CN101215762A

CN101215762A - 高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和方法

Info

Publication number: CN101215762A
Application number: CNA2008100322476A
Authority: CN
Inventors: 王新厚; 李志民; 孙亚峰
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-01-03
Publication date: 2008-07-09

Abstract

本发明涉及一种高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，该装置是由供液***、金属滚筒、接收装置和纺丝溶液回收槽组成，其制备包括：(a)在溶解釜中配制好合适浓度的聚合物纺丝液，经过滤器后暂存于储液桶中；(b)将金属滚筒与高压静电发生器的正极相连接并施加适当的静电压，将铝制筛网接地；(c)使金属滚筒以适合的转速回转；(d)启动计量泵，纺丝液从储液桶定量供给均匀分配器，使纺丝液均匀分配给均匀分配器前端的喷孔，并由此溅射到旋转金属滚筒表面上以形成Taylor锥；(e)使卷绕滚筒回转，驱动纤维接收网运动，连续接收纳米纤维毡。这种连续纳米纤维毡的制备方法生产效率高，适用于静电纺丝的规模化生产。

Description

高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和方法

技术领域

本发明属静电纺纳米纤维毡领域，特别是涉及高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和制备方法。

背景技术

早在70年前，有人开始研究用静电纺丝方法制备纳米级纤维材料，目前已经可以制备出上百种聚合物纳米纤维。该方法工艺简单，操作方便，而且其纤维的直径比普通纺丝法所获得的纤维直径小100～1000倍，且具有巨大的比表面积和复杂的孔隙结构。这些独特的性能使得静电纺丝纤维材料具有广阔的应用前景，不仅可以用作高效的过滤材料，而且可以用于生物医学材料、化学传感器、防护材料、纳米复合材料等领域。

但是传统的静电纺丝方法一般采用单针头式静电纺丝装置，该方法生产效率很低，大约每小时产量为0.1～1.0克，远远不能满足工业化生产要求。近年来，为了提高静电纺丝生产效率，人们在纺丝装置和生产方法上作了一些研究。美国专利(US6616435B2、US6689374B2、US6713011B2、US6743273B2)设计了多喷头连续静电纺丝装置。中国专利(申请号200310109222.9，公开号CN1546753A)设计了共轴复合连续纳/微米纤维的多喷头静电纺丝装置。但是，在多喷头静电纺丝***中，周边喷头喷射出的纳米纤维因受到相邻喷头喷射的带有同种电荷的纳米纤维的静电排斥，导致周边喷头喷出的纳米纤维飞散，并且影响了溶剂的挥发，因此目前多喷头静电纺丝装置喷针头排列都较稀疏，一般两相邻喷头相距10～20厘米，大大制约了产量的提高。

欧洲专利(WO2005024101)设计了一种无喷头纳米纤维纺丝机：将带电金属棒部分浸没在其下方的聚合物溶液中，通过金属棒的旋转汲取溶液并将溶液带出到金属棒的表面以形成Taylor锥，然后在静电场作用下拉伸成丝。但实验证明，当金属棒在聚合物溶液中旋转时，特别容易在金属棒表面形成一层聚合物膜，随着实验的进行，聚合物膜的厚度会变厚，严重影响纺丝的进行。因此，此种静电纺丝方法，对金属棒浸入纺丝液的深度、金属棒的转速和溶液浓度等工艺参数的设置要求苛刻，一旦条件达不到，在金属棒表面就不能形成Taylor锥，从而使纺丝难以进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和方法，这种连续纳米纤维毡的制备方法生产效率高，适用于静电纺丝的规模化生产。

本发明的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，该装置是由溶解釜1、过滤器2、储液桶3、计量泵4、均匀分配器5、金属滚筒7、铝制筛网11、纤维接收网12、卷绕辊筒8、退绕辊筒9和溶液接收槽10组成，如图1所示。

