CN106637439A - 自主式多喷头气泡静电纺丝装置 - Google Patents

自主式多喷头气泡静电纺丝装置 Download PDF

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Abstract

自主式多喷头气泡静电纺丝装置，涉及静电纺丝装置。提供引入气流形成气泡膜，同时通过金属电极组往复运动，自主式刺破气泡，促进射流的高效、稳定的喷射，形成均匀排列纤维的自主式多喷头气泡静电纺丝装置。设有电源、多喷头顶盖、收集板、供液装置、底盖、气泵、供气通道、电动伸缩推杆和金属电极组；供液装置通过软管与多喷头顶盖连接；多喷头顶盖上端内部设有溶液槽，多喷头顶盖内表面设有7个喷嘴；多喷头顶盖设在收集板下方，金属电极组与电动伸缩推杆连接，电动伸缩推杆驱动金属电极组上下往复运动；多喷头顶盖下端设有底盖，气泵通过供气通道与底盖连接；底盖设有气道接口，电源正极通过导线与溶液槽连接，电源负极接地；收集板接地。

Description

自主式多喷头气泡静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝装置，尤其是涉及自主式多喷头气泡静电纺丝装置。
背景技术
通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝技术以结构简单、成本低、适用性高、工艺可控等优点，已成为一种可靠制备纳米纤维的方法。静电纺丝技术材料兼容性高，利用此技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。
目前，传统的静电纺丝采用的是单个纺丝喷头进行静电纺丝，所产生的的射流只有一根，生产率过低，仅为0.01～0.1g/h，极大地影响到其产业化和规模化。近年来，研究人员针对这一问题，提出了两种提高产量的方法，一是多喷头静电纺丝，二是无喷头的多射流静电纺丝，这两种方法产量比传统的电纺产量提高近一个数量级。在无喷头的多射流静电纺丝中，气泡静电纺丝是其典型代表，依靠气体在溶液中产生的气泡爆裂产生多条纺丝射流，极大的提高纺丝效率。但是在这种方式下，纤维是靠气泡爆裂产生，且气泡在溶液中的位置具有不确定性，导致纺丝射流具有较大的不稳定性，难以形成均匀的纤维，严重影响纳米纤维的质量，使其纤维的应用范围受到极大的限制。所以解决气泡静电纺丝稳定性和设计合理收集装置进一步提高纺丝效率和质量成为研究的难题。
传统的静电纺丝采用的是单根纺丝喷头进行纤维的制备，效率较低，无法实现纤维的批量化生产。目前提高静电纺丝纳米纤维效率的方法主要是采用多纺丝喷头进行静电纺丝(Theron S A,Yarin A L,Zussman E,et al.Multiple jets in electrospinning:experiment and modeling[J].Polymer,2005,46(9):2889-2899)，并且大多数采用的是对多个标准的注射纺丝喷头进行组装，靠机械力的推动挤出溶液或熔体，靠电场力的拉伸进行纺丝。但是，标准的注射喷头的喷丝口直径大多处于微米级，用这种喷头进行静电纺丝，容易因溶剂挥发或熔体固化速度过快而导致喷头的阻塞，造成纺丝制备的中断，影响生产效率，同时需要更换喷头和对喷头进行清洗，造成纺丝效率的降低，纺丝成本的提高。并且，对于粘度较高的溶液或熔体，由于溶液或熔体的表面张力大，难以克服表面张力形成喷射细流，目前解决的方法主要是采用提高加在喷头上的直流电压，使得溶液或熔体在喷头处的溶液克服表面张力形成喷射细流，但是过高的电压容易造成空气的电离。在静电纺丝过程中，除了上述的利用电场力克服溶液的表面张力的方法之外，采用外力干扰也是一种有效破坏溶液的表面张力的方法。其中，采用机械振动可以增强溶液的流动性，采用外物接触溶液表面，可以刺破表面，克服表面张力，均是有效破坏表面张力的途径。目前有采用超声波震荡的方式使溶液处于动态流动状态，克服溶液表面张力形成多射流。但是在静电纺丝过程中，驻波的位置会偏移，泰勒锥形成的位置和方向不固定，射流和形成的纤维的均匀性较低，射流之间容易发生干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供引入气流形成气泡膜，同时通过金属电极组往复运动，自主式刺破气泡，促进射流的高效、稳定的喷射，形成均匀排列纤维的自主式多喷头气泡静电纺丝装置。
本发明设有电源、多喷头顶盖、收集板、供液装置、底盖、气泵、供气通道、电动伸缩推杆和金属电极组；所述供液装置通过软管与多喷头顶盖连接；多喷头顶盖上端内部设有溶液槽，多喷头顶盖内表面设有7个喷嘴；多喷头顶盖设在收集板下方，金属电极组与电动伸缩推杆连接，电动伸缩推杆驱动金属电极组上下往复运动；多喷头顶盖下端设有底盖，气泵通过供气通道与底盖连接；所述底盖设有气道接口，电源正极通过导线与溶液槽连接，电源负极接地；收集板接地。
所述金属电极组可由7个等间距并排的电极组成，每个电极直径为0.2～1mm，电极尖端有10°～30°的锥度。
所述电动伸缩推杆行程可为0～100mm。
所述溶液槽中溶液高于喷嘴2～4mm，供液装置供液速度为0～1000ml/h可调。
所述多喷头顶盖上的7个喷嘴之间等间距，每个喷嘴的内径为0.3～1.5mm。
所述电源可采用高压电源。
本发明的优点在于喷嘴处的溶液在气体的作用下形成气泡膜，而不破裂，往复运动的金属电极组自主式刺破气泡膜，可形成稳定的纺丝射流，促进纤维的稳定均匀排列，同时装置具有多个喷嘴和电极，提高纺丝的生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例的结构组成示意图。
在图1中，各标记为：电源1、多喷头顶盖2、收集板3、喷嘴4、溶液槽5、供液装置6、带气道接头的底盖7、气泵8、供气通道9、电动伸缩推杆10、金属电极组11。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明实施例设有电源1、多喷头顶盖2、收集板3、喷嘴4、溶液槽5、供液装置6、带气道接头的底盖7、气泵8、供气通道9、电动伸缩推杆10、金属电极组11。供液装置6通过软管与多喷头顶盖7连接；多喷头顶盖7上端内部设有溶液槽5，内表面设有7个喷嘴4；多射头顶盖2设在收集器3下方，金属电极组11与电动伸缩推杆10连接，驱动金属电极组11上下往复运动；多喷头顶盖2下端设有带气道接头的底盖7，气泵8通过供气通道9与带气道接口的底盖7连接；电源1正极通过导线与溶液槽5连接，电源1负极接地；收集板3接地。
在开始进行静电纺丝之前，需将收集板3放置在多喷头顶盖2的上方，控制收集板3与多喷头顶盖2的最小距离大于50mm。开始静电纺丝时，开启气泵8，提供微弱气流，打开供液装置6，将静电纺丝溶液注入到溶液槽5内，当溶液与喷嘴4高度差高于2mm时，加大气泵8的气压，使溶液在喷嘴4处形成气泡膜，打开电动伸缩推杆10驱动金属电极组11向上运动，刺破气泡膜，在高压电场的作用下形成射流。待刺破气泡后，驱动金属电极组11向下运动，喷嘴4处溶液在供液装置6的供给下，覆盖喷嘴4，形成气泡膜，金属电极组11往复运动，不断刺破形成的气泡膜，高效稳定地产生纺丝射流，促进纤维的稳定均匀排列收集。

