CN108411385A - 一种顺重力鸭嘴形静电纺丝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种顺重力鸭嘴形静电纺丝装置及方法。所述装置包括鸭嘴形喷头，鸭嘴形喷头内设有溶液挤出辊；鸭嘴形喷头内部为中空结构，底部喷口为缝隙状，溶液推进器与鸭嘴形喷头连通。纺丝方法为：打开溶液推进器，将溶液注入鸭嘴形喷头内中空结构的上部；打开伺服电机一，带动溶液挤出辊缓慢转动，使得溶液流入鸭嘴形喷头的喷口，使得喷口中液体饱满但未滴落；打开高压发生器，为鸭嘴形喷头施加正极高压，当电压超过临界阈值时，在缝隙中液面上形成多根射流，射流向收集装置快速运动；溶剂快速挥发，高聚物沉积在收集装置表面。本发明通过溶液挤出辊对纺丝液进行稳定控制，在鸭嘴形的终端锋利边缘形成电荷积聚，以实现顺重力方向的静电纺丝。

Description

一种顺重力鸭嘴形静电纺丝装置及方法
技术领域
本发明涉及一种顺重力鸭嘴形静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝和纺织机械技术领域。
背景技术
静电纺丝是制备纳米纤维材料的最有效方式之一，相比于拉伸法、模板合成法、相分离法和自组装法等纳米材料的制备技术，静电纺丝具有操作简单、制备流程短、材料选择广泛等优点。而与传统纺织纤维材料相比，纳米纤维材料由于极小的尺度，拥有许多在大尺度下难以展现的特性，比如明显的表面与界面效应，特有的小尺寸效应，极大的比表面积和极高的孔隙率等。因此纳米纤维材料拥有更广泛的应用领域，比如在能源、环境、生物医学、光电等领域，纳米纤维材料都发挥着令整个行业为之瞩目的作用，使其拥有非常光明的应用前景。
近年来，设计改造静电纺丝装置，提高其纳米纤维的产量已经成为静电纺丝技术领域的一大研究热点。在全世界范围内，批量化生产静电纺纳米纤维的装置和方法也井喷式地不断涌现。中国专利ZL 201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这是一种自由液面式纺丝，可以实现静电纺纳米纤维的批量化制备，但其最大的不足是液面与空气环境接触面积过大，使得溶剂极易挥发，从而影响纺丝的稳定性；中国专利ZL201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，该装置可以提高纳米纤维单位时间内的产量，但容易发生针头堵塞的问题，并且密集的针头之间容易发生电场的干扰。
目前实现批量化生产静电纺丝纳米纤维的设备，其纺丝方向大多是反重力式的自下而上，而在传统的纤维材料领域，纤维的收集方向恰恰相反，因此这一方向的技术缺失，局限了静电纺丝在实际生产中的应用。而限制其方向的重要原因是供液方式，对于批量化生产设备而言，大量的纺丝液需要被供给，而改变其装置的方向则极容易使得溶液外漏，无法连续生产并影响纺丝过程。因此，设计一种既能批量化生产静电纺纳米纤维又能改变其纺丝方向，并保证纺丝过程连续稳定静电纺丝装置是尤为必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前批量化生产静电纺丝纳米纤维的技术，其纺丝方向是较为单一的自下而上，局限了静电纺丝技术更广泛的应用。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：提供一种顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，包括鸭嘴形喷头，鸭嘴形喷头内设有溶液挤出辊，溶液挤出辊与伺服电机一连接；鸭嘴形喷头内部为中空结构，底部喷口为缝隙状，溶液推进器通过软管与鸭嘴形喷头的顶部连通；鸭嘴形喷头的外壳与高压发生器的正极连接；鸭嘴形喷头下方设有收集装置。
