CN106012050B - 一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括：回转的发射电极，所述发射电极由若干金属丝交错连接成网状，发射电极具有分隔的纺丝区和涂覆区；涂覆部件，对位于涂覆区的发射电极涂覆纺丝液；收集部件，与纺丝区对向设置；收集部件或发射电极外接高压电源。本发明的纺丝发射电极由若干金属丝交错连接成网状，区别于传统单方向一维排列的电极丝，二维排列的网状结构可以增加单位面积内的纺丝射流数量，提高纺丝效率，使得静电纺丝纳米纤维更加高效。本发明可应用于静电纺丝。

Description

一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，特别是涉及一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种利用静电场高效制备纳米纤维材料的工艺，随着纳米材料研究的迅速升温, 静电纺丝技术逐渐成为研究热点。常用的批量静电纺丝方法有两种：一是多针头静电纺丝技术，二是无针头静电纺丝技术。两种静电纺丝方法各有其优缺点，针头静电纺丝技术针头处容易堵塞，且不易清洗，针头之间相互干扰严重，同时，多针头静电纺丝技术成本花费高。相比而言，无针头静电纺丝技术纺丝电极种类多、设备简单、容易制造，最重要的是产生大量的纺丝射流，是大批量生产纳米纤维的一种有效方式。

目前作为世界主流的无针头静电纺丝技术，是捷克Elmarco公司的纳米蜘蛛（NanospiderTM）无针头静电纺丝技术,比如发明专利CN101755079A提出了一种利用涂覆装置批量制造纳米纤维的设备,其采用一根细小的金属丝作为纺丝电极；该设备存在纺丝效率低、涂覆不均匀、溶液暴露在空气中易老化、无电极丝清洗装置的问题，严重影响制造纳米纤维的效率和质量。该方法生产的纳米纤维直径较粗。同时沿着金属丝作快速往复式涂抹运动的纺丝液施加装置也会在一定程度上阻挡和妨碍纺丝射流的均匀分布。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其纺丝效率高。

本发明所采用的技术方案是：

一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括：

回转的发射电极，所述发射电极由若干金属丝交错连接成网状，发射电极具有分隔的纺丝区和涂覆区；

涂覆部件，对位于涂覆区的发射电极涂覆纺丝液；

收集部件，与纺丝区对向设置；

收集部件或发射电极外接高压电源。

作为本发明的进一步改进，在纺丝区的对向位置设有气流辅助部件，所述气流辅助部件与收集部件分别位于纺丝区的两对向侧且气流辅助部件的气流喷射方向朝向收集部件。

作为本发明的进一步改进，所述气流辅助部件包括气流发射器，所述气流发射器朝向收集部件的表面均布有气孔。

作为本发明的进一步改进，所述涂覆部件包括一储液箱，所述储液箱具有一工作液位，所述储液箱设有电极入口和电极出口，发射电极的涂覆区位于储液箱内并低于工作液位。

作为本发明的进一步改进，所述电极入口和电极出口均高于工作液位。

作为本发明的进一步改进，所述发射电极由链传动结构驱动而回转，所述链传动结构包括链条以及连接在链条上的耳板，所述发射电极的端部固接在耳板上，转动至涂覆区对应位置的链条高于工作液位。

作为本发明的进一步改进，所述耳板具有残液暂存结构，所述残液暂存结构暂时存储纺丝区中因重力而流向链条的残液。

作为本发明的进一步改进，所述耳板包括过渡部以及连接发射电极的竖起部，所述过渡部连接竖起部以及链条，所述过渡部具有条状凸起和条状凹陷，所述条状凹陷位于条状凸起与竖起部之间从而构成残液暂存结构。

作为本发明的进一步改进，所述收集部件外接负高压电源，所述发射电极接地。

作为本发明的进一步改进，还包括发射电极在回转过程中依次经过的清洗部件和烘干部件，发射电极先经过烘干部件再进入涂覆部件。

本发明的有益效果是：本发明的纺丝发射电极由若干金属丝交错连接成网状，区别于传统单方向一维排列的电极丝，二维排列的网状结构可以增加单位面积内的纺丝射流数量，提高纺丝效率，使得静电纺丝纳米纤维更加高效。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是静电纺丝装置的结构示意图；

