專利名稱：一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電紡絲領(lǐng)域，特別是涉及一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭及其方法。
背景技術(shù)：
靜電紡絲是一種目前比較流行的制造納米纖維的簡(jiǎn)單方法，以其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、材料來(lái)源廣泛、工藝過(guò)程不破壞材料本體等優(yōu)良特性已經(jīng)成為當(dāng)前研究納米纖維制造的熱點(diǎn)。靜電紡絲所制得的納米纖維具有直徑小、比表面積大等特性，在生物醫(yī)學(xué)、空氣過(guò)濾、防護(hù)衣物等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力。靜電紡絲是將聚合物溶液或熔體帶上幾千乃至上萬(wàn)伏高壓靜電，帶電液滴在電場(chǎng)力作用下形成泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，電場(chǎng)力可在泰勒錐錐尖克服溶液表面張力形成噴射細(xì)流。帶電的聚合物射流在電場(chǎng)力、粘滯阻力、表面張力等作用下被拉伸細(xì)化，同時(shí)帶電射流在電場(chǎng)中由于存在表面電荷而發(fā)生彎曲。細(xì)流在噴射過(guò)程中溶劑蒸發(fā)或熔體固化， 最終落在接受裝置上，形成類似無(wú)紡布的納米纖維氈。靜電紡絲產(chǎn)量低是這種技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用的最大的技術(shù)障礙。 研究人員為了提高靜電紡絲的生產(chǎn)效率，對(duì)紡絲噴頭裝置進(jìn)行了較多的研究，但大多采用單個(gè)針頭作為噴絲頭或?qū)ζ浣M裝來(lái)解決這一技術(shù)障礙，因此采用單針頭或多針頭針筒式紡絲裝置，靠機(jī)械力推動(dòng)擠出溶液或熔體，在靜電場(chǎng)中形成泰勒錐，從而抽拔出一根或較多根射流紡制成納米纖維是很普遍的。然而，針頭式噴絲孔直徑多處于微米級(jí)，容易因溶劑揮發(fā)或熔體固化過(guò)快出現(xiàn)噴絲孔堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率，且不易維護(hù)。 目前部分學(xué)者研究的敞開(kāi)向上式噴絲頭從一定程度上改進(jìn)了針頭式噴絲頭，但仍存在很多不足，如聚合物溶液或熔體直接與空氣接觸，由于溶劑揮發(fā)或熔體固化而使聚合物溶液或熔體表面粘滯，造成抽拔困難，同一參數(shù)條件下難以形成穩(wěn)定射流，影響紡絲過(guò)程的順利進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭及其方法，可克服敞開(kāi)式噴頭難以形成射流的缺點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，包括噴絲頭和超聲波處理器，所述的超聲波處理器包括變幅桿、換能器和控制器；所述的變幅桿頂端穿過(guò)所述的噴絲頭底面置入所述的噴絲頭中；所述的變幅桿底端與所述的換能器相連；所述的換能器與所述的控制器相連；所述的噴絲頭為敞開(kāi)式圓盤(pán)，所述的噴絲頭上設(shè)有與高壓正電極相連的接線柱。所述的靜電紡絲噴頭還包括屏蔽罩；所述的變幅桿分為上半部分和下半部分；所述的噴絲頭和所述的變幅桿的上半部分設(shè)置在所述的屏蔽罩的上方；所述的變幅桿的下半部分和換能器設(shè)置在屏蔽罩下方。所述的噴絲頭采用銅質(zhì)材料制成。
所述的噴絲頭底部中心處設(shè)有一孔洞，所述的變幅桿頂端穿過(guò)所述的孔洞置入所述的噴絲頭內(nèi)部；所述的噴絲頭與所述的變幅桿的對(duì)稱軸線相互重合；所述的變幅桿的外壁與所述的噴絲頭的底面孔壁留有空隙。所述的孔洞的直徑為25cm ；所述的空隙為0. 05-0. 1mm。所述的變幅桿的上半部分采用絕緣樹(shù)脂制成；所述的變幅桿的下半部分采用金屬材料制成。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲方法，包括以下步驟(1)通過(guò)自動(dòng)輸液裝置向噴絲頭中添加紡絲溶液或熔體，并保持注入的紡絲溶液或熔體的液量高于變幅桿頂端水平面；(2)開(kāi)啟控制器，設(shè)定超聲波脈沖狀態(tài)和超聲時(shí)間，在超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化作用下，使變幅桿振蕩紡絲溶液或熔體使其動(dòng)態(tài)流動(dòng)；(3)將噴絲頭上的接線柱連接高壓正電極，引入高壓靜電；(4)噴絲頭中的紡絲溶液或熔體在超聲波振蕩的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，溶劑揮發(fā)或熔體固化，并通過(guò)收集裝置收集，形成納米纖維。