專利名稱：一種提高靜電紡絲多射流的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紡織和新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高靜電紡絲過程多射流的方法及裝置，具體為通過在紡絲區(qū)引入金屬針促使泰勒錐表面形成多股射流以提高微納米纖維制備效率的方法及裝置。
背景技術(shù)：
靜電紡絲技術(shù)是利用高壓靜電場(chǎng)使高分子溶液或熔體產(chǎn)生變形和流動(dòng)而獲得納米纖維的一種技術(shù)。靜電紡絲技術(shù)的主要原理是使聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬(wàn)伏高壓靜電，溶液或熔體在電場(chǎng)力作用下在噴絲頭處形成圓錐型隆起，當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物溶液或熔體可克服表面張力形成噴射細(xì)流。帶電射流在電場(chǎng)力、表面張力等作用下被拉伸細(xì)化，且在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化，最終沉積在接收裝置上，形成微納米纖維非織造布?xì)?。由于靜電紡納米纖維細(xì)度細(xì)，比表面積大，孔隙率高，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已在過濾材料、傳感器、組織工程、藥物緩釋、生物材料、催化、紡織服裝等方面被成功應(yīng)用。一般情況下，靜電紡絲工藝過程中每個(gè)泰勒錐只噴射一股射流，因而納米纖維產(chǎn)量較低，生產(chǎn)成本高。因此，國(guó)內(nèi)外許多研究者都在努力研究提高靜電紡生產(chǎn)效率的方法。提高生產(chǎn)效率的方法一般是增加噴絲頭數(shù)量的方法，即使用多噴頭靜電紡絲技術(shù)。這類方法的文獻(xiàn)報(bào)道主要有:《Fabrication of blend biodegradable nanof ibrousnonwoven mats via mult1-jet electrospinning》(B.Ding,E.Kimura,et.al,Polymer[J],45(6) (2004) 1895-1902.)、《Multiple jets in electrospinning !experiment andmodeling (S.A.Theron, A.L.Yarin.et.al., Poly mer [J]，46 (9) (2005) 2889-2899.)、《平行排列多噴頭靜電紡絲機(jī)紡絲狀態(tài)及纖維結(jié)構(gòu)》(潘方良等，絲綢[J]，2012(1)，21-26.)等，中國(guó)專利 CN200999274, CN101929035、CN101225554D 等，美國(guó)專利 US6616435 B2、US6713011B2、US6753454 、US6656394 等、世界專利 TO2012177220、W02005/07344U WO2006/018838、WO 2006/007287、WO 2004/016839、W00209288 AUffO 2005/090653A1 等，屬于多噴頭式靜電紡絲方法。這類方法主要是通過設(shè)置多個(gè)噴頭形成多個(gè)泰勒錐，每個(gè)泰勒錐形成一股射流從而整體形成多射流。但是多噴頭方法增加產(chǎn)量的同時(shí)也存在許多問題，比如噴頭堵塞清洗困難、多射流之間相互靜電排斥和某些噴頭難以形成射流等問題，造成生產(chǎn)效率受影響甚至產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不勻、廢品率過高等缺陷。近年來還出現(xiàn)了一些無噴絲頭的新型靜電紡絲方法，文獻(xiàn)報(bào)道主要有:《Upwardneedleless electrospinning of multiple nanofibers》(A.L.Yarin and E.Zussman,Polymer[J]，45 (9) (2004) 2977-2980.)、《The Effect of Salt on the RollerElectrospinning of Polyurethane Nanofibers)) (F.Cengiz and 0.Jirsak, ,Fibers andPolymers [J]，10 (2009) 177-184.)、中國(guó)專利 CN101775706B、CN101050550A、CN102864503A等，美國(guó)專利US7, 959，848、世界專利W02005/024101、歐洲專利EP2557206等。這類方法多采用在自由液面產(chǎn)生泰勒錐的方法生產(chǎn)納米纖維。然而，這類新型靜電紡絲技術(shù)仍然存在溶劑揮發(fā)過快、設(shè)備相對(duì)比較復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、商業(yè)化困難等問題，因此，這些新型靜電紡絲技術(shù)普遍推廣應(yīng)用還存在一定難度。