高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其裝置由噴絲口、儲(chǔ)液腔、金屬閥針、調(diào)整帽、供液罐、多功能高壓靜電發(fā)生器、空化機(jī)、空化機(jī)調(diào)幅桿、正壓動(dòng)力泵、正壓動(dòng)力管、虹吸式供料管、網(wǎng)構(gòu)式電極、接收底物、去繞輥、卷繞輥、納米纖維、恒溫系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、環(huán)境隔離箱體組成。其中，噴絲口、儲(chǔ)液腔、金屬閥針、調(diào)整帽、殼體構(gòu)成高壓靜電動(dòng)力梭梭體。它們與多功能高壓靜電發(fā)生器、儲(chǔ)液罐、虹吸式供料管、正壓動(dòng)力管、空化機(jī)、空化調(diào)幅桿、輸出線、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、濕溫調(diào)控器、箱體共同構(gòu)成高壓靜電動(dòng)力梭。本發(fā)明通過(guò)高壓靜電動(dòng)力梭的建立、噴絲口大小的調(diào)整、靜電場(chǎng)強(qiáng)、壓力以及空化機(jī)頻率的調(diào)整，達(dá)到紡絲速率可調(diào)、納米纖維直徑可調(diào)；具有紡絲效率高、不堵塞、易清洗、安全可靠、操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于靜電紡絲【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲技術(shù)是非牛頓流體在高壓靜電場(chǎng)下產(chǎn)生射流，形成微米乃至納米纖維的一種技術(shù)，它是可以用來(lái)制備有機(jī)、無(wú)機(jī)以及復(fù)合納米纖維的最直接方法。由于電紡納米纖維在過(guò)濾、醫(yī)藥、環(huán)境、組織工程、電子、催化、吸音以及軍事等諸多領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景，因此有關(guān)電紡絲設(shè)備的研究在最近成為了全球許多學(xué)者和工程技術(shù)人員的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
[0003]目前，實(shí)驗(yàn)室制備納米纖維的電紡絲設(shè)備主要有下列幾種形式:點(diǎn)發(fā)射裝置(單噴頭式、多噴頭式、多孔式)、線性發(fā)射裝置(螺紋式、直線式、彈簧式、狹縫式)、面發(fā)射裝置(輥式、電子梭)電紡絲法。其中最常見的是單噴頭式，它搭建簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但紡絲速率極慢，在0.001-0.01g/h范圍內(nèi)；多噴頭式是將十幾個(gè)甚至上千個(gè)單個(gè)紡絲針尖進(jìn)行組合，噴射效率可提高至ο.1-1.0 g/h，但是經(jīng)常出現(xiàn)靜電干擾，噴頭易堵塞，造成紡絲不連續(xù)、納米纖維直徑均一性難以保持等缺點(diǎn)的出現(xiàn)。多孔式同樣具有紡絲效率低等問(wèn)題。輥式靜電紡絲的代表是捷克第一代“納米蜘蛛”技術(shù)，其紡絲效率是f 5g/分，面積密度為0.r5g/米2，納米纖維直徑在5(T300 nm范圍內(nèi)，幅寬有300和500 mm兩種。線性發(fā)射裝置主要是以上海云同精密儀器公司的螺紋式和捷克的第二代直線式納米蜘蛛為代表的設(shè)備，它們的紡絲速率均比輥式紡絲裝置的速率提高2-3倍。但是，紡絲過(guò)程中由于發(fā)射輥的轉(zhuǎn)動(dòng)和供料模塊的滑動(dòng)，造成非連續(xù)紡絲，長(zhǎng)納米纖維變?yōu)槎汤w維，降低了納米纖維的機(jī)械強(qiáng)度。2011年，我們發(fā)明了高壓靜電梭納米紡絲裝置和高壓靜電電子梭納米纖維紡絲裝置。前者是采用壓差式聯(lián)續(xù)供料和插件式組裝形成狹縫式梭口，利用其邊緣進(jìn)行線性發(fā)射的原理進(jìn)行連續(xù)紡絲，簡(jiǎn)稱為狹縫紡絲；后者是利用空化技術(shù)迫使梭口內(nèi)紡絲液體平面在中心部位發(fā)生振動(dòng)并達(dá)到最強(qiáng)，產(chǎn)生若干個(gè)泰勒錐，并實(shí)現(xiàn)面發(fā)射，紡絲速率達(dá)到10-20g/h。它們共同具易清洗、低能耗、安全可靠、操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，適合于科研院所實(shí)驗(yàn)室小批量納米纖維的制備。
