CN102828259B - 一种锯齿式无针头静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锯齿式无针头静电纺丝装置，该装置包括供液、纺丝、供电、接收、传动和控制***，其特征在于所述纺丝***包括纺丝箱体、纺丝组件和中心轴，纺丝箱体的外部为卧式长方体形状，内部为卧式圆柱形空腔，中心轴主体安装在该空腔内，两端伸出纺丝箱体之外，并与传动***连接；纺丝组件为轴向连续式或并列式的薄型齿条结构，其齿条的尖端向外安装在中心轴上，并可由中心轴带动旋转，且该尖端与纺丝箱体的内壁保留有1～3mm距离；纺丝箱体的进液管口与供液***的纺丝计量泵相连通，其溢液口管接到供液***的储液器，且溢液口位置开在纺丝组件底部和中心轴之间；纺丝箱体上表面与纺丝组件的最高处相对应的位置开有矩形纺丝口。

Description

一种锯齿式无针头静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术，具体为一种锯齿式无针头静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种利用静电场力生产纳米纤维材料的技术，近年来在国内外得到了广泛的研究。其主要工艺原理是：在高压静电场作用下，处于毛细管口的悬垂小液滴在静电力作用下顶端发出微细射流，射流在向接收装置飞行过程中，溶剂挥发，固化成纤维。静电纺丝技术分为针头式和无针头式两大类。多针头或多喷嘴静电纺技术是利用毛细管来进行静电纺丝的方法，被认为是实现规模化纳米纤维材料生产的有效方法。该技术的一个代表是WO2007035011所述的静电纺丝方法，该方法共设有喷嘴38880个。针头式静电纺所得纤维具有细度较细、产品均匀的优点，但是多针头或多喷嘴静电纺过程中会出现严重的“边缘效应（End effect）”现象，就是由于同排多针头之间的静电场相互叠加作用导致两侧的针头或喷嘴出来的射流会向两侧严重倾斜，使接收装置只能接收到中间的部分纤维，导致静电纺丝效率和产量大打折扣，结果是多针头或多喷头静电纺并不能如人们所愿达到预期的产率。此外，针头式静电纺还存在针头易堵塞、难清理、易造成产品结构不匀、质量恶化等问题。

相比针头式静电纺而言，无针头式静电纺具有产量高、易操作，不存在针头堵塞问题，纺丝头表面易清理，设备简单，制造成本较低等特点。目前作为世界主流的无针头静电纺丝技术，是捷克Elmarco公司的（辊式）无针头静电纺丝技术，它采用光面或表面带螺纹、花纹等不同表面形貌的转辊（参见WO2005/024101A1）作为静电纺丝头，其加工所得纳米纤维较粗，且细度不匀较大：进行溶液静电纺时，平均直径在50～500nm范围；进行熔体静电纺时，直径在1μm以上，且粗细不匀。此外，由于转辊为金属实体，造成面电荷分布密度较低，所需实际纺丝电压过高，能耗大，而且，其纤维的接收距离不易改变，不便于进行工艺参数的在线调整。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种锯齿式无针头静电纺丝装置，该装置利用特殊结构的静电纺丝组件，可大幅度提高纳米纤维产品的产量和产品均匀度，并且避免传统针头式静电纺丝过程中存在的静电干扰（“End effect”现象）、针头堵塞和不便清洗等问题；与现有辊式无针头静电纺丝技术相比，本发明静电纺丝装置所需电压较低，有效提高了能源利用率，具有结构简单，便于工业化实施，适用范围广等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种锯齿式无针头静电纺丝装置，该装置由供液***、纺丝***、高压静电发生***、接收***、传动***和控制***构成，其特征在于所述纺丝***包括纺丝箱体、纺丝组件和中心轴，纺丝箱体的外部为卧式长方体形状，内部为卧式圆柱形空腔，中心轴主体安装在该空腔内，两端伸出纺丝箱体之外，并与传动***连接；所述的纺丝组件为轴向连续式或并列式的薄型齿条结构，其齿条的尖端向外安装在中心轴上，并可由中心轴带动旋转，且该尖端与所述纺丝箱体的内壁保留有1～3mm距离；纺丝箱体的进液管口与供液***的纺丝计量泵的出液管口相连通，其溢液口管接到供液***的储液器之内，且溢液口位置开在纺丝组件底部和中心轴之间；纺丝箱体上表面与纺丝组件的最高处相对应的位置开有矩形纺丝口。

