一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置及方法。所述靜電紡絲裝置包括供液系統(tǒng)、雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)及納米纖維收集系統(tǒng)。所述靜電紡絲方法為：打開(kāi)微量注射泵，溶液通過(guò)內(nèi)芯內(nèi)部的微小通道流入由內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的狹縫內(nèi)，調(diào)節(jié)溶液流量，使溶液液面在狹縫內(nèi)溢滿但不外流；打開(kāi)調(diào)速電機(jī)，使金屬輥筒正常旋轉(zhuǎn)；打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，緩慢增加電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定值后，在狹縫內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多根射流，射流在飛向金屬輥筒的過(guò)程中，溶劑揮發(fā)，高聚物固化，形成納米纖維沉積在金屬輥筒上，并通過(guò)金屬輥筒的旋轉(zhuǎn)收集。本發(fā)明采用微量注射泵供液系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高聚物溶液自動(dòng)精準(zhǔn)供給，溶液充分高效利用，提高納米纖維的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了納米纖維連續(xù)化制備。
【專利說(shuō)明】
一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于納米靜電紡絲和紡織機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲技術(shù)是制備納米纖維材料的有效方法之一，由于其裝置簡(jiǎn)單、操作方便和納米纖維制品可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)，備受研究工作者的青睞?，F(xiàn)階段，隨著納米材料科學(xué)的興起和快速發(fā)展，利用靜電紡絲方法制備納米纖維成為工程材料科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)纖維材料相比，納米纖維材料展示出非常優(yōu)異的特性，如表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，因此納米纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，如過(guò)濾材料、組織工程支架材料、醫(yī)用敷料材料和防護(hù)材料等。納米纖維材料已成為紡織功能材料中的后起之秀，市場(chǎng)潛力巨大，也必將會(huì)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]傳統(tǒng)的單針頭靜電紡絲裝置較為簡(jiǎn)單，主要由高壓電源系統(tǒng)、供液系統(tǒng)和收集系統(tǒng)三部分組成。供液系統(tǒng)包括微量注射栗、醫(yī)用針管及平口金屬針頭，高聚物溶液流量由微量注射栗控制，高壓電源的正極與平口金屬針頭連接，收集系統(tǒng)是金屬平板并接地。高壓電源電壓逐漸增大，金屬針頭的液滴逐漸形成泰勒錐，當(dāng)高壓電源電壓進(jìn)一步增大，電場(chǎng)力會(huì)克服高聚物溶液的表面張力、黏滯力等作用形成微小的直線射流而后會(huì)出現(xiàn)鞭動(dòng)現(xiàn)象到達(dá)接地金屬收集板，在這個(gè)過(guò)程中，溶劑揮發(fā)，高聚物固化形成納米纖維沉積在金屬收集板上。
[0004]利用傳統(tǒng)單針頭靜電紡絲裝置得到的納米纖維產(chǎn)量很低，很難滿足納米纖維在大量應(yīng)用時(shí)的需求，單針頭靜電紡絲裝置還存在針頭容易堵塞不便清理的問(wèn)題，這會(huì)嚴(yán)重影響到納米纖維紡絲過(guò)程的順利進(jìn)行。當(dāng)前對(duì)于靜電紡絲納米纖維批量化制備的裝置也有一些報(bào)道。