CN105200538A - 一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，包括高压电源、与所述高压电源正负极连接的极化电极和接收对电极、液槽、置于所述液槽内的纺丝溶液、部分置于所述纺丝溶液内的旋转发生器，所述旋转发生器为介电材料，所述介电材料的介电常数不小于10。本发明使用介电常数高的介电材料，在保持与导体材料相同的高电场的同时能够减少电晕放电现象，不会引燃纺丝溶液，能够应用于各种静电纺丝作业。

Description

一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，特别是一种通过静电纺丝技术制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是利用静电力从溶液中制备超细纤维或者纱线，通常在纳米到微米尺寸。液滴在电场作用下带电荷，静电力会中和表面张力使液滴发生变形，当静电力大于表面张力到一定程度后，液滴会形成喷射细流，细流在喷射过程中***并且溶剂蒸发，最终得到纳米纤维。在喷出细流的地方会形成泰勒锥。如果液滴的分子间作用力足够大，细流就不会***，会形成一束带电细流。

图1是传统旋转静电纺丝装置10的示意图。设备10包括一个高压电源102、与高压电源102正负极连接的极化电极103和接收对电极104，用于纺丝的高分子溶液105以及用于放置高分子溶液的液槽107，极化电极103置于高分子溶液105内，旋转发生器101部分置于高分子溶液105内。

静电纺丝时，通过极化电极103在高分子溶液105上施加高压使旋转发生器101上液滴极化带电。在离接收对电极104最近处的液滴由于静电力牵引向接收对电极104移动，形成圆锥形的泰勒锥106。当静电力大于高分子溶液的表面张力，溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维108，最终收集在接收对电极104上。

静电纺丝用液体包括高分子溶液、溶胶凝胶、特殊悬浮液和熔融液等，可以装载在液槽107中。液体在旋转发生器的表面通过转动不断地更新，转速决定液体的更新速度。

由于现有的旋转发生器是外露金属结构，在电压过高时会发生空气击穿产生放电现象，如果使用有机易燃溶剂，会导致整个开放式旋转发生器槽内的溶液起火燃烧，所以无针纺一般仅适合水溶性高分子的静电纺丝，对于非水溶性高分子的静电纺丝具有局限性。

因此，有必要提供一种新的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少电晕放电现象的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，包括高压电源、与所述高压电源正负极连接的极化电极和接收对电极、液槽、置于所述液槽内的纺丝溶液、部分置于所述纺丝溶液内的旋转发生器，所述旋转发生器为介电材料，所述介电材料的介电常数不小于10。

进一步的，所述极化电极容位于所述旋转发生器外部的所述纺丝溶液内。

进一步的，所述极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。

进一步的，所述极化电极位于所述旋转发生器内部。

进一步的，所述介电材料为陶瓷，或者为陶瓷、金属粉末、高分子材料的混合材料。

进一步的，所述旋转发生器的表面设有凸出结构。

进一步的，所述凸出结构包括锥形、台形、弧形。

进一步的，所述高压电源为高压直流电源。

与现有技术相比，本发明一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置的有益效果是：使用介电常数高的介电材料，在保持与导体材料相同的高电场的同时能够减少电晕放电现象，不会引燃纺丝溶液，能够应用于各种静电纺丝作业。

附图说明

图1是传统旋转静电纺丝装置的示意图。

图2是实施例1的示意图。

图3是实施例2的示意图。

图4是实施例3的示意图。

图5模拟的旋转发生器至接收对电极之间的电场分布。

图6使用实施例1制备的纳米纤维电子显微镜照片。

具体实施方式

实施例1

请参阅图2，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置20，包括高压电源202、与所述高压电源202正负极连接的极化电极203和接收对电极204、液槽207、置于所述液槽内的纺丝溶液205、部分置于所述纺丝溶液205内的旋转发生器201，所述极化电极203位于所述旋转发生器201内部，所述旋转发生器201的表面为介电材料，介电常数不小于10，优选的应不小于100，更优选的应不小于1000，所述介电材料为陶瓷，或者为陶瓷、金属粉末、高分子材料的混合材料。所述陶瓷包括锆钛酸铅、钛酸锶钡、铋锌铌。所述旋转发生器的外形为圆环形，其外径70mm、内径30mm、宽度8mm、介电常数200，使用10%的聚乙烯醇为纺液，旋转发生器转速20rpm，旋转发生器与接收对电极204之间的距离为200mm，电压6万伏，无电晕放电现象发生。纺丝结果如图6所示，得到平均直径小于1微米的纳米纤维，所述高压电源为高压直流电源。