[0004]最近，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型納米纖維紡絲裝置。其原理在于，讓電紡絲溶液通過(guò)負(fù)壓吸虹原理進(jìn)入梭體，同時(shí)施加高壓靜電場(chǎng)和空化震動(dòng)力，讓紡絲液體帶電并產(chǎn)生氣泡，在紡絲口出電紡絲液釋放壓力，并瞬間噴出帶電射流，在同性電荷排斥力的作用下發(fā)生劈裂，氣流體帶走溶劑，纖維迅速干燥形成連續(xù)的納米纖維膜，這種裝置被稱為高壓靜電動(dòng)力梭紡絲裝置。由于靜電力、震動(dòng)力、氣流驅(qū)動(dòng)力三種力的同時(shí)引入，它生產(chǎn)效率極高，能廣泛的被應(yīng)用于具有各種有機(jī)、無(wú)機(jī)、有機(jī)/無(wú)機(jī)納米纖維復(fù)合的制備，不再受極性和非極性溶劑以及納米粒子種類(導(dǎo)電與非導(dǎo)電)的限制，為全能型工業(yè)紡絲設(shè)備的制造打下基礎(chǔ)。為此，我們發(fā)明了本專利。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其在噴頭式紡絲機(jī)的基礎(chǔ)上，在噴絲管的中心部位安裝了一個(gè)金屬閥針，它們形成了一個(gè)微小可調(diào)圓形狹縫，成為噴絲口。電紡絲液體在負(fù)壓的作用下，被虹吸至噴絲口，同時(shí)向其施加高壓靜電空化作用，以保證液體帶有大量正電荷、減低高分子鏈間的相互纏繞和產(chǎn)生氣泡。在氣流驅(qū)動(dòng)力、空化震動(dòng)力、高壓靜電場(chǎng)力的共同作用下，使得電紡絲通過(guò)圓形狹縫涌出，形成由無(wú)數(shù)射流，射流劈裂變細(xì)，在空間向接收板運(yùn)動(dòng)，成為連續(xù)的納米纖維膜(棉、氈等)。這一裝置不但使單位時(shí)間內(nèi)的紡絲效率大大增加、電紡絲納米纖維數(shù)目也大量增加，而且適用于各種粘度、各種極性、含有任何無(wú)機(jī)納米粒子的紡絲溶液的紡絲。它發(fā)射力強(qiáng)，紡絲效率高、納米纖維直徑可調(diào)(通過(guò)調(diào)整圓形狹縫寬度)、無(wú)噴頭堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)、不受環(huán)境(溫度/濕度)影響、易清洗等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明所述的高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，由噴絲口(I)、梭體(2)、正壓動(dòng)力管(4)、供料罐(5)、虹吸式供料管(6)、正壓動(dòng)力泵(7)、空化機(jī)(8)、空化調(diào)幅桿(9)、靜電正輸出線(10)、多功能高壓靜電發(fā)生器(11)、空化機(jī)電源輸入線(12)、靜電負(fù)輸出線
(13)、網(wǎng)構(gòu)式電極(14)、去繞輥(15)、卷繞輥(16)、接收底物(17)、通風(fēng)系統(tǒng)(18)、照明系統(tǒng)
(19),溫濕調(diào)控系統(tǒng)(20)、環(huán)境隔離箱(23)、納米纖維(24)構(gòu)成。