目前在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)企業(yè)大多數(shù)仍采用單噴頭或者多個(gè)噴頭組合排列的方式達(dá)到提高納米纖維生產(chǎn)效率的目的。因此，靜電紡泰勒錐噴射多射流一直是不少研究人員追求的目標(biāo)。同時(shí)，多射流噴射也能在一定程度上改善多噴頭間靜電干擾造成的單射流偏移最終造成纖維膜結(jié)構(gòu)不勻等問題。但目前進(jìn)展不大，已有的文獻(xiàn)報(bào)道主要有((Mass production of nanofibre assemblies by electrostaticspinning》(F._L.Zhou, et.al, Polymer International[J],58(2009)331-342.)和((Controlled formation of multiple Taylor cones in electro spinning process(A.Vaseashta,Appl Phys Leu [J]，90 (2007) 093115.)等有所涉及。這些已有的文獻(xiàn)報(bào)道的靜電紡單噴頭多射流產(chǎn)生方法主要是通過增加電壓或者在溶液中加入導(dǎo)電性物質(zhì)或者使用異型表面接收板來形成單噴頭多射流。增加電壓不僅對(duì)裝置要求高，增加了能耗和成本，同時(shí)也增加了不安全性；加入導(dǎo)電性物質(zhì)不僅增加了生產(chǎn)成本而且引入其他物質(zhì)對(duì)最終產(chǎn)品的性能和應(yīng)用有一定影響；使用異型表面接收板會(huì)導(dǎo)致接收的納米纖維膜結(jié)構(gòu)不勻，因此這些方法在納米纖維工業(yè)化應(yīng)用方面均受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明提供了一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，能夠使靜電紡工藝中單個(gè)泰勒錐發(fā)射多股射流的方法和裝置。同時(shí)該方法能將單噴嘴多射流方法與多噴頭技術(shù)相結(jié)合，可改善由于多噴頭靜電相互干擾造成的納米纖維膜結(jié)構(gòu)不勻等缺陷，顯著提高納米纖維產(chǎn)量，解決現(xiàn)有技術(shù)中納米纖維制備效率低、纖維產(chǎn)量低等問題。該方法所用裝置簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)成本，而且節(jié)省了能源，符合低碳環(huán)保的要求，且操作方便，工業(yè)化實(shí)施容易。本發(fā)明解決所述生產(chǎn)方法的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種提高靜電紡多射流的方法，該方法包括如下工藝步驟:(I)制備聚合物溶液或熔體:制備聚合物溶液時(shí)，先將固體聚合物及其良溶液以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)比濃度在攪拌器中攪拌混合均勻，充分靜置后，再把制備好的聚合物溶液送入貯液裝置中備用；所述的固體混合物是指可溶性混合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶劑包括水、乙醇、二甲基甲胺或氯仿。制備聚合物熔體時(shí)，先將固體聚合物加熱至熔融狀態(tài)，制得粘度適中的紡絲熔體；所述的固體聚合物聚丙烯、聚乙烯、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。(2)噴絲頭尖端多射流形成:注射泵以適當(dāng)?shù)牧髁浚咕酆衔锶芤夯蛉垠w從貯液裝置中擠出，在噴絲頭處形成液滴或熔滴，噴絲頭與高壓靜電發(fā)生器正極相連，與噴絲頭相對(duì)位置配置一根金屬針，金屬針和接收裝置均與接地電極相邊，施加適當(dāng)?shù)碾妷?，在靜電場(chǎng)力的作用下，溶液或熔體在噴絲頭處形成圓錐狀隆起，即泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，有多股射流從泰勒錐中射出。(3)納米纖維成形:多射流在所述的電場(chǎng)力作用下在空間中運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，溶劑揮發(fā)或熔體冷卻，射流在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維。(4)納米纖維接收:在金屬針旁增加一個(gè)接收裝置，該接收裝置放置在與噴絲頭相對(duì)位置的適當(dāng)距離處，以不遮擋金屬針為宜，接收裝置接收納米纖維，形成納米纖維氈或納米纖維紗線。
