CN203007507U - 一种批量化纳米纤维电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种批量化纳米纤维电纺丝装置，该生产装置主要包括：储液池、帘式实心针电极喷丝器、接收装置、高压静电发生器；所述的帘式实心针电极喷丝器，其特征在于该喷丝器由金属帘、实心针电极和转动罗拉组成；所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为20～200cm，实心针电极植针密度为1～16针/cm2；所述实心针电极，特征在于其针形结构为叉形、圆柱形、圆锥形、棱锥形等中的一种；所述实心针电极22，其特征在于针长1～4cm，针尖浸液深度0.2～1mm。本实用新型生产装置可胜任浓度高达25％以上纺丝液电纺纳米纤维生产，且其临界电压通常不高于25kV，其生产效率可在50g/min以上，制备的纳米纤维直径范围为50～500nm，平均直径小于400nm。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝装置，具体为一种批量化纳米纤维电纺丝装置。
背景技术
纳米纤维狭义上是指直径小于100nm以下纤维，由于其直径极细，使得纤维的比表面积发生了质的飞跃，极大地提高了其表面能，从而赋予了其特殊的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在物理(光、热、电磁等)、化学等性质方面均表现出优异特性，成为未来二十一世纪的研究热点。纳米纤维非织造布在环保过滤材料、纳米复合增强材料、组织工程支架、药物释放载体、光电器件、催化材料等方面具有广泛的应用前景。
静电纺丝是目前制备纳米纤维非织造布的最有效技术之一，该技术于1934年由美国人Formhals首先发明[A.FORMHALS.Processand apparatus for preparing artifical threads：USA，1975504[P]1934.]，其核心是在高压静电场力的作用下的聚合物溶液或熔体产生喷射射流，喷射状的纺丝细流在空气中将发生“扰动现象”又分裂成许多更微细的纤维细流，不断拉伸变细，同时细流中溶剂挥发(或熔体细流冷却)，纤维固化成形，被收集装置接受，得到纳米纤维非织造布。静电纺种类包括溶液静电纺和熔融静电纺两大类，其中溶液静电纺由于其设备及工艺简单而得到快速发展。
溶液静电纺丝机或装置主要包括喷丝头、纺丝液供给系统、高电压发生器和纤维收集板四大主要部分。传统静电纺丝机采用单金属毛细针管为喷丝头，如中国专利200420020596.3，200410025622.6，200420107832.5等所公开的技术，美国专利US 6753454，US 6656394，US 6713011等所公开的技术。
随着静电纺纳米纤维非织造布受到工业界日益重视，传统单针管静电纺丝机由于产率较低，无法满足大规模应用的需求，已经成为制约其进一步发展的瓶颈问题。提高电纺纳米纤维产量已成为专家、学者共同关心和面对的问题。
在单针静电纺装置的基础上，许多学者开发了多针静电纺丝装置，Theron等将多个金属针管按照直线排列或矩阵排列的多喷头静电纺丝机[S.A.THERON，A.L.YARIN，E.ZUSSMAN，E.KROLL.Multiple jets in electrospinning：experiment and modeling.Polymer，2005，46(9)：2889-2899.]，国际上也出现了很多类似专利，如WO2005/0734411、WO 2004/016839A1、USA 6,382,526、USA，6,616,435B2等。尽管多针静电纺丝技术在产量上有了大幅提高，而且通过合理布置针的位置可以降低多针间的相互干扰等问题。但是在成千上万个针头纺丝过程中，一旦某个或多个针头出现堵塞或滴液现象，将严重影响产品的均匀性、质量，而且清理工作繁琐，影响生产。
2004年，由捷克的ELMARCO公司于制造出的旋转滚筒静电纺丝技术开创了无针静电纺丝技术的先河，并申请了专利(WO2005/024101A1)。该技术的主要原理是在储液池中安装部分浸入溶液的旋转金属辊轴(或刻有不同花纹)，纺丝液随着辊轴的旋转带到辊轴表面，在储液池内或辊轴上施加有一高压静电，在电场力作用下辊轴表面的纺丝液形成多股射流，遍布滚筒长度方向，因而可获得较高的产量，该设备产量可达1～15g/min，纤维直径约100～1000nm，为纳米纤维工业化生产的目标实现奠定了坚实的基础。由于该纺丝喷丝区域是在辊轴表面，未使用传统的毛细金属针管，故称之为无针静电纺丝机。与针式静电纺丝相比，由于其纤维喷射方向朝上，避免了液滴的产生，而且具有较高产量。但该无针辊轴式静电纺丝设备在纺丝过程中需要比针式纺丝机更高的高压静电，其启动电压(纺丝液形成泰勒锥时的电压值)通常在40kV以上，其原因在于辊轴表面曲率较大，电场在其表面分布不集中，而且滚筒旋转时，其表面带液量较多，因此需要更高的电压来克服纺丝液的表面张力而形成泰勒锥；此外，滚筒式无针头静电纺制的纤维直径较针式电纺纤维粗，一般在300nm以上，有的甚至超过1μm；再则过高的电压值会导致击穿、漏电现象，对设备绝缘要求更高，纺丝能耗相应增加。涉及可无针头辊轴式静电纺丝装置专利还有：中国专利200410025622.6、200610036635.2、200710036447.4、200810032247.6等。
