一种包含丝状电极的静电纺丝装置及纳米纤维制备方法
【专利摘要】一种包含丝状电极的静电纺丝装置及纳米纤维制备方法，包括给料系统（1）、丝状电极（2）和接收系统（3）。所述丝状电极和接收系统设置在相互平行的两个平面上；所述给料系统在丝状电极上做横向往复运动，刷新包覆聚合物溶液；水平设置的丝状电极带高压静电，与水平设置的接收系统之间形成电场，接收系统在传输带带动下做纵向运动，丝状电极上的聚合物溶液在电场作用下分裂形成纳米纤维，沉积在接收系统上，形成纳米纤维膜。传统静电纺丝方法是电极包裹聚合物溶液，制备纳米纤维效率非常低，本发明是聚合物溶液包裹电极，制备效率显著提高；与传统的针头电极容易堵塞相比，丝状电极避免了溶液堵塞的问题，可实现连续加工制备纳米纤维。
【专利说明】
一种包含丝状电极的静电纺丝装置及纳米纤维制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种包含丝状电极的静电纺丝装置及纳米纤维制备方法，属纳米纤维制备技术领域。
【背景技术】
[0002]纳米纤维在水处理，空气过滤，生物医学材料以及新能源等领域有广泛的应用前景。静电纺丝作为一种加工制备纳米纤维非常有效的方法，一直是研究的热点。作为一种材料加工的方法，静电纺丝装置是制备纳米纤维的关键，传统静电纺丝装置使用单针头方式，产量低是静电纺丝技术从实验室走向工业化生产和应用的最大技术障碍，因此，提高静电纺丝效率成为这一领域急需解决的技术问题。
[0003]已有的提高静电纺丝效率的方法包括多喷头静电纺丝，多孔管静电纺丝，磁流体静电纺丝，气泡静电纺丝等，受喷头本身效率低下的影响，多喷头静电纺丝装置比单个喷头效率有所提高，但是纺丝效率仍然较低，且喷头间电场互相影响，导致纺丝不均匀，存在针头堵塞的缺陷。多孔管静电纺丝适当提高纺丝效率，但是需要气压辅助设备，结构较为复杂，同样存在孔意堵塞的问题。磁流体静电纺丝解决了针头纺丝易堵塞的问题，但是也存在较大缺陷，引入磁粉和硅油等杂质，严重限制了其应用。气泡静电纺丝没有传统纺丝针头堵塞的问题，但是存在设备结构复杂，纺丝不均匀的问题。捷克Elmarc0公司与贝利雷茨大学合作开发了首台纳米纤维纺丝机一纳米蜘蛛，使用转动的滚筒作为电极代替针头，解决针头堵塞的问题，聚合物溶液在滚筒表面形成Taylor锥，纺丝效率得到显著提高，可以连续生产纳米纤维材料，但是由于滚筒电极上的电场分布不均匀，获得的纤维均匀性不够，有待改进。可见提高静电纺丝效率关键在于电极的设计，基于此，本发明提出一种包含丝状电极的静电纺丝装置，在带电的丝状电极表面包覆聚合物溶液，经过电场力作用形成泰勒锥，分裂形成纳米纤维，堆积在纵向运动的接收系统基材上，纺丝效率显著提高，适合纳米纤维规模化制备。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，为了克服传统电极包裹聚合物溶液制备纳米纤维效率低下，电极容易堵塞的问题，本发明提供一种包含丝状电极的静电纺丝装置及纳米纤维制备方法。
[0005]本发明实现的技术方案是如下，
一种包含丝状电极的静电纺丝装置包括给料系统、丝状电极和接收系统。所述丝状电极和接收系统设置在相互平行的两个平面上;所述给料系统做横向往复运动在丝状电极上刷新包覆聚合物溶液;水平设置的丝状电极带高压静电，与水平设置的接收系统之间形成电场，接收系统在传输带带动下做纵向运动，丝状电极上的聚合物溶液在电场作用下分裂形成纳米纤维，沉积在接收系统上，形成纳米纤维膜。
[0006]所述丝状电极直径为0.丝状电极长度为200mm-1600mm;丝状电极数量为1-3000根。
[0007]所述高压静电的电压为8KV-40KV。
[0008]所述丝状电极与接收系统构成的电场距离为10cm-25cmo
[0009]所述给料系统往复运动速度为0.01m/s-0.lm/s，出料速度为3ml/h_3000ml/h。
[0010]所述接收系统的传输带移动速度为0.lm/s-lm/s。
[0011 ] 一种纳米纤维的制备方法步骤如下:
(I)根据聚合物性质以及材料用途要求配制具有一定粘度和浓度的聚合物溶液。
[0012](2)采用包含丝状电极的静电纺丝装置，设置静电纺丝装置参数;包括丝状电极的直径和数量、高压静电等级、电场距离，给料系统往复运动速度、出料速度和接收系统的传输带移动速度。
[0013](3)装置正常运转后聚合物溶液在带电的丝状电极表面经过电场力作用形成泰勒锥，分裂形成纳米纤维，堆积在接收系统基材上，获得纳米纤维膜材料。
[0014]与传统方法比较，本发明的有益效果是，传统静电纺丝方法是电极包裹聚合物溶液，制备纳米纤维效率非常低，本发明是聚合物溶液包裹电极，制备效率显著提高；与传统的针头电极容易堵塞相比，丝状电极避免了溶液堵塞的问题，可实现连续加工制备纳米纤维，此外通过使用特殊表面形状的丝状电极可以进一步提高纳米纤维制备效率;丝状电极经过简单的并列排列就可实现纳米纤维规模化生产，生产效率显著提高，解决传统针头电极制备纳米纤维效率低下的问题;使用丝状电极静电纺丝装置获得的纳米纤维直径更细，纤维直径分布更窄，纤维膜孔隙更加均匀。
【附图说明】
[0015]图1为本发明丝状电极静电纺丝装置示意图；图2为纳米纤维扫描电镜照片(放大倍数200倍)；图3为纳米纤维扫描电镜照片(放大倍数4000倍)。
【具体实施方式】
[0016]
实施例1
使用单根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压30KV，给料系统往复运动速度
0.0 lm/s，出料速度3ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较单个喷头电极显著提高。
[0017]本实施例产品纳米纤维扫描放大倍数200倍的电镜照片如图2所示，纳米纤维扫描放大倍数4000倍的电镜照片如图3所示。
[0018]实施例2
使用单根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制10%聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压10KV，给料系统往复运动速度0.01m/s，出料速度3ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PAN纳米纤维膜。