本發(fā)明解決所述生產(chǎn)方法技術(shù)裝置的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種提高靜電紡多射流的裝置，該生產(chǎn)裝置適用于本發(fā)明所述的提高靜電紡多射流的方法，主要包括供液系統(tǒng)、紡絲系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、傳動(dòng)與控制系統(tǒng)。其中所述供液系統(tǒng)主要包括貯液裝置、供液管、注射泵，貯液裝置與注射泵相連并受其控制，同時(shí)貯液裝置通過供液管與紡絲系統(tǒng)的噴絲頭相連，分配給噴絲頭的溶液流量由注射泵精確控制；所述的紡絲系統(tǒng)主要包括噴絲頭、高壓靜電發(fā)生器、金屬針；所述接收系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)滾筒、基座、接收板等；所述傳動(dòng)與控制系統(tǒng)主要包括電機(jī)、控制裝置等，為接收裝置提供常規(guī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是通過金屬針的引入，使聚合物溶液在噴絲頭尖端形成多射流來提高靜電紡多射流的方法和裝置，可在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)靜電紡多射流，并且多射流最終形成納米纖維收集在接收裝置上，方法簡(jiǎn)單且易操作，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源；該方法在相對(duì)較低的電壓下就能形成多射流，降低了設(shè)備要求，避免了高壓條件下的設(shè)備復(fù)雜性問題；該設(shè)備無需添加導(dǎo)向性物質(zhì)，避免了所加入的物質(zhì)對(duì)所生產(chǎn)的產(chǎn)品的影響；該生產(chǎn)裝置制造簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，實(shí)施成本低，產(chǎn)量高，工業(yè)化推廣容易。


圖1為本發(fā)明利用一根金屬針提高單噴絲頭靜電紡射流數(shù)量的方法及裝置原理示意圖。圖2為本發(fā)明利用一根金屬針提高雙噴絲頭靜電紡射流數(shù)量的方法及裝置原理示意圖。圖3為本發(fā)明利用兩根金屬針提高雙噴絲頭靜電紡射流數(shù)量的方法及裝置原理示意圖。圖4為本發(fā)明利用一根金屬針提高單噴絲頭靜電紡射流數(shù)量并以滾筒為接收裝置的方法及裝置原理示意圖。圖5為本發(fā)明利用一根金屬針提高雙噴絲頭靜電紡射流數(shù)量并以滾筒為接收裝置的方法及裝置原理示意圖。圖6為本發(fā)明噴絲頭頂端及泰勒錐、射流示意圖。圖7為本發(fā)明金屬針與噴絲頭相對(duì)位置關(guān)系示意圖。圖8為本發(fā)明對(duì)應(yīng)圖1所示的靜電紡多射流從噴絲頭頂端發(fā)射的現(xiàn)場(chǎng)照片(射流數(shù)量5個(gè))。圖9為本發(fā)明對(duì)應(yīng)圖2所示的靜電紡多射流從噴頭頂端發(fā)射的現(xiàn)場(chǎng)照片(射流數(shù)量7個(gè))。圖11為本發(fā)明對(duì)應(yīng)圖3所示的利用雙金屬針提高雙噴頭靜電紡射流數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)照片。圖10為本發(fā)明對(duì)應(yīng)圖4所示的利用一根金屬針提高單噴絲頭靜電紡射流數(shù)量并以滾筒為接收裝置的現(xiàn)場(chǎng)照片。圖中:1.貯液裝置2.噴絲頭3.金屬針4.高壓靜電發(fā)生器5.注射泵6.射流
7.旋轉(zhuǎn)滾筒8.泰勒錐
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例及附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明涉及的提高靜電多射流的方法，參見圖1，主要包括以下工藝步驟:(I)制備聚合物溶液:將固體聚合物及其良溶液以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)比濃度在攪拌機(jī)中攪拌混合均勻，靜置1-2小時(shí)后，再把制備好的聚合物溶液放入貯液器I中或?qū)⑷廴谥坪玫木酆衔锶垠w放入貯液器I中；所述的固體混合物是指可溶/熔性聚合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚酯、聚乳酸、聚丙烯等；所述的良溶劑包括水、乙醇、二甲基甲酰胺、氯仿等；所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度是指所述聚合物溶液在適當(dāng)?shù)撵o電場(chǎng)作用下能夠在噴絲頭尖端形成圓錐隆起的質(zhì)量百分比濃度。(2)噴絲頭尖端多射流形成:注射泵5以適當(dāng)?shù)牧髁浚咕酆衔锶芤夯蛉垠w從貯液裝置I中擠出。