一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲領(lǐng)域，裝置由熔體噴頭、帶圈電極、溶液噴頭、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器和框架組成，熔體噴頭安裝在框架的最上端，帶圈電極位于熔體噴頭下面，帶圈電極的中心軸和熔體噴頭所在中心軸同軸，多個(gè)溶液紡絲噴頭所在平面與帶圈電極平面平行，多個(gè)溶液紡絲噴頭所在平面位于平面與帶圈電極平面下側(cè)，多個(gè)溶液紡絲噴頭沿著帶圈電極所在軸周向均勻分布，接收裝置在帶圈電極下面一定距離處，高壓靜電發(fā)生器有兩個(gè)，一個(gè)高壓輸出端接到帶圈電極上，另一個(gè)高壓輸出端接到串聯(lián)的溶液噴頭上，接收裝置及熔體噴頭接地。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多級(jí)超細(xì)纖維的制備，為新材料開(kāi)發(fā)提供了多種操作空間。
【專利說(shuō)明】一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 靜電紡絲技術(shù)制備的連續(xù)超細(xì)纖維由于具有高比表面積、高孔隙率和微/納級(jí)的 纖維直徑和纖維間隙，被廣泛應(yīng)用于高性能過(guò)濾、微機(jī)電系統(tǒng)、鋰電池隔膜及電極材料、生 物醫(yī)藥和生化防護(hù)等方面。
[0003] 靜電紡絲技術(shù)分為熔體靜電紡絲技術(shù)和溶液紡絲技術(shù)。其中溶液靜電紡絲技術(shù) 制備的纖維較細(xì)，纖維直徑大部分在l〇〇-l〇〇〇nm之間，纖維致密，纖維間孔隙也大都處在 lym以內(nèi)，具有很高的比表面積；而熔體靜電紡絲制備的纖維細(xì)度相對(duì)較粗，纖維直徑大 部分在1-10 μ m之間，甚至有些高粘度材料制備的纖維在幾十微米，但是其纖維強(qiáng)度高，孔 隙率一般高于90%，纖維間隙在幾微米到數(shù)百微米，和溶液電紡纖維膜相比，比表面積要小 幾倍甚至數(shù)十倍。在很多應(yīng)用領(lǐng)域如生物醫(yī)藥支架、功能性負(fù)載材料等方面，需要纖維立體 支架結(jié)構(gòu)即具備高強(qiáng)度、高孔隙率，又需要較高的比表面積和較大的纖維孔隙，而互相纏繞 摻雜的微米/亞微米級(jí)的熔體電紡纖維和納米級(jí)的溶液電紡纖維正好滿足這一應(yīng)用需要。
[0004] 目前能滿足這一需求的制備工藝和裝置的文獻(xiàn)和專利報(bào)道較少。Kidoa-ki S等 通過(guò)移動(dòng)接收裝置在多噴頭下進(jìn)行連續(xù)接收，制備了不同材料互相摻混的網(wǎng)狀物（Kidoaki S，Kwon I K，Matsuda T.Biomaterials，2005,26:37-46)。
[0005] 本發(fā)明將熔體靜電紡絲裝置和溶液紡絲裝置結(jié)合起來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)纖維 在微米級(jí)纖維上的纏繞，即多級(jí)結(jié)構(gòu)的織構(gòu)，將為不同應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供很大的空間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是提出一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置及方法，將靜電紡 絲的溶液紡絲噴頭和熔體紡絲噴頭安裝在特定的位置，通過(guò)對(duì)熔體靜電紡絲噴頭和溶液靜 電紡絲噴頭工藝參數(shù)的合理配置，使得納米級(jí)別的溶液靜電紡絲射流在電荷吸引的作用 下，粘附纏繞在微米級(jí)別的熔體靜電紡絲射流上，并最終以平板、旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)踊蛉S運(yùn)動(dòng)接收 平臺(tái)的接收方式，收集獲得多級(jí)超細(xì)纖維材料。