该装置主要包括喷液器、静电发生器、针状电极、平板电极、纺丝池、贮液池、接收帘。喷液器固定在纺丝池底部与贮液池相连，针状电极在纺丝池底部，与静电发生器相连；平板电极在纺丝池上方并与地连接，接收帘在平板电极下方。纺丝时，溶液以一定的压力和流量由贮液池送入喷液器，在喷液器顶端形成喇叭花状的薄液膜，静电发生器使针状电极和平板电极间形成静电场，在液膜顶端形成射流飞出，沉积在接收帘上形成纳米纤维毡。纺丝池内溶液被抽回贮液池。本发明的有益效果是：结构简单，成本低，纺丝液可循环，生产效率高，可实现纳米纤维的规模化生产，满足工业生产对纳米纤维及其相关产品的需求。
【专利说明】一种制备纳米纤维的静电纺丝装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可制备纳米纤维的静电纺丝装置，属于纺织和新材料【技术领域】，具体以一种喷液器喷射类似喇叭花形状的薄液膜，并在高压静电发生器、电极以及接收帘等共同作用下该液膜顶端有多股射流产生并最终形成纳米纤维毡的装置。
【背景技术】
[0002]静电纺丝技术是一种利用静电力使聚合物溶液或熔体产生射流并最终固化为纳米纤维的技术。该技术的主要原理是首先使聚合物溶液或熔体形成表面弯曲的液滴、液柱膜、气泡、火山口状隆起等，然后利用静电力作用从曲面顶端喷出射流。射流在电场力、表面张力等作用下飞向负极板，期间被拉伸细化，溶剂蒸发，射流固化为纳米纤维并最终沉积在接收板上，形成纳米纤维毡。由静电纺丝技术获得的纳米纤维直径从数十纳米到数微米不等，其比表面积大，纤维间孔隙率高，已在纺织服装、环境工程、传感器、组织工程、药物缓释、能源材料和催化等方面获得了广泛应用。
[0003]传统的静电纺丝装置多采用类似注射器针头大小的喷丝头，因此喷丝头顶端形成的泰勒锥一般为直径约I毫米的小液滴。静电纺丝过程中小液滴顶端一般只喷射单根射流，纳米纤维产量较低，约为0.01-0.3g / h (可见文献《Needleless electrospinning:influences of fibre generator geometry》 (Niu H, Wang X, Lin T.The Journal oftheTextile Institute, 103 (7)，2012，787-794.))，不能满足工业化生产和应用对纳米纤维的需求。因此，国内外许多研究人员和企业纷纷研制新型静电纺丝方法及装置。
[0004]目前，常用的可提高纳米纤维产量的静电纺丝装置包括多喷头静电纺丝装置、旋转滚筒静电纺丝装置等。这些静电纺丝方法及装置可见文献《Experimentalinvestigations on the mult1-jet electrospinning process》 (A.Varesano,R.A.Carletto,and G.Mazzuchetti,,J Mater Process Tech, 209(11)(2009)5178-5185)、《Needleless electrospinning.1.A comparison of cylinder and disk nozzles》(H.Niu, T.Lin，and X.Wang,, J.Appl.Polym.Sc1.，114 (6) (2009) 3524-3530.)、《平行排列多喷头静电纺丝机纺丝状态及纤维结构》(潘方良，查帅冲，潘志娟，丝绸[J]，2012 (I)，21-26.)和中国专利如 CN200999274、CN101050550 等，美国专利如 US1975504、US2011 /0059261A1等，世界专利W02012 / 077867A1和欧洲专利EP2557206等。这些方法仍存在如设备复杂、成本高、技术不够完善、商业化生产困难等缺陷。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、设计合理、成本低且能够提高纳米纤维产量的静电纺丝装置。该装置包括纺丝系统、供液系统、接收系统和传动系统四个部分组成。