实施例2

请参阅图3，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置30，包括高压电源302、与所述高压电源302正负极连接的极化电极303和接收对电极304、液槽307、置于所述液槽内的纺丝溶液305、部分置于所述纺丝溶液305内的旋转发生器301，所述极化电极303位于所述旋转发生器外部的所述纺丝溶液305内并位于所述旋转发生器301的下方，所述极化电极303为弧形，其内径接近旋转发生器301的外径，弧的长度是圆周的5%-40%，电极材料包括:线、网、栅格、泡沫、海绵、布、编织物、鳍状物、平行板、粘连粉末结构、交织材料等，所述极化电极的比表面积至少为1㎡/kg，所述旋转发生器201为介电材料，介电常数不小于10，优选的应不小于100，更优选的应不小于1000，所述介电材料为陶瓷，或者为陶瓷、金属粉末、高分子材料的混合材料。所述陶瓷包括锆钛酸铅、钛酸锶钡、铋锌铌。所述高压电源为高压直流电源。所述旋转发生器的外形为圆柱形，圆柱形表面设有台形的凸出结构3011，形成齿轮结构，其直径50mm、齿高3mm、齿宽2mm，宽度8mm、介电常数200，使用10%的聚乙烯醇为纺液，旋转发生器转速30rpm，旋转发生器与接收对电极304之间的距离为200mm，电压5万伏，无电晕放电现象发生。由于较小的直径和表面的齿轮结构减小了纺丝电压。所述凸出结构3011能够增强电场强度，同时增加了纺丝溶液的搅拌效率、减少了纺丝溶液浓度不均的问题。

实施例3

请参阅图4，一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置40，包括高压电源402、与所述高压电源402正负极连接的极化电极403和接收对电极404、液槽407、置于所述液槽内的纺丝溶液405、部分置于所述纺丝溶液405内的旋转发生器401，所述极化电极403位于所述旋转发生器401内部，所述旋转发生器401为介电材料，介电常数不小于10，优选的应不小于100，更优选的应不小于1000，所述介电材料为陶瓷，或者为陶瓷、金属粉末、高分子材料的混合材料。所述陶瓷包括锆钛酸铅、钛酸锶钡、铋锌铌。所述高压电源为高压直流电源。所述旋转发生器的外形为圆环形，其外径70mm、内径30mm、宽度8mm、介电常数200，使用10%的聚乙烯醇为纺液，旋转发生器转速20rpm，旋转发生器与接收对电极204之间的距离为200mm，电压6万伏，无电晕放电现象发生。圆环形表面设有锥形的凸出结构4011，由于较小的直径和表面的锥形结构减小了纺丝电压。所述凸出结构4011能够增强电场强度，同时增加了纺丝溶液的搅拌效率、减少了纺丝溶液浓度不均的问题。

图5所示乃使用电场模拟软件（例如Maxwell）产生的旋转发生器与接收对电极之间的电场强度分布，即电势差；为方便比较、电势差和从旋转发生器到接收对电极之间的距离都进行归一化处理，从图中所见，旋转发生器表面的电场强度最高，到接收对电极表面减为最低，高介电常数的旋转发生器表面的电场强度远远高于低介电常数的旋转发生器，高场强是高效率静电纺丝的必要条件。由此可知，介电常数高的材料并不会减小旋转发生器表面的电场强度，反而有所增加，同时由于其电阻高减低了瞬间放电的能量，从而减少电晕放电现象。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，包括高压电源、与所述高压电源正负极连接的极化电极和接收对电极、液槽、置于所述液槽内的纺丝溶液、部分置于所述纺丝溶液内的旋转发生器，其特征在于：所述旋转发生器的表面为介电材料，所述介电材料的介电常数不小于10。

2.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述极化电极容位于所述旋转发生器外部的所述纺丝溶液内。

3.根据权利要求2所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述极化电极的比表面积至少为1㎡/kg。

4.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述极化电极位于所述旋转发生器内部。

5.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述介电材料为陶瓷，或者为陶瓷、金属粉末、高分子材料的混合材料。

6.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述旋转发生器的表面设有凸出结构。

7.根据权利要求6所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述凸出结构包括锥形、台形、弧形。

8.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的旋转静电纺丝装置，其特征在于：所述高压电源为高压直流电源。