專(zhuān)利名稱(chēng)：一種氣氛可控的靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電紡絲裝置，及其工業(yè)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
靜電紡絲是利用高壓靜電場(chǎng)對(duì)液體的作用，使液體被拉伸成細(xì)流，經(jīng)溶劑揮發(fā)或凝固固化，進(jìn)而得到纖維。這種方法得到的纖維及其無(wú)紡布具有直徑小的特點(diǎn)，通常在幾納米到幾十微米之間。
傳統(tǒng)的靜電紡絲方法通常是在常溫下，在開(kāi)放條件下通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)噴絲口進(jìn)行紡絲，產(chǎn)率較低，產(chǎn)品品質(zhì)受環(huán)境影響較大。許多材料由于環(huán)境條件的限制，較難采用干法靜電成形技術(shù)制備纖維產(chǎn)品。產(chǎn)品溶劑消耗大，產(chǎn)能低，難以進(jìn)行工業(yè)化大生產(chǎn)。簡(jiǎn)單在紡絲裝置外加裝密封裝置，雖然可以減小氣流擾動(dòng)的影響，但是無(wú)法克服溫度、溶劑濃度變化的影響。簡(jiǎn)單通入其他氣氛，會(huì)因?yàn)闅饬鞯臄_動(dòng)干擾鋪絲，并且會(huì)因?yàn)闅饬鞯牟痪鶆驅(qū)е赂鞑课坏沫h(huán)境有差異，引起產(chǎn)品性質(zhì)的不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所需要解決的技術(shù)問(wèn)題是公開(kāi)一種靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，滿(mǎn)足紡織領(lǐng)域發(fā)展的需要。
本發(fā)明的靜電紡絲裝置至少包括高壓靜電發(fā)生裝置；設(shè)有推進(jìn)活塞的物料室；設(shè)置在物料室下方的恒溫箱；設(shè)置在恒溫箱中與物料室相連通的物料分配器；設(shè)置在恒溫箱下方的靜電紡絲氣室；設(shè)置在靜電紡絲氣室中通過(guò)管線(xiàn)與物料分配器相連接的噴頭；
設(shè)置在靜電紡絲氣室中、下端的接收裝置；連接在噴頭上和連接在接收裝置上的分別與高壓靜電發(fā)生裝置電氣連接的高壓靜電場(chǎng)電極；其特征在于，所說(shuō)的物料分配器包括殼體、設(shè)置在殼體上端與物料室相連通的原液入口管、設(shè)置在原液入口管下端的擴(kuò)散板、設(shè)置在擴(kuò)散板下端的設(shè)有分配孔的分配板、設(shè)置在分配板下方的穩(wěn)壓室、設(shè)置在穩(wěn)壓室下端且一端與穩(wěn)壓室相連通、另一端與噴頭相連通的原液擠出管；所說(shuō)的靜電紡絲氣室為密閉的容器，頂端設(shè)有氣體入口，下端設(shè)有氣體出口，靜電紡絲氣室高度為0.01～10m；噴頭的數(shù)量并沒(méi)有限制，一般為1～10000個(gè)，噴頭孔徑可根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般為1μm～1mm，各個(gè)通道噴頭排列方式可矩陣排列，環(huán)形排列，蜂窩狀排列或菱形排列。
本發(fā)明的裝置可以用于材料的靜電紡絲成形，紡絲過(guò)程包括如下步驟含有物料的溶液或物料的熔體通過(guò)計(jì)量推進(jìn)裝置送入物料室，溫度控制范圍為-50～300℃，然后推動(dòng)推進(jìn)活塞，將含有物料的溶液或物料的熔體送入物料分配器，經(jīng)擴(kuò)散板擴(kuò)散后、分配板分配后，進(jìn)入穩(wěn)壓室，然后再將穩(wěn)壓后的含有物料的溶液或物料的熔體通過(guò)原液擠出管引入噴頭，含有物料的溶液或物料的熔體通過(guò)噴頭噴出，在靜電紡絲氣室中，在電場(chǎng)作用下進(jìn)行靜電紡絲，然后由設(shè)置在靜電紡絲氣室中的接收裝置接收，最終得到產(chǎn)品，含有物料的溶液或物料的熔體的供給流速為0.01μl/h～10l/h；在上述步驟的同時(shí)，溫度為20～180℃，壓力為0.3～0.7MPa，濕度為0～70％的氣體，如空氣或氮?dú)獾扔蓺怏w入口進(jìn)入靜電紡絲氣室，將在靜電紡絲氣室中，從含有物料的溶液或物料的熔體中揮發(fā)的溶劑由氣體出口帶出；
空氣在靜電紡絲氣室中的線(xiàn)速度為0.01m/s～300m/s；靜電紡絲時(shí)采用的電壓為5～80KV。
所說(shuō)的物料包括聚苯乙烯，聚羥基丁酸酯及其共聚物，纖維素及其衍生物，蛋白質(zhì)及其衍生物，聚間苯二甲酰間苯二胺，聚對(duì)苯酰胺，聚乙烯醇，聚丙烯腈及其共聚物，聚氧乙烯及其共聚物，海藻酸或其衍生物，甲殼素或其衍生物，聚乳酸或其共聚物，聚丙烯，聚乙烯中等的一種。
