CN104141174A - 一种静电纺丝取向纤维制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电纺丝取向纤维制备装置，主要由静电纺丝喷头、接收凸轮组、静电发生器、电机、控制***和支架组成，其中静电纺丝喷头由控制***夹持，接收凸轮组由支架支撑，接收凸轮组置于静电纺丝喷头下端，静电发生器高压输出端连接纺丝喷头，静电发生器接地端和接收凸轮组同时接地，接收凸轮组在电机的传动下按照规定程序做旋转运动。本发明一种静电纺丝取向纤维制备装置，通过接收凸轮组作为静电纺丝装置的接收***，实现对静电纺丝电场的连续变化，从而间接控制纺丝落点，实现了大面积连续的取向纳米纤维的接收，对取向纳米纤维工业化生产具有重要意义。

Description

一种静电纺丝取向纤维制备装置
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝取向纤维制备方法与装置，属于静电纺丝领域。
背景技术
静电纺丝技术作为一种制备连续微/纳米纤维的简易方法，近年来受到广泛研究和产业化开发关注。其过程就是在喷头和接收装置间施加高压静电场，使被极化的聚合物流体在电场力的作用下克服表面张力，形成射流，经过溶剂挥发或熔体冷却固化，在接收板上获得超细纤维的过程。
高效制备取向纤维是静电纺丝技术的重要目标之一。静电高速旋转的辊子是普遍采用的取向纤维方式，但是很难达到纤维收集速度，或者高速下易引起气流波动，会将纤维吹开。较小接收面积制备取向纤维的有效方法主要有以下几种：Liu等研究了磁场辅助制备取向纤维的方法(Liu Y,Zhang X,Xia Y,et al.Advanced material,2010,22:2454-2457)；Li等研究了利用平行接收电极获得取向纤维(Li D,WangY,Xia Y.Nano Letters,2003,3(8):1167-1171)；有一些研究者尝试利用近场纺丝获得取向纤维(Sun D,Chang C,Li S,Lin L,NanoLetters,2006,6(4):839-842)；离心静电纺丝方法是制备较大面积取向纳米纤维效率较高的新方法(Edmondson D,Cooper A,Jana S,et al.Journal of Material Chemical,2012,22(35):18646-18652)，但是离心静电纺丝方法还处于研究初期，存在连续收集和装置复杂的问题。
为了解决上述问题，实现高效快捷且大面积纳米纤维静电纺丝的取向排列，提出了一种基于接收结构改进的新方法和装置。
发明内容
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备方法与装置，通过旋转的平行凸轮组成的接收装置实现对静电纺丝电场的控制，从而获得目标取向纤维的排列，该装置结构简单，操作方便，也可进行批量化拓展，有助于大面积高效率取向静电纺丝纤维的制备。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其主要组成有：静电纺丝喷头、接收凸轮组、静电发生器、电机、控制***和支架。其中静电纺丝喷头由控制***夹持，接收凸轮组由支架支撑，接收凸轮组置于静电纺丝喷头下端，静电发生器高压输出端连接纺丝喷头，静电发生器接地端和接收凸轮组同时接地，接收凸轮组在电机的传动下按照规定程序做旋转运动。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其中纺丝喷头为流量可控的溶液或熔体纺丝喷头，喷头形式为单个注射针头、多个注射针头、旋转辊子、旋转弹簧、内锥面喷头、外锥面喷头等其中的一种或多种的组合。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其中接收凸轮组由杆件和凸轮组成，多个平行的凸轮为凸轮组，凸轮组及杆件都为金属材质，接收凸轮组之间的夹角、旋转速度、凸轮形线、凸轮间距和凸轮个数决定着动态的电场分布，从而决定了高速射流取向的方向。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其中喷头也可以接地，将接收凸轮组接静电发生器高压输出端。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其中控制***既可控制纺丝喷头与凸轮组之间的间距，也能控制给料流量大小。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其中电机带有运动控制模块，通过编程实现规律性的旋转运动，从而带动凸轮组按照规定程序做旋转运动。
本发明通过接收凸轮组作为静电纺丝装置的接收***，实现对静电纺丝电场的连续变化，从而间接控制纺丝落点，实现了大面积连续的取向纳米纤维的接收，对取向纳米纤维工业化生产具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种静电纺丝取向纤维制备装置结构示意图。
图2是图1接收凸轮组的一种结构形式。
1-静电发生器，2-静电纺丝喷头，3-控制***，4-电机，5-支架，6-接收凸轮组，7-纳米纤维，8-凸轮，9-杆件。
具体实施方式
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，如图1和图2所示，其主要组成有：静电纺丝喷头2、接收凸轮组6、静电发生器1、电机4、控制***3和支架5。其中静电纺丝喷头1由控制***2夹持，根据收集要求和丝的粗细由控制***2确定静电纺丝喷头1的位置，接收凸轮组6由支架5支撑，接收凸轮组6置于静电纺丝喷头2下端。静电发生器1高压输出端连接纺丝喷头2，静电发生器1接地端与接收凸轮组6同时接地，接收凸轮组6在电机4的传动下按照规定程序做旋转运动。
本发明提出了一种静电纺丝取向纤维制备装置，其使用方法步骤为：先配置一定量纺丝溶液。纺丝时，先开启设定好旋转程序的电机4，带动接收凸轮组6旋转。接着开启静电发生器1进行纺丝。纺丝溶液在凸轮组和喷头尖端所产生的电场下带电形成泰勒锥，泰勒锥形成射流向凸轮组飞去。由于两凸轮之间有一定夹角，旋转时其顶端和喷头距离不同，导致与喷头较近的凸轮和喷头所产生的电场强度较大。射流在较大电场强度的作用下更易被与喷头较近的凸轮接收。随着两凸轮顶端和喷头距离的不断变化，射流规律性地被排布接收于两凸轮之间，最终形成取向纤维。
一个实施例如图1所示，喷头为注射针头，针头内径0.41mm，纺丝原料采用完全醇解聚乙烯醇(PVA1799)10％质量分数的水溶液，接收凸轮组采用两个凸轮板平行结构，见图2所示，凸轮板轮廓线型为均加速和均减速的线性设计，凸轮板端部为4mm过渡圆角，凸轮板厚度4mm，一个凸轮板顶圆和另一凸轮板附圆对应，并固定在凸轮轴上两凸轮板间距为60mm，凸轮板顶圆半径为50mm，复圆半径为30mm，(即两个凸轮板的形状相同，安装在杆件9上的相位差可以为90-180°，两个凸轮板都安装固定在杆件9上并旋转)，经过20min纺丝，可以观察到两个凸轮板间形成平行排列的纳米纤维。

