專利名稱：一種規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靜電紡絲裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種能夠快速、大規(guī)模制備微納米纖維的線狀噴頭結(jié)構(gòu)的靜電紡絲裝置，特別是一種規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置。
背景技術(shù)：
靜電紡絲方法制得的納米纖維材料具有比表面積大、孔徑尺寸小等特點(diǎn)，這些纖維材料在高效過濾材料、生物醫(yī)用材料、高精密儀器、防護(hù)材料、納米復(fù)合材料等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。然而，目前其生產(chǎn)裝置仍以單針頭靜電紡絲裝置為主，其生產(chǎn)率極低(0.1-1克/小吋)，主要用于科學(xué)研究，難以滿足エ業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化需要。近幾年，各國(guó)科學(xué)家 及相關(guān)專業(yè)研究人員均在對(duì)此問題進(jìn)行攻關(guān)，依據(jù)多射流的獲得來提高產(chǎn)量的思路，先后提出了改制單針頭、多針頭、無針頭的靜電紡絲裝置?？紤]到針頭供液的易堵性，及多針頭排列的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，無噴頭靜電紡絲裝置得到了廣泛的關(guān)注。目前，世界上有些研究者的結(jié)果已經(jīng)使靜電紡絲初歩從實(shí)驗(yàn)室走向了應(yīng)用的階段，比較有代表性的是捷克利貝雷茨技術(shù)大學(xué)與愛勒馬可(ELMARC0)公司合作生產(chǎn)的納米纖維紡絲機(jī)“納米蜘蛛”，其制備的納米纖維氈已經(jīng)初步進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用階段，該紡絲機(jī)消除了噴絲頭的限制，提高了靜電紡絲的生產(chǎn)效率；但是該技術(shù)還沒有十分完善，它對(duì)紡絲液的要求苛刻，靜電紡絲所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度很大；它還需要有真空裝置和吹風(fēng)裝置等輔助系統(tǒng)來完成紡絲過程；該紡絲裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，紡絲エ藝要求高，而且圓筒上的薄膜極易越來越厚，不易于泰勒(Taylor)錐的形成。國(guó)內(nèi)有很多高校及科研院所也在從事靜電紡絲規(guī)?；难芯?，例如中國(guó)專利“共軸復(fù)合連續(xù)納/微米纖維的多噴頭靜電紡絲裝置”(專利申請(qǐng)?zhí)?00310109222)中提到的紡絲裝置通過增加噴頭一定程度上増加了紡絲量，但是該設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，エ藝不容易控制，噴出絲后，溶劑不易及時(shí)揮發(fā)，可能導(dǎo)致纖維間相互粘連在一起，造成纖維粗細(xì)不均勻等缺點(diǎn)；中國(guó)專利“超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方法及裝置”(專利申請(qǐng)?zhí)?00710009595)通過高速氣流提高靜電紡絲速度，與單針頭紡絲相比速度可以提高10倍以上，具有較好應(yīng)用前景，但該專利對(duì)外界條件(高速氣流)依賴性強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)制作ー種可用于規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置，以細(xì)的金屬鏈條為紡絲噴頭，通過細(xì)的金屬鏈條的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)紡絲溶液在金屬鏈條的涂覆，加上高電壓后會(huì)在金屬鏈條上形成ー維方向上的噴絲，通過增加射流數(shù)目，達(dá)到提高紡絲產(chǎn)量的效果。