所說(shuō)的溶劑選自純凈的或含有添加劑的N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，氯仿，二氯甲烷，二氯乙烷，丙酮，甲苯，酒精，醋酸，水，四氫呋喃，環(huán)己烷，四氯化碳，二甲基亞砜，或其中幾種的混合溶劑，所說(shuō)的添加劑選自可溶于溶劑的鹽類(lèi)，其在溶液中的質(zhì)量百分比濃度為0.1％～50％，原料在溶液中的質(zhì)量百分比濃度為0.1％～50％。所說(shuō)的溶劑和添加劑等均為本領(lǐng)域常規(guī)的溶劑和添加劑，有關(guān)的技術(shù)人員可參閱聚合物溶劑手冊(cè)等進(jìn)行選擇，本發(fā)明不再贅述。
本發(fā)明對(duì)靜電紡絲方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用多個(gè)噴頭的方式大大提高紡絲的效率，本發(fā)明可以顯著改善靜電成型產(chǎn)品的品質(zhì)，控制溶劑的揮發(fā)速度，穩(wěn)定靜電成型過(guò)程的環(huán)境因素，增加可以用于靜電成型的原料及溶劑種類(lèi)，提高靜電紡絲產(chǎn)能。該發(fā)明極大地降低了靜電紡絲的單位成本，拓寬了應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為物料分配器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為靜電紡絲氣室結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為接收裝置中的一種移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的靜電紡絲裝置至少包括高壓靜電發(fā)生裝置1；設(shè)有推進(jìn)活塞301的物料室3；設(shè)置在物料室3下方的恒溫箱4；設(shè)置在恒溫箱4中與物料室3相連通的物料分配器5；設(shè)置在恒溫箱4下方的靜電紡絲氣室8；設(shè)置在靜電紡絲氣室8中通過(guò)管線(xiàn)與物料分配器5相連接的噴頭6；設(shè)置在靜電紡絲氣室8中、下端的接收裝置9；連接在噴頭6上和連接在接收裝置9上的分別與高壓靜電發(fā)生裝置1電氣連接的高壓靜電場(chǎng)電極；其特征在于，如圖2所示，所說(shuō)的物料分配器5包括殼體501、設(shè)置在殼體501上端與物料室3相連通的原液入口管502、設(shè)置在原液入口管502下端的上小下大的錐型擴(kuò)散板503、設(shè)置在擴(kuò)散板503下端的設(shè)有分配孔504的分配板505、設(shè)置在分配板505下方的穩(wěn)壓室506、設(shè)置在穩(wěn)壓室506下端且一端與穩(wěn)壓室506相連通、另一端與噴頭6相連通的原液擠出管507；所說(shuō)的靜電紡絲氣室8為密閉的容器，頂端設(shè)有氣體入口801，下端設(shè)有氣體出口802，靜電紡絲氣室8高度為0.01～10m；噴頭6的數(shù)量并沒(méi)有限制，一般為1～10000個(gè)，噴頭孔徑可根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般為1μm～1mm，各個(gè)通道噴頭排列方式可矩陣排列，環(huán)形排列，蜂窩狀排列或菱形排列。
為控制物料室3的溫度，物料室3設(shè)有夾套，通過(guò)循環(huán)加熱介質(zhì)如水或油對(duì)物料室3進(jìn)行加熱保溫；進(jìn)一步，參見(jiàn)圖3，所說(shuō)的靜電紡絲氣室8包括設(shè)置在靜電紡絲氣室體上部的穩(wěn)壓腔807；
設(shè)置在穩(wěn)壓腔807下部的具有導(dǎo)流孔808的導(dǎo)向板809；設(shè)置在封閉的靜電紡絲氣室體8下部的具有集流孔810的集流板811；設(shè)置在集流板811下部的集流室812；氣體入口801與穩(wěn)壓腔807相連通，氣體出口802與集流室12相連通；導(dǎo)流孔808的孔徑為0.1～100mm，導(dǎo)向板809上的開(kāi)孔率為10～70％，集流孔810的孔徑為0.1～100mm，集流板811上的開(kāi)孔率為10～70％。
進(jìn)一步，本發(fā)明的裝置還包括干燥器9和氣體加熱器10，氣體加熱器10的出口與氣體入口801相連接，干燥器9的出口與氣體加熱器10的入口相連接。氣體加熱器可采用為常規(guī)的列管換熱器，干燥器可采用冷凍干燥器。