图2是静电纺丝装置前视图；

图3是静电纺丝装置俯视图；

图4是涂覆区涂覆过程示意图；

图5是发射电极与链条连接示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，包括发射电极1、涂覆部件、收集部件2、清洗部件7、烘干部件8以及高压电源。

其中，发射电极1由多条金属丝11交错连接成网状结构，并形成大量的网格结构，这些网格可以为正方形，长方形，菱形等多边形，相邻平行的金属的间距是10mm~1000mm。参考图1至图3，这些网格最好是正方形，且距离60mm，那么，发射电极1即为由多根纵横交错的金属丝11连接而成，并且发射电极1呈比较长的网状。

本实施例中，金属丝11使用比较软质的材料制成，使其可以在弯折状态和拉直状态中切换。由此，所述的网状的发射电极1能够在外部传动部件的引导下做回转运动，从而各金属丝11均能依次回转经过发射电极1的纺丝区12和涂覆区。

所述的涂覆区是将纺丝液均匀涂覆于发射电极1上，对应于涂覆区的位置设置有涂覆部件。涂覆了纺丝液的发射电极1之后回转至纺丝区12，并与收集部件2呈对向设置。高压电源电性连接收集部件2或者发射电极1后，在纺丝区12与收集部件2之间形成的高压静电场的作用下，纺丝区12表面涂覆的溶液上有大量电荷聚集，由于网状的发射电极1表面的曲率较小，发射电极1上的溶液将会形成泰勒锥，当聚积的电荷密度形成的静电场力超过纺丝液表面分子张力时，发射电极1上将会形成向收集部件2运动的高速纺丝射流。

本实施例中，由若干金属丝11交错连接成网状的发射电极1，区别于传统单方向一维排列的电极丝，这种二维排列的网状结构可以增加单位面积内的纺丝射流数量，提高纺丝效率，使得静电纺丝纳米纤维更加高效。

实施例中，清洗部件7和烘干部件8均位于发射电极1的回转路径上，按回转方向来看，发射电极1依次经过清洗部件7、烘干部件8、涂覆部件并循环回转。

纺丝完成后，纺丝区12的金属丝11上存在着残留的纺丝液与纺丝液固化物，然后这部分金属丝11回转进入清洗部件7。参考图1和图2，清洗部件7为一容器，里面盛装有可溶解纺丝溶液的溶解液，且在容器内设置有去除纺丝液固化物的刷子71，运动的刷子71与去除纺丝液的液体共同作用在进入容器内部的发射电极上，可以有效清除其上残留的纺丝液及其固化物。清洗部件7一侧设有进液口72和出液口73，可以不断更换清洗溶液而保持清洗力度，并及时排出清洗后的污渍。

烘干部件8包括一烘干箱、加热装置和排风***，加热装置和排风***均位于烘干箱内或烘干箱表面，而烘干箱右侧和左侧分别为发射电极1的入口和出口。发射电极1经过清洗部件7清洗后会回转至烘干箱内，以加速发射电极表面溶解液的挥发与清除，确保金属丝表面残留溶液的彻底清除。所述的加热装置加速残留溶解液的挥发，排风***将挥发的溶液吸收排放到外部净化装置，确保射电极表面溶解液彻底清除。

通过清洗、干燥发射电极1，可以减少电极材料的浪费与提高生产加工的连续性。

进一步优选的，在纺丝区12的对向位置设有气流辅助部件。气流辅助部件与收集部件2分别位于纺丝区12的两对向侧且气流辅助部件的气流喷射方向朝向收集部件2。如图1和图2所示，气流辅助部件位于纺丝区12的正下方，收集部件2位于纺丝区12的正上方。该气流辅助部件包括呈盒子状的气流发射器31，气流发射器31的上表面均布有气孔32，气流发射器31通过气管33外接在气体发生部件34上。