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括供液釜、絕緣導(dǎo)管、供液泵、絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪、直流電機(jī)、絕緣基座、金屬鏈條、調(diào)速器、紡絲收集極、金屬棒電刷、高壓電源正極、絕緣被動(dòng)滑輪、高壓電源負(fù)極、高壓電源、微納米纖維和絕緣桿；箱式結(jié)構(gòu)的供液釜中盛有靜電紡絲前驅(qū)體溶液，對(duì)稱安裝的兩個(gè)供液泵與供液釜管道連通，從供液釜中抽取溶液，井分別通過各自的直徑為2-4_的絕緣導(dǎo)管向?qū)挾葹?-4_的金屬鏈條上的不同位置均勻輸送紡絲溶液；板式絕緣基座上側(cè)面左端安裝有直流電機(jī)，板式絕緣基座的前側(cè)邊中心處制有調(diào)速器，調(diào)速器用以控制固定于絕緣基座上的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；板式結(jié)構(gòu)的絕緣基座的長(zhǎng)X寬X高分別為500 X 80 X 5mm，半徑為10_20mm的絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪固定在直流電機(jī)的軸上并同步連動(dòng)，絕緣被動(dòng)滑輪的半徑為10-20mm，固定安裝在絕緣基板上側(cè)面右端直立的絕緣桿上，絕緣被動(dòng)滑輪繞絕緣桿自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬鏈條環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)滑輪和被動(dòng)滑輪之間，兩個(gè)滑輪的中心之間的距離為400-600mm，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過兩個(gè)絕緣滑輪轉(zhuǎn)化成金屬鏈條的傳動(dòng)；直立式固定在絕緣基座右端后側(cè)的金屬棒電刷的上端與金屬鏈條滑動(dòng)接觸，金屬棒電刷的下端牢固固定在絕緣基座上，并通過高壓電源正極與高壓電源的輸出正極電相連，將來自于高壓電源的電荷導(dǎo)入到金屬鏈條上；紡絲收集極與高壓電源負(fù)極電相連，紡絲收集極的幾何尺寸的長(zhǎng)X寬X高為600 X 100 X 5mm，紡絲收集極與絕緣基座之間懸空式對(duì)應(yīng)平行固定安放，兩者的平行間距能夠在IO-IOOcm之間調(diào)節(jié)，以便收集靜電紡絲制備的微納米纖維。本發(fā)明裝置的使用環(huán)境溫度為20_30°C，環(huán)境相対濕度為30_60%RH ;先選取的紡絲溶液為質(zhì)量百分比為13%的聚こ烯吡咯烷酮PVP溶液，將分子量為130萬的PVP顆粒在磁カ攪拌下緩慢加入無水こ醇中，室溫下磁力攪拌后靜置即得PVP靜電紡絲前軀體溶液；再 將配制好的PVP/こ醇紡絲溶液加入到供液釜中，調(diào)節(jié)紡絲收集極與金屬鏈條之間的高度為15厘米，打開調(diào)速器開關(guān)，直流電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，打開高壓電源開關(guān)，調(diào)節(jié)其電壓為15千伏，高壓電源產(chǎn)生的電荷經(jīng)過金屬棒電刷傳到金屬鏈條上，并與紡絲收集極之間產(chǎn)生高壓電場(chǎng)；分別打開兩個(gè)供液泵，使供液釜中的紡絲前驅(qū)體溶液經(jīng)各自絕緣導(dǎo)管被抽送到金屬鏈條上；導(dǎo)管ロ與金屬鏈條之間有很小的間隙，紡絲溶液自絕緣導(dǎo)管出來后，由于金屬鏈條的傳動(dòng)，會(huì)粘在金屬鏈條上，金屬鏈條與紡絲收集極之間有高壓靜電場(chǎng)，粘附在金屬鏈條上的溶液產(chǎn)生泰勒錐并形成射流，射流在空氣中經(jīng)過劈裂、拉イ申、固化，最后沉積在紡絲收集極上；紡絲結(jié)束后，先關(guān)閉供液泵電源，待金屬鏈條上的殘留溶液電紡?fù)戤叢⒉辉儆猩淞鳟a(chǎn)生時(shí)，關(guān)閉高壓電源的電源；最后調(diào)節(jié)調(diào)速器，將直流電機(jī)關(guān)閉，紡絲過程結(jié)束，制得PVP微納米纖維。