中國(guó)專利ZL 200710036447.4公開(kāi)了一種噴氣式靜電紡絲裝置，該裝置通過(guò)在液槽底部通入空氣在高聚物自由液面形成氣泡產(chǎn)生射流，這種方法可以提高納米纖維的產(chǎn)量，但是氣泡形成的射流在紡絲過(guò)程中易出現(xiàn)不穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)敞口的高聚物自由液面溶劑極易揮發(fā)；中國(guó)專利ZL 201310032194.9公開(kāi)了一種傘狀靜電紡絲噴頭及靜電紡絲方法，這種方法可以實(shí)現(xiàn)納米纖維的批量化制備，但最大缺點(diǎn)是傘狀噴頭的溶液自由表面與大氣環(huán)境接觸，溶劑極易揮發(fā)，從而會(huì)嚴(yán)重影響到紡絲的穩(wěn)定性及最終納米纖維的品質(zhì)；中國(guó)專利ZL 201510278266.7公開(kāi)了一種噴氣輔助多針頭靜電紡絲裝置，該裝置可以提高單位時(shí)間內(nèi)納米纖維的產(chǎn)量，但還是有針頭容易堵塞的缺點(diǎn)，針頭的排列方式要考慮到施加高壓靜電后電場(chǎng)之間的相互影響，所以多針頭靜電紡絲裝置的設(shè)計(jì)較為繁瑣和復(fù)雜。為此，發(fā)明一種既能夠形成多射流又能避免溶劑大量揮發(fā)和實(shí)現(xiàn)溶液充分利用的靜電紡絲噴頭及裝置尤為必要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是目前無(wú)針式靜電紡絲過(guò)程中溶劑容易大量揮發(fā)，溶液利用不充分，納米纖維產(chǎn)量低及最終納米纖維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無(wú)取向等。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提供一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，包括供液系統(tǒng)、雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)及納米纖維收集系統(tǒng)，所述供液系統(tǒng)包括與微量注射栗連接的注射器;所述雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)包括由內(nèi)至外依次嵌套的內(nèi)環(huán)、內(nèi)芯及外環(huán)，外環(huán)外設(shè)有外殼，注射器通過(guò)輸液管與內(nèi)芯連通，輸液管依次通過(guò)內(nèi)芯底部中心的微孔、內(nèi)芯內(nèi)部的微小通道與內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的狹縫連通;外殼通過(guò)金屬導(dǎo)線與高壓靜電發(fā)生器連接;所述納米纖維收集系統(tǒng)包括用于收集納米纖維的金屬輥筒，金屬輥筒連接調(diào)速電機(jī)。
[0007]優(yōu)選地，所述外殼設(shè)有用于安裝金屬導(dǎo)線的小孔，金屬導(dǎo)線的一端穿過(guò)外殼與外環(huán)相接觸，另一端與高壓靜電發(fā)生器的正極連接。
[0008]更優(yōu)選地，所述金屬導(dǎo)線穿過(guò)外殼與外環(huán)相接觸的一段采用導(dǎo)電銅絲;所述外殼外壁由上到下處設(shè)有一直徑為的小孔，導(dǎo)電銅絲穿設(shè)于該小孔內(nèi)。
[0009]優(yōu)選地，所述外殼、內(nèi)芯和輸液管的材質(zhì)均為聚四氟乙烯材料;所述外環(huán)和內(nèi)環(huán)材質(zhì)均為金屬銅材料。
[00?0] 優(yōu)選地，所述外殼的高度為30mm-100mm，直徑為30mm-80mm;所述外環(huán)的高度為20mm-50mm，直徑為28mm_7 8mm，厚度為1_-5_ ；所述內(nèi)環(huán)的高度為20mm-50mm，直徑26mm_7 6為mm，厚度為lmm-5mm;所述內(nèi)芯的高度為30mm-100mm，直徑為25mm-75mm;所述內(nèi)芯底部中心的微孔的直徑為2mm-4mm，內(nèi)芯內(nèi)微小通道的直徑為所述輸液管的直徑為Imm-5mm，長(zhǎng)度為300mm-700mm;所述內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的狹縫的寬度為0.lmm-lmm。
[00?1 ] 優(yōu)選地，所述金屬棍筒的材質(zhì)米用招，其直徑為300mm-500mm，長(zhǎng)度為400mm_900mmο
[0012]優(yōu)選地，金屬輥筒接地線。
[0013]本發(fā)明還提供了一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲方法，其特征在于，采用上述雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，具體步驟如下:
[0014]步驟I):打開(kāi)微量注射栗，溶液通過(guò)內(nèi)芯內(nèi)部的微小通道流入由內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的狹縫內(nèi)，調(diào)節(jié)溶液流量，使溶液液面在狹縫內(nèi)溢滿但不外流；
[0015]步驟2):打開(kāi)調(diào)速電機(jī)，使金屬輥筒正常旋轉(zhuǎn)；