噴絲頭2與高壓靜電發(fā)生器4正極相連，金屬針3與接地極相連。施加適當(dāng)?shù)碾妷海瑖娊z頭2與接收裝置7、金屬針3之間形成強(qiáng)靜電場(chǎng)，在靜電場(chǎng)力的作用下，溶液或熔體在噴絲頭尖端形成圓錐狀隆起，即泰勒錐8，隨后多個(gè)射流6從泰勒錐中噴出。(3)微納米多射流噴射成納米纖維:多射流6在所述的電場(chǎng)力作用下在空間中運(yùn)動(dòng)，在噴射過程中，溶液射流中良溶劑揮發(fā)，多射流在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維，飛向接收裝置7。(4)納米纖維接收:在金屬針3旁增加一個(gè)接收滾筒7或其它接收裝置，將接收滾筒7放置適當(dāng)?shù)奈恢茫赃m當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，射流6形成的納米纖維被卷繞到滾筒7或其它接收裝置上。

本發(fā)明解決所述生產(chǎn)方法技術(shù)裝置的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種提高靜電紡多射流的裝置，該生產(chǎn)裝置適用于本發(fā)明所述的提高靜電紡多射流的方法，主要包括貯液裝置1、噴絲頭2、金屬針3、高壓靜電發(fā)生器4、注射泵5、接收裝置7。本發(fā)明所述的方法中，所述紡絲液的適當(dāng)質(zhì)量百分比濃度主要與高分子聚合物材料及其分子量和所用良溶劑有關(guān)，如所述的聚合物選用聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)時(shí)，其在水和乙醇質(zhì)量比為1: 9比例的混合液劑中溶解，當(dāng)質(zhì)量百分比濃度達(dá)到30%以上時(shí)，才可以滿足所述工藝要求:而對(duì)于醇解度為86 89mol%、分子量2700 3200的聚乙烯醇時(shí)，在水和乙醇以質(zhì)量比以1:1比例的混合溶劑中溶解，當(dāng)質(zhì)量百分比濃度達(dá)到10%以上時(shí)，才可以滿足所述工藝要求。這一滿足工藝要求的最低的適當(dāng)濃度可稱為臨界濃度。所述不同的聚合物材料使用與不同的良溶劑，同時(shí)也有不同的臨界濃度。對(duì)于同一種聚合物而言，較高的適當(dāng)濃度具有較高的溶液粘度，紡絲時(shí)噴絲頭的溶液由于使用揮發(fā)性溶劑而揮發(fā)致使針頭堵塞而影響工藝進(jìn)行。因此，較好的適當(dāng)濃度的工藝設(shè)計(jì)是選用聚合物其臨界濃度或略高于其臨界濃度的適當(dāng)濃度。本發(fā)明所述的方法中，所述聚合物熔體以熔融良好為宜。本發(fā)明所述的適當(dāng)電壓，為O 100KV，可根據(jù)工藝要求調(diào)整電壓。本發(fā)明所述的方法，其特征在于引入了金屬針3，該金屬針能使溶液能夠形成多射流。本發(fā)明所述的方法，聚合物溶液在噴絲頭2尖端形成多射流的數(shù)目> 2。本發(fā)明所述的方法，金屬針3的直徑在0.1 5mm，金屬針3的長(zhǎng)度彡0.1cm。本發(fā)明所述的方法，金屬針3的可以是空心的也可以是實(shí)心的。
本發(fā)明所述的方法，金屬針3尖端與噴絲頭2尖端的距離為0.5 50cm。本發(fā)明所述的方法，金屬針3與噴絲頭2成直線排列，能夠使多射流形成。本發(fā)明所述的方法，金屬針3在與噴絲頭2垂直的面上與噴絲頭2中心線成一定的角度，多射流也能夠形成，傾斜角度角度范圍為-90 +90°。本發(fā)明所述的方法，金屬針3在與噴絲頭2垂直的面上與噴絲頭中心線保持一定的距離，多射流也能夠形成，距離范圍為O 50cm。本發(fā)明所述的的方法，為獲得更加的紡絲效率，可使用多噴絲頭2同時(shí)紡絲。當(dāng)噴絲頭數(shù)量大于或等于2時(shí)，每?jī)蓚€(gè)噴頭中間引入一根金屬針3，每個(gè)噴絲頭均能夠形成多射流。本發(fā)明所述的的方法，當(dāng)噴絲頭2數(shù)量大于或等于2時(shí)，每個(gè)噴絲頭對(duì)應(yīng)引入一根金屬針3，在每個(gè)噴頭尖端能夠形成多射流。本發(fā)明所述的方法，為了收集多射流形成的納米纖維，在金屬針旁增加一個(gè)接收滾筒或其它接收裝置，該滾筒或裝置可放置金屬針的上方或下方，接收距離為5 20cm，以接收納米纖維。本發(fā)明按照所述的提高靜電紡多射流的方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了提高靜電紡多射流的裝置，該生產(chǎn)裝置適應(yīng)于權(quán)利要求所述的提高靜電紡多射流的方法，主要包括貯液裝置、噴絲頭、注射泵、金屬針、接收滾筒、高壓靜電發(fā)生器。注射泵、貯液裝置與噴絲頭相連，貯液器作用是儲(chǔ)存紡絲溶液或熔體保證連續(xù)的靜電紡，注射泵作用是向噴絲頭提供連續(xù)的聚合物溶液或熔體，噴絲頭作用是作為陽(yáng)極并可在頂端形成穩(wěn)定泰勒錐。