与现有技术相比，本发明锯齿式无针头静电纺丝装置是一种利用聚合物纺丝液的自由液体表面自组的纳米纤维（网）的生产装置，可实现高聚物纺丝液制备纳米纤维（网）的规模化、连续化生产，有效减少电能损耗、降低生产成本、提高产品质量；该装置采用带尖端的薄型齿条作为无针头式静电纺丝单元，可在齿尖部位产生更强大和更均匀的场强，避免了其它无针头式静电纺丝方法由于表面电荷密度较小而引起的所需电压较高造成的能源浪费；该装置采用内含圆柱形空腔的纺丝箱体结构，纺丝箱体上部中央开设矩形纺丝口，通过调整其开口尺寸可以对参与纺丝的齿尖数进行控制，有效控制纳米纤维层铺展范围，避免其它同类装置纺丝面铺展边界不清引起的产品质量不均问题，通过调整工作面宽度、长度和纺丝箱体高度，可以实现对产品产率、纤维细度和均匀度的有效控制；同时整个静电纺丝过程处于半封闭状态，有效减轻了纳米纤维生产过程中环境因素对纺丝状态和纺丝效果的影响，特别是纺丝溶液缓存区的纺丝液不会由于溶剂的快速挥发而迅速增稠；该生产装置无需传统纺丝方法的针头（毛细管/喷嘴），避免了针头易堵塞和清洗困难等缺陷；该生产装置制造简单、操作方便，可满足节能生产要求，实施成本低，便于工业化推广。

附图说明

图1为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例的整体结构示意图。

图2为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例的连续式单头螺旋式薄型齿条结构纺丝组件的形状结构示意图。

图3为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例的拱桥式薄型齿条结构纺丝组件的形状结构示意图；其具体形状结构是数根齿条环绕在一个整体式中心轴上，呈并列直线式均匀排布，且中间平直，两端弯曲。

图4为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例的拱桥式薄型齿条结构纺丝组件的形状结构示意图；其具体形状结构是数根齿条环绕在一个分离式（两段式）中心轴上，呈并列直线式均匀排布，且中间平直，两端弯曲。

图5为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例的并列式圆盘型薄型齿条结构纺丝组件的形状结构示意图。

图6为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例的连续式多头螺旋薄型齿条结构（齿形未画出）纺丝组件的形状结构示意图。

图7为本发明锯齿式无针头静电纺丝装置一种实施例（实施例4）得到的PVA纳米纤维SEM照片图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的锯齿式无针头静电纺丝装置（简称装置，参见图1～7），该装置主要包括供液***、纺丝***、供电***、接收***、传动***和控制***。

所述供液***为现有技术，包括纺丝计量泵（简称计量泵或纺丝泵）30和储液器20，计量泵30的进液管口探入储液器20内的纺丝液液面以下，在计量泵30的作用下，供液***向纺丝***定量提供纺丝液。

所述纺丝***为本发明的核心或特征，主要包括纺丝箱体35、纺丝组件70和中心轴60，纺丝箱体35的外部为卧式长方体形状，内部为卧式圆柱形空腔45，中心轴60主体安装在该空腔45内，两端伸出纺丝箱体35之外，并与传动***连接；所述纺丝组件70为轴向连续式或并列式的薄型齿条结构，其齿条的尖端向外安装在中心轴60上，并可由中心轴60带动旋转，且该尖端与所述纺丝箱体35的内壁保留有1～3mm距离；纺丝箱体35的进液管口与供液***的纺丝计量泵30的出液管口相连通，其溢液口50管接到供液***的储液器20之内，且溢液口50的位置开在纺丝组件70最底部和中心轴60之间，以保证顺利供液和纺丝；纺丝箱体35上表面与纺丝组件70的最高处相对应的位置开有矩形纺丝口75。