其中纺丝系统包括喷液器、纺丝池、高压静电发生器、针式电极和平板电极组成，供液系统由贮液池、送液泵、抽液泵和导管组成；接收系统包括接收帘、送帘辊和卷帘辊组成；传动系统包括传动电机、带轮、轴承和导线组成。喷液器主要由喷液管和压嘴组成，下端固定在纺丝池底部中心位置，且由导管与压液泵相连，压液泵另一端与贮液池相连。纺丝池底部靠近壁端均匀分布有4个排液孔，排液孔由导管与抽液泵相连，抽液泵另一端与贮液池相连。针状电极为若干根竖直的金属细针组成，这些金属细针根据纺丝池形状可排列成同心圆形或矩阵形，安装在纺丝池底部，通过导线与高压静电发生器相连。平板电极固定在纺丝池正上方一定距离处并通过导线与大地连接，在纺丝池和平板电极之间有一接收帘，接收帘紧靠平板电极，由传动电机与送帘辊和卷帘辊相连。纺丝时首先将配置好的溶液装入贮液池，通过送液泵将纺丝液压入喷液器，由于喷液器上压嘴的折射作用形成喇叭花形状的薄液膜，类似传统静电纺丝的泰勒锥，在针状电极和平板电极间形成静电场，在静电力的作用下液膜顶端有射流射出，飞向接收帘，期间射流中溶剂挥发，射流固化为纳米纤维，沉积在接收帘上形成纳米纤维毡，经传动电机、送帘辊和卷帘辊使纳米纤维毡成卷。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007](I)制备聚合物溶液:将聚合物母粒及溶剂以适当的质量分数比浓度在搅拌器中搅拌混合均匀，静置1-2小时后，再把制备好的聚合物溶液送入贮液装置中备用；所述的聚合物是指可溶于水或其它有机溶剂的聚合物，包括但不仅限于聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈或聚酯；所述的溶剂包括但不仅限于水、乙醇、二甲基甲胺或氯仿；所述适当的质量百分比浓度是指所述聚合物溶液能够进行纺丝的适宜质量百分比浓度。
[0008](2)形成喇叭花状薄溶液膜:送液泵以适当的压力和流量将聚合物溶液从贮液池中经导管送入喷液器，在喷液器顶端向上喷射，液体由于受喷液器顶端压嘴的折射作用，所喷出的溶液形成液膜状，由于喷液管和压嘴都是圆形的，最终形成喇叭花状的薄溶液膜。该喇叭花状液膜的高度和直径可在送液泵处通过调节流量和压力进行调节。未参与纺丝的剩余纺丝液经纺丝池底部的排液孔排出并在抽液泵的作用下重新进入贮液池，实现纺丝液回收利用和纺丝循环。
[0009](3)形成多射流喷射:形成适当大小和高度的喇叭花状液膜后，打开高压静电发生器，在金属针和接收板电极间形成高压静电场。随着电压增加到一定值后，在静电场力的作用下，喇叭花状液膜顶端有多股射流射出，射流在电场力作用下飞向负极板，期间溶剂挥发，射流固化成纳米纤维。
[0010](4)接收纳米纤维:在接收板与纺丝池间装有一个宽度与接收板相同但长度长于接收板的接收帘，该接收帘紧贴接收板，调整接收板、接收帘与纺丝池顶端的垂直距离，以及接收帘的运动速度，使所获得的纳米纤维收集在接收帘上，并形成纳米纤维无纺布毡。
[0011]与现有技术相比，本发明通过引入喷液器，使聚合物溶液在喷液器顶端形成喇叭花状薄溶液膜以提高静电纺纳米纤维制备效率的装置，并经接收装置收集纳米纤维毡，方法简单且操作方便，可显著提高纳米纤维生产效率，降低生产成本，节约能源；该装置可在相对较低的电压下静电纺丝，降低了高电压条件对设备绝缘性要求；该装置喷射的喇叭花状液膜大小和高度可以方便调节，操作简单，且实现纺丝液循环使用，实施成本低，产量高，工业化推广容易。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0013]图1为本发明的静电纺丝装置的原理示意图。[0014]图2为本发明的静电纺丝装置中喷液器的原理示意图。
[0015]图3为本发明的静电纺丝装置中喷液器各部件的示意图。
[0016]图4为本发明的静电纺丝装置的圆形纺丝池、喷液器、针状电极和排液孔安装位置俯视示意图。
[0017]图5为本发明的静电纺丝装置的方形纺丝池、喷液器、针状电极和排液孔安装位置俯视示意图。
[0018]图6为本发明的喷液器使用倾角为80度的压嘴及形成的喇叭花状液膜和射流示意图。