Claims (7)

1.自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于设有电源、多喷头顶盖、收集板、供液装置、底盖、气泵、供气通道、电动伸缩推杆和金属电极组；所述供液装置通过软管与多喷头顶盖连接；多喷头顶盖上端内部设有溶液槽，多喷头顶盖内表面设有7个喷嘴；多喷头顶盖设在收集板下方，金属电极组与电动伸缩推杆连接，电动伸缩推杆驱动金属电极组上下往复运动；多喷头顶盖下端设有底盖，气泵通过供气通道与底盖连接；所述底盖设有气道接口，电源正极通过导线与溶液槽连接，电源负极接地；收集板接地。
2.如权利要求1所述自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于所述金属电极组由7个等间距并排的电极组成，每个电极直径为0.2～1mm，电极尖端有10°～30°的锥度。
3.如权利要求1所述自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于所述电动伸缩推杆行程为0～100mm。
4.如权利要求1所述自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于所述溶液槽中溶液高于喷嘴2～4mm。
5.如权利要求1所述自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于所述供液装置供液速度为0～1000ml/h可调。
6.如权利要求1所述自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于所述多喷头顶盖上的7个喷嘴之间等间距，每个喷嘴的内径为0.3～1.5mm。
7.如权利要求1所述自主式多喷头气泡静电纺丝装置，其特征在于所述电源采用高压电源。
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