CN108728916B - 一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器 - Google Patents
一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及纳米纤维加工领域，旨在提供一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器。是在储料腔的上部设置密封盖，在储料腔内部设置竖向的分腔板，密封盖与分腔板共同配合将储料腔分隔成至少两个独立腔体；密封盖、分腔板和储料腔的中心位于同一轴线上，沿该轴线开设贯穿通孔，驱动电机的转轴穿过该通孔且紧密配合，使密封盖、分腔板和储料腔均固定在驱动电机的转轴上；在密封盖上设有与独立腔体一一对应的纺丝液注入孔，在各独立腔体的侧壁上设置贯通的喷丝孔。本发明结构简单，可拆卸的分体式结构更易于加工且清理方便；制备复合纳米纤维的过程稳定高效，不会出现静电纺中射流的劈裂和鞭动现象，避免出现复合纤维中单组分***的现象。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维加工领域，具体涉及一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器。
背景技术
复合材料是指由两种或者两种以上性质不同的材料，通过物理或者化学的技术与方法，在宏观或者微观上组合而成的材料。复合材料当中各种材料在性能上取长补短，各具优势，可以充分弥补自身的不足与缺陷。通过材料组合，形成复合材料，可以使原来材料的性能得到极大的强化。一般情况下，在物理或者化学方法的作用下，复合材料的基本性能优于原来任何一种材料的性能。
目前全球化纤工业的新一轮技术革命正在展开，“大纤维”时代正在到来，功能化、差异化、智能化、绿色化已成为化纤工业的发展趋势，高性能纤维领域更是全球各国必争的科技制高点，复合纤维技术作为高性能纤维的关键性实现技术之一而越来越受到行业的重视。
纳米纤维由于其尺寸效应、表面效应、高表面活性和高孔隙率，可以灵活地进行功能化改性修饰，具有优良的光、热、电、磁性能，因此受到了广泛关注。复合纳米纤维也成为了纳米纤维研究领域中的一个重要方向。
目前，复合纳米纤维的主要制备方法包括有机物和无机物纳米颗粒掺杂复合、多元聚合物共溶剂体系复合、多元溶剂体系溶解复合。这些方法都可以很好地制备复合纳米纤维，然而其中存在了诸多问题，比如颗粒物的分散均匀程度，颗粒物附着牢度，共溶剂体系限制了聚合物范围，多元溶剂体系会导致纺丝液的配置复杂化，准备工序繁琐等。
目前，对无共溶剂体系或者难以采用共溶剂体系的两种及以上聚合物的共混复合纺丝制备纳米纤维的研究较少，如何将无法采用或难以采用共溶剂体系的聚合物通过分别采用简单的溶解方法一步法制备出两相分散均匀的复合纳米纤维是拓展复合纳米纤维应用的关键。
中国专利CN104611772A公开了“一种批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置”，采用无针式同轴静电纺丝喷头，可以批量制备具有皮芯结构的纳米纤维毡；中国专利CN106222767A公开了“一种同轴离心纺丝装置及方法”，采用一组或多组同轴离心管进行离心纺丝制备具有皮芯结构的超细纤维，设计简单，产量高；中国专利CN105369369A公开了“一种离心同轴静电纺丝机”将离心纺与同轴静电纺结合，制备同轴复合纳米纤维，产量更高。皮芯结构的复合纤维适用范围有限，对于双组份纤维，在需要两种组分共同作用的应用场合，比如药物释放和细胞培养等，如果皮芯结构的皮层十分致密，芯层无法发挥作用，这种情况就需要选择其他方式来解决。
中国专利CN107236997A公开了“一种批量制备并列复合结构纳米纤维的静电纺丝方法”，通过将纺丝液A和纺丝液B在喷丝头上方形成左右并列的复合层纺丝液，再经电场作用拉伸形成并列复合纳米纤维，比传统的并列针头静电纺丝产量高。但由于静电纺丝过程中静电的存在，导致射流的鞭动与劈裂现象始终伴随，进而实质性影响到最终产品的性状。该技术虽然从工艺上完成了并列复合纳米纤维的设计，但经业内技术人员多次重复试验确认，利用该技术实际生产出的纤维并非真正意义上的并列复合纤维。在多数情况下，所得产品是单组分A纳米纤维或者单组份B纳米纤维，或者沿纤维轴向两种组合并列的含量比例差异较大的复合纤维。