本发明装置中，所述的纺丝箱体35为半封闭式结构，其上部居中位置（与纺丝组件70的最高处相对应的位置）开有矩形纺丝口75，纺丝口75的长度大于纺丝组件70的轴向总长，宽度可根据实际生产需要的工作齿尖数量来确定，一般为1～10cm；纺丝箱体35的材质可为PTFE（聚四氟乙烯）、玻璃、陶瓷等高性能介电性材料，较好的选择是玻璃或高性能有机玻璃，由玻璃或高性能有机玻璃制成的透明箱体35便于观察和工艺操作。本发明装置进一步特征是，所述的纺丝箱体35能够做垂直升降运动，以根据需要调节所纺纤维的接收距离，所述垂直升降运动的距离为5～30cm。纺丝箱体35做垂直升降运动的机构为丝杠升降机构、液压升降机构等现有技术。

所述的纺丝组件70为轴向连续式或并列式的薄型齿条结构，其齿条的尖端向外安装在中心轴60上，并可由中心轴60带动旋转。所述的轴向连续是指薄型齿条沿中心轴60的轴向是连续不断的齿条，包括直线型连续（参见图3、4）和螺旋线型连续（参见图2、6），可以是单头的连续（参见图2），也可以是多头均布的连续（参见图6）。所述的并列式是指薄型齿条沿中心轴60的轴向是间断、重复、并列排布的齿条，例如圆盘型薄型齿条（参见图5。所述的薄型齿条为现有技术，包括公知的标准工业齿条、锯条或梳理机针布，其规格、型号、长度或数量不受限定。所述的薄型齿条不排除非标准规格和尺寸的工业齿条、锯条或梳理机针布的适用性，其规格、型号、长度或数量同样不受限定。本发明装置的进一步特征是，所述圆盘型薄型齿条的直径随位置不同而不同，沿轴向呈中间最大、两端依次减小的形状（附图5未示出）。

所述的轴向连续式纺丝组件70一般由1～8根金属齿条和带动齿条匀速转动的中心轴60构成。采用1根金属齿条时，齿尖向外，把该金属齿条盘绕成螺旋形，构成单头螺旋连续式纺丝组件70（参见图2）；采用2根以上金属齿条时，齿尖向外，把金属齿条弯成拱桥状、螺旋状、圆环状或者其他适用形状，环绕中心轴60作周向或轴向均布，并安装在中心轴60上（参见图3～6）。实施例优选拱桥状金属齿条纺丝组件。不论什么形状结构的齿条，齿条的尖端要一律向外安装在中心轴60上，且该尖端与所述纺丝箱体35的内壁或空腔45的“外壁”保留有1～3mm距离。所述的中心轴60可以是一段整体式中心轴60（参见图3、5）上，也可以是两段分离式（两段式结构）中心轴60（参见图2、4、6，或者说是虚拟式中心轴60）上。所述中心轴60的中间配装有纺丝组件70的部分安装在纺丝箱体35之内，位于所述卧式空腔45的几何中心线上，中心轴60的两端则伸出纺丝箱体35之外，并与传动***连接。

本发明装置所述供电***包括正高压直流电源80和负高压直流电源90；所述接收***主要包括透气性接收电极85、基布120、导辊、退绕辊和卷绕辊等（导辊、退绕辊和卷绕辊等未在图1中示出）常规传动机构和负压吸风机110；所述传动***包括驱动中心轴60转动和驱动接收***基布120回转的常规传动机构；所述控制***主要包括对供液***控制和传动***控制。

本发明装置的工作原理和过程是（参见图1）：将配制好的聚合物纺丝液10放入储液器20中，聚合物纺丝液10由纺丝计量泵30计量后经进液口40喂入纺丝箱体35内，形成纺丝液存储区65；纺丝液存储区65的最大深度由工艺要求设定，一旦有多余的纺丝液可经溢液口50自动流回到储液器20内。所述的纺丝组件70连入正高压直流电源85或接地，接收电极85接地或连入负高压直流电源90，在纺丝组件70和接收电极85间形成高压静电场；通过中心轴60的一侧或两侧带动纺丝组件70进行连续转动，将位于其下方纺丝液缓存区65的一薄层纺丝液10带入静电场进行静电纺丝。调节电压达到临界纺丝电压时，纺丝组件70的齿尖部位出现泰勒锥，并进一步拉伸成纺丝射流100，向着接收电极85运动。与此同时，纺丝液10中的溶剂不断挥发，聚合物逐渐冷却，到达基布120时，聚合物固化，形成纳米纤维130，包括纤维网、薄膜或非织造布材料。