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅依靠金屬鏈條的傳動(dòng)進(jìn)行紡絲，不需要額外的氣氛環(huán)境和輔助設(shè)施；ニ是無針頭設(shè)計(jì)，沒有針頭就不會(huì)出現(xiàn)針頭堵塞現(xiàn)象，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)電紡；三是紡絲速率高，以細(xì)金屬鏈條作為線狀噴頭，金屬鏈條由小的金屬扣相互嵌套組成，在滿足導(dǎo)電的同時(shí)也可以方便的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)滑輪之間的傳動(dòng)，此外，每ー個(gè)凸起的金屬扣相當(dāng)于ー個(gè)噴絲頭，ー維方向上密集排列的噴絲頭大大增加了紡絲速率，單個(gè)裝置的產(chǎn)絲量可達(dá)70克/小時(shí)左右(紡絲材料為分子量130萬的聚こ烯吡咯烷酮PVP微納米纖維)；四是紡絲量易控，由供液泵通過導(dǎo)管向紡絲區(qū)間提供溶液，正常紡絲的前提下，紡絲量完全由供液速度決定，因此，通過控制供液速度，可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)紡絲量(包括纖維膜厚度)的控制；其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単，原理可靠，使用操作方便，電紡效率高，紡絲質(zhì)量好，可以エ業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)環(huán)境友好。


圖I為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)采用線狀紡絲噴頭式的原理示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)電紡纖維紡絲過程的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖3為本發(fā)明制備的聚こ烯吡咯烷酮PVP微納米纖維的光學(xué)顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖作進(jìn)ー步說明。實(shí)施例本實(shí)施例的主體結(jié)構(gòu)包括供液爸I、絕緣導(dǎo)管2、供液泵3、絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪4、直流電機(jī)5、絕緣基座6、金屬鏈條7、調(diào)速器8、紡絲收集極9、金屬棒電刷10、高壓電源正極11、絕緣被動(dòng)滑輪12、高壓電源負(fù)極13、高壓電源14、微納米纖維15和絕緣桿16 ;箱式結(jié)構(gòu)的供液釜I中盛有靜電紡絲前驅(qū)體溶液，對(duì)稱安裝的兩個(gè)供液泵3與供液釜I管道連通，從供液爸I中抽取溶液，并分別通過各自的直徑為2-4_的絕緣導(dǎo)管2向?qū)挾葹?-4_的金屬鏈條7上的不同位置均勻輸送紡絲溶液；板式絕緣基座6上側(cè)面左端安裝有直流電機(jī)5，板式絕緣基座6的前側(cè)邊中心處制有調(diào)速器8，調(diào)速器8用以控制固定于絕緣基座6上的直流電機(jī)5的轉(zhuǎn)速；板式結(jié)構(gòu)的絕緣基座6的長(zhǎng)X寬X高分別為500 X 80 X 5mm，半徑為10-20mm的絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪4固定在直流電機(jī)5的軸上并同步連動(dòng)，絕緣被動(dòng)滑輪12的半徑為10-20mm，固定安裝在絕緣基板6上側(cè)面右端直立的絕緣桿16上，絕緣被動(dòng)滑輪12繞絕緣桿16自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬鏈條7環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)滑輪4和被動(dòng)滑輪12之間，兩個(gè)滑輪的中心之間的距離為400-600mm，直流電機(jī)5的轉(zhuǎn)動(dòng)通過兩個(gè)絕緣滑輪轉(zhuǎn)化成金屬鏈條7的傳動(dòng)；直立式固定在絕緣基座6右端后側(cè)的金屬棒電刷10的上端與金屬鏈條7滑動(dòng)接觸，金屬棒電刷10的下端牢固固定在絕緣基座6上，并通過高壓電源正極11與高壓電源14的輸出正極電相連，將來自于高壓電源的電荷導(dǎo)入到金屬鏈條7上；紡絲收集極9與高壓電源負(fù)極13電相連，紡絲收集極9的幾何尺寸的長(zhǎng)X寬X高為600 X 100 X 5mm，紡絲收集極9與絕緣基座6之間懸空式對(duì)應(yīng)平行固定安放，兩者的平行間距能夠在IO-IOOcm之間調(diào)節(jié)，以便收集靜電紡絲制備的微納米纖維15。