优选地，所述鸭嘴形喷头的高度为100-200mm，其水平方向上的截面的最大宽度为75-150mm；鸭嘴形喷头喷口的宽度为1-3mm，长度为150-300mm，壁厚为10-20mm，喷口边缘处的厚度为0.1-0.5mm。
优选地，所述溶液挤出辊为底面直径40-120mm的圆柱体状，该圆柱体沿其长度方向贯穿鸭嘴形喷头的宽度，溶液挤出辊的两端从鸭嘴形喷头中各露出30-50mm，溶液挤出辊的外表面与鸭嘴形喷头的内壁相契合。
优选地，所述鸭嘴形喷头的材质为黄铜；溶液挤出辊的材质为聚四氟乙烯。
优选地，所述收集装置为金属辊筒，其与伺服电机二连接，且其外壳接地。
更优选地，所述金属辊筒与鸭嘴形喷头之间的距离为100-300mm。
本发明还提供了一种顺重力鸭嘴形静电纺丝方法，其特征在于，采用上述顺重力鸭嘴形喷头，包括以下步骤：
步骤1)：打开溶液推进器，将溶液通过软管注入鸭嘴形喷头内中空结构的上部；打开伺服电机一，带动溶液挤出辊缓慢转动，使得溶液流入鸭嘴形喷头的喷口，使得喷口中液体饱满但未滴落；
步骤2)：打开伺服电机二，使金属辊筒快速转动；
步骤3)：打开高压发生器，为鸭嘴形喷头施加正极高压，当电压超过临界阈值时，在缝隙中液面上形成多根射流，在电场力的作用下，射流向收集装置快速运动；在运动过程中高聚物射流抽长拉细，溶剂快速挥发，高聚物最终以纳米纤维的形式沉积在收集装置表面。
优选地，所述步骤3)中的高压发生器产生的电压施加在鸭嘴形喷头的外壳上，电压调节范围为0-100kV。
本发明设计了一种可以自上而下顺重力方向进行静电纺丝的装置和方法，相比于目前的批量化静电纺丝技术，实现了纺丝方向上的突破；该静电纺丝技术采用鸭嘴形喷头，进行无针式批量化静电纺纳米纤维的制备，既避免了喷头的堵塞，也大大增加了产量；供液装置方面，采用溶液挤出辊实现对溶液的精准控制，实现了缝隙的一体化供液，减少产生液面气泡的同时，也避免了溶液因聚集而产生的滴落，使得纺丝过程可以稳定连续地进行；此外，该装置构造简单，便于清洁和操作。所以利用本发明可以实现顺重力方向的批量化静电纺丝过程，突破了批量化制备静电纺纳米纤维生产方向上的局限，拓宽了静电纺丝技术的应用前景。
附图说明
图1为实施例提供的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置的结构示意图；
图2为鸭嘴形喷头与溶液挤出辊的示意图；
图3为鸭嘴形喷头与溶液挤出辊的剖视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1-3所示，为本实施例提供的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置的结构示意图，其包括鸭嘴形喷头1，鸭嘴形喷头1内设有溶液挤出辊2，溶液挤出辊2与伺服电机一3连接；鸭嘴形喷头1内部为中空结构，底部喷口为缝隙状，溶液推进器9通过软管8与鸭嘴形喷头1的顶部连通；鸭嘴形喷头1的外壳与高压发生器6的正极连接；鸭嘴形喷头1下方设有收集装置。收集装置为金属辊筒5，其与伺服电机二7连接，且其外壳接地。金属辊筒5与鸭嘴形喷头1之间的距离为200mm。
鸭嘴形喷头1的高度为100-200mm，其水平方向上的截面的最大宽度为75-150mm；鸭嘴形喷头1喷口的宽度为1-3mm，长度为150-300mm，壁厚为10-20mm，喷口边缘处的厚度为0.1-0.5mm。溶液挤出辊2为底面直径40-120mm的圆柱体状，该圆柱体沿其长度方向贯穿鸭嘴形喷头1的宽度，溶液挤出辊2的两端从鸭嘴形喷头1中各露出30-50mm，溶液挤出辊2的外表面与鸭嘴形喷头1的内壁相契合。鸭嘴形喷头1的材质为黄铜；溶液挤出辊2的材质为聚四氟乙烯。
一种顺重力鸭嘴形静电纺丝方法：
步骤1：溶液选用质量浓度为10％的聚丙烯腈(PAN)的N，N二甲基甲酰胺(DMF)溶液；将配置好的聚合物溶液装入溶液推进器9中，打开溶液推进器9，将溶液通过软管8注入鸭嘴形喷头1内中空结构的上部；打开伺服电机一3，带动溶液挤出辊2缓慢转动(转速为1r/min)，使得溶液流入鸭嘴形喷头1的喷口，使得喷口中液体饱满但未滴落；