本发明装置可以极大地提高纺丝组件70上单个纺丝单元的表面电荷密度，从而提高电能利用率、降低了生产成本和费用，所得纳米纤维产品的细度更细，且更均匀，并大幅度提高了产品质量和产量。

本发明未述及之处适用于现有技术。

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。

以下实施例实验均采用本发明静电纺丝装置（参见图1），纺丝溶液为20%w/v的PVA，其聚合度1700，醇解度为99mol%，分子量74800；纺丝溶液是通过将PVA粉末，加入去离子水中，在80℃下溶解2小时制备而得。接收电极及基布为铝箔纸。

实施例1

采用齿顶为等腰三角形的齿条作为静电纺丝单元，组合成单齿条螺旋状静电纺丝组件（参见图2）进行无针头式多射流尖端静电纺。纺丝组件长度30cm，直径为20cm。纺丝组件转速为5rev/min，电压为20kV+2kV（正高压电源输出电压为20kV，负高压电源输出电压为2kV）、接收距离为15cm，获得平均直径为115nm、CV=12%的PVA纳米纤维薄膜。

实施例2

采用齿顶为等腰三角形的齿条弯曲成直径为20cm的圆形作为静电纺丝单元，组合成串联式圆形齿条静电纺丝组件（参见图5）进行无针头式多射流静电纺。纺丝组件长度30cm，转速为5rev/min,上有均匀分布的5个圆形齿条纺丝头，纺电压为26kV、接收距离为15cm，获得平均直径为98nm、CV=10%的PVA纳米纤维。

实施例3

采用齿顶为等腰三角形的齿条作为静电纺丝单元，采取具有分离式中心轴的并列式多齿条静电纺丝组件（参见图4）进行多射流静电纺。纺丝组件长度30cm，上有6根金属齿条，相互平行配置，距离中心线等距布局。纺丝头直径为20cm。采用两个同步电机带动纺丝组件慢速转动，转速为5rev/min。电压为28kV、接收距离为15cm，获得平均直径为105nm、CV=9%的PVA纳米纤维。

实施例4

采用6根齿顶为等腰三角形的齿条作为静电纺丝单元，组成多齿条螺旋状静电纺丝组件（参见图6）进行多射流静电纺。纺丝组件长度30cm，纺丝头直径为20cm，纺丝组件转速为5rev/min，电压为35kV、接收距离为15cm，获得平均直径为120nm、CV=10%的PVA纳米纤维。其纳米纤维的SEM照片参见图7。

Claims (6)

1.一种锯齿式无针头静电纺丝装置，该装置包括供液***、纺丝***、供电***、接收***、传动***和控制***，其特征在于所述纺丝***包括纺丝箱体、纺丝组件和中心轴，纺丝箱体的外部为卧式长方体形状，内部为卧式圆柱形空腔，中心轴主体安装在该空腔内，两端伸出纺丝箱体之外，并与传动***连接；所述的纺丝组件为轴向连续式或并列式的薄型齿条结构，其齿条的尖端向外安装在中心轴上，并可由中心轴带动旋转，且该尖端与所述纺丝箱体的内壁保留有1～3mm距离；纺丝箱体的进液管口与供液***的纺丝计量泵的出液管口相连通，其溢液口管接到供液***的储液器之内，且溢液口位置开在纺丝组件底部和中心轴之间；纺丝箱体上表面与纺丝组件的最高处相对应的位置开有矩形纺丝口。

2. 根据权利要求1所述的锯齿式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的纺丝箱体能够整体做垂直升降运动，所述垂直升降运动的距离为5～30cm。

3. 根据权利要求1所述的锯齿式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的中心轴是一段整体式中心轴或是两段分离式中心轴。

4. 根据权利要求1所述的锯齿式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的纺丝组件由弯曲成圆形的齿条结构组成，且其直径大小从中间齿条圆盘到两侧齿条圆盘逐渐减小。

5. 根据权利要求1所述的锯齿式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的纺丝组件由一条或数条沿轴向连续盘绕式或螺旋状齿条结构组成。

6.根据权利要求1所述的锯齿式无针头静电纺丝装置，其特征在于所述的纺丝组件由与中心轴呈并列直线排布的拱桥式齿条结构组成，且中间平直、两端弯曲。