从纺丝工艺角度来讲，增大纺丝液浓度也在一定程度上有助于提高静电纺纳米纤维的产量，而且可减少溶剂使用量，降低生产成本和环境污染。然而，纺丝液溶度越大，其粘性也越大，高浓度纺丝液在毛细针管中挤出困难，将加速喷射头堵塞，在无针辊轴表面带液量过多而导致纺丝困难，甚至无法进行静电纺丝。迄今为止，鲜有适于高浓度纺丝液的静电纺丝装置文献及专利报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种批量化纳米纤维电纺丝装置。该生产装置特别设计了帘式实心针电极喷丝器，很好地解决了现有在毛细针管电纺丝过程中堵塞、滴液现象和无针头辊轴纺丝过程中纺丝电压高、纤维直径粗的问题，实现了高浓度纺丝溶液的电纺纳米纤维的制备。
本发明解决所述生产装置技术问题的技术方案是：设计一种批量化纳米纤维电纺丝装置，该生产装置主要包括：储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3、高压静电发生器4。
本发明所设计的帘式实心针电极喷丝器2，其特征在于该喷丝器由金属帘21、实心针电极22和转动罗拉23组成；所述实心针电极22，特征在于其针形结构为叉形、圆柱形、圆锥形、棱锥形等中的一种；所述实心针电极22与金属帘21紧密连接。
与现有静电纺装置相比，本发明所设计的批量化纳米纤维电纺丝装置利用实心针电极22的针尖外表带液，有效解决了现有毛细管针式静电纺针孔堵塞现象；同时，由于实心针表面针带液量较少且其针尖处电场最为集中，电场强度最大，有助于形成稳定的泰勒锥射流，极大降到了纺丝电压，可满足高浓度纺丝液的电纺纳米纤维批量制备。此外，该生产装置亦可适用低溶度的纺丝液。
附图说明
图1是本发明批量化纳米纤维电纺丝装置一种实施例的整体结构示意图；
图2是本发明叉形实心针电极示意图；
图3是本发明圆柱形实心针电极示意图；
图4是本发明圆锥形实心针电极示意图；
图5是本发明三棱锥形实心针电极示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本发明的权利要求范围不受具体实施例的限制。
本发明设计的批量化纳米纤维电纺丝装置(简称装置，参见图1)包括储液池1，储液池1上装有帘式实心针电极喷丝器2，喷丝器2的正上方安装有接收装置3；所述帘式实心针电极喷丝器2由金属帘21、实心针电极22和转动罗拉23组成；所述帘式实心针电极喷丝器2通过转动罗拉23与高压静电发生器4的正极41连接；所述接收装置3包括无孔网帘31和接地极板32等组成。
所述储液池1材质为超过分子量聚乙烯树脂，该树脂具有极高的强度和模量，同时兼备良好电绝缘性，耐有机溶剂、强酸、强碱以及极佳的熔接加工特性；所述储液池1设计了进液口11和出液口12，电纺过程中纺丝液不断从进液口11补充，以保证纺丝液面与出液口12平齐，其作用是为了控制实心针喷丝器中叉形针尖带液量恒定。
本发明特别设计一种帘式实心针电极喷丝器2，所述帘式实心电极喷丝器2由金属帘21、实心针电极22和转动罗拉23组成；所述金属帘21和实心针电极22材质可为金、铜、铁等导电金属，优选铜。
所述帘式实心针电极喷丝器2幅宽20～200cm，优选100～150cm，幅宽越大，产量也相应增加，但同样需要更高的启动电压和纺丝电压；所述的实心针电极22植针密度为1～16针/cm2，优选4～8针/cm2。
所述实心针电极22，特征在于针形结构为叉形、圆柱形、圆锥形、棱锥形等中的一种(参照图2、3、4、5)，优选选择叉形结构；所述实心针电极22，其特征在于针长1～4cm，优选2～3cm，针尖浸液深度0.2～1mm，优选0.4～0.6mm。针尖浸液深度越深，植针密度越大，喷丝器2所携带的纺丝液量也越多，所需纺丝电压也就越高，但其生产效率会略有增加。
所述接收装置3包括无孔网帘31和接地极板32等组成，所述无孔网帘31表面镀有致密金属银薄膜层，镀层作用是加速纳米纤维中表面电荷逸散；所述接地极板32接地。
所述高压静电发生器为公知市售高压直流电源，电压范围为0～100kV；所述高压静电发生器4的正极41与帘式实心针电极喷丝器2的转动罗拉23与相连，负极42接地；所述高压静电发生器作用是使实心针表面纺丝液带上高压电，并与接地极板32形成高压静电场，以使纺丝液在高压电场作用下牵伸细化成纳米纤维。