所述均匀分配器是“T”型均匀分配器(图2)、衣架型均匀分配器(图3)，优选衣架型均匀分配器；

所述金属滚筒是沟槽式金属滚筒(图5)、角钉式金属滚筒(图6)，优选角钉式金属滚筒。

本发明中，溶解釜1、过滤器2、储液桶3、计量泵4、均匀分配器5组成供液***；铝制筛网11、纤维接收网12、卷绕辊筒8、退绕辊筒9组成接收装置。

在溶解釜1中制得的聚合物纺丝溶液，经过滤器2过滤，进入储液桶3，然后由计量泵4输送至均匀分配器5。纺丝溶液经过均匀分配器5前端的喷孔6，溅射到旋转的金属滚筒7表面上。金属滚筒7连接高压静电发生器正极，铝制筛网11接地，在此高压静电场作用下，金属滚筒7上的液滴被拉伸，通过溶剂挥发成丝，沉积于纤维接收网12上形成纳米纤维毡。纤维接收网12在退绕滚筒9和卷绕滚筒8的作用下，可实现纳米纤维毡的连续接收。从金属滚筒7滴落的未成丝聚合物溶液由溶液接收槽10接收回用。

本发明的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，是通过高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置实现，其具体步骤包括：

(a)在溶解釜1中配制好合适浓度的聚合物纺丝液，经过滤器2后暂存于储液桶3中；

(b)将金属滚筒7与高压静电发生器的正极相连接并施加适当的静电压，将铝制筛网11接地；

(c)使金属滚筒7以适合的转速回转；

(d)启动计量泵4，纺丝液从储液桶3定量供给均匀分配器5，使纺丝液均匀分配给均匀分配器5前端的喷孔6，并由此溅射到旋转金属滚筒7表面上以形成Taylor锥；

(e)使卷绕滚筒8回转，驱动纤维接收网12运动，连续接收纳米纤维毡。

所述聚合物纺丝液是聚合物溶于溶剂或溶剂和添加剂混合物而形成的溶液，可以是多种聚合物纺丝液，其中聚合物可以是聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸类高分子、聚酸酐中的一种或者是两种或多种的共混物。

所述的溶剂是水、氯仿、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、苯酚；

所述的添加剂是氯化钠、氯化锂、柠檬酸。

所述纳米纤维毡的纤维直径是200-600nm。

本发明的有益效果：

(1)该装置采用新的供液***，可以定量、均匀地将纺丝溶液分配到带电金属滚筒表面上，且保证了纺丝溶液的连续供应；

(2)带电旋转金属滚筒采用了上方溅射方式取液(图4)，即纺丝溶液由均匀分配器前端的喷孔流出，像雨滴一样依靠溶液的压力和重力滴落到旋转金属滚筒上，由于离心力作用，液滴在金属滚筒上容易形成Taylor锥，在高压静电场作用下容易克服溶液的表面张力，被拉伸变细成丝，有利于纺丝的进行，并且纺丝溶液在滴落到金属滚筒上之前不带有电荷，因而更有利于对纺丝液的控制；

(3)采用角钉式金属滚筒，当纺丝液滴落在金属滚筒表面时，由于角钉状突起的存在，容易形成Taylor锥，从而使静电纺丝更顺利；

(4)可以通过增加金属滚筒的长度以增加纺丝面积，进一步提高产量；

(5)采用双面接收，可进一步提高产量；

(6)采用衣架型均匀分配器，通过优化设计可使聚合物溶液在衣架型均匀分配器中的流径相同，从而使每个喷孔的聚合物流量相同，可提高纺丝液在金属滚筒上横向分布的均匀性，最终提高纳米纤维毡的横向均匀性；

(7)供液部件(均匀分配器)与纺丝部件(金属滚筒)分离，使纺丝溶液在滴落到金属滚筒表面之前不带电荷，因此可通过增加均匀分配器前端的喷孔密度以增加产量。

附图说明

图1是溅射式静电纺丝装置示意图，其中，1-溶解釜，2-过滤器，3-储液桶，4-计量泵，5-均匀分配器，6-喷孔，7-金属滚筒，8-卷绕辊筒，9-退绕辊筒，10-溶液接收槽，11-铝制筛网，12-纤维接收网；

图2是“T”型均匀分配器；

图3是衣架型均匀分配器；

图4是溅射式供液方式示意图；

图5是沟槽式金属滚筒；

图6是角钉式金属滚筒。

具体实施方式

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。此外应理解，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作各种改动或修改，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。

本实施例中使用静电纺丝装置制备纳米纤维毡，具体实施包括以下步骤：(a)在溶解釜1中配制好合适浓度的聚合物纺丝液，经过滤器2过滤后暂存于储液桶3中；(b)将金属滚筒7与高压静电发生器的正极相连接并施加合适的静电压，将铝制筛网11接地；(c)使金属滚筒7以适合的转速回转；(d)启动计量泵4，纺丝液从储液桶3定量供给均匀分配器5，使纺丝液均匀分配给均匀分配器5前端的喷孔6，并由此溅射到旋转金属滚筒7表面上以形成Taylor锥；(e)使卷绕滚筒8回转，驱动纤维接收网12运动，连续接收纳米纤维毡。