接收滾筒、金屬針分別接地，作為陰極。本發(fā)明所屬的方法和裝置，其特征在于引入了金屬針3，金屬針3與噴絲頭2的空間分布是能否形成多射流關(guān)鍵噴絲頭2、金屬針3以及接收裝置7在空間中的分布合理才能夠產(chǎn)生多射流以及收集納米纖維。金屬針3到噴絲頭頭的距離與本方法所施加的電壓高低相關(guān)。本發(fā)明提高靜電紡多射流的方法及裝置的工作原理和過程是:工作時(shí)，先在貯液裝置I中放入按要求配好的適當(dāng)濃度的聚合物溶液或熔體，將注射泵5設(shè)置適當(dāng)?shù)牧髁?，保證連續(xù)的聚合物溶液或熔體供應(yīng)給噴絲頭2 ;然后打開靜電發(fā)生器4，將發(fā)生器4正極與噴絲頭2連接，施加適當(dāng)?shù)碾妷?，噴絲頭2與金屬針3之間形成強(qiáng)靜電場(chǎng)，在靜電場(chǎng)力的作用下，溶液在噴絲頭尖端形成圓錐狀隆起，即泰勒錐8，隨后溶液從隆起中噴出多個(gè)射流，射流在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時(shí)多射流在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維。再增加一個(gè)接收滾筒7時(shí)，接收滾筒7與噴絲頭2之間也存在電場(chǎng)，能較好地收集到多射流形成的納米纖維。下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步說明本發(fā)明，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明申請(qǐng)權(quán)利要求的限制。實(shí)施例1設(shè)計(jì)一種提高靜電紡多射流的裝置，包括貯液裝置1，注射泵5，噴絲頭2，金屬針3，如圖1所示。其中金屬針3長(zhǎng)度為10cm、直徑為0.5mm，空心結(jié)構(gòu)。注射泵5、貯液裝置
1、噴絲頭2相連接，金屬針3放置在與噴絲頭2成直線的位置，噴絲頭尖端與金屬針尖端的距離為3cm。
紡絲前，先稱取聚乙烯醇聚合物粉末14克，并與混合溶劑(蒸餾水與無水乙醇以
I: I的質(zhì)量比混合均勻)以14%的質(zhì)量比濃度混合，水浴加熱(80°C ) 3-4小時(shí)后，靜置兩小時(shí)，制得聚乙烯醇紡絲液；然后將配置好的聚乙烯醇溶液裝入貯液裝置I中，將貯液裝置I與注射泵5相連，貯液裝置I與噴絲頭2連接。保證注射泵5、貯液裝置1、噴絲頭2密封性好。靜電發(fā)生器4的正極與噴絲頭2相連，負(fù)極接地；金屬針3接地。金屬針3在噴絲頭2中心線上與噴絲頭2成直線相對(duì)分布，兩尖端間的距離ItlS 3cm。打開靜電發(fā)生器4，電壓升至IOKV ;設(shè)置注射泵5的流量為lml/h，保證貯液裝置連續(xù)的提供給噴絲頭2溶液，此時(shí)噴絲頭2尖端由于靜電場(chǎng)力的作用，形成圓錐形隆起，即泰勒錐8 (如圖6所示)，在電場(chǎng)力的持續(xù)作用下，溶液從泰勒錐中形成多射流噴出，多射流6在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時(shí)多射流6在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維。實(shí)施例2本實(shí)施例采用與實(shí)施例1相同的裝置，如圖2所示。紡絲前，先稱取高分子聚合物——聚乙烯吡咯烷酮(型號(hào):k_30)粉末34克，并與混合溶劑(蒸餾水與無水乙醇以1: 9的質(zhì)量比混合構(gòu)成)以34%的質(zhì)量比濃度混合，攪拌均勻后，靜置2小時(shí)，制得聚乙烯吡咯烷酮紡絲液；然后將配置好的聚乙烯吡咯烷酮溶液裝入貯液裝置I中，將貯液裝置I與注射泵5通過導(dǎo)液管相連，貯液裝置I與噴絲頭2連接。保證注射泵5、貯液裝置1、噴絲頭2密封性好。靜電發(fā)生器4的正極與噴絲頭2相連，負(fù)極接地；滾筒 與金屬針3都接地。金屬針3與噴絲頭2尖端的距離Itl為3.5cm,金屬針3與噴絲頭2中心線垂直的平面上與該平面傾斜一定的角度α和β分別為60°和110°，金屬針3向左偏移噴絲頭2中心延長(zhǎng)線的距離I1為1.5cm,金屬針3向下偏移噴絲頭2中心延長(zhǎng)線的距離I2為1cm。打開靜電發(fā)生器4，電壓升至15KV ;設(shè)置注射泵5的流量為0.8ml/h，保證貯液裝置I連續(xù)的提供給噴絲頭2溶液，此時(shí)噴絲頭2尖端由于靜電場(chǎng)力的作用，形成圓錐形降起，即泰勒錐8 (如圖6所示)，在電場(chǎng)`力的持續(xù)作用下，溶液從泰勒錐中形成多射流噴出，多射流6在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，多射流6在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維，纖維被滾筒接收成納米纖維氈。