在离心纺丝制备纳米纤维技术中，目前未见有并列结构等复合纳米纤维的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器，包括用于存储纺丝液的中空容器状的储料腔；在储料腔的上部设置密封盖，在储料腔内部设置竖向的分腔板，密封盖与分腔板共同配合将储料腔分隔成至少两个独立腔体；密封盖、分腔板和储料腔的中心位于同一轴线上，沿该轴线开设贯穿通孔，驱动电机的转轴穿过该通孔且紧密配合，使密封盖、分腔板和储料腔均固定在驱动电机的转轴上；在密封盖上设有与独立腔体一一对应的纺丝液注入孔，在各独立腔体的侧壁上设置贯通的喷丝孔。
本发明中，所述喷丝孔位于分腔板与储料腔内壁的相接处，在分腔板上设有与喷丝孔同轴的导流流道，导流流道与喷丝孔连通。
本发明中，所述分腔板通过下述任意一种方式固定在储料腔中：
(1)在储料腔的内部侧壁上设置竖向凹槽，分腔板的端部***在纵向凹槽中；
(2)在储料腔的内部侧壁上设置卡扣部件，分腔板的端部卡装在卡扣部件中；
(3)分腔板的端部紧贴在储料腔的内部侧壁上，并以贯穿储料腔侧壁的螺钉实现固定。
本发明中，储料腔中独立腔体的数量为2n个，n＝1，2，3，4，5，…；随着独立腔体数量的增加，所述分腔板的横向截面分别呈一字型、十字形，以此类推。
本发明中，所述喷丝孔位于同一水平面上，且保持相同的间距。
本发明中，所述喷丝孔的孔径为0.1～1mm，喷丝孔的孔道长度为0.1～10mm；纺丝液注入孔的孔径为0.5～2mm。
本发明中，所述储料腔的横截面形状为圆形、椭圆形或梭形。
喷丝器的制造材料可以是不锈钢、铝合金、铜、PTFE、PLA、ABS、PP、PET等；每个独立腔体内的纺丝液的粘度范围基本相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)离心纺丝技术制备的纳米纤维产量更高，在离心纺丝过程中，射流轨迹更稳定，当不同组分的纺丝液在同一喷丝孔汇聚形成并列射流时，由于离心力的作用，这种并列会一直存在直到固化形成复合纳米纤维，不会出现静电纺中射流的劈裂和鞭动现象，因而就不会出现复合纤维中单组分***的现象。
(2)本发明结构简单，可拆卸的分体式结构更易于加工且清理方便；
(3)本发明制备复合纳米纤维的过程稳定高效，为无共溶剂或难以共溶的材料提供了制备复合纳米纤维的新思路。
附图说明
图1是本发明喷丝器的结构分解图。
图2是喷丝器的密封盖的俯视图。
图3是喷丝器的储料腔的左视图。
图4是沿喷丝孔所处轴线横向剖切后的喷丝器示意图。
图5是沿喷丝孔所处轴线纵向剖切后的喷丝器示意图。
图6为采用本发明喷丝器制得的海藻酸钠/壳聚糖纳米纤维SEM图。
附图标记说明：密封盖1、分腔板2、储料腔3、纺丝液注入孔4、喷丝孔5。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。需指出的是，这些实施例仅用于说明本发明，便于本领域的技术人员进一步理解本发明的技术构思及特点，而不用于限制本发明的范围。应当指出的是，对本领域技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明作出各种改动或修改，这些等价形式同样属于本发明所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器包括用于存储纺丝液的中空容器状的储料腔3；在储料腔3的上部设置密封盖1，在储料腔3内部设置竖向的平板式(一字型)分腔板2，密封盖1与分腔板2共同配合将储料腔3分隔成两个独立腔体；密封盖1、分腔板2和储料腔3的中心位于同一轴线上，沿该轴线开设贯穿通孔，驱动电机的转轴穿过该通孔且紧密配合，使密封盖1、分腔板2和储料腔3均固定在驱动电机的转轴上；在密封盖1上设有与独立腔体一一对应的纺丝液注入孔4，在各独立腔体的侧壁上设置贯通的喷丝孔5。如图1中所示，喷丝孔5位于分腔板2两端与储料腔3内壁的相接处，在分腔板2上设有与喷丝孔5同轴的导流流道，导流流道与喷丝孔5连通。
