CN110344125B - 一种批量电纺装置及其制备纳米纤维膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种批量电纺装置及其制备纳米纤维膜的方法，包括溶液槽、喷头、计量泵、储液箱、驱动***、纤维沉积器、三维运动平台和高压电源；所述喷头设置于溶液槽内，该喷头包括旋转针和若干个环形限流圈；所述环形限流圈与旋转针同轴安装，且环形限流圈沿旋转针轴向等距设置；所述旋转针的下端伸出溶液槽外，并与驱动***连接；所述溶液槽依次与计量泵和储液箱连通；所述纤维沉积器设置于喷头的上方，通过三维运动平台改变纤维沉积器在工作范围内的位置；所述高压电源与纤维沉积器电性连接，所述溶液槽、纺丝液及喷头接地。本发明利用韦森堡效应和毛细现象对喷头进行供液，解决现有技术中纤维制造产量低、喷头容易堵塞等问题。
Description
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，具体涉及一种批量电纺装置及其制备纳米纤维膜的方法。
背景技术
静电纺丝技术作为纳米纤维制造技术的一种，因其技术简单、可纺材料多样等优点得到广泛应用。静电纺丝装置主要包括高压电源、喷头以及收集装置等，高压电源使喷头与收集装置间产生高压电场，此时喷头口悬挂液滴的表面会聚集电荷，液滴逐渐形成泰勒锥并向收集装置喷射，随着射流鞭动、拉伸、劈裂等过程，最终以纳米纤维形式沉积于收集装置。
传统静电纺丝技术利用单根针尖作为喷丝头，电液耦合过程中产生单根射流，其产量不理想；另外，当纺丝液粘度较大，纺丝针头容易堵塞，造成电纺中断。因此，单针头电纺的产量通常为0.02g/h，无法满足批量电纺纳米纤维膜的产量要求。对此，电纺领域研究员对批量电纺装置进行了研究。
Elmarco公司采用圆柱形旋转电极对纺丝液进行供液，其纺丝产量得到有效提升，并申请了世界专利(WO2005024101)。此外，气泡批量电纺、滚筒电极批量电纺、线电极批量电纺等技术均能较好地解决传统纺丝头容易堵塞、难以清洗的问题，形成多股超细射流，从而提高纺丝效率。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种纺丝头不容易堵塞、易于清洗、能够形成多股超细射流、提高纺丝效率的批量电纺装置及其制备纳米纤维膜的方法。
技术方案：本发明的目的通过下述技术方案实现：
本发明提供了一种批量电纺装置，包括溶液槽、喷头、计量泵、储液箱、驱动***、纤维沉积器、三维运动平台和高压电源；
所述喷头设置于溶液槽内，该喷头包括旋转针和若干个环形限流圈；所述环形限流圈与旋转针同轴设置，且环形限流圈沿旋转针轴向等距设置；所述旋转针的下端伸出溶液槽外，并与驱动***连接；所述溶液槽依次与计量泵和储液箱连通；所述纤维沉积器设置于喷头的上方，通过三维运动平台改变纤维沉积器在工作范围内的位置；所述高压电源与纤维沉积器电性连接，所述溶液槽、纺丝液及喷头接地。
所述驱动***设置于溶液槽下方，包括旋转电机、联轴器和电机控制器；所述旋转电机的输出轴通过联轴器与喷头传动连接，所述喷头由驱动***驱动，绕自身轴线转动；旋转电机与电机控制器电性连接。
所述溶液槽内设置有至少一个喷头，且所述喷头均匀排列于溶液槽内。
所述旋转针的外表面直径为1μm～1mm，长度为50μm～1cm。
所述环形限流圈的内径为100μm～2mm，宽度为300μm～5mm，其截面为矩形。
所述纤维沉积器与喷头顶部的间距为5mm～100cm。
本发明还提供了采用上述批量电纺装置制备纳米纤维膜的制备方法，包括如下步骤：
1)将配制好的纺丝液存入储液箱；
2)设定计量泵的供液速度，将纺丝液泵入溶液槽；
3)设定旋转电机的转速，带动旋转针绕自身轴线自转，使得纺丝液爬升至喷头顶部；
4)设定高压电源的输出电压，喷头顶部的纺丝液在剪切力和高压电场的作用下形成泰勒锥并以射流形式向纤维沉积器喷射，最后以纳米纤维膜的形式沉积在纤维沉积器上；
5)通过设定三维运动平台，及时将制备完毕的纳米纤维膜运输出纺丝区域。
优选的，所述计量泵的供液流量为10μl/hr～100ml/hr。
优选的，所述旋转电机的转速范围为1～8000RPM。
优选的，所述高压电源的输出电压范围为1～70kV。
有益效果：