实施例1

将聚乙烯醇1750(分子量1700，醇解度50％)87g溶解于1000ml去离子水中，加入适量氯化钠和柠檬酸，制成浓度8％的透明无沉淀PVA纺丝液。采用“T”型均匀分配器，喷孔直径为2mm，密度为2喷孔/cm。采用沟槽式金属滚筒，长度为50cm，直径为5cm，转速为4r/min，施加静电压为+50kV。金属滚筒表面与纤维接收网之间的接收距离为35cm。按照上述实施步骤，制得纳米纤维毡，纤维直径分布在300-600nm之间，平均产量为20g/h。

实施例2

将聚环氧乙烷(分子量1000000)52.6g溶解于1000ml去离子水中，加入适量氯化钠，制成浓度5％的透明无沉淀PEO纺丝液。采用“T”型均匀分配器，喷孔直径为1.5mm，密度为2喷孔/cm。采用沟槽式金属滚筒，长度为50cm，直径为5cm，转速为4r/min，施加静电压为+50kV。金属滚筒表面与纤维接收网之间的接收距离为35cm。按照上述实施步骤，制得纳米纤维毡，纤维直径分布在200-500nm之间，平均产量为18g/h。

实施例3

将聚乙烯醇1 750(分子量1700，醇解度50％)87g溶解于1000ml去离子水中，加入适量氯化钠和柠檬酸，制成浓度8％的透明无沉淀PVA纺丝液。采用衣架型均匀分配器，喷孔直径为2mm，密度为2喷孔/cm。采用角钉式金属滚筒，长度为50cm，直径为5cm，转速为4r/min，施加静电压为+50kV。金属滚筒表面与纤维接收网之间的接收距离为35cm。按照上述实施步骤，制得纳米纤维毡，纤维直径分布在300-500nm之间，平均产量为23g/h。

实施例4

将聚环氧乙烷(分子量1000000)52.6g溶解于1000ml去离子水中，加入适量氯化钠，制成浓度5％的透明无沉淀PEO纺丝液。采用衣架型均匀分配器，喷孔直径为1.5mm，密度为2喷孔/cm。采用角钉式金属滚筒，长度为50cm，直径为5cm，转速为4r/min，施加静电压为+50kV。金属滚筒表面与纤维接收网之间的接收距离为35cm。按照上述实施步骤，制得纳米纤维毡，纤维直径分布在200-400nm之间，平均产量为25g/h。

Claims

1.一种高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，其特征在于：该装置是由溶解釜(1)、过滤器(2)、储液桶(3)、计量泵(4)、均匀分配器(5)、金属滚筒(7)、铝制筛网(11)、纤维接收网(12)、卷绕辊筒(8)、退绕辊筒(9)和纺丝溶液回收槽(10)组成。

2.根据权利要求1所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，其特征在于：所述均匀分配器(5)是衣架型均匀分配器。

3.根据权利要求1所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，其特征在于：所述金属滚筒(7)是角钉式金属滚筒。

4.一种高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，步骤包括：

(a)在溶解釜(1)中配制好合适浓度的聚合物纺丝液，经过滤器(2)后暂存于储液桶(3)中；

(b)将金属滚筒(7)与高压静电发生器的正极相连接并施加适当的静电压，将铝制筛网(11)接地；

(c)使金属滚筒(7)以适合的转速回转；

(d)启动计量泵(4)，纺丝液从储液桶(3)定量供给均匀分配器(5)，使纺丝液均匀分配给均匀分配器(5)前端的喷孔(6)，并由此溅射到旋转金属滚筒(7)表面上以形成Taylor锥；

(e)使卷绕滚筒(8)回转，驱动纤维接收网(12)运动，连续接收纳米纤维毡。

5.根据权利要求4所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：所述聚合物纺丝液是聚合物溶于溶剂或溶剂和添加剂混合物而形成的溶液。

6.根据权利要求5所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：所述聚合物是聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸类高分子、聚酸酐中的一种或其共混物。

7.根据权利要求5所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：所述的溶剂是水、氯仿、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或苯酚。

8.根据权利要求5所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：所述的添加剂是氯化钠、氯化锂或柠檬酸。

9.根据权利要求4所述的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：所述纳米纤维毡的纤维直径是200～600nm。