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明利用超聲波對(duì)噴絲頭端內(nèi)所注入的溶液或熔體進(jìn)行振蕩，使溶液處于動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，再加上銅質(zhì)噴絲頭的內(nèi)壁頂端邊緣處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，可在同一電壓作用下克服紡絲溶液或熔體的表面張力形成多根射流，增加了靜電紡絲的產(chǎn)量，提高了噴頭紡絲的穩(wěn)定性， 可實(shí)現(xiàn)納米纖維的連續(xù)和規(guī)?；a(chǎn)。本發(fā)明中采用的噴絲頭是敞開(kāi)向上式無(wú)針頭式銅質(zhì)噴頭，避免了針頭結(jié)構(gòu)裝置堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，無(wú)需頻繁更換和清洗噴絲孔，大大提高了生產(chǎn)效率，并且使用后容易清洗。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的靜電紡絲噴頭示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的噴絲頭俯瞰圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的靜電紡絲噴頭示意圖；圖4是采用實(shí)施例2的靜電紡絲噴頭紡PVA溶液制成的納米纖維的掃描電鏡圖；圖5是采用實(shí)施例2的靜電紡絲噴頭紡PCL熔體制成的納米纖維的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。實(shí)施例1 本實(shí)施例涉及一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，如圖1所示，包括噴絲頭1 和超聲波處理器，其中，超聲波處理器包括變幅桿2、換能器3和控制器4。變幅桿2頂端穿過(guò)噴絲頭1底面置入噴絲頭1中，變幅桿2底端與換能器3相連。換能器3與控制器4相連，噴絲頭1上設(shè)有與高壓正電極5相連的接線柱6，噴絲頭1可直接通過(guò)接線柱6接通高壓正電極5，為紡絲溶液或熔體均勻帶電提供了條件?？刂破?控制超聲波脈沖狀態(tài)和超聲時(shí)間，從而使噴絲頭1內(nèi)注入的紡絲溶液或熔體產(chǎn)生振蕩，使溶液或熔體處于動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)， 在高壓靜電場(chǎng)下紡絲溶液或熔體克服表面張力誘導(dǎo)形成多個(gè)泰勒錐，進(jìn)而形成多根射流。如圖2所示，噴絲頭1為敞開(kāi)式圓盤(pán)，避免了針頭結(jié)構(gòu)裝置堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，無(wú)需頻繁更換和清洗噴絲孔，大大提高了生產(chǎn)效率，并且使用后容易清洗。噴絲頭1采用銅質(zhì)材料制成，由于銅的導(dǎo)電性能好，減少了能量損失，另一方面，根據(jù)電場(chǎng)的基本知識(shí)可知，噴絲頭1的內(nèi)壁頂端邊緣處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，更容易克服紡絲溶液或熔體的表面張力形成射流， 增加靜電紡絲的產(chǎn)量。如圖2所示，噴絲頭1底部中心處設(shè)有一直徑為25cm的孔洞，變幅桿2頂端穿過(guò)噴絲頭底部的中心孔洞置入噴絲頭1內(nèi)部，從而使超聲波經(jīng)變幅桿2頂端傳入噴絲頭1內(nèi)，并對(duì)噴絲頭1中的紡絲溶液或熔體產(chǎn)生振蕩作用，另一方面，變幅桿2和噴絲頭1的對(duì)稱軸線相互重合，且變幅桿2的外壁與噴絲頭1的底面圓孔壁留有微空隙，該微空隙的范圍在0. 05-0. Imm之間，由于用于靜電紡絲的溶液或熔體具有一定的粘度，并處于不斷的振蕩狀態(tài)，且變幅桿2的外壁與噴絲頭1的底面圓孔壁間的空隙在0. 05-0. Imm范圍內(nèi)，可以最大程度上避免紡絲溶液或熔體從空隙中流出，從而可防止超聲波處理器運(yùn)行時(shí)， 因變幅桿2振動(dòng)而與噴絲頭1底面的孔壁發(fā)生接觸引起振幅的變化?？