(1)本发明的批量电纺装置设有旋转针，旋转针旋转时，纺丝液会自发沿着旋转针轴向向喷头顶部供液，溶液消耗速度与纺丝速度自动匹配，提高纤维的均匀性；
(2)本发明的批量电纺装置设有多个环形限流圈，对旋转针外周的溶液厚度进行控制；同时，溶液在旋转针和环形限流圈的间隙输送还会发生毛细现象，有利于溶液输运；
(3)本发明批量电纺装置的多个环形限流圈沿着旋转针轴向均匀阵列布置，相邻环形限流圈间具有一定间隙，从而减少溶液与环形限流圈的接触面积，在一定程度上避免了喷头堵塞的问题；
(4)当旋转针被旋转电机带动发生自旋时，旋转针附近的纺丝液会发生韦森堡现象；本发明批量电纺装置利用韦森堡效应和毛细现象对喷头进行供液，解决了现有技术中纤维制造产量低、喷头容易堵塞等问题。
附图说明
图1为本发明批量电纺装置的结构示意图。
图中：1-旋转电机、2-溶液槽、3-储液箱、4-喷头、41-旋转针、42-环形限流圈、5-计量泵、6-高压电源、7-泰勒锥、8-三维运动平台、9-纤维沉积器、10-电机控制器、11- 射流、12-联轴器、13-纺丝液。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：
如图1所示：一种批量电纺装置，包括溶液槽2、喷头4、计量泵5、储液箱3、驱动***、纤维沉积器9、三维运动平台8和高压电源6。
喷头4设置在溶液槽2内，喷头4由旋转针41和4个环形限流圈42组成；环形限流圈42与旋转针41同轴安装，且环形限流圈42沿旋转针41轴向等距设置，旋转针 41的下端伸出溶液槽2外，并与驱动***连接；旋转针41自旋转速范围为1～8000RPM。其中旋转针41，可以为医用针灸针、钨探针等，外表面直径范围为1μm～1mm，长度范围为50μm～1cm；环形限流圈42的内径范围为100μm～2mm，宽度范围为300μm～5mm，其截面为矩形。
驱动***设置于溶液槽2下方，由旋转电机1、联轴器12和电机控制器10组成；旋转电机1的输出轴通过联轴器12与喷头4传动连接，喷头4由驱动***驱动，能够平稳地绕自身轴线转动；旋转电机1与电机控制器10电性连接，通过设定电机控制器 10可以控制旋转电机1的输出转速，从而控制喷头4自转的速度。
在溶液槽2和储液箱3之间设置计量泵5，溶液槽2与计量泵5和储液箱3连通，控制计量泵5对溶液槽2的供液速度，可以将储液箱3内的纺丝液13泵入溶液槽2内，使溶液槽2内纺丝液13的溶液高度满足纺丝要求；计量泵5供液流量为 10μl/hr～100ml/hr。
纤维沉积器9设置于喷头4的上方，可以通过三维运动平台8改变纤维沉积器9在工作范围内的位置，从而改变纺丝间距，也能够将形成的纳米纤维膜输送出纤维沉积区域；高压电源6与纤维沉积器9电性连接，溶液槽2、纺丝液13及喷头4接地，采用溶液接地的方式可以避免高压电场对旋转电机1以及相关电路的电干扰；其中纤维沉积器9为收集板或滚筒或平行电极或电极网等纺丝技术领域中的各类收集装置，与喷头4 的间距范围为5mm～100cm；高压电源6，其电压输出范围为1～70kV。
实施例2：
基于实施例1的装置，本实施例关于纳米纤维膜的制备方法如下：
按图1装配各组件，其中旋转针41外径为200μm，旋转针41长度为50cm，环形限流圈42内径为800μm，宽度为100μm，相邻环形限流圈42间距为500μm，纤维沉积器9与喷头4的极间距为15cm；
1)将配制好的纺丝液13(12％聚氧乙烯PEO溶液，溶剂为酒精、蒸馏水，酒精与蒸馏水的体积比1:1)存入储液箱3；
2)设定计量泵5的供液速度为800μl/hr，将纺丝液13泵入溶液槽2；
3)设定旋转电机1的转速为4900RPM，带动旋转针41绕自身轴线自转，此时纺丝液13会爬升至喷头4顶部；
4)设定高压电源6的输出的电压为46kV，喷头4顶部的纺丝液13在剪切力和高压电场的作用下形成泰勒锥7并以射流形式向纤维沉积器9喷射，最后以纳米纤维膜的形式沉积在纤维沉积器9上；
5)通过设定三维运动平台8，及时将制备完毕的纳米纤维膜运输出纺丝区域。
进一步补充说明本实施例，确定旋转针41和环形限流圈42的结构、尺寸以及装配关系，其前提是，首先要保证纺丝液13在上述两者之间能发生韦森堡效应和毛细效应。
