專利名稱：單向排列的靜電紡納米初生長纖維的立式流動水浴收集方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電紡絲的方法及裝置，具體涉及到制備一種具有高的單向排列程度，高取向度，單絲間的粘連少的靜電紡納米纖維的方法及裝置。
背景技術(shù)：
靜電紡絲作為一種創(chuàng)新的紡絲方法用于制備連續(xù)的具有高度形態(tài)學和完美結(jié)構(gòu)的亞微米級纖維。靜電紡絲得到的纖維的直徑一般在十幾納米至數(shù)百納米，靜電紡纖維的分子鏈取向和晶格的重排會表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，所以常被用于制備高性能的復合材料，應(yīng)用于航天航空，防護，和其它工業(yè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的方法有著明顯的不同，靜電紡絲過程中將聚合物溶液或熔體帶上幾千至幾萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下被拉伸。當電場力足夠大時，聚合物液滴可克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)后固化，最終落在接收裝置上。但是，由于靜電紡射流在空氣中發(fā)生彎曲擾動現(xiàn)象，靜電紡射流的運動路徑非常復雜，所以最終收集得到的靜電紡納米纖維的單向排列程度均較低，多以無紡布的形式存在。這也是現(xiàn)階段制約靜電紡納米纖維發(fā)展的一大頸瓶。許多研究者都在這方面做了大量的研究，但是均或多或少的存在一些不足。Katta等用銅線制成的線圈滾筒收集裝置雖然可以得到大面積的部分取向排列的纖維，但是高度有序排列的纖維聚集體很難得到，而且隨著收集時間的延長，纖維的取向越來越差，同時如果旋轉(zhuǎn)速度太快還會導致纖維斷裂；Dan等人利用高硅含量的金屬板制成的平行板收集裝置，所得的纖維取向排列程度有很大提高，排列纖維面積也有很大增加，但是得到的排列纖維的長度受到一定的限制。Theron利用尖端圓盤接受裝置同樣可以得到高度有序排列的纖維，但是沉積的纖維變厚時得不到高度有序排列的纖維，僅僅用于收集小面積的纖維。上述裝置雖然均能夠得到一定取向的納米纖維，但是卻不能得到連續(xù)的長纖維束，使得后續(xù)的牽伸以及熱處理過程中的張力控制受到很大的限制。為了得到長纖維，研究者們在收集過程中引入了水浴，Smit利用靜態(tài)水浴收集可以得到長的紗線，纖維在紗線里面一般具有很好的排列，但是存在的不足是紗線的收集速度比較慢。Wee-EongTeo利用水流漩渦牽引靜電紡纖維定向流動，纖維具有一定的取向度，但是由于水浴表面漩渦的存在會造成水流不穩(wěn)定，水浴表面不平穩(wěn)，從而導致靜電紡電場不穩(wěn)定，靜電紡過程不能夠穩(wěn)定連續(xù)的進行。

發(fā)明內(nèi)容
—種制備單向排列的靜電紡納米初生長纖維的立式流動水浴收集裝置，包括噴絲筒和滾筒收集器，其特征在于:還包括在噴絲筒的噴絲頭下方設(shè)置的接地水浴槽，水浴槽中心放置著一個圓錐形的流管裝置，圓錐形的流管裝置的尖端為直徑為5mm±2mm的圓孔，所述的水浴槽下方為下水浴接收槽，下水浴接收槽在其上端有一塊承重板用以托起水浴槽，承重板與水浴槽的中心均開有一個與圓錐形的流管裝置尖端相同大小的圓孔，承重板的上方空間用以接收水浴槽溢流出的水，在承重板邊緣處也開有一個孔，用于水浴槽溢流出的水，流入下水浴接收槽；水浴槽與下水浴接收槽通過恒溫水浴裝置的管道連接形成一個循環(huán)系統(tǒng)；收集滾筒用支架架在下水浴接收槽中心位置處。本發(fā)明裝置具有錐形流管和水浴槽。錐形流管裝置可以有效提高水流的流速，且水流速度與纖維束同相流動，在這樣的流動狀態(tài)下，纖維束運行阻力小，不易產(chǎn)生斷絲，不易堆積粘并。水浴槽表面有部分水溢流，可以保證水浴液面保持平穩(wěn)，紡絲過程穩(wěn)定。錐形流管裝置的角度為0=30° ±10°，由流動力學相關(guān)知識知:當流管角度0=30.4°時，流速系數(shù)Amax=0.963，流量系數(shù)U max=0.943，此時流管中液體流速最大。為計算和加工方便，將權(quán)利要求1所示裝置的流管角度9設(shè)為30° ±10°。錐形流管裝置尖端的孔的孔徑①為5 mm±2 mm，錐形流管裝置的上表面口徑為10 cm^80 cm。噴絲頭的數(shù)目可控為f 100，噴絲頭的噴絲孔數(shù)目為f 100，噴絲孔的孔徑為0.5mm 3 mm0噴絲頭與水浴槽表面的距離為5 cnT30 cm。