刂破鳟a(chǎn)生的超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波的傳播本身就是一種機(jī)械振動(dòng)模式，稱之為機(jī)械效應(yīng)。當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。 這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。本發(fā)明使用控制器控制超聲波脈沖狀態(tài)和超聲時(shí)間，利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化作用，對(duì)噴絲頭內(nèi)注入的紡絲溶液或熔體產(chǎn)生振蕩，使溶液或熔體處于動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，在高壓靜電場(chǎng)下紡絲溶液或熔體克服表面張力誘導(dǎo)形成多個(gè)泰勒錐，進(jìn)而形成多根射流。實(shí)施例2 本實(shí)施例同樣涉及一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，本實(shí)施例大致與實(shí)施例1相同，其區(qū)別在于，本實(shí)施例所涉及的靜電紡絲噴頭還包括屏蔽罩7。變幅桿2分為上半部分和下半部分，噴絲頭1和變幅桿2的上半部分設(shè)置在屏蔽罩7的上方，變幅桿2的下半部分和換能器3設(shè)置在屏蔽罩下方。其中，變幅桿2的上半部分采用絕緣樹(shù)脂(如PVC 樹(shù)脂、EVA樹(shù)脂等)制成，變幅桿2的下半部分采用金屬材料(如銅、銀等)制成。本實(shí)施例中通過(guò)在變幅桿2和換能器3外加裝屏蔽罩，可屏蔽電場(chǎng)對(duì)靜電紡絲的干擾，從而保證靜電紡絲的質(zhì)量。實(shí)施例3 本實(shí)施例涉及一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲方法，包括以下步驟(1)通過(guò)自動(dòng)輸液裝置向噴絲頭中添加紡絲溶液，并保持注入的紡絲溶液的液量高于變幅桿頂端水平面少許。其中，紡絲溶液選用質(zhì)量濃度為10%的聚乙烯醇(PVA)水溶液。(2)將接收基布放置在噴絲頭上端，并保持有20cm的間距。(3)開(kāi)啟控制器，打開(kāi)時(shí)間啟動(dòng)/關(guān)閉按鍵， 并設(shè)定超聲時(shí)間為30min，選擇連續(xù)超聲狀態(tài)。在超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化作用下，使變幅桿振蕩紡絲溶液使其動(dòng)態(tài)流動(dòng)。(4)將噴絲頭上的接線柱連接高壓正電極，將高壓正電極的電壓調(diào)到60kV。( 噴絲頭中的紡絲溶液在超聲波振蕩的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，溶劑揮發(fā)，并通過(guò)收集裝置收集，形成納米纖維。即基布以O(shè).Olm/min速度平動(dòng)，搭載噴絲頭的小車(chē)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)收集納米纖維。制造出的納米纖維氈的直徑約為30cm，纖維直徑約為^Onm，平方米克重約為1. 2g/m2，如圖4所示，其放大倍數(shù)為5000倍。
需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例還可以使用紡絲熔體進(jìn)行靜電紡絲，如采用PCL熔體作為紡絲原料，包括以下步驟(1)通過(guò)自動(dòng)輸液裝置向噴絲頭中添加80°c的PCL紡絲熔體， 并保持注入的紡絲熔體的液量高于變幅桿頂端水平面少許。通過(guò)電加熱圈對(duì)紡絲熔體加熱，使熔體溫度保持在79-81 °C范圍內(nèi)。( 將鋁箔放置在噴絲頭上端，并保持有12cm的間距。(3)開(kāi)啟控制器，打開(kāi)時(shí)間啟動(dòng)/關(guān)閉按鍵，并設(shè)定超聲時(shí)間為30min，選擇連續(xù)超聲狀態(tài)。在超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化作用下，使變幅桿振蕩紡絲溶液使其動(dòng)態(tài)流動(dòng)。(4)將噴絲頭上的接線柱連接高壓正電極，將高壓正電極的電壓調(diào)到56kV。(5)噴絲頭中的紡絲熔體在超聲波振蕩的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，熔體固化，并通過(guò)收集裝置收集，形成納米纖維。制造出的納米纖維直徑約為340nm，平方米克重約為3. lg/m2，如圖5所示，其放大倍數(shù)為5000倍。