Claims (7)

1.一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：主要由静电纺丝喷头、接收凸轮组、静电发生器、电机、控制***和支架组成，其中静电纺丝喷头由控制***夹持，接收凸轮组由支架支撑，接收凸轮组置于静电纺丝喷头下端，静电发生器高压输出端连接纺丝喷头，静电发生器接地端和接收凸轮组同时接地，接收凸轮组在电机的传动下按照规定程序做旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：纺丝喷头为流量可控的溶液或熔体纺丝喷头，喷头形式为单个注射针头、多个注射针头、旋转辊子、旋转弹簧、内锥面喷头或外锥面喷头等其中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：接收凸轮组由杆件和凸轮组成，多个平行的凸轮为凸轮组，凸轮及杆件都为金属材质，动态的电场分布由接收凸轮组之间的夹角、旋转速度、凸轮形线、凸轮间距和凸轮个数决定。
4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：喷头也可以接地，将接收凸轮组接静电发生器高压输出端。
5.根据权利要求1所述的一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：控制***既可控制纺丝喷头与凸轮组之间的间距，和/或控制给料流量大小。
6.根据权利要求1所述的一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：电机带有运动控制模块，通过编程实现规律性的旋转运动，从而带动凸轮组按照规定程序做旋转运动。
7.根据权利要求3所述的一种静电纺丝取向纤维制备装置，其特征在于：接收凸轮组包括有两个形状相同的凸轮板，它们安装在杆件上的相位差可以为90-180°。
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