所說(shuō)的接收裝置可以是圓筒卷繞接收裝置或平板旋轉(zhuǎn)接收裝置或循環(huán)流動(dòng)水浴接收裝置，優(yōu)選采用圖4所示的接收裝置，該接收裝置包括一端敞口的收集圓筒11、收集電機(jī)12、機(jī)架14和移動(dòng)機(jī)構(gòu)；所說(shuō)的收集圓筒11的一端與收集電機(jī)12的輸出軸相連接，高壓靜電場(chǎng)電極13插在收集圓筒11的敞口端中，收集電機(jī)12固定在機(jī)架14上，移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架的底部；參見(jiàn)圖4，所說(shuō)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括收集移動(dòng)電機(jī)15、移動(dòng)輪18和導(dǎo)軌16；移動(dòng)輪18設(shè)置在機(jī)架14的下部、并架在導(dǎo)軌16上，收集移動(dòng)電機(jī)15的輸出軸與機(jī)架14通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)17與機(jī)架14相連接。
圖5為另一種移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所說(shuō)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括收集移動(dòng)電機(jī)15、滑塊19和凹型導(dǎo)軌20；滑塊19設(shè)置在機(jī)架14的下部、并嵌在凹型導(dǎo)軌20中，收集移動(dòng)電機(jī)15的輸出軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)17與機(jī)架14相連接。
進(jìn)一步，所說(shuō)的專(zhuān)用收集裝置還包括接收電極移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述接收電極移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電極移動(dòng)電機(jī)、與電極移動(dòng)電機(jī)相連接的移動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所說(shuō)的接收電極連接在移動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，從而可以使接收電極根據(jù)需要左右移動(dòng)。
實(shí)施例1采用如圖1～圖5所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中所說(shuō)的靜電紡絲氣室(8)高度為1m；噴頭6的為10000個(gè)，噴頭孔徑為1μm，噴頭排列方式為環(huán)形，導(dǎo)流孔808的孔徑為50mm，導(dǎo)向板809上的開(kāi)孔率為40％，集流孔810的孔徑為50mm，集流板811上的開(kāi)孔率為40％。
采用壓縮空氣，溫度60℃，相對(duì)濕度30％，壓力0.5MPa，空氣在靜電紡絲氣室8中的線(xiàn)速度為0.3米/秒，電壓為15KV。
紡絲物料質(zhì)量百分比濃度為1.5％wt的聚羥基丁酸-羥基戊酸共聚酯/氯仿溶液；供給流速為1ml/h；紡絲結(jié)果如下，纖維平均直徑為100nm，溶劑回收率70％。
實(shí)施例2采用如圖1～圖5所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中所說(shuō)的靜電紡絲氣室(8)高度為0.7m；噴頭6的為100個(gè)，噴頭孔徑為10mm，噴頭排列方式為菱形；導(dǎo)流孔808的孔徑為100mm，導(dǎo)向板809上的開(kāi)孔率為70％，集流孔810的孔徑為100mm，集流板811上的開(kāi)孔率為70％。
采用氮?dú)?，溫?0℃，相對(duì)濕度0％，壓力0.8MPa，空氣在靜電紡絲氣室8中的線(xiàn)速度為0.2米/秒，電壓為25KV。
紡絲物料質(zhì)量百分比濃度為10％wt的聚間苯二甲酰間苯二胺/N，N-二甲基甲酰胺溶液，含有2％wtCaCl2作為添加劑；供給流速為1.2ml/h；紡絲條件為氣室高度，氣氛溫度70℃，相對(duì)濕度0％，施加電壓25KV，氣氛壓力，流量10cm3/s。推進(jìn)速度1ml/min。
纖維由往復(fù)式轉(zhuǎn)鼓收集裝置收集。紡絲結(jié)果如下，纖維平均直徑為150nm，溶劑回收率93％。
實(shí)施例3采用如圖1所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中所說(shuō)的靜電紡絲氣室8高度為0.8m；噴頭6的為1個(gè)，噴頭孔徑為100mm，噴頭排列方式為環(huán)形；導(dǎo)流孔808的孔徑為10mm，導(dǎo)向板809上的開(kāi)孔率為40％，集流孔810的孔徑為50mm，集流板811上的開(kāi)孔率為40％。