實(shí)施例3本實(shí)施例采用與實(shí)施I基本相同的裝置和工藝，其變化在于增加了一個(gè)噴絲頭2、忙液裝置I,如圖3所示。紡絲前，先稱取高分子聚合物-聚丙烯腈粉末20克，并與溶劑二甲基甲酰胺以12%的質(zhì)量比濃度混合，水浴加熱(50V )3-4小時(shí)后，靜置兩小時(shí)，制得聚丙烯腈紡絲液；然后將配置好的聚丙烯腈溶液裝入貯液裝置I中，將各貯液裝置I與注射泵5相連，貯液裝置I與噴絲頭2連接，兩個(gè)噴絲頭2的垂直距離為4cm。保證注射泵5、貯液裝置1、噴絲頭2之間的連接處密封性好。靜電發(fā)生器4的正極與噴絲頭2相連，負(fù)極接地；接收滾筒7與金屬針3都接地。將一根金屬針3放置在距兩噴絲頭約3cm的垂直平面上，與兩個(gè)噴絲頭相對(duì)配置，且距兩個(gè)噴絲頭垂直距離Itl均為2cm。打開靜電發(fā)生器4，電壓升至8KV ;設(shè)置注射泵的流量為0.6ml/h,保證貯液裝置I連續(xù)的提供給噴絲頭2溶液。兩個(gè)噴絲頭2與金屬針3和接收滾筒7間都能形成電場(chǎng)，此時(shí)各個(gè)噴絲頭尖端由于靜電場(chǎng)力的作用，形成圓錐形隆起，即泰勒錐8 (如圖6所示)，在電場(chǎng)力的持續(xù)作用下，溶液從泰勒錐8中形成多射流噴出，多射流6在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，并在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維，纖維被接收滾筒7接收。實(shí)施例4本實(shí)施例采用與實(shí)施例3基本相同的裝置和工藝，其變化在于增加了一個(gè)金屬針3，如圖4所示。紡絲前，先稱取高分子聚合物——聚丙烯母粒100克，熔融，制得聚丙烯熔體 ’然后將配置好的聚丙烯熔體裝入貯液I中，將每個(gè)貯液裝置I與注射泵5相連，貯液裝置I與噴絲頭2連接，兩個(gè)噴絲頭的垂直距離為5cm。保證注射泵5、貯液裝置1、噴絲頭2的密封性好，靜電發(fā)生器4的正極與噴絲頭2相連，負(fù)極接地；每個(gè)噴絲頭2對(duì)應(yīng)一根金屬針3，該絲屬針3放置在距兩噴絲頭約5cm的垂直平面上，與兩個(gè)噴絲頭相對(duì)配置，且距兩個(gè)噴絲頭垂直距離Itl均為3cm。每個(gè)噴頭2尖端與金屬針3尖端的距離為2.5cm。金屬針3與噴絲頭2中心線垂直的平面上與該平面傾斜一定的角度α和β分別為45°和10°，金屬針3向下偏移噴絲頭2中心延長(zhǎng)線的距離I2為0.Scm0打開靜電發(fā)生器4，電壓升至30KV ;設(shè)置注射泵5的流量為1.5ml/h，保證貯液裝置I連續(xù)的提供給噴絲頭2熔體，此時(shí)噴絲頭2尖端由于靜電場(chǎng)的作用，形成圓錐形隆起，即泰勒錐8 (如圖6所示)，在電場(chǎng)力的持續(xù)作用下，溶液從泰勒錐中形成多射流噴出，多射流6在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，多射流6在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維。實(shí)施例5本實(shí)施例采用與實(shí)施例1 基本相同的裝置和工藝。其變化在于增加了一個(gè)接收滾筒。紡絲前，先稱取高分子聚合物-聚乙烯醇粉末30克，并與混合溶劑(蒸餾水與無水乙醇以1:1的質(zhì)量比混合均勻)以15%的質(zhì)量比濃度混合，水浴加熱(80°C )3-4小時(shí)后，靜置兩小時(shí)，制得聚乙烯醇紡絲液；然后將配置好的聚乙烯醇溶液裝入貯液裝置I中，將各貯液裝置I與注射泵5通過導(dǎo)液管相連，貯液裝置I與噴絲頭2連接，兩個(gè)噴絲頭2在同一水平面上，二者的垂直距離為3cm。保證注射泵5、貯液裝置1、噴絲頭2密封性好。靜電發(fā)生器4的正極與噴絲頭2相連，負(fù)極接地；接收滾筒7與金屬針3接地。金屬針3與噴絲頭2尖端的距離Itl為4cm。金屬針3與噴絲頭2中心線垂直的平面上與該平面傾斜一定的角度α和β分別為90°和10°，金屬針3向左偏移噴絲頭2中心延長(zhǎng)線的距離I1為Icm,金屬針3向下偏移噴絲頭2中心延長(zhǎng)線的距離I2為0.7cm。打開靜電發(fā)生器4，電壓升至14KV ;設(shè)置兩注射泵5的流量為0.9ml/h，保證貯液裝置連續(xù)的提供給噴絲頭2溶液，此時(shí)噴絲頭2尖端由于靜電場(chǎng)的作用，形成圓錐形隆起，即泰勒錐，在電場(chǎng)力的作用下，溶液從泰勒錐中形成多射流噴出，多射流6在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時(shí)多射流在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維由于噴絲頭與接收滾筒7存在電場(chǎng)，多射流主要飛向接收滾筒7，形成的納米纖維波卷繞到接收滾筒7上。實(shí)施例6實(shí)施例采用與實(shí)施例3基本相同的裝置和工藝。其變化在于增加了一個(gè)接收滾筒.
