CN103290491B - 大规模静电纺丝机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及静电纺丝和纳米材料***技术领域，更具体地，涉及一种大规模生产纳米纤维膜的装置。大规模静电纺丝机，其中，包括高压静电源、阵列针纺丝***、收集***和智能控制***；阵列针纺丝***包括恒流泵模块、与恒流泵模块连接的成丝模块，高压静电源正极与成丝模块相连；收集***包括传动模块、与传动模块连接的成膜层、固定于成膜层下方的导电层，高压静电源负极通过导线与导电层相连；智能控制***控制恒流泵模块的推进、后退动作，成丝模块的旋转、平移动作，以及传动模块的正转、反转动作从而控制成膜层定向移动收集纤维均匀成膜。本发明具有生产条件与成本要求低、操作流程简约且智能可控、生产效率高且质地均匀等特点。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝和纳米材料***技术领域，更具体地，涉及一种大规模生产纳米纤维膜的装置。
背景技术
静电纺丝是一种使聚合物溶液或熔体在静电作用下产生泰勒锥并喷射拉伸为微米或纳米级纤维的纺丝方法。早在1934年，Formhals就已在其专利US1975504中报道了利用高压静电场进行纺丝的发明。经过近80年的发展，静电纺丝技术已日臻成熟，某些材料的电纺丝纤维在分离、组织工程等领域甚至已经投入了应用。然而，长期以来静电纺丝基本为小规模制备模式，产量低微，供不应求。无法量产对这项技术的发展、普及造成了极大的阻碍。近几年，人们逐渐地意识到了电纺的这个技术瓶颈，开始研究大批量制备电纺纤维的装置，以满足产业化需求，获得了一定成果。但是现有的产业化静电纺丝机存在的对纺丝条件严苛（如温度、真空度、材料种类等）、规模化程度低、量产能力弱、产品质量不稳定等缺陷。
有研究学者在专利CN101985793上，公开一种静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，该装置主要是通过电纺将聚合物熔体加工为纳米纤维膜。但其生产时聚合物处于加热熔体状态，易被氧化影响品质且成本较高，不易实现大规模制备，并非真正意义上的产业化。
目前，量产静电纺纤维的装置尚存在各种缺陷，因此需要进一步的改进。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种大规模静电纺丝机，能达到生产条件的普适性、产品收集的高效性与阵列针电纺***纺丝过程的可控性等产业要求，通过使用不同成分、浓度的聚合物溶液，生产满足机械性能、生物相容性不同应用要求的纳米纤维膜。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：大规模静电纺丝机，其中，包括高压静电源、阵列针纺丝***、收集***和智能控制***；阵列针纺丝***包括恒流泵模块、与恒流泵模块连接的成丝模块，高压静电源正极与成丝模块相连；收集***包括传动模块、与传动模块连接的成膜层、固定于成膜层下方的导电层，高压静电源负极通过导线与导电层相连；
智能控制***分别与恒流泵模块、成丝模块、传动模块电连接，智能控制***控制恒流泵模块的推进、后退动作，成丝模块的旋转、平移动作，以及传动模块的正转、反转动作从而控制成膜层定向移动收集纤维均匀成膜。
进一步的，所述的成丝模块与成膜层的距离为10～50cm。
进一步的，所述的成丝模块包括针头，针头长度为4～16cm。针头长度小于4cm过短导致电场不够集中，针头长度大于16cm过长不易维护保养。
进一步的，所述的针头为阵列针头，阵列针头以5～15针为一列，一列为一单元，各单元单独送液。这样既可保证液压相同，均匀出丝，亦便于调节单元数而控制产量。
进一步的，所述的阵列针头上设有隔离绝缘套，隔离绝缘套下的露出部分为阵列针头长度的三分之一。隔离绝缘套有助于稳定并集中电场，降低针头间电场干扰。
进一步的，所述导电层与高压静电源负极同时作接地处理，可以避免制备过程中产生静电，提高纤维制备的安全性与稳定性。
进一步的，所述的智能控制***控制恒流泵模块的推进或后退速度为1～150ml/h，恒流泵模块具有吸液功能，其吸液的倒吸速度为50～150ml/h。吸液功能即在生产结束时智能控制***适当调节恒流泵倒吸部分溶液以防止其滴落于成膜层影响产品形貌。
进一步的，所述的智能控制***控制传动模块的正转或反转的线速度为0～100mm/s，精确度为0.01mm/s。所述的智能控制***控制成丝模块垂直于成膜层往返平移的速度为1～100mm/s，精确度为0.01mm/s。
进一步的，所述的成膜层的材料为纸质材料、聚合物膜、普通无纺布等易成膜或待加工的材料，纸质材料、聚合物膜、普通无纺布有利于成膜和纳米纤维膜的剥离，而待加工材料可用于表面直接覆盖纳米纤维膜。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明所述大规模静电纺丝机结构简约，模块化清晰，装机、维护成本低廉，量产性能优越，适合批量组装投产。