[0016]步驟3):打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，緩慢增加電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定值后，在狹縫內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多根射流，射流在飛向金屬輥筒的過(guò)程中，溶劑揮發(fā)，高聚物固化，形成納米纖維沉積在金屬輥筒上，并通過(guò)金屬輥筒的旋轉(zhuǎn)收集。
[0017]優(yōu)選地，所述高壓靜電發(fā)生器的電壓調(diào)節(jié)范圍為0kV-100kV。
[00? 8]優(yōu)選地，所述金屬棍筒的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min-1000r/min，金屬棍筒中心軸與雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)上平面的距離為150mm-500mm。
[0019]本發(fā)明利用微量注射栗控制溶液流量，可以實(shí)現(xiàn)高聚物溶液對(duì)雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭的自動(dòng)精準(zhǔn)供給;噴頭采用雙圓環(huán)狹縫式結(jié)構(gòu)，高聚物溶液經(jīng)過(guò)輸液管流入內(nèi)芯內(nèi)部的微小通道最后到達(dá)雙圓環(huán)狹縫內(nèi)，在靜電紡絲過(guò)程中可以極大避免溶劑大量揮發(fā)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高聚物溶液的高效利用；另外，雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭為可拆卸結(jié)構(gòu)，裝配簡(jiǎn)單，便于清洗。多根射流會(huì)在雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭處形成，可以極大提高納米纖維的產(chǎn)量，納米纖維收集裝置由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)收集納米纖維，提高金屬輥筒的旋轉(zhuǎn)速度可以實(shí)現(xiàn)取向納米纖維的制備。所以，利用本發(fā)明裝置可以完成高聚物溶液的自動(dòng)精準(zhǔn)供給及納米纖維的批量化制備，同時(shí)，解決了無(wú)針式靜電紡紡絲過(guò)程中溶劑容易揮發(fā)、溶液利用不充分和納米纖維結(jié)構(gòu)不可控的問(wèn)題，真正意義上實(shí)現(xiàn)了納米纖維的產(chǎn)業(yè)化制備。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明提供的一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置的示意圖；
[0021]圖2為內(nèi)芯的主視圖；
[0022]圖3為外殼的主視圖；
[0023]圖4為內(nèi)環(huán)的俯視圖；
[0024]圖5為外環(huán)的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0026]實(shí)施例1-3采用的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置如圖1-5所示，包括供液系統(tǒng)、雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)及納米纖維收集系統(tǒng)。所述雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)包括內(nèi)環(huán)8，內(nèi)環(huán)8套在內(nèi)芯9的外壁上，外環(huán)7套在外殼3的內(nèi)壁上，將套有內(nèi)環(huán)8的內(nèi)芯9與套有外環(huán)7的外殼3裝配在一起構(gòu)成雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲噴頭。導(dǎo)電銅絲2通過(guò)外殼3上的小孔與套在外殼3內(nèi)壁的外環(huán)7相接觸，導(dǎo)電銅絲2通過(guò)金屬導(dǎo)線12與高壓靜電發(fā)生器I的正極相連;輸液管10的一端與內(nèi)芯9的底部中心的微孔相連，另一端與注射器11相連，注射器11的溶液流量由微量注射栗14控制，注射器11與微量注射栗14構(gòu)成供液系統(tǒng)。納米纖維收集系統(tǒng)中用于收集納米纖維的金屬輥筒4與調(diào)速電機(jī)5相連，金屬輥筒4與地線13相連。內(nèi)芯9如圖2所示，高聚物溶液經(jīng)過(guò)輸液管10從內(nèi)芯9底部中心的微孔9-1流入內(nèi)芯9內(nèi)部，再經(jīng)過(guò)微小通道9-2最后到達(dá)內(nèi)環(huán)8與外環(huán)7之間的狹縫內(nèi)，射流6經(jīng)溶劑揮發(fā)后形成納米纖維沉積在金屬輥筒4上。