權(quán)利要求
1.一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，包括噴絲頭(1)和超聲波處理器，其特征在于，所述的超聲波處理器包括變幅桿O)、換能器( 和控制器(4)；所述的變幅桿( 頂端穿過(guò)所述的噴絲頭(1)底面置入所述的噴絲頭(1)中；所述的變幅桿( 底端與所述的換能器(3) 相連；所述的換能器(3)與所述的控制器(4)相連；所述的噴絲頭(1)為敞開(kāi)式圓盤(pán)，所述的噴絲頭(1)上設(shè)有與高壓正電極(5)相連的接線柱(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，其特征在于，所述的靜電紡絲噴頭還包括屏蔽罩(7)；所述的變幅桿(2)分為上半部分和下半部分；所述的噴絲頭(1)和所述的變幅桿O)的上半部分設(shè)置在所述的屏蔽罩(7)的上方；所述的變幅桿O)的下半部分和換能器(3)設(shè)置在屏蔽罩(7)下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，其特征在于，所述的噴絲頭 (1)采用銅質(zhì)材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，其特征在于，所述的噴絲頭 ⑴底部中心處設(shè)有一孔洞，所述的變幅桿⑵頂端穿過(guò)所述的孔洞置入所述的噴絲頭⑴ 內(nèi)部；所述的噴絲頭(1)與所述的變幅桿( 的對(duì)稱軸線相互重合；所述的變幅桿( 的外壁與所述的噴絲頭(1)的底面孔壁留有空隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，其特征在于，所述的孔洞的直徑為25cm ；所述的空隙為0. 05-0. 1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，其特征在于，所述的變幅桿(2)的上半部分采用絕緣樹(shù)脂制成；所述的變幅桿O)的下半部分采用金屬材料制成。
7.一種使用如權(quán)利要求1所述的超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭進(jìn)行靜電紡絲的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過(guò)自動(dòng)輸液裝置向噴絲頭中添加紡絲溶液或熔體，并保持注入的紡絲溶液或熔體的液量高于變幅桿頂端水平面；(2)開(kāi)啟控制器，設(shè)定超聲波脈沖狀態(tài)和超聲時(shí)間，在超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化作用下，使變幅桿振蕩紡絲溶液或熔體使其動(dòng)態(tài)流動(dòng)；(3)將噴絲頭上的接線柱連接高壓正電極，引入高壓靜電；(4)噴絲頭中的紡絲溶液或熔體在超聲波振蕩的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，溶劑揮發(fā)或熔體固化，并通過(guò)收集裝置收集，形成納米纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波振蕩?kù)o電紡絲噴頭，包括噴絲頭和超聲波處理器，超聲波處理器包括變幅桿、換能器和控制器；變幅桿頂端穿過(guò)噴絲頭底面置入噴絲頭中；變幅桿底端與換能器相連；換能器與控制器相連；噴絲頭為敞開(kāi)式圓盤(pán)，噴絲頭上設(shè)有與高壓正電極相連的接線柱。本發(fā)明還涉及一種靜電紡絲方法，首先通過(guò)自動(dòng)輸液裝置向噴絲頭中添加紡絲溶液或熔體，并保持注入的紡絲溶液或熔體的液量高于變幅桿頂端水平面，接著開(kāi)啟控制器和高壓，紡絲溶液或熔體在超聲波振蕩的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流。本發(fā)明克服了紡絲溶液或熔體的表面張力，形成多根射流，增加了靜電紡絲的產(chǎn)量，提高了噴頭紡絲的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)納米纖維的連續(xù)和規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號(hào)D01D4/02GK102212892SQ201110152579
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者吳韶華, 王衍書(shū), 覃小紅 申請(qǐng)人:東華大學(xué)