紡絲前，先稱取高分子聚合物-聚乙烯醇粉末16克，并與混合溶劑(蒸餾水與無水乙醇以1:1的質(zhì)量比混合均勻)以16%的質(zhì)量比濃度混合，水浴加熱(80°C )3-4小時(shí)后，靜置兩小時(shí)，制得聚乙烯醇紡絲液；然后將配置好的聚乙烯醇溶液裝入貯液裝置I中，將各貯液裝置I與注射泵5通過導(dǎo)液管相連，貯液裝置I與噴絲頭2連接，兩個(gè)噴絲頭2的垂直距離為6cm。保證注射泵5、貯液裝置1、噴絲頭2密封性好。靜電發(fā)生器4的正極與噴絲頭2相連，負(fù)極接地；接收滾筒7與金屬針3接地。將金屬針3放置兩噴絲頭2之間，到兩個(gè)噴絲頭的垂直距離Itl為3cm。金屬針3向左偏移與兩個(gè)噴絲頭平行的、距兩個(gè)噴絲頭距離相等的中心線的距離I1為0.3cm，金屬針3向下偏移中心線的距離I2為1.2cm。金屬針3與該中心線傾斜一定的角度α和β分別為25°和5°。打開靜電發(fā)生器4，電壓升至17KV ;設(shè)置注射泵5的流量為1.2ml/h，保證貯液裝置連續(xù)的提供給噴絲頭2溶液。兩個(gè)噴絲頭2與金屬針3都能形成電場(chǎng)，兩個(gè)噴絲頭2與接收滾筒7也形成了電場(chǎng)。各噴絲頭2尖端由于靜電場(chǎng)的作用，形成圓錐形隆起，即泰勒錐，在電場(chǎng)力持續(xù)的作用下，溶液從泰勒錐中形成多射流6噴出，多射流6在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時(shí)多射流6在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維。由于噴絲頭2與接收滾筒7間存在電場(chǎng)，多射流6主要飛向接收滾筒7，形成的納米纖維被卷繞到接收滾筒7上。
權(quán)利要求
1.一種提高靜電紡絲多射流的方法及裝置，該生產(chǎn)方法包括如下工藝步驟: (1)制備聚合物溶液或熔體:制備聚合物溶液時(shí)，先將固體聚合物及其良溶液以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)比濃度在攪拌機(jī)中攪拌混合均勻，靜置1-2小時(shí)后，再把制備好的聚合物溶液送入儲(chǔ)液裝置中備用；所述的固體混合物是指可溶性混合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶劑包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿等；所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度是指所述聚合物溶液在適當(dāng)?shù)撵o電場(chǎng)作和下能夠在噴絲頭頂端形成圓錐隆起的質(zhì)量百分比濃度。制備聚合物熔體時(shí)，先將固體聚合物加熱至熔融狀態(tài)，制得粘度適中的紡絲熔體；所述的固體聚合物聚丙烯、聚乙烯、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯等；所述粘度適中的紡絲熔體在電場(chǎng)力作用下在噴絲頭頂端形成圓錐狀隆起的粘度。
(2)靜電紡絲工藝過程:注射泵以適當(dāng)?shù)牧髁浚咕酆衔锶芤夯蛉垠w從儲(chǔ)液裝置中擠出。噴絲頭與高壓靜電發(fā)生器正極相連，接收裝置安置在與噴絲頭正對(duì)方向一定距離處，接收裝置與大地相連。施加適當(dāng)?shù)碾妷?，溶液在噴絲頭頂端形成圓錐形隆起，該隆起被稱為泰勒錐，當(dāng)靜電場(chǎng)力大于或等于溶液或熔體表面張力時(shí)，有射流從泰勒錐頂端射出。
(2)多股射流形成:在噴絲頭不遠(yuǎn)處放置一根接地金屬針，該金屬針與噴絲頭相對(duì)，并保持一定的距離和角度。在正常靜電紡絲過程中引入該金屬針后，原來靜電場(chǎng)中的射流會(huì)立刻變成多股射流。
(3)納米纖維形成:多射流在所述的電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)，在噴射過程中，溶劑揮發(fā)或熔體射流冷卻，多射流在靜電力的作用下拉伸細(xì)化成納米級(jí)纖維。
(4)納米纖維接收:在與噴絲頭相對(duì)位置一定距離處設(shè)置一個(gè)接收裝置，接收多股射流固化而成的納米纖維，形成納米纖維氈或納米纖維紗。
2.一種提高靜電紡多射流的裝置，該生產(chǎn)裝置適應(yīng)于權(quán)利要求1所述的提高靜電紡多射流的方法，主要包括儲(chǔ)液裝置、噴絲頭、注射泵、金屬針、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器、注射泵、儲(chǔ)液裝置、噴絲頭相連 ，儲(chǔ)液器作用是儲(chǔ)存溶液或熔體保證連續(xù)的溶液或熔體供應(yīng)，注射泵作用是向噴絲頭提供連續(xù)的聚合物溶液或熔體，噴絲頭作用是作為溶液或熔體通道、頂端形成泰勒錐以及作為陽(yáng)極。金屬針和接收裝置都接地，作為陰極。