[0019]图7为本发明的喷液器使用倾角为60度的压嘴及形成的喇叭花状液膜和射流示意图。
[0020]图8为本发明的喷液器使用倾角为20度的压嘴及形成的喇叭花状液膜和射流示意图。
[0021]图9为本发明的静电纺丝装置的圆形纺丝池、5个喷液器、针状电极和排液孔安装位置俯视示意图。
[0022]图中:1.喷液器2.高压静电发生器3.针状电极4.平板电极5.接收帘
6.贮液池7.纺丝池8.送液泵9.抽液泵10.送帘辊11.卷帘辊12.导管13.排液孔14.电机15.压嘴16.固定螺丝17.喇叭花状液膜18.射流I'喷液管。
【具体实施方式】
[0023]在图1中，本发明的静电纺丝装置，喷液器I由喷液管I'和压嘴15组成，其中压嘴15由固定螺丝16固定在喷液管I'上，喷液管下端固定在纺丝池7底部中心位置，且由导管12与送液泵8相连，送液泵8另一端与贮液池6相连。纺丝池7底部靠近壁端均匀分布有4个排液孔13，排液孔13由导管12与抽液泵9相连，抽液泵9另一端与贮液池6相连。针状电极3为若干根竖直的金属细针组成，这些针状电极3根据纺丝池形状可排列成同心圆形或矩阵形，安装在纺丝池7底部，通过导线与高压静电发生器2相连。平板电极4固定在纺丝池7正上方一定距离处并通过导线与大地连接，在纺丝池7和平板电极4之间有一接收帘5，接收帘5紧靠平板电极4，由传动电机14与送帘辊10和卷帘辊11相连。静电纺丝时首先将配置好的聚合物纺丝液装入贮液池6中，通过送液泵8以一定的压力将纺丝液送入喷液器1，由于喷液器I上压嘴的折射作用而形成喇叭花形状的薄液膜17，类似传统静电纺丝的泰勒锥。打开高压静电发生器2，在针状电极3和平板电极4间形成静电场，当电压达到一定时在静电力的作用下液膜17顶端有射流18射出，飞向接收帘5，期间射流中溶剂挥发，射流18固化为纳米纤维，沉积在接收帘5上形成纳米纤维毡，经传动电机14、送帘辊10和卷帘辊11共同作用使纳米纤维毡成卷。未纺丝的剩余溶液经纺丝池7底部的排液孔13排出并在抽液泵9的作用下重新进入贮液池6，进一步进行静电纺丝，实现纺丝液充分利用和循环使用。
[0024]本发明所述的技术方案中，所述纺丝液的适当质量百分比浓度主要与高分子聚合物材料及其分子量和所用良溶剂有关，例如所述的聚合物选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)时，其在水和乙醇质量比为1: 9比例的混合溶剂中溶解，当质量百分比浓度达到30%以上时，才可以满足所述工艺要求。而对于醇解度为86?89mol%、分子量2700?3200的聚乙烯醇时，在水和乙醇以质量比以1:1比例的混合溶剂中溶解，当质量百分比浓度达到10%以上时，才可以满足所述工艺要求。
[0025]下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步说明本发明，不构成对本发明申请权利要求的限制。
[0026]实施例1
[0027]设计一种提高纳米纤维制备效率的静电纺丝装置，包括喷液器1、高压静电发生器
2、针状电极3、平板电极4、接收帘5、贮液池6、纺丝池7、送液泵8、抽液泵9、送帘辊10、卷帘辊11、导管12、排液孔13、电机14、压嘴15、固定螺丝16、喇叭花状液膜17、射流18、喷液管1'，如图1所示。其中喷液器I中喷液管I'的高度为50mm，直径为20mm，喷液器I中压嘴15的高度为8mm，直径为30mm，压嘴15的倾角为80°，如图2、3、6所示；纺丝池7为圆形，直径为200mm，高度为80mm，玻璃材质，如图4所示；针状电极3长度为10mm、直径为0.5mm，实心结构；平板电极4长度和宽度均为220mm，厚度为1mm，平板电极4与纺丝池7顶端距离为50mm,平板电极4下方Imm处有一个幅宽为220mm且长度不限的接收帘5。