步骤2：打开伺服电机二7，使金属辊筒5快速转动；
步骤3：当喷口处液面饱和时，打开高压发生器6，为鸭嘴形喷头1施加正极高压，当电压超过临界阈值时，在缝隙中液面上形成多根射流4，在电场力的作用下，射流4向金属辊筒5快速运动；在运动过程中高聚物射流抽长拉细，溶剂快速挥发，高聚物最终以纳米纤维的形式沉积在金属辊筒5表面。高压发生器6产生的电压施加在鸭嘴形喷头1的外壳上，电压调节范围为0-100kV。

Claims (8)

1.一种顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，包括鸭嘴形喷头(1)，鸭嘴形喷头(1)内设有溶液挤出辊(2)，溶液挤出辊(2)与伺服电机一(3)连接；鸭嘴形喷头(1)内部为中空结构，底部喷口为缝隙状，溶液推进器(9)通过软管(8)与鸭嘴形喷头(1)的顶部连通；鸭嘴形喷头(1)的外壳与高压发生器(6)的正极连接；鸭嘴形喷头(1)下方设有收集装置。
2.如权利要求1所述的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，所述鸭嘴形喷头(1)的高度为100-200mm，其水平方向上的截面的最大宽度为75-150mm；鸭嘴形喷头(1)喷口的宽度为1-3mm，长度为150-300mm，壁厚为10-20mm，喷口边缘处的厚度为0.1-0.5mm。
3.如权利要求1所述的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，所述溶液挤出辊(2)为底面直径40-120mm的圆柱体状，该圆柱体沿其长度方向贯穿鸭嘴形喷头(1)的宽度，溶液挤出辊(2)的两端从鸭嘴形喷头(1)中各露出30-50mm，溶液挤出辊(2)的外表面与鸭嘴形喷头(1)的内壁相契合。
4.如权利要求1所述的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，所述鸭嘴形喷头(1)的材质为黄铜；溶液挤出辊(2)的材质为聚四氟乙烯。
5.如权利要求1所述的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，所述收集装置为金属辊筒(5)，其与伺服电机二(7)连接，且其外壳接地。
6.如权利要求5所述的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，其特征在于，所述金属辊筒(5)与鸭嘴形喷头(1)之间的距离为100-300mm。
7.一种顺重力鸭嘴形静电纺丝方法，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的顺重力鸭嘴形静电纺丝装置，包括以下步骤：
步骤1)：打开溶液推进器(9)，将溶液通过软管(8)注入鸭嘴形喷头(1)内中空结构的上部；打开伺服电机一(3)，带动溶液挤出辊(2)缓慢转动，使得溶液流入鸭嘴形喷头(1)的喷口，使得喷口中液体饱满但未滴落；
步骤2)：打开伺服电机二(7)，使金属辊筒(5)快速转动；
步骤3)：打开高压发生器(6)，为鸭嘴形喷头(1)施加正极高压，当电压超过临界阈值时，在缝隙中液面上形成多根射流(4)，在电场力的作用下，射流(4)向收集装置快速运动；在运动过程中高聚物射流抽长拉细，溶剂快速挥发，高聚物最终以纳米纤维的形式沉积在收集装置表面。
8.如权利要求7所述的顺重力鸭嘴形喷头静电纺丝方法，其特征在于，所述步骤3)中的高压发生器(6)产生的电压施加在鸭嘴形喷头(1)的外壳上，电压调节范围为0-100kV。
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