[0007]梭體(2)是由梭芯和梭殼而構(gòu)成。梭芯包括儲(chǔ)液腔(21)和金屬閥針(22)，用于儲(chǔ)存和電紡絲液的流量控制；梭殼包括調(diào)整帽(31)和殼體(32)，與梭芯一起形成氣體通道，用于氣體流動(dòng)和釋放，使儲(chǔ)液腔(21)中產(chǎn)生負(fù)壓，讓電紡絲液通過(guò)虹吸進(jìn)入其中。金屬閥針(22)位于梭芯內(nèi)部中心線上，與儲(chǔ)液腔平行，在噴絲口出有微小狹縫形成，通過(guò)調(diào)整閥針高度，改變縫隙寬度，即調(diào)整液體發(fā)射量的大小，縫隙寬度在0.1-2.5mm范圍內(nèi)；調(diào)整帽
(31)上帶有直線式排列的微孔，以控制纖維發(fā)射方向，從而調(diào)整纖維膜的均勻性，調(diào)整范圍在0-360°內(nèi)可控。整個(gè)梭體可由不銹鋼等耐腐蝕材料制成。
[0008]供料罐(5)是用于儲(chǔ)存電紡絲溶液的，是非導(dǎo)電體，經(jīng)虹吸式供料管(6)連至儲(chǔ)液腔(21)。它是由耐酸、耐堿、耐腐蝕材料制成的。
[0009]空化機(jī)(8) —端輸出線與多功能靜電發(fā)生器(11)相連，另一端與殼體(32)相連。通過(guò)在后兩者之間的一個(gè)空化調(diào)幅桿(9)，控制空化機(jī)的頻率，以調(diào)整電紡絲液體的微射流發(fā)射強(qiáng)度，頻率在OHf 5MHz范圍。
[0010]多功能高壓靜電發(fā)生器(11)的一個(gè)輸出端與正極輸出線(10)相連，負(fù)極輸出端與金屬接收裝置(14)相連，第三個(gè)輸出端與空化機(jī)(8)相連，用于向電紡絲液體注入電荷和在噴絲口與接收板間形成高壓靜電電場(chǎng)，還用于驅(qū)動(dòng)空化機(jī)(8)工作。
[0011 ] 金屬接收裝置(14)可以是金屬網(wǎng)或金屬板，其接收面積是噴絲口( I)上表面積的幾百倍以上；接收底物(17)附載在金屬接收裝置(14)上，其可以是各種高分子無(wú)紡布、紙張、金屬板。
[0012]本發(fā)明所述的高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，電紡絲在密閉的箱體(23)內(nèi)進(jìn)行，箱體的體積大于20 m3。在長(zhǎng)方箱體的上方裝有通風(fēng)系統(tǒng)(18)和照明系統(tǒng)(19)，下部設(shè)置有電恒溫器(20)，使箱體(23)內(nèi)的溫度在1(T50° C范圍內(nèi)、濕度在10-60冊(cè)％范圍內(nèi)連
續(xù)變化。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0013]圖1:本發(fā)明所述的高壓動(dòng)力梭納米紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2:是PET納米纖維SEM圖像(0.lg/ml)；
圖3:是PET納米纖維的SEM圖像(0.2g/ml)；
其中各部件的名稱為:噴絲口(I)、儲(chǔ)液腔(21)、金屬閥針(22)、調(diào)整帽(31)、殼體
(32)、正壓動(dòng)力管(4)、供料罐(5)、虹吸式供料管(6)、正壓動(dòng)力泵(7)、空化機(jī)(8)、空化調(diào)幅桿(9)、正極輸出線(10)、多功能高壓靜電發(fā)生器(11)、空化機(jī)電源輸入線(12)、負(fù)極輸出線(13)、網(wǎng)構(gòu)式電極(14)、去繞輥(15)、卷繞輥(16)、接收底物(17)、通風(fēng)系統(tǒng)(18)、照明系統(tǒng)(19)、溫濕調(diào)控系統(tǒng)(20)、環(huán)境隔離箱(23)、納米纖維(24);
在進(jìn)行高壓靜電紡絲前，將多功能高壓靜電發(fā)生器(11，紡絲電壓在0-500 kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，自制)的正極輸出端通過(guò)金屬連線(10)與梭體連接，負(fù)極輸出端通過(guò)金屬連線
(13)連接至金屬接收裝置(14)，在調(diào)節(jié)帽(31)和金屬接收裝置(4)間形成高壓靜電場(chǎng);第三個(gè)輸出端通過(guò)金屬線(12)與空化機(jī)(8)相連，空化機(jī)(8)的另一個(gè)輸出端通過(guò)金屬連線
(9)連接至梭體上；