3.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，其特征在于引入了一根金屬針，金屬針使靜電紡泰勒錐形成多射流。
4.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，金屬針可以是空心針，也可以是實(shí)心針。
5.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，金屬針的直徑在0.1 5mm,金屬針的長(zhǎng)度> 0.1_。
6.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，金屬針與噴絲頭相距一段距離Itl處在空間成一條直線排列，能夠使多射流形成。
7.按權(quán)利要求1、2和6所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，金屬針頂端與噴絲頭頂端的空間距離Itl范圍為0.5 50cm。
8.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，金屬針在權(quán)利6所述的基礎(chǔ)上在與噴絲頭中心線垂直的平面上與該平面傾斜一定的角度α和β，多射流能夠形成，傾斜角度α和β的范圍為-90 +90°。
9.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，金屬針頂端在權(quán)利6所述的基礎(chǔ)上在與噴絲頭中心線垂直的平面上與該中心線左右或上下偏離一定的距離I1和I2，多射流能夠形成，距離I1和I2的范圍為0.5 50cm。
10.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，噴絲頭數(shù)量可大于或等于2，此時(shí)在每?jī)蓚€(gè)噴頭中間位置如權(quán)利要求7、8、9所述的方法引入一根金屬針，各噴絲頭在頂端能夠形成多射流。
11.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，當(dāng)噴頭數(shù)量>2個(gè)時(shí)，每個(gè)噴頭對(duì)應(yīng)如權(quán)利要求7、8、9所述的方法各引入一根金屬針，在噴絲頭頂端能夠形成多射流。
12.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，在金屬針旁增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)滾筒，該滾筒的放置以不遮擋金屬針為宜，接收距離為I 50cm，可接收納米纖維。
13.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，在金屬針旁增加一個(gè)金屬平板電極，該平板電極的放置以不遮擋金屬針為宜，接收距離為I 50cm，可接收納米纖維。
14.按權(quán)利要求1和2所述的一種提高靜電紡絲多射流的方法和裝置，聚合物溶液在噴絲頭頂端形成多射流的數(shù)目 > 2。
全文摘要
本發(fā)明專利公開了一種可提高靜電紡絲射流數(shù)量的方法及其裝置。該生產(chǎn)方法包括以下工藝步驟(1)制備聚合物溶液或熔體；(2)噴絲頭尖端多射流形成聚合物溶液或熔體以適當(dāng)流量從貯液裝置中擠出，在與高壓靜電發(fā)生器正極相連的噴絲頭處形成液滴或熔滴。與噴絲頭相對(duì)位置配置一根金屬針，金屬針與接收裝置同側(cè)。施加適當(dāng)?shù)碾妷?，在靜電場(chǎng)力的作用下，溶液或熔體在噴絲頭處形成圓錐狀隆起，即泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，有多股射流從泰勒錐中射出。(3)納米纖維成形與接收。該生產(chǎn)裝置依據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)方法設(shè)計(jì)，主要包括供液系統(tǒng)、紡絲系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、傳動(dòng)與控制系統(tǒng)。本發(fā)明可在不需要增加電壓或添加導(dǎo)電物質(zhì)等其它條件下，將傳統(tǒng)靜電紡絲過程的單一射流變?yōu)槎嗌淞?，同時(shí)改善由于多噴頭靜電相互干擾造成的納米纖維膜結(jié)構(gòu)不勻等缺陷，生產(chǎn)效率較高，可實(shí)現(xiàn)納米纖維規(guī)?；a(chǎn)的需要。
文檔編號(hào)D01D5/00GK103088444SQ20131005937
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者劉雍, 孫雪峰, 范杰, 康衛(wèi)民, 程博聞, 王瑞 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)