[0019]实施例3
使用单根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制15%聚乳酸(PLA)的DMF溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离20cm，电压25KV，给料系统往复运动速度0.01m/s，出料速度3ml/h，传输带移动速度在
0.lm/s，收集获得PLA纳米纤维膜。
[0020]实施例4
使用6根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，电极排列间距5cm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压30KV，给料系统往复运动速度0.01m/s，出料速度18ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较实施例1单根电极系统显著提尚O
[0021]实施例5
使用6根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，电极排列间距5cm，配制10%聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压10KV，给料系统往复运动速度0.0lm/s，出料速度18ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PAN纳米纤维膜。
[0022]实施例6
使用15根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压30KV，给料系统往复运动速度0.0lm/s，出料速度45ml/h，传输带移动速度在
0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较实施例1和实施例4单根或6根电极系统显著提尚O
[0023]实施例7
使用15根直径为0.5mm的铜导线做丝状电极，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制15%聚乳酸(PLA)的DMF溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离20cm，电压25KV，给料系统往复运动速度0.01111/8，出料速度451111/11，传输带移动速度在
0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较实施例3的电极系统显著提高。
[0024]实施例8
使用单根直径为0.5mm表面经过粗糙处理的铜导线做丝状电极，提高电极与聚合物溶液的接触面积，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压30KV，给料系统往复运动速度0.0 lm/s，出料速度3ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较实施例1有所提高。
[0025]实施例8
使用多股细铜丝(直径0.1mm)经过缠绕成麻花绳状的单根绳做丝状电极，提高电极与聚合物溶液的接触面积，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压30KV，给料系统往复运动速度0.0lm/s，出料速度3ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较实施例1进一步提高。
[0026]实施例9
使用表面排列分布许多小孔的铜毛细管(直径1_)做丝状电极，毛细管中通空气，根据技术方案所述方法组建静电纺丝装置，电极长度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制参数条件:电极与接收基底之间距离15cm，电压30KV，给料系统往复运动速度0.0lm/s，出料速度5ml/h，传输带移动速度在0.lm/s，收集获得PVA纳米纤维膜，纺丝效率较实施例1进一步提尚。
【主权项】
1.一种包含丝状电极的静电纺丝装置，其特征在于，所述装置包括给料系统、丝状电极和接收系统;所述丝状电极和接收系统设置在相互平行的两个平面上;所述给料系统在丝状电极上做横向往复运动，刷新包覆聚合物溶液;水平设置的丝状电极带高压静电，与水平设置的接收系统之间形成电场，接收系统在传输带带动下做纵向运动，丝状电极上的聚合物溶液在电场作用下分裂形成纳米纤维，沉积在接收系统上，形成纳米纤维膜。2.根据权利要求1所述一种包含丝状电极的静电纺丝装置，其特征在于，所述丝状电极直径为0.丝状电极长度为200mm-1600mm;丝状电极数量为1-3000根。3.根据权利要求1所述一种包含丝状电极的静电纺丝装置，其特征在于，所述高压静电的电压为8KV-40KV。4.根据权利要求1所述一种包含丝状电极的静电纺丝装置，其特征在于，所述丝状电极与接收系统构成的电场距离为10cm-25cmo5.根据权利要求1所述一种包含丝状电极的静电纺丝装置，其特征在于，所述给料系统往复运动速度为0.01m/s-0.lm/s，出料速度为3ml/h-3000ml/h。6.根据权利要求1所述一种包含丝状电极的静电纺丝装置，其特征在于，所述接收系统的传输带移动速度为0.lm/s-lm/s。7.一种纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述方法的步骤为: (1)根据聚合物性质以及材料用途要求配制具有一定粘度和浓度的聚合物溶液； (2)采用包含丝状电极的静电纺丝装置，设置静电纺丝装置参数;包括丝状电极的直径和数量、高压静电等级、电场距离，给料系统往复运动速度、出料速度和接收系统的传输带移动速度； (3)装置正常运转后聚合物溶液在带电的丝状电极表面经过电场力作用形成泰勒锥，分裂形成纳米纤维，堆积在接收系统基材上，获得纳米纤维膜材料。
【文档编号】D04H1/728GK106012049SQ201610562143
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】孙复钱, 张鹏, 崔红敏, 董晓娜
【申请人】江西省科学院应用化学研究所