本實(shí)施例實(shí)施的環(huán)境溫度為24. 5° C，環(huán)境相対濕度為43%RH;具體制備エ藝為I)溶液選擇選取的紡絲溶液為質(zhì)量百分比為13%的聚こ烯吡咯烷酮PVP溶液，先將13克PVP (分子量130萬)顆粒在磁力攪拌下緩慢加入87克無水こ醇中，室溫下磁力攪拌4小吋，然后靜置O. 5小吋，即得均勻透明的質(zhì)量百分比為13%的PVP靜電紡絲前軀體溶液；2)操作方法先將配制好的PVP/こ醇紡絲溶液加入到供液釜I中，調(diào)節(jié)紡絲收集極9與金屬鏈條7之間的高度為15厘米，打開調(diào)速器開關(guān)8，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)，打開高壓電源開關(guān)14，調(diào)節(jié)其電壓為15千伏，此時(shí)高壓電源產(chǎn)生的電荷會(huì)經(jīng)過金屬棒電刷10傳到金屬鏈條7上，并與紡絲收集極9之間產(chǎn)生高壓電場(chǎng)；分別打開兩個(gè)供液泵3，供液釜I中的紡絲前驅(qū)體溶液就會(huì)經(jīng)各自導(dǎo)管2被抽送到金屬鏈條7上；絕緣導(dǎo)管ロ與金屬鏈條7之間有很小的間隙，溶液自絕緣導(dǎo)管2出來后，由于金屬鏈條7的傳動(dòng)，溶液會(huì)粘在金屬鏈，7上，金屬鏈條7與紡絲收集極9之間有高壓靜電場(chǎng)，粘附在金屬鏈條7上的溶液會(huì)產(chǎn)生泰勒錐并形成射流，射流在空氣中經(jīng)過劈裂、拉伸、固化，最后沉積在紡絲收集極9上，如圖2所示；紡絲結(jié)束后，先關(guān)閉供液泵電源3，經(jīng)過約30秒左右，待金屬鏈條7上的殘留溶液電紡?fù)戤?，不再有射流產(chǎn)生時(shí)，關(guān)閉高壓電源14的電源；最后調(diào)節(jié)調(diào)速器8，將直流電機(jī)5關(guān)閉，紡絲過程結(jié)束；圖3為本實(shí)施例制備的PVP微納米纖維的光學(xué)顯微鏡照片，其纖維呈無序狀態(tài)，粗細(xì)均勻，與單個(gè)針頭電紡制得的微納米
纖維的形貌沒有太大的區(qū)別。
權(quán)利要求
1.一種規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置，其特征在于包括供液釜、絕緣導(dǎo)管、供液泵、絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪、直流電機(jī)、絕緣基座、金屬鏈條、調(diào)速器、紡絲收集極、金屬棒電刷、高壓電源正極、絕緣被動(dòng)滑輪、高壓電源負(fù)極、高壓電源、微納米纖維和絕緣桿；箱式結(jié)構(gòu)的供液釜中盛有靜電紡絲前驅(qū)體溶液，對(duì)稱安裝的兩個(gè)供液泵與供液釜管道連通，從供液釜中抽取溶液，并分別通過各自的直徑為2-4_的絕緣導(dǎo)管向?qū)挾葹?-4_的金屬鏈條上的不同位置均勻輸送紡絲溶液；板式絕緣基座上側(cè)面左端安裝有直流電機(jī)，板式絕緣基座的前側(cè)邊中心處制有調(diào)速器，調(diào)速器用以控制固定于絕緣基座上的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；板式結(jié)構(gòu)的絕緣基座的長(zhǎng)X寬X高分別為500 X 80 X 5mm，半徑為10_20mm的絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪固定在直流電機(jī)的軸上并同步連動(dòng)，絕緣被動(dòng)滑輪的半徑為10-20mm，固定安裝在絕緣基板上側(cè)面右端直立的絕緣桿上，絕緣被動(dòng)滑輪繞絕緣桿自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬鏈條環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)滑輪和被動(dòng)滑輪之間，兩個(gè)滑輪的中心之間的距離為400-600mm，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過兩個(gè)絕緣滑輪轉(zhuǎn)化成金屬鏈條的傳動(dòng)；直立式固定在絕緣基座右端后側(cè)的金屬棒電刷的上端與金屬鏈條滑動(dòng)接觸，金屬棒電刷的下端牢固固定在絕緣基座上，并通過高壓電源正極與高壓電源的輸出正極電相連，將來自于高壓電源的電荷導(dǎo)入到金屬鏈條上；紡絲收集極與高壓電源負(fù)極電相連，紡絲收集極的幾何尺寸的長(zhǎng)X寬X高為600 