[0027]實(shí)施例1-3所采用的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲方法，具體步驟如下:
[0028](I)將外環(huán)7嵌套于外殼3內(nèi)壁，內(nèi)環(huán)8套于內(nèi)芯9外壁，將套有內(nèi)環(huán)的內(nèi)芯與套有外環(huán)的外殼裝配在一起構(gòu)成雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲噴頭；
[0029](2)將輸液管10的一端與裝有溶液的注射器11相連，另一端與雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭的內(nèi)芯9相連；
[0030](3)打開(kāi)微量注射栗14，調(diào)節(jié)溶液流量可實(shí)現(xiàn)溶液的自動(dòng)精準(zhǔn)供液，溶液通過(guò)內(nèi)芯9內(nèi)部的微小通道9-2流入內(nèi)環(huán)8與外環(huán)7之間的狹縫內(nèi)，保證溶液液面在狹縫內(nèi)溢滿但不外流為宜；
[0031](4)打開(kāi)連接金屬輥筒4的調(diào)速電機(jī)5，保證金屬輥筒4正常旋轉(zhuǎn)；
[0032](5)外殼3上嵌入的導(dǎo)電銅絲2通過(guò)金屬銅質(zhì)導(dǎo)線12與高壓靜電發(fā)生器I的正極相連，打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器1，緩慢增加電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定數(shù)值后，在狹縫內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)多根射流6，射流6在飛向金屬輥筒4的過(guò)程中，溶劑揮發(fā)，高聚物固化，形成納米纖維沉積在金屬輥筒4上。
[0033]實(shí)施例1
[0034]采用聚丙烯腈(PAN)與N，N二甲基甲酰胺(DMF)配制高聚物溶液制備納米纖維:
[0035]配制PAN高聚物溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。將配置好的PAN高聚物溶液裝入注射器11中，設(shè)置金屬輥筒4的主軸到雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)上平面的距離為300mm，打開(kāi)調(diào)速電機(jī)5，驅(qū)動(dòng)金屬輥筒4旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)金屬輥筒轉(zhuǎn)速為50r/min，高聚物溶液經(jīng)過(guò)輸液管10流入內(nèi)芯9內(nèi)部的微小通道9-2最后到狹縫內(nèi)；打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器I，緩慢增加電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定數(shù)值后，在狹縫內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)多根射流6，射流6在飛行過(guò)程中溶劑揮發(fā)，高聚物固化形成納米纖維沉積在金屬輥筒4上。
[0036]實(shí)施例2
[0037]與實(shí)施例1的不同之處在于金屬棍筒的轉(zhuǎn)速為300r/min。
[0038]實(shí)施例3
[0039 ]與實(shí)施例1的不同之處在于金屬棍筒的轉(zhuǎn)速為800r/min。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，包括供液系統(tǒng)、雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)及納米纖維收集系統(tǒng)，所述供液系統(tǒng)包括與微量注射栗(14)連接的注射器(11);所述雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)包括由內(nèi)至外依次嵌套的內(nèi)環(huán)(8)、內(nèi)芯(9)及外環(huán)(7)，外環(huán)(7)外設(shè)有外殼(3)，注射器(11)通過(guò)輸液管(10)與內(nèi)芯(9)連通，輸液管(10)依次通過(guò)內(nèi)芯(9)底部中心的微孔(9-1)、內(nèi)芯(9)內(nèi)部的微小通道(9-2)與內(nèi)環(huán)(8)與外環(huán)(7)之間的狹縫連通;外殼(3)通過(guò)金屬導(dǎo)線(12)與高壓靜電發(fā)生器(I)連接;所述納米纖維收集系統(tǒng)包括用于收集納米纖維的金屬輥筒(4)，金屬輥筒(4)連接調(diào)速電機(jī)(5)。