采用壓縮空氣，溫度60℃，相對(duì)濕度30％，壓力0.8MPa，空氣在靜電紡絲氣室8中的線(xiàn)速度為2米/秒，電壓為25KV。
紡絲物料質(zhì)量百分比濃度為8％wt的絲朊蛋白/水溶液，含有40％wtZnCl2作為添加劑；供給流速為1.5ml/h；纖維由往復(fù)式轉(zhuǎn)鼓收集裝置收集，紡絲結(jié)果如下，纖維平均直徑為1.3μm，溶劑回收率83％。
權(quán)利要求
1.一種氣氛可控的靜電紡絲裝置，包括高壓靜電發(fā)生裝置(1)；設(shè)有推進(jìn)活塞(301)的物料室(3)；設(shè)置在物料室(3)下方的恒溫箱(4)；設(shè)置在恒溫箱(4)中與物料室(3)相連通的物料分配器(5)；設(shè)置在恒溫箱(4)下方的靜電紡絲氣室(8)；設(shè)置在靜電紡絲氣室(8)中通過(guò)管線(xiàn)與物料分配器(5)相連接的噴頭(6)；設(shè)置在靜電紡絲氣室(8)中、下端的接收裝置(9)；連接在噴頭(6)上和連接在接收裝置(9)上的分別與高壓靜電發(fā)生裝置(1)電氣連接的高壓靜電場(chǎng)電極；其特征在于，所說(shuō)的物料分配器(5)包括殼體(501)、設(shè)置在殼體(501)上端與物料室(3)相連通的原液入口管(502)、設(shè)置在原液入口管(502)下端的上小下大的錐型擴(kuò)散板(503)、設(shè)置在擴(kuò)散板(503)下端的設(shè)有分配孔(504)的分配板(505)、設(shè)置在分配板(505)下方的穩(wěn)壓室(506)、設(shè)置在穩(wěn)壓室(506)下端且一端與穩(wěn)壓室(506)相連通、另一端與噴頭(6)相連通的原液擠出管(507)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，所說(shuō)的靜電紡絲氣室(8)為密閉的容器，頂端設(shè)有氣體入口(801)，下端設(shè)有氣體出口(802)，靜電紡絲氣室(8)高度為0.01～10m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，噴頭(6)的數(shù)量為1～10000個(gè)，噴頭孔徑為1μm～1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，所說(shuō)的靜電紡絲氣室(8)包括設(shè)置在其上部的穩(wěn)壓腔(807)，設(shè)置在穩(wěn)壓腔(807)下部的具有導(dǎo)流孔(808)的導(dǎo)向板(809)，設(shè)置在封閉的靜電紡絲氣室體(8)下部的具有集流孔(810)的集流板(811)，設(shè)置在集流板(811)下部的集流室(812)，氣體入口(801)與穩(wěn)壓腔(807)相連通，氣體出口(802)與集流室(12)相連通，導(dǎo)流孔(808)的孔徑為0.1～100mm，導(dǎo)向板(809)上的開(kāi)孔率為10～70％，集流孔(810)的孔徑為0.1～100mm，集流板(811)上的開(kāi)孔率為10～70％。
5.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，還包括干燥器(9)和氣體加熱器(10)，氣體加熱器(10)的出口與氣體入口(801)相連接，干燥器(9)的出口與氣體加熱器(10)的入口相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，接收裝置包括一端敞口的收集圓筒(11)、收集電機(jī)(12)、機(jī)架(14)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所說(shuō)的收集圓筒(11)的一端與收集電機(jī)(12)的輸出軸相連接，高壓靜電場(chǎng)電極(13)插在收集圓筒(11)的敞口端中，收集電機(jī)(12)固定在機(jī)架(14)上，移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架的底部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，所說(shuō)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括收集移動(dòng)電機(jī)(15)、移動(dòng)輪(18)和導(dǎo)軌(16)，移動(dòng)輪(18)設(shè)置在機(jī)架(14)的下部、并架在導(dǎo)軌(16)上，收集移動(dòng)電機(jī)(15)的輸出軸與機(jī)架(14)