[0028]纺丝前，先称取聚乙烯醇粉末2000克，并与蒸馏水与以12%的质量比浓度混合，水浴加热(80°C )3-4小时后，静置两小时，制得聚乙烯醇纺丝液；然后将配置好的聚乙烯醇溶液装入贮液池6中，开启送液泵8，以30kpa压力和IL / h的流量将纺丝液压入喷液管Ii，在压嘴15的作用下在喷液器顶端形成喇叭花状液膜17。同时开启抽液泵9，将落入纺丝池7底部的未纺丝溶液经排液孔13抽出并注入贮液池6中。开启高压静电发生器2，电压升至20KV，在电场力的作用下，有多股射流18从喇叭花状液膜17顶端喷出，飞向平板电极4，期间溶剂挥发，射流18在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，被接收帘5收集，并在电机14、送帘辊10和卷帘辊11作用下成卷。获得的聚乙烯醇纳米纤维直径约30纳米到I微米不等，其中平均直径约600纳米。
[0029]实施例2
[0030]本实施例采用与实施I基本相同的装置和工艺，如图1所示。其变化在于:喷液器I高度为40mm，直径为22mm，喷液器I中压嘴15的高度为6mm，直径为36mm，压嘴15的倾角为60°，如图2、3、7所示；纺丝池7为方形，长和宽均为60mm，高度为65mm，有机玻璃材质，如图5所示；针状电极3长度为20mm、直径为0.9mm,空心结构；平板电极4长度和宽度均为80mm,厚度为0.7mm,平板电极4与纺丝池7顶端距离为40mm,平板电极4下方0.5mm处有一个幅宽为80mm且长度不限的接收帘5。
[0031]纺丝前，先称取聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)粉末1000克，并与水和乙醇以质量比为1: 9比例的混合溶剂中溶解，配制的质量比浓度为36%，水浴加热(30°C )3-4小时后，静置两小时，制得聚乙烯吡咯烷酮纺丝液；然后将配置好的聚乙烯吡咯烷酮溶液装入贮液池6中，开启送液泵8，以40kpa压力和2L / h的流量将纺丝液压入喷液管I'，在压嘴15的作用下在喷液器顶端形成喇叭花状液膜17。同时开启抽液泵9，将落入纺丝池7底部的未纺丝溶液经排液孔13抽出并注入贮液池6中。开启高压静电发生器2，电压升至30KV，在电场力的作用下，有多股射流18从喇叭花状液膜17顶端喷出，飞向平板电极4，期间溶剂挥发，射流18在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，被接收帘5收集，并在电机14、送帘辊10和卷帘辊11作用下成卷。获得的聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维直径约20纳米到I微米不等，其中平均直径约400纳米。[0032]实施例3
[0033]本实施例采用与实施I基本相同的装置和工艺，如图1所示。其变化在于:喷液器I高度为60mm，直径为16mm，喷液器I中压嘴15的高度为8mm，直径为24臟，压嘴15的倾角为20°，如图2、3、4、8所示；纺丝池7为圆形，直径为60mm，高度为80mm，玻璃材质，如图4所示；针状电极3长度为30mm、直径为0.6mm,实心结构；平板电极4长度和宽度均为70mm，厚度为1.5mm,平板电极4与纺丝池7顶端距离为30mm,平板电极4下方1.5mm处有一个幅宽为70mm且长度不限的接收帘5。
[0034]纺丝前，先称取聚丙烯腈聚合物粉末500克，并与溶剂二甲基甲酰胺以12%的质量比浓度混合，水浴加热(50V )3~4小时后，静置两小时，制得聚丙烯腈纺丝液；然后将配置好的聚丙烯腈纺丝液装入贮液池6中，开启送液泵8，以50kpa压力和4L / h的流量将纺丝液压入喷液管P，在压嘴15的作用下在喷液器顶端形成喇叭花状液膜17。同时开启抽液泵9，将落入纺丝池7底部的未纺丝溶液经排液孔13抽出并注入贮液池6中。开启高压静电发生器2，电压升至35KV，在电场力的作用下，有多股射流18从喇叭花状液膜17顶端喷出，飞向平板电极4，期间溶剂挥发，射流18在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，被接收帘5收集，并在电机14、送帘辊10和卷帘辊11作用下成卷。获得的聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维直径约40纳米到I微米不等,其中平均直径约300纳米。