裝有電紡絲液的供液罐(5 )經(jīng)軟管(6 )與儲(chǔ)液腔(21)相連，殼體(32 )經(jīng)正壓動(dòng)力管(4)連至正壓動(dòng)力泵(7)上；在靜電紡絲時(shí)，開啟(5)和(7)，在儲(chǔ)液腔中有負(fù)壓產(chǎn)生，電紡絲液靠吸虹原理從儲(chǔ)料罐(5)中經(jīng)供料管(6)被帶到儲(chǔ)液腔(21)中；在空氣氣流、空化機(jī)的震動(dòng)、靜電力的共同作用下，帶電荷的紡絲液形成高速射流，劈裂、干燥形成納米纖維，在接收底物(14)上得到納米纖維無(wú)紡布；溶劑通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)(18)被空氣帶走并回收；
進(jìn)一步，可將本發(fā)明所述的靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置置于一密閉的箱體(23)，在箱體
(23)內(nèi)設(shè)置有排風(fēng)系統(tǒng)(18)、照明系統(tǒng)(19，100W)以及電恒溫裝置(20)。在進(jìn)行靜電紡絲時(shí)，打開電恒溫裝置(20)從而使整個(gè)箱體(23)內(nèi)的溫度和濕度達(dá)到設(shè)定要求，提高紡絲的質(zhì)量和效果。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1.將3g聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET，分子量:25000)顆粒加入到24ml三氟乙酸(F3CHCOOH)與6ml 二氯甲烷(CH2Cl2)的混合溶液中，二者的體積比為4:1，在常溫下利用磁攪拌溶解2小時(shí)，得到電紡絲液；將獲得的電紡絲液10 ml加入到儲(chǔ)料罐(5)中。調(diào)節(jié)箱體內(nèi)的電控恒溫器，溫度和濕度分別達(dá)25°C和30RH%，穩(wěn)定2分鐘。開啟高壓靜電發(fā)生器(11)、正壓動(dòng)力泵(7)、以及空化機(jī)(8)，電壓慢慢調(diào)至80 kV;接收板高度33.5cm。此時(shí)，噴絲口(I)的表面有射流出現(xiàn)，并發(fā)生劈裂，在接收底物上有PET納米纖維無(wú)紡布形成，5分鐘內(nèi)紡絲完畢，紡絲效率0.08g/min，平均直徑為200nm (50_300nm)，20g/m2，PET納米纖維膜的SEM圖像展示在圖1中。
實(shí)施例2.將6g聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET，分子量:25000)顆粒加入到24ml三氟乙酸(F3CHCOOH)與6ml 二氯甲烷(CH2Cl2)的混合溶液中，二者的體積比為4:1，在常溫下利用磁攪拌溶解2小時(shí)，得到電紡絲液；將獲得的電紡絲液IOml加入到儲(chǔ)料罐(5)中。調(diào)節(jié)箱體內(nèi)的電控恒溫器，溫度和濕度分別達(dá)25°C和30RH%，穩(wěn)定2分鐘。開啟高壓靜電發(fā)生器(11 )、正壓動(dòng)力泵(7)、以及空化機(jī)(8)，電壓慢慢調(diào)至80kV;接收板高度33.5cm。此時(shí)，噴絲口(I)的表面有射流出現(xiàn)，并發(fā)生劈裂，在接收底物上有PET納米纖維無(wú)紡布形成，5分鐘內(nèi)紡絲完畢，紡絲效率0.lg/min，平均直徑為200nm (50-300nm), 21g/m2, PET納米纖維膜的SEM圖像展示在圖2中。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其特征在于: 由噴絲口(1)、梭體(2)、調(diào)整帽(3)、正壓動(dòng)力管(4)、供料罐(5)、虹吸式供料管(6)、正壓動(dòng)力泵(7)、空化機(jī)(8)、空化調(diào)幅桿(9)、正極輸出線(10)、多功能高壓靜電發(fā)生器(11)、空化機(jī)電源輸入線(12)、負(fù)極輸出線(13)、網(wǎng)構(gòu)式電極(14)、去繞輥(15)、卷繞輥(16)、接收底物(17 )、通風(fēng)系統(tǒng)(18 )、照明系統(tǒng)(19 )、溫濕調(diào)控系統(tǒng)(20 )、環(huán)境隔離箱(23 )、納米纖維(24)構(gòu)成。 