参考图1至图3，发射电极1纺丝射流向收集部件2运动的过程分两个形状：初始阶段的直线运动与螺旋发散锥形运动。直线运动状态下，射流在运动方向加上快速气流辅助，纺丝射流的运动速度加快，在同样的行程的情况下，运动时间减少；而且因为射流速度加快，锥形运动的范围减小，纺丝射流更加集中沉积在基材上，射流的稳定性控制得到提高。其次，受气体辅助的纺丝射流同时将受到牵引力作用，在气流牵引力与电场力的合力作用下，运动方向的矢量合力将得到增强，增大的合力将使纤维直径拉伸变细；再进一步，辅助气流可以有效提高溶液的挥发速度，加速纺丝纤维的干燥。

进一步优选的，参考图1、图2和图4，所述的涂覆部件包括一装载纺丝液的储液箱4，储液箱4具有一工作液位43，一般来说纺丝液均保持在工作液位43上。储液箱4做成相对封闭状，仅设置有用于发射电极1出入的电极入口41和电极出口42，以减少纺丝液的挥发，最大限度保证纺丝液的浓度稳定性及防止储液槽暴露在空气中导致溶液变质老化。另外，涂覆区13位于储液箱4内并低于工作液位43，保证涂覆区13均能浸泡在液位以下，保证涂覆的均匀。储液箱4上还有纺丝液入口45和溢流口44。纺丝液消耗过程中，纺丝液配制装置连接纺丝液入口45向储液箱4内持续补充纺丝。当纺丝液注入量过多，溢流口44将过多的纺丝液回收至纺丝液配制装置，实现储液箱4循环供液与供液的动态平衡。

实施例中，电极入口41和电极出口42均高于工作液位43，纺丝液不会因其而渗漏。优选的电极入口41和电极出口42位于储液箱4顶部，发射电极1在储液箱4顶部的运动轨迹为缺边的矩形。

实施例中的涂覆部件及涂覆方式能够区别于传统往复移动涂覆装置供液，传统技术中往复移动涂覆块装置供液的方式，其涂覆装置出液孔与纺丝电极之间距离过大将导致纺丝液的漏液，而距离小及纺丝电极丝的弯曲导致出液孔与纺丝电极产生摩擦，纺丝液涂覆不均。本实施例中使用的涂覆部件，涂液后的发射电极1在运行过程中不与任何涂覆块等物体接触而破坏纺丝液表面，纺丝液在自身重力作用下均匀分布在发射电极1上，保证纺丝过程的均匀性。

进一步优选的，发射电极1由链传动结构驱动而回转。参考图1至图5，所述的链传动结构包括链条5、链轮以及连接在链条5上的耳板51，链条5的每个链节上均设置一块所述的耳板51。所述的发射电极1的端部固接在耳板51上，当链条5带动发射电极1转动至涂覆区13时，金属丝11位于链条5下方，链条5高于工作液位43而没有接触纺丝液，因此，链条5的润滑液不会接触纺丝液而发生相互污染。

由于在涂覆区13的位置上，链条5是高于金属丝11的，为此当链条5回转至纺丝区12的相应位置时，链条5将会低于金属丝11，为了避免纺丝液因为重力的原因向下滑落至链条5中，在耳板51上设置残液暂存结构，残液暂存结构暂时存储纺丝区12中因重力而流向链条5的残液。

具体来说，参考图5，耳板51包括过渡部以及连接发射电极1的竖起部511。金属丝11插接在竖起部511的孔中，而过渡部连接竖起部511以及链条5，在图5中，竖起部511等于是对发射电极1“增高”，从而当如图4所示发射电极1处于涂覆状态时，竖起部511的部分和发射电极1接触纺丝液而链条5不接触纺丝液。重新参考图5，过渡部具有条状凸起513、条状凹陷514和连接部512，连接部512与链条5的链节相连，条状凸起513链节在连接部512上，条状凹陷514位于条状凸起513与竖起部511之间，那么条状凸起513和条状凹陷514构成了一个大致为“S”型的结构，当处于图5所示的状态时，发射电极1上的纺丝液因重力而流至竖起部511上，之后沿竖起部511流动至条状凹陷514，条状凹陷514相对于竖起部511和条状凸起513来说是凹陷的，那么纺丝液就回暂时存储在条状凹陷514中而不会污染链条5。上述的过渡部构成了实施例中的残液暂存结构。