本发明装置的基本工作原理是：纺丝液通过进液口11注入储液池1中，帘式实心针电极喷丝器2通过转动罗拉23与高压静电发生器4的正极41相连，所述实心针电极喷丝器2在外力驱动下以1～3m/min速度转动，随着喷丝器2的转动而使得实心针电极22针尖带上一定量的纺丝液，由高压静电发生器所产生的直流高压电(15～60kV)通过旋转罗拉23传递金属帘21，再传至实心针电极22针尖表面的液滴，并与接收装置3中的接地极板32形成高压电场(二者之间距离10～25cm可调)，这样，实心针电极22针尖表面液滴在电场作用下产生大量的纤维射流。在高压静电场的作用下，射流经历了加速、扰动、分裂等过程后，不断变细，并在空气中冷却或溶剂挥发成形，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上，形成分布均匀、平均直径在50～500nm，幅宽为20～200cm的纳米纤维非织造布。
与现有的多针管静电纺丝机以及无针辊式静电纺丝机相比，本发明特别设计的帘式实心针电极喷丝器由于液滴在实心针电极22针尖表面，可胜任浓度高达25％以上纺丝液电纺纳米纤维生产，且其临界电压通常不高于25kV；该帘式实心针喷射器喷丝区域大，产量高，其生产效率可在50g/min以上，制备的纳米纤维直径范围为50～500nm，平均直径小于400nm。
本发明未述及之处适用于现有技术。
实施例1
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为20cm，选择如图3所示的叉形实心针电极，实心针电极22针长为1cm，叉口宽度为1mm，针尖浸液深度0.2mm，植针密度为1针/cm2。工作时，将30％的聚乙烯醇/水纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以1m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与帘式实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出40kV的直流高压静电，在喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，二者之间的距离为18cm；此时，在喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上所生产的纳米纤维的平均直径约为50～100nm，平均直径约80nm，产率约为50g/min。该溶液体系启动电压为16kV。
实施例2
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为80cm，选择如图4所示的圆柱形实心针电极，实心针电极22针长为5cm，针尖浸液深度0.4mm，植针密度为16针/cm2。工作时，将35％的聚乙烯吡咯烷酮/乙醇纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以3m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出60kV的直流高压静电，在多针喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，设定二者之间的距离为22cm；此时，在多针喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上。所生产的纳米纤维的平均直径约为150～400nm，平均直径约230nm，产率为200g/min。该溶液体系启动电压为20kV。
实施例3
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为100cm，选择如图5所示的圆锥形实心针电极，实心针电22针长为2cm，针尖浸液深度0.8mm，植针密度为5针/cm2。工作时，将25％的聚氨酯/N，N-二甲基甲酰胺纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以2m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出35kV的直流高压静电，在多针喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，设定二者之间的距离为25cm；此时，在多针喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上。所生产的纳米纤维的平均直径约为150～250nm，平均直径约180nm，产率为120g/min。该溶液体系启动电压为18kV。
实施例4