[0035]实施例4
[0036]本实施例采用与实施I基本相同的装置和工艺，如图1所示。其变化在于:喷液器I高度为30mm，直径为18mm，喷液器I中压嘴15的高度为6mm，直径为22mm，压嘴15的倾角为45°，喷液器5个，如图2、3所示；纺丝池7为圆形，直径为200mm，高度为60mm，玻璃材质；针状电极3长度为25mm、直径为0.4mm,实心结构；平板电极4长度和宽度均为200mm，厚度为0.8mm，平板电极4与纺丝池7顶端距离为40mm，平板电极4下方1.2mm处有一个幅宽为200mm且长度不限的接收帘5。
[0037]纺丝前，先称取尼龙66粉末1000克，并与溶剂甲酸以20%的质量比浓度混合，水浴加热(80°C ) 3-4小时后，静置两小时，制得尼龙66纺丝液；然后将配置好的尼龙66纺丝液装入贮液池6中，开启送液泵8，以45kpa压力和2.5L / h的流量将纺丝液压入喷液管Ii，在压嘴15的作用下在喷液器顶端形成喇叭花状液膜17。同时开启抽液泵9，将落入纺丝池7底部的未纺丝溶液经排液孔13抽出并注入贮液池6中。开启高压静电发生器2，电压升至30KV，在电场力的作用下，有多股射流18从喇叭花状液膜17顶端喷出，飞向平板电极4，期间溶剂挥发，射流18在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，被接收帘5收集，并在电机14、送帘辊10和卷帘辊11作用下成卷。获得的尼龙66纳米纤维直径约20纳米到I微米不等，其中平均直径约380纳米。
【权利要求】
1.一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，该生产装置主要包括喷液器、高压静电发生器、针状电极、平板电极、纺丝池、贮液池、送液泵、抽液泵、导管、接收帘、送帘辊、卷帘辊、传动电机组成，其特征是:喷液器固定在纺丝池底由导管与送液泵相连，送液泵同时与贮液池相连，纺丝池底部近壁处有排液孔，由导管经抽液泵与贮液池相连，针状电极为若干根安装在纺丝池底部的金属针组成，并通过导线与高压静电发生器相连，平板电极固定在纺丝池正上方并通过导线与大地连接，纺丝池和平板电极间有一接收帘，接收帘紧靠平板电极，且两端与送帘辊和卷帘辊相连。
2.如权利要求1所述的一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于引入了喷液器，该喷液器主要由喷液管、压嘴和固定螺丝组成，当溶液以适当的压力和流量进入喷液器内，可以在喷液器顶端处形成喇叭花状液膜。
3.如权利要求1所述的一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于喷液器中使用了压嘴，该压嘴倾角范围为0-90度之间，可以保证产生的喇叭花状液膜的大小和高度可以调节。
4.如权利要求1所述的一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于针状电极可以是空心针，也可以是实心针。
5.如权利要求1所述的一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于纺丝池为绝缘材料制成。
6.如权利要求1所述的一种制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于纺丝池底部近壁处均匀分布有1-4个排液孔，排液孔经导管与抽液泵和贮液池相连，可以使得未纺丝溶液及时抽离纺丝池并回到贮液池重新参与纺丝过程。
【文档编号】D01D5/00GK103484954SQ201310479063
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】刘雍, 范杰, 康卫民, 程博闻, 刘健 申请人:天津工业大学