所述大规模静电纺丝机操作简便易学，生产流程可控，从人工合成到天然高分子均在可纺材料范围内，普遍适用于制备各种高力学强度、生物相容性及降解性能的纳米纤维膜。
所述大规模静电纺丝机在智能控制***调控下，各***既分工明确、独立运行，又同时能协同工作，使溶液纺丝的优势获得更大发挥。
所述大规模静电纺丝机生产的电纺纤维膜直径可控制在纳米级到微米级不等，具有比表面积大、孔隙率高等优点，可被广泛应用于过滤、催化、超敏传感器及组织工程等众多领域。
附图说明
图1是本发明大规模静电纺丝机的整体结构主视示意图。
图2是本发明大规模静电纺丝机的整体结构俯视示意图。
图3是本发明大规模静电纺丝机的生产操作步骤流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1、2所示，大规模静电纺丝机，包括高压静电源1、阵列针纺丝***2、收集***3和智能控制***4；阵列针纺丝***2包括恒流泵模块5、与恒流泵模块5连接的成丝模块6，高压静电源1正极与成丝模块6相连；收集***3包括传动模块7、与传动模块7连接的成膜层8、固定于成膜层8下方的导电层9，高压静电源1负极通过导线与导电层9相连；
智能控制***4分别与恒流泵模块5、成丝模块6、传动模块7电连接，智能控制***4控制恒流泵模块5的推进、后退动作，成丝模块6的旋转、平移动作，以及传动模块7的正转、反转动作从而控制成膜层8定向移动收集纤维均匀成膜。
成丝模块6安装两排长度为4～16cm的阵列针头，每排5～15针，针头与成膜层的距离为10～50cm，每针加隔离绝缘套，仅露出针头三分之一以减小针头间电场干扰。成膜层8与导电层9所选材料分别为油纸与锡纸；高压静电源1负极通过导线与导电层9相连，并同时做接地处理，可稳定电场且提高生产安全性；智能控制***4可分别设置恒流泵模块5的推进或后退速度为1～150ml/h，倒吸速度为50～150ml/h，成丝模块6往复平移速度为1～100mm/s，传动模块7的正转或反转的线速度为0～100mm/s。
如图3所示，
以PLLA作为原材料来生产纳米纤维膜
1．纺丝溶液的制备：称取30克PLLA（分子量=20万道尔顿），溶于500ml（9:1，CH2Cl2/DMF，v/v）溶剂中，制得6%（wt%，下同）PLLA溶液，用封口膜封口，磁力搅拌5小时直至溶液均一透明，待用。
2．生产过程：取步骤1所得溶液100ml注入恒流泵模块5，打开智能控制***4设置恒流泵模块5的推进速度为20ml/h，成丝模块6往复平移速度为50mm/s，传动模块7的放卷速度（即正转或反转的线速度）为0.8mm/s。调节阵列针头与成膜层距离为20cm。打开高压静电源1，调节电压值为25kV，观察高压静电源1电流值是否为0mA，确保不漏电，开始纺丝。
3．纺丝时间5小时，恒流泵模块5中尚存溶液，智能控制***4控制恒流泵模块5倒吸速度为50ml/h，防止溶液落下破坏纤维膜形貌。关闭高压静电源1和智能控制***4。
所得PLLA纳米纤维无纺布厚度均匀，长1.44m，宽0.5m，纤维直径为500nm~5μm。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.大规模静电纺丝机，其特征在于，包括高压静电源（1）、阵列针纺丝***（2）、收集***（3）和智能控制***（4）；阵列针纺丝***（2）包括恒流泵模块（5）、与恒流泵模块（5）连接的成丝模块（6），高压静电源（1）正极与成丝模块（6）相连；收集***（3）包括传动模块（7）、与传动模块（7）连接的成膜层（8）、固定于成膜层（8）下方的导电层（9），高压静电源（1）负极通过导线与导电层（9）相连；
智能控制***（4）分别与恒流泵模块（5）、成丝模块（6）、传动模块（7）电连接，智能控制***（4）控制恒流泵模块（5）的推进、后退动作，成丝模块（6）的旋转、平移动作，以及传动模块（7）的正转、反转动作从而控制成膜层（8）定向移动收集纤维均匀成膜；
所述的成丝模块（6）与成膜层（8）的距离为10～50cm；
所述的成丝模块（6）包括针头，针头长度为4～16cm；
所述的针头为阵列针头（11），阵列针头（11）以5～15针为一列，一列为一单元，各单元单独送液；
所述的阵列针头（11）上设有隔离绝缘套（10），隔离绝缘套（10）下的露出部分为阵列针头（11）长度的三分之一；
所述的智能控制***（4）控制恒流泵模块（5）的推进或后退速度为1～150ml/h，恒流泵模块（5）具有吸液功能，其吸液的倒吸速度为50～150ml/h。
2.根据权利要求1所述的大规模静电纺丝机，其特征在于，所述的智能控制***（4）控制传动模块（7）的正转或反转的线速度为0～100mm/s，精确度为0.01mm/s。
3.根据权利要求1所述的大规模静电纺丝机，其特征在于，所述的智能控制***（4）控制成丝模块（6）垂直于成膜层（8）往返平移的速度为1～100mm/s，精确度为0.01mm/s。
4.根据权利要求1至3任一所述的大规模静电纺丝机，其特征在于，所述的成膜层（8）的材料为纸质材料、聚合物膜、普通无纺布。
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