图1中，在储料腔3的内部侧壁上设置竖向凹槽，分腔板2的端部***在纵向凹槽中以实现固定。当然，分腔板2也可以通过其它方式实现固定，例如在储料腔3的内部侧壁上设置卡扣部件，分腔板2的端部卡装在卡扣部件中；或者，使分腔板2的端部紧贴在储料腔3的内部侧壁上，并以贯穿储料腔3侧壁的螺钉实现固定。
本实例中，分腔板2为平板式(即一字型)，将储料腔3分隔为两个独立腔体。根据实际需要，独立腔体的数量也可以是2n个，n＝2，3，4，5，…；随着独立腔体数量的增加，所述分腔板的横向截面呈十字形(n＝2)或星形(n＝3)，以此类推。开设在储料腔3壁上的喷丝孔5则位于同一水平面上，且保持相同的间距。作为一个示例，喷丝孔的孔径为0.1～1mm，喷丝孔的孔道长度为0.1～10mm；纺丝液注入孔的孔径为0.5～2mm。喷丝器的制造材料可以是不锈钢、铝合金、铜、PTFE、PLA、ABS、PP、PET等；每个独立腔体内的纺丝液的范围基本相同。储料腔3的横截面形状为圆形(如图1、2所示)、椭圆形或梭形。
将本发明运用于纺丝时，将储料腔3、分腔板2和密封盖1依次固定在电机转轴上，并分别向储料腔3中每个独立腔体中注入不同纺丝液以用于离心纺丝。
利用本发明产品制备获得的是并列型复合纤维。在并列型复合纤维内，存在着沿纤维轴向并列分布的A组分与B组分。本发明中通过采用两种纺丝液在分腔板两侧沿流道向一侧的一个喷丝孔汇聚，即在一个喷丝孔处有两种纺丝液，汇聚后在离心力作用下从一个喷丝孔甩出，进一步形成并列结构的纳米纤维(不是从两个喷丝孔出来再拼接形成并列结构)。
实施例1：
下面采用海藻酸钠水溶液和壳聚糖乙酸溶液进行离心纺原位复合制备纳米纤维。由于这两种纺丝液混合时会发生凝胶不适于直接混合溶解，故采用本发明中方案进行复合。将一定分子量的海藻酸钠溶于一定质量的去离子水中，得到质量分数为4％的海藻酸钠水溶液；将一定分子量的壳聚糖溶于一定质量10％乙酸溶液中，得到质量分数为5％的壳聚糖乙酸溶液。采用如图1所示的一字型分腔板2，将圆柱状储料腔3分成两个独立腔体，喷丝孔孔径为0.25mm，喷丝孔孔道长度为1mm，纺丝液注入孔为2mm。分别向两个独立腔体注入纺丝液后，启动电机电源，电机转速设置为4000rpm，进行离心纺丝。获得具有并列结构的海藻酸钠/壳聚糖复合纳米纤维，纤维直径范围为300-500nm。
Claims (7)
1.一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器，包括用于存储纺丝液的中空容器状的储料腔；其特征在于，在储料腔的上部设置密封盖，在储料腔内部设置竖向的分腔板，密封盖与分腔板共同配合将储料腔分隔成至少两个独立腔体；密封盖、分腔板和储料腔的中心位于同一轴线上，沿该轴线开设贯穿通孔，驱动电机的转轴穿过该通孔且紧密配合，使密封盖、分腔板和储料腔均固定在驱动电机的转轴上；在密封盖上设有与独立腔体一一对应的纺丝液注入孔，在各独立腔体的侧壁上设置贯通的喷丝孔。
2.根据权利要求1所述的分体式喷丝器，其特征在于，所述喷丝孔位于分腔板与储料腔内壁的相接处，在分腔板上设有与喷丝孔同轴的导流流道，导流流道与喷丝孔连通。
3.根据权利要求1所述的分体式喷丝器，其特征在于，所述分腔板通过下述任意一种方式固定在储料腔中：
（1）在储料腔的内部侧壁上设置竖向凹槽，分腔板的端部***在纵向凹槽中；
（2）在储料腔的内部侧壁上设置卡扣部件，分腔板的端部卡装在卡扣部件中；
（3）分腔板的端部紧贴在储料腔的内部侧壁上，并以贯穿储料腔侧壁的螺钉实现固定。
4.根据权利要求1所述的分体式喷丝器，其特征在于，储料腔中独立腔体的数量为2n个，n=1，2，3，4，5，…；随着独立腔体数量的增加，所述分腔板的横向截面分别呈一字型、十字形，以此类推。
5.根据权利要求1所述的分体式喷丝器，其特征在于，所述喷丝孔位于同一水平面上，且保持相同的间距。
6.根据权利要求1所述的分体式喷丝器，其特征在于，所述喷丝孔的孔径为0.1～1mm，喷丝孔的孔道长度为0.1～10mm；纺丝液注入孔的孔径为0.5～2mm。
7.根据权利要求1所述的分体式喷丝器，其特征在于，所述储料腔的横截面形状为圆形、椭圆形或梭形。
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