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为50cm，选择如图5所示的圆锥形实心针电极，实心针电22针长为4cm，针尖浸液深度0.3mm植针密度为8针/cm2。工作时，将30％的聚乳酸/1，2-二氯乙烷纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以1.5m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出30kV的直流高压静电，在多针喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，设定二者之间的距离为15cm；此时，在多针喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上。所生产的纳米纤维的平均直径约为220～400nm，平均直径约260nm，产率为80g/min。该溶液体系启动电压为22kV。
实施例5
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为60cm，选择如图6所示的三棱锥形实心针电极，实心针电22针长为2.5cm，针尖浸液深度0.4mm，植针密度为3针/cm2。工作时，将28％的聚氨酯/聚丙烯腈/N，N-二甲基甲酰胺纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以2.5m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出30kV的直流高压静电，在多针喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，设定二者之间的距离为16cm；此时，在多针喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上。所生产的纳米纤维的平均直径约为150～300nm，平均直径约230nm，产率为150g/min。该溶液体系启动电压为18kV。
实施例6
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为150cm，选择如图3所示的叉形实心针电极，实心针电22针长为3.5cm，针尖浸液深度0.3mm植针密度为1针/cm2。工作时，将50％的铝盐溶胶凝聚纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以1m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出40kV的直流高压静电，在多针喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，设定二者之间的距离为22cm；此时，在多针喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上。所生产的纳米纤维的平均直径约为200～400nm，平均直径约280nm，产率为80g/min。该溶液体系启动电压为20kV。
实施例7
如图1所示的一种批量化纳米纤维电纺丝装置，包括储液池1、帘式实心针电极喷丝器2、接收装置3和高压静电发生器4等。所述帘式实心针电极喷丝器幅宽为80cm，选择如图3所示的叉形实心针电极，实心针电极22针长为5cm，针尖浸液深度0.4mm，植针密度为16针/cm2。工作时，将5％的聚乙烯吡咯烷酮/乙醇纺丝液由进液口11注入储液池1中，过量纺丝液经由出口12流出，实心针电极喷丝器2在外力作用下以3m/min转动速度转动，待喷丝器2转动稳定后打开高压静电发生器4，高压静电发生器4正电极41与实心针电极喷丝器2的转动罗拉23相连，输出60kV的直流高压静电，在多针喷丝器2的正上方设有接地的接收装置3，设定二者之间的距离为22cm；此时，在多针喷丝器2与接收装置3之间形成了一个高压静电场，实心针21针尖上的纺丝液在在静电作用下产生大量的喷射射流，射流经历加速、扰动、分裂等过程，不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收装置3上。所生产的纳米纤维的平均直径约为50～100nm，平均直径约80nm，产率为80g/min。该溶液体系启动电压为20kV。
Claims (2)
1.一种批量化纳米纤维电纺丝装置，其特征在于包括：储液池、帘式实心针电极喷丝器、接收装置、高压静电发生器；
所述的帘式实心针电极喷丝器由金属帘、实心针电极和转动罗拉组成，该帘式实心针电极喷丝器幅宽为20～200cm，实心针电极植针密度为1～16针/cm2。
2.根据权利要求1所述批量化纳米纤维电纺丝装置，其特征在于所述实心针电极针形结构为叉形、圆柱形、圆锥形、三棱锥形中的一种；所述实心针电极针长1～4cm，针尖浸液深度0.2～1mm。
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