應(yīng)用于制備單向排列的靜電紡納米初生長纖維的立式流動水浴收集方法:在靜電紡絲過程中，配置濃度為8 % wt 35 % wt的聚合物紡絲溶液，將配置的紡絲溶液注入噴絲頭中，直流電壓10 kV^35 kV通過金屬棒傳導給溶液，在電場力的作用下，靜電紡絲溶液經(jīng)噴絲孔噴出，在空氣中發(fā)生彎曲擾動，溶液中大部分溶劑通過揮發(fā)脫除，已經(jīng)基本凝固成型的纖維進入凝固浴，在向下的水流帶動下，纖維向下定向流動，再經(jīng)滾筒收集，滾筒收集的轉(zhuǎn)速為 30 r/min 1000 r/min。所述的聚合物紡絲溶液中的聚合物為聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇PVA、聚酰胺、聚氨酯、殼聚糖、聚乳酸、聚偏氟乙烯PVDF、核酸、蛋白質(zhì)、纖維素或聚乙烯；聚合物紡絲溶液溶劑為水、無水乙醇、N，N- 二甲基甲酰胺DMF、二甲基亞砜DMS0、四氫呋喃THF或硫氰酸鈉NaSCN。 本發(fā)明制備的靜電紡纖維，單向排列程度高，取向度高，單絲間的粘連少。本發(fā)明的效果:在靜電紡絲彎曲擾動過程中，纖維中大部分溶劑通過揮發(fā)脫除，已經(jīng)基本凝固成形，在向下的水流的帶動下，靜電紡纖維間的靜電作用被大大削落，能有效減少纖維間的粘并，而且水流對纖維有進一步的牽伸作用，最后纖維通過滾筒收集，能夠得到單向排列程度高，取向度高，單絲間粘連少的長纖維束。該方法操作簡單，成本低，易于控制。


圖1是本發(fā)明裝置的示意圖。圖2是本發(fā)明裝置的錐形流管立體圖。圖3為實施例1的電鏡照片。圖4為實施例2的電鏡照片。圖5為實施例3的電鏡照片。
具體實施方式
如圖1所示，包括有噴絲頭I ;錐形流管2 ;水浴槽3 ;恒溫水浴泵4 ;下水浴接收槽5;滾筒收集裝置6。在靜電紡絲過程中，配置濃度為8 % wt^35 % wt的聚合物紡絲溶液，將配置的紡絲溶液注入噴絲頭中，直流電壓1(T35 kV通過金屬棒傳導給溶液，在電場力的作用下，靜電紡絲溶液經(jīng)噴絲孔噴出，在空氣中發(fā)生彎曲擾動，溶液中大部分溶劑通過揮發(fā)脫除，已經(jīng)基本凝固成型的纖維進入凝固浴，在向下的水流帶動下，纖維向下定向流動，再經(jīng)滾筒收集。噴絲頭和立式接收器凝固浴表面的距離為5 cnT30 cm，滾筒收集裝置的轉(zhuǎn)速為 30 r/min 1000 r/min。本裝置可適用于聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇PVA、聚酰胺、聚氨酯、殼聚糖、聚乳酸、聚偏氟乙烯PVDF、核酸、蛋白質(zhì)、纖維素、聚乙烯；聚合物紡絲溶液溶劑為水、無水乙醇、N，N- 二甲基甲酰胺DMF、二甲基亞砜DMS0、四氫呋喃THF、硫氰酸鈉NaSCN。實施例1:紡絲裝置包括噴絲頭、接收器和滾筒收集器。接收器包括水浴槽和水浴槽中的錐形流管裝置。聚合物溶液為聚丙烯腈PAN/N，N-二甲基甲酰胺DMF，濃度為16 %wt,紡絲電壓為35 kV。聚合物紡絲溶液由噴絲頭噴出，射流在空氣中發(fā)生彎曲擾動，大部分容易揮發(fā)，然后落到立式水 浴槽表面，然后在水流的帶動下，向下運動，最后由滾筒收集。噴絲頭采用單個孔的噴絲頭，噴絲頭的數(shù)目為100，噴絲頭的孔徑為I mm。噴絲頭到凝固浴表面的間距為30 cm,滾筒轉(zhuǎn)速為130 r/min。紡絲過程中泰勒錐錐小,錐尖穩(wěn)定,偶爾有放電現(xiàn)象，紡絲過程可以連續(xù)2個小時不間斷，電鏡觀察，收集得到的纖維沿纖維軸平行排列，無亂絲，無粘連。實施例2:裝置及方法同實施例1。聚合物溶液為聚氨酯/四氫呋喃THF，濃度為8% wt，紡絲電壓為10 kV。聚合物紡絲溶液由噴絲頭噴出，射流在空氣中發(fā)生彎曲擾動，大部分容易揮發(fā)，然后落到立式水浴槽表面，然后在水流的帶動下，向下運動，最后由滾筒收集。噴絲頭采用50個孔的噴絲頭，噴絲頭的數(shù)目為1，噴絲頭的孔徑為0.5 mm。噴絲頭到凝固浴表面的間距為10 cm，滾筒轉(zhuǎn)速為1000 r/min。紡絲過程中泰勒錐錐大，錐尖有微擺現(xiàn)象，但是紡絲過程一直連續(xù)進行，電鏡觀察，收集得到的初生纖維沿纖維軸的取向排列程度較高，纖維束有少量亂絲，但是纖維間無粘連現(xiàn)象。實施例3:裝置及方法同實施例1。聚合物溶液為聚丙烯腈PAN/二甲基亞砜DMS0，濃度為35 % wt，紡絲電壓為20 kV。