2.如權(quán)利要求1所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，所述外殼(3)設(shè)有用于安裝金屬導(dǎo)線(12)的小孔，金屬導(dǎo)線(12)的一端穿過(guò)外殼(3)與外環(huán)(7)相接觸，另一端與高壓靜電發(fā)生器(I)的正極連接。3.如權(quán)利要求2所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，所述金屬導(dǎo)線(12)穿過(guò)外殼(3)與外環(huán)(7)相接觸的一段采用導(dǎo)電銅絲(2);所述外殼(3)外壁由上到下Imm-8mm處設(shè)有一直徑為的小孔，導(dǎo)電銅絲(2)穿設(shè)于該小孔內(nèi)。4.如權(quán)利要求1所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，所述外殼(3)、內(nèi)芯(9)和輸液管(10)的材質(zhì)均為聚四氟乙烯材料;所述外環(huán)(7)和內(nèi)環(huán)(8)材質(zhì)均為金屬銅材料。5.如權(quán)利要求1所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，所述外殼(3)的高度為30mm-100mm，直徑為30mm-80mm;所述外環(huán)(7)的高度為20mm-50mm，直徑為28mm-78mm，厚度為；所述內(nèi)環(huán)(8)的高度為20mm-50mm，直徑26mm_76為mm，厚度為；所述內(nèi)芯(9)的高度為30mm-100mm，直徑為25mm-75mm;所述內(nèi)芯(9)底部中心的微孔(9-1)的直徑為，內(nèi)芯(9)內(nèi)微小通道(9-2)的直徑為；所述輸液管(10)的直徑為Imm-5mm，長(zhǎng)度為300mm-700mm;所述內(nèi)環(huán)(8)與外環(huán)(7)之間的狹縫的寬度為0.lmm-lmm。6.如權(quán)利要求1所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，所述金屬輥筒(4)的材質(zhì)米用招，其直徑為300mm-500mm，長(zhǎng)度為400mm-900mm。7.如權(quán)利要求1所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，其特征在于，金屬輥筒(4)接地線(13)。8.—種雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲裝置，具體步驟如下: 步驟I):打開(kāi)微量注射栗(14)，溶液通過(guò)內(nèi)芯(9)內(nèi)部的微小通道(9-2)流入由內(nèi)環(huán)(8)與外環(huán)(7)之間的狹縫內(nèi)，調(diào)節(jié)溶液流量，使溶液液面在狹縫內(nèi)溢滿但不外流； 步驟2):打開(kāi)調(diào)速電機(jī)(5)，使金屬輥筒(4)正常旋轉(zhuǎn)； 步驟3):打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器(I)，緩慢增加電壓，當(dāng)電壓超過(guò)一定值后，在狹縫內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多根射流(6)，射流(6)在飛向金屬輥筒(4)的過(guò)程中，溶劑揮發(fā)，高聚物固化，形成納米纖維沉積在金屬輥筒(4)上，并通過(guò)金屬輥筒(4)的旋轉(zhuǎn)收集。9.如權(quán)利要求8所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲方法，其特征在于，所述高壓靜電發(fā)生器(I)的電壓調(diào)節(jié)范圍為0kV-100kV。10.如權(quán)利要求8所述的雙圓環(huán)狀狹縫式靜電紡絲方法，其特征在于，所述金屬輥筒(4)的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min-1000r/min，金屬輥筒(4)中心軸與雙圓環(huán)狀狹縫式噴頭系統(tǒng)上平面的距離為150mm-500mm。
【文檔編號(hào)】D01D5/00GK105821497SQ201610296863
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】覃小紅, 魏亮
【申請(qǐng)人】東華大學(xué)