通过以上所述的链条5、耳板51与发射电极1的连接结构具有至少两个优点：其一，发射电极可以完全浸没在纺丝液中，且保证链条5不沾染纺丝液，保持链条5上润滑液与纺丝液不相互污染；其二，耳板51运行至纺丝区12对应位置时溶液将向下流动，条状凹陷514可以防止溶液流向链条5上，保护链条5的干净。

进一步优选的，参考图1和图2，收集部件2外接负高压电源6，发射电极1接地。

一般来说，静电纺丝可以采用正高压直流电源与负高压直流电源提供高压静电，常用高压静电场实施方式有两种：正高压直流电源电极与接地零电势电极，负高压直流电源与接地零电势电极，电场力方向由高电势指向低电势。因此发射电极1只有两种接电方式：一种是接正高压直流电源，另一种是接地。本实施例中，不能采用正高压直流电源连接发射电极1的原因是：带高压的发射电极1前后与链条5、链轮、溶解液、干燥箱、储液箱4等装置相连，会增大电源消耗功率，且高压静电容易损坏与之相连接的带电装置，如驱动刷子运动的电机、干燥箱、驱动链条运动的电机、纺丝液配制装置中的搅拌器等；反之，受高压静电极化的装置将影响纺丝区的电场线分布，电场强弱不均匀，无规律可循，两者电场相互影响。

实施例中采用负高压电源6与收集部件2电性相连，发射电极1接地，与发射电极1直接相连的装置部件同样接地零电势，对电场无干扰。同时，负高压直流电源可简单实现与收集部件2相连。

参考图1和图2，实施例中的收集部件2包括收集电极21，处在收集电极21与发射电极1之间的基材9将收集纺丝纤维并与收集电极21贴合在一起。收集电极21与基材9可以不接触也可以接触，并且收集电极21与负高压电源6相连，使收集电极1与发射电极1之间形成高压静电场。由驱动电机带动的收卷轴100卷取基材，放卷轴101提供基材9放卷。

以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，包括：

回转的发射电极(1)，所述发射电极(1)由若干金属丝(11)交错连接成网状，发射电极(1)具有分隔的纺丝区(12)和涂覆区(13)；

涂覆部件，对位于涂覆区(13)的发射电极(1)涂覆纺丝液；

收集部件(2)，与纺丝区(12)对向设置；

收集部件(2)或发射电极(1)外接高压电源；

所述涂覆部件包括一储液箱(4)，所述储液箱(4)具有一工作液位(43)，所述储液箱(4)设有电极入口(41)和电极出口(42)，发射电极(1)的涂覆区(13)位于储液箱(4)内并低于工作液位(43)，所述发射电极(1)由链传动结构驱动而回转，所述链传动结构包括链条(5)以及连接在链条(5)上的耳板(51)，所述发射电极(1)的端部固接在耳板(51)上，转动至涂覆区(13)对应位置的链条(5)高于工作液位(43)，所述耳板(51)具有残液暂存结构，所述残液暂存结构暂时存储纺丝区(12)中因重力而流向链条(5)的残液。

2.根据权利要求1所述的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：在纺丝区(12)的对向位置设有气流辅助部件，所述气流辅助部件与收集部件(2)分别位于纺丝区(12)的两对向侧且气流辅助部件的气流喷射方向朝向收集部件(2)。

3.根据权利要求2所述的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述气流辅助部件包括气流发射器(31)，所述气流发射器(31)朝向收集部件(2)的表面均布有气孔(32)。

4.根据权利要求1所述的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述电极入口(41)和电极出口(42)均高于工作液位(43)。

5.根据权利要求1所述的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述耳板(51)包括过渡部以及连接发射电极(1)的竖起部(511)，所述过渡部连接竖起部(511)以及链条(5)，所述过渡部具有条状凸起(513)和条状凹陷(514)，所述条状凹陷(514)位于条状凸起(513)与竖起部(511)之间从而构成残液暂存结构。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：所述收集部件(2)外接负高压电源(6)，所述发射电极(1)接地。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的批量制备纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：还包括发射电极(1)在回转过程中依次经过的清洗部件(7)和烘干部件(8)，发射电极(1)先经过烘干部件(8)再进入涂覆部件。