聚合物紡絲溶液由噴絲頭噴出，射流在空氣中發(fā)生彎曲擾動，大部分容易揮發(fā)，然后落到立式水浴槽表面，然后在水流的帶動下，向下運動，最后由滾筒收集。噴絲頭采用100個孔的噴絲頭，噴絲頭的數(shù)目為50，噴絲頭的孔徑為3 mm。噴絲頭到凝固浴表面的間距為5 cm，滾筒轉(zhuǎn)速為30 r/min。紡絲過程中泰勒錐錐小，偶爾出現(xiàn)斷紡，但是電鏡觀察最后收集得到的纖維沿纖維軸平行排列，纖維直徑較粗，纖維束之間基本無亂絲且無粘連現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種制備單向排列的靜電紡納米初生長纖維的立式流動水浴收集裝置，包括噴絲筒和滾筒收集器，其特征在于:還包括在噴絲筒的噴絲頭下方設(shè)置的接地水浴槽，水浴槽中心放置著一個圓錐形的流管裝置，圓錐形的流管裝置的尖端為直徑為5mm±2mm的圓孔，所述的水浴槽下方為下水浴接收槽，下水浴接收槽在其上端有一塊承重板用以托起水浴槽，承重板與水浴槽的中心均開有一個與圓錐形的流管裝置尖端相同大小的圓孔，承重板的上方空間用以接收水浴槽溢流出的水，在承重板邊緣處也開有一個孔，用于水浴槽溢流出的水，流入下水浴接收槽；水浴槽與下水浴接收槽通過恒溫水浴裝置的管道連接形成一個循環(huán)系統(tǒng)；收集滾筒用支架架在下水浴接收槽中心位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于:圓錐形的流管裝置的錐形角度為0=30° ±10°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于:圓錐形的流管裝置的上表面口徑為10cm 80 cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于:噴絲頭的數(shù)目為廣100，噴絲頭的噴絲孔數(shù)目為I 100,噴絲孔的孔徑為0.5 mm 3謹。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其 特征在于:噴絲頭和水浴槽表面的距離為5cnT30 cm。
6.一種應(yīng)用于權(quán)利要求1所述裝置制備單向排列的靜電紡納米初生長纖維的立式流動水浴收集方法，其特征在于:配置濃度為8 % wt"35 % wt的聚合物紡絲溶液，直流電壓10kV^35 kV通過金屬棒傳導給聚合物溶液，在電場力的作用下，紡絲溶液由噴絲孔口射出，在空氣中發(fā)生彎曲擾動，溶液中大部分溶劑通過揮發(fā)脫除，已經(jīng)基本凝固成型的纖維進入凝固浴，在向下的水流帶動下，纖維向下定向流動，再經(jīng)滾筒收集器收集。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于:滾筒收集器的轉(zhuǎn)速為30r/mirTlOOO r/mirio
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于:所述的聚合物紡絲溶液中的聚合物為聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇PVA、聚酰胺、聚氨酯、殼聚糖、聚乳酸、聚偏氟乙烯PVDF、核酸、蛋白質(zhì)、纖維素或聚乙烯；聚合物紡絲溶液溶劑為水、無水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺DMF、二甲基亞砜DMS0、四氫呋喃THF或硫氰酸鈉NaSCN。
全文摘要
單向排列的靜電紡納米初生長纖維的立式流動水浴收集方法及其裝置屬于靜電紡絲領(lǐng)域。裝置包括噴絲頭和滾筒收集器，水浴槽，水浴槽中的錐形流管裝置，下水浴接收槽，帶泵的恒溫水浴裝置，水浴槽與下水浴接收槽之間，通過恒溫水浴裝置的管道形成一個水流的循環(huán)系統(tǒng)。方法為配置一定濃度的聚合物紡絲溶液，聚合物溶液在電場力的驅(qū)動下經(jīng)由噴絲頭噴出，形成靜電紡射流，在空氣中發(fā)生彎曲擾動現(xiàn)象，射流中大部分溶劑通過揮發(fā)脫除，絲條基本凝固成纖后落到收集浴表面，在向下的水流帶動下，纖維向下流動，并進一步沿纖維軸排布。最后纖維通過滾筒收集。本發(fā)明制備的靜電紡納米纖維，單向排列程度高，取向度高，單絲間的粘連少。
文檔編號D01D13/02GK103173879SQ201310111659
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者劉杰, 劉瓊, 梁節(jié)英 申請人:北京化工大學