梭體(2 )是由梭芯和梭殼構(gòu)成。梭芯包括儲(chǔ)液腔(21)和金屬閥針(22 )，用于儲(chǔ)存電紡絲液和它的流量控制；梭殼包括調(diào)整帽(31)和殼體(32)，用于氣體流動(dòng)； 供料罐(5)是用于儲(chǔ)存電紡絲溶液的，是非導(dǎo)電體，通過(guò)正壓動(dòng)力泵(7)提供氣源，靠負(fù)壓把紡絲液虹吸到噴絲口，進(jìn)行紡絲。它耐酸、耐堿、耐腐蝕； 空化機(jī)(8)用于使電紡絲液體產(chǎn)生大量小氣泡，它們?cè)诩眲”罎r(shí)可釋放出巨大的能量，并產(chǎn)生有強(qiáng)大沖擊力的微射流，加之負(fù)壓空氣流的作用，發(fā)射液流迅速向接收底物移動(dòng)并發(fā)生劈裂，溶劑被空氣帶走，在接收底物(14)得到納米纖維(22)無(wú)紡布； 多功能高壓靜電發(fā)生器(11)的正極輸出端與輸出線(10)相連，負(fù)極輸出端與金屬接收裝置(14)相連，使得電紡絲液帶有正電荷，同時(shí)在噴絲口(1)和接收電極(14)之間形成高壓靜電場(chǎng)；靜電發(fā)生器(11)還用于驅(qū)動(dòng)空化機(jī)(8)工作，使電紡絲液空化； 本發(fā)明所述的高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，紡絲在密閉的箱體(23 )內(nèi)進(jìn)行，箱體的體積大于20 m3。同時(shí)在長(zhǎng)方箱體的上部裝有通風(fēng)系統(tǒng)(18)和照明系統(tǒng)(19)，底部設(shè)置有電恒溫器(20 )，使箱體(23 )內(nèi)的溫度在選擇的范圍內(nèi)連續(xù)變化。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其特征在于:高壓靜電動(dòng)力梭的梭口是一個(gè)圓形狹縫，它是由儲(chǔ)液腔和一個(gè)位于中央的閥針而構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整閥針的高度調(diào)節(jié)射流的發(fā)射量和控制纖維的直徑?？p隙寬度在0.1-2.5mm范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其特征在于:存儲(chǔ)在供料罐中的電紡絲液體靠正壓動(dòng)力泵的作用，采用虹吸式原理輸送至供液腔中。紡絲過(guò)程中，由于負(fù)壓的作用，無(wú)堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其特征在于:調(diào)節(jié)帽一字型排有:排氣孔一圓形紡絲狹縫一排氣孔，這個(gè)帽可以旋轉(zhuǎn)360°，從而可以獲得均勻的納米纖維無(wú)紡布。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其特征在于:在空化機(jī)的作用下，電紡絲液產(chǎn)生氣泡，在瞬間爆破時(shí)，產(chǎn)生向上的助推力，這個(gè)助推力會(huì)使其電紡絲液快速形成射流。頻率在0Hz~5MHz范圍。
6.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電動(dòng)力梭納米紡絲裝置，其特征在于:多功能高壓靜電發(fā)生器有兩個(gè)作用，一是驅(qū)動(dòng)空化機(jī)工作，二是形成高壓靜電場(chǎng)，電壓在0-500 kV連續(xù)可調(diào)。
【文檔編號(hào)】D01D5/00GK103898620SQ201410094376
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】金昌顯 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春吉納科技有限責(zé)任公司