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)與機(jī)架(14)相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣氛可控的靜電紡絲裝置，其特征在于，還包括接收電極移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述接收電極移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電極移動(dòng)電機(jī)、與電極移動(dòng)電機(jī)相連接的移動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所說(shuō)的接收電極連接在移動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，從而可以使接收電極根據(jù)需要左右移動(dòng)。
9.采用權(quán)利要求1～8任意項(xiàng)所述的裝置進(jìn)行靜電紡絲成形的方法，其特征在于，紡絲過(guò)程包括如下步驟含有物料的溶液或物料的熔體通過(guò)計(jì)量推進(jìn)裝置(2)送入物料室(3)，溫度控制范圍為-50～300℃，然后推動(dòng)推進(jìn)活塞(301)，將含有物料的溶液或物料的熔體送入物料分配器(5)，經(jīng)擴(kuò)散板(503)擴(kuò)散后、分配板(505)分配后，進(jìn)入穩(wěn)壓室(506)，然后再將穩(wěn)壓后的含有物料的溶液或物料的熔體通過(guò)原液擠出管(507)引入噴頭(6)，含有物料的溶液或物料的熔體通過(guò)噴頭(6)噴出，在靜電紡絲氣室(8)中，在電場(chǎng)作用下進(jìn)行靜電紡絲，然后由設(shè)置在靜電紡絲氣室(8)中的接收裝置(9)接收，最終得到產(chǎn)品，含有物料的溶液或物料的熔體的供給流速為0.01μl/h～10l/h；在上述步驟的同時(shí)，溫度為50～70℃，壓力為0.3～0.7MPa，濕度為25～40％的氣體，如空氣或氮?dú)獾扔蓺怏w入口(801)進(jìn)入靜電紡絲氣室(8)，將在靜電紡絲氣室(8)中，從含有物料的溶液或物料的熔體中揮發(fā)的溶劑由氣體出口(802)帶出；空氣在靜電紡絲氣室(8)中的線(xiàn)速度為0.01～300米/秒；靜電紡絲時(shí)采用的電壓為5～80KV。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所說(shuō)的物料包括聚苯乙烯，聚羥基丁酸酯及其共聚物，纖維素及其衍生物，蛋白質(zhì)及其衍生物，聚間苯二甲酰間苯二胺，聚對(duì)苯酰胺，聚乙烯醇，聚丙烯腈及其共聚物，聚氧乙烯及其共聚物，海藻酸或其衍生物，甲殼素或其衍生物，聚乳酸或其共聚物，聚丙烯或聚乙烯中的一種，所說(shuō)的溶劑選自純凈的或含有添加劑的N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，氯仿，二氯甲烷，二氯乙烷，丙酮，甲苯，酒精，醋酸，水，四氫呋喃，環(huán)己烷，四氯化碳，二甲基亞砜，或其中幾種的混合溶劑，所說(shuō)的添加劑選自可溶于溶劑的鹽類(lèi)，其在溶液中的質(zhì)量百分比濃度為0.1％～50％，原料在溶液中的質(zhì)量百分比濃度為0.1％～50％。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氣氛可控的靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用，所述靜電紡絲裝置，包括高壓靜電發(fā)生裝置(1)，設(shè)有推進(jìn)活塞(301)的物料室(3)，恒溫箱(4)，噴頭(6)，靜電紡絲氣室(8)，接收裝置(9)，高壓靜電場(chǎng)電極和設(shè)置在恒溫箱(4)中的物料分配器(5)。本發(fā)明對(duì)靜電紡絲方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用多個(gè)噴頭的方式大大提高紡絲的效率，本發(fā)明可以顯著改善靜電成型產(chǎn)品的品質(zhì)，控制溶劑的揮發(fā)速度，穩(wěn)定靜電成型過(guò)程的環(huán)境因素，增加可以用于靜電成型的原料及溶劑種類(lèi)，提高靜電紡絲產(chǎn)能。該發(fā)明極大地降低了靜電紡絲的單位成本，拓寬了應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)D01F6/58GK1876902SQ200610028790
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者陳彥模, 俞昊, 張瑜, 張鍇 申請(qǐng)人:東華大學(xué)