进一步补充说明本实施例，设置计量泵5和储液箱3，主要是对溶液槽2进行持续供液，保证泵入纺丝液13的速度与喷射所消耗纺丝液13的速度相等，保证溶液槽2内的纺丝液13液面高度不变，确保韦森堡效应和毛细现象的稳定性。
本发明提供的技术方案，其关键技术在于喷头4，本实施例的喷头4由旋转针41 和4个环形限流圈42组成，其创新点主要有如下两点：第一，当旋转针41被旋转电机 1带动发生自旋时，旋转针41附近的纺丝液13会发生韦森堡现象；第二，设有4个环形限流圈42，纺丝液13在旋转针41外表面和环形限流圈42内表面输送时，还会出现毛细现象。纺丝在喷头4内同时出现韦森堡效应和毛细效应，因此溶液槽2内的纺丝液 13稳定、持续输送至喷头4尖端，在电场的作用下发生电液耦合作用，最后以纳米纤维膜的形式沉积在纤维沉积器9上。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (9)
1.一种采用批量电纺装置制备纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述批量电纺装置包括溶液槽、喷头、计量泵、储液箱、驱动***、纤维沉积器、三维运动平台和高压电源；
所述喷头设置于溶液槽内，该喷头包括旋转针和若干个环形限流圈；所述环形限流圈设置于旋转针***，所述环形限流圈与旋转针同轴设置，且环形限流圈沿旋转针轴向等距设置；所述旋转针的下端伸出溶液槽外，并与驱动***连接；所述溶液槽依次与计量泵和储液箱连通；所述纤维沉积器设置于喷头的上方，通过三维运动平台改变纤维沉积器在工作范围内的位置；所述高压电源与纤维沉积器电性连接，所述溶液槽、纺丝液及喷头接地；
所述制备方法包括如下步骤：
1）将配制好的纺丝液存入储液箱；
2）设定计量泵的供液速度，将纺丝液泵入溶液槽；
3）设定旋转电机的转速，带动旋转针绕自身轴线自转，使得纺丝液爬升至喷头顶部；
4）设定高压电源的输出电压，喷头顶部的纺丝液在剪切力和高压电场的作用下形成泰勒锥并以射流形式向纤维沉积器喷射，最后以纳米纤维膜的形式沉积在纤维沉积器上；
5）通过设定三维运动平台，及时将制备完毕的纳米纤维膜运输出纺丝区域。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述驱动***设置于溶液槽下方，包括旋转电机、联轴器和电机控制器；所述旋转电机的输出轴通过联轴器与喷头传动连接，所述喷头由驱动***驱动，绕自身轴线转动；旋转电机与电机控制器电性连接。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述溶液槽内设置有至少一个喷头，且所述喷头均匀排列于溶液槽内。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述旋转针的外表面直径为1μm～1mm，长度为50μm～1cm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述环形限流圈的内径为100μm～2mm，宽度为300μm～5mm，其截面为矩形。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纤维沉积器与喷头的间距为5mm～100cm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述计量泵的供液流量为10μl/hr～100ml/hr。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述旋转电机的转速为1～8000RPM。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高压电源的输出电压为1～70kV。
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| CN110344125A (zh) | 2019-10-18 |
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Legal Events
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