X 100 X 5mm，紡絲收集極與絕緣基座之間懸空式對(duì)應(yīng)平行固定安放，兩者的平行間距能夠在IO-IOOcm之間調(diào)節(jié)，以便收集靜電紡絲制備的微納米纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置，其特征在于使用環(huán)境溫度為20-30°C，環(huán)境相對(duì)濕度為30-60%RH ;先選取的紡絲溶液為質(zhì)量百分比為13%的聚乙烯吡咯烷酮PVP溶液，將分子量為130萬的PVP顆粒在磁力攪拌下緩慢加入無水乙醇中，室溫下磁力攪拌后靜置即得PVP靜電紡絲前軀體溶液；再將配制好的PVP/乙醇紡絲溶液加入到供液釜中，調(diào)節(jié)紡絲收集極與金屬鏈條之間的高度為15厘米，打開調(diào)速器開關(guān)，直流電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，打開高壓電源開關(guān)，調(diào)節(jié)其電壓為15千伏，高壓電源產(chǎn)生的電荷經(jīng)過金屬棒電刷傳到金屬鏈條上，并與紡絲收集極之間產(chǎn)生高壓電場(chǎng)；分別打開兩個(gè)供液泵，使供液釜中的紡絲前驅(qū)體溶液經(jīng)各自絕緣導(dǎo)管被抽送到金屬鏈條上；導(dǎo)管口與金屬鏈條之間有很小的間隙，紡絲溶液自絕緣導(dǎo)管出來后，由于金屬鏈條的傳動(dòng)，會(huì)粘在金屬鏈條上，金屬鏈條與紡絲收集極之間有高壓靜電場(chǎng)，粘附在金屬鏈條上的溶液產(chǎn)生泰勒錐并形成射流，射流在空氣中經(jīng)過劈裂、拉伸、固化，最后沉積在紡絲收集極上；紡絲結(jié)束后，先關(guān)閉供液泵電源，待金屬鏈條上的殘留溶液電紡?fù)戤叢⒉辉儆猩淞鳟a(chǎn)生時(shí)，關(guān)閉高壓電源的電源；最后調(diào)節(jié)調(diào)速器，將直流電機(jī)關(guān)閉，紡絲過程結(jié)束，制得微納米纖維。
全文摘要
本發(fā)明屬于靜電紡絲裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置，供液釜中盛有靜電紡絲前驅(qū)體溶液，供液泵與供液釜管道連通并通過導(dǎo)管向金屬鏈條輸送紡絲溶液；絕緣基座上側(cè)面左端安裝直流電機(jī)，前側(cè)邊中心處制有調(diào)速器控制直流電機(jī)；絕緣驅(qū)動(dòng)滑輪固定在直流電機(jī)的軸上同步連動(dòng)，被動(dòng)滑輪固定在絕緣基板上側(cè)面右端的絕緣桿上繞絕緣桿轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬鏈條環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)滑輪和被動(dòng)滑輪間，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)成金屬鏈條傳動(dòng)；固定在絕緣基座右端后側(cè)的金屬棒電刷上端與金屬鏈條滑動(dòng)接觸，紡絲收集極與絕緣基座的平行間距在10-100cm；其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可靠，使用操作方便，電紡效率高，紡絲質(zhì)量好，可以工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)環(huán)境友好。
文檔編號(hào)D01D4/02GK102864503SQ20121038057
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者龍?jiān)茲? 劉術(shù)亮, 孫彬, 張紅娣, 曹桂全 申請(qǐng)人:青島大學(xué)