新的復(fù)合材料具備溶液靜電紡絲和熔體靜 電紡絲的共同優(yōu)點(diǎn)，具有更高的比表面積、抗拉強(qiáng)度和孔隙率，同時(shí)具備溶液電紡纖維表面 納米級(jí)孔洞和熔體電紡絲纖維間微米級(jí)間距，將為高效過(guò)濾、醫(yī)藥支架、高強(qiáng)度催化劑負(fù)載 等方面的應(yīng)用提供有力支撐。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其主要組成 有：熔體噴頭、帶圈電極、溶液噴頭、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器和框架。熔體噴頭安裝在框 架的最上端，帶圈電極位于熔體噴頭的下面，帶圈電極的中心軸和熔體噴頭所在的中心軸 同軸，多個(gè)2)溶液紡絲噴頭所在平面與帶圈電極平面平行，多個(gè)2)溶液紡絲噴頭 所在平面位于平面與帶圈電極平面下側(cè)，多個(gè)溶液紡絲噴頭沿著帶圈電極所在軸周向均勻 分布，接收裝置在帶圈電極下面一定距離處，高壓靜電發(fā)生器有兩個(gè)，一個(gè)高壓輸出端接到 帶圈電極上，另一個(gè)高壓輸出端接到串聯(lián)的溶液噴頭上，接收裝置及熔體噴頭接地。
[0008] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其中熔體噴頭可以為單射流 或者是多射流，射流在氣流輔助的作用下穿過(guò)帶圈電極，然后與溶液電紡射流匯合，熔體噴 頭與熔體塑化裝置相連，熔體塑化裝置向熔體噴頭連續(xù)供料，熔體塑化裝置的類型很多，有 單螺桿和多螺桿，在熔體噴頭與塑化裝置間還可以連接熔體泵，使熔體噴頭獲得足夠壓力 和流量的聚合物熔體。
[0009] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其中帶圈電極可以是銅、 鐵、鋁等導(dǎo)電性良好的金屬材料，帶圈電極為圓環(huán)狀，內(nèi)圈直徑為10_200mm，外圈直徑為 20-400mm。為了增強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)熔體的拉伸作用，內(nèi)圈的直徑可以小一些，只要熔體絲擺動(dòng)時(shí)不 碰到為宜。當(dāng)溶液噴頭較多時(shí)，溶液絲射向熔體絲，內(nèi)圈和外圈的直徑都稍大一些，所以內(nèi) 圈和外圈的直徑都有一個(gè)合理的范圍。
[0010] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其中溶液噴頭為注射針頭， 其流量由微流量泵控制，多個(gè)溶液噴頭可以噴射一種物料，也可以噴射多種物料，每種物料 連接一個(gè)微流量泵，物料相同的溶液噴頭，其流道相同，在微流量泵的作用下均勻連續(xù)地噴 料。
[0011] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其中接收裝置為接地金屬材 質(zhì)，可以是平板接收，可以是輥?zhàn)咏邮?，也可以是X-Y-Z運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)接收。
[0012] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其另一種電壓加載方式也可 以是在熔體噴頭上加載高壓正極或負(fù)極，而在溶液噴頭上加載相反極性的高壓電極，帶圈 電極和接收裝直接地。溶液嗔頭與溶體嗔頭、溶液嗔頭與接收裝直間、溶液嗔頭與帶圈電極 間都存在電壓差，熔體絲在氣流和電場(chǎng)的作用下被接收裝置收集，熔體絲在到達(dá)接收裝置 的過(guò)程中與溶液絲相遇，溶液絲射向熔體絲，溶液絲與熔體絲粘接和纏繞，一起到達(dá)接收裝 置。溶液絲直徑分布在納米級(jí)，熔體絲直徑分布在微米或亞微米級(jí)，最終得到的即為多級(jí)超 細(xì)纖維。
[0013] 采用本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置制備多級(jí)超細(xì)纖維的方 法，其操作步驟為：熔體塑化裝置向熔體噴頭供料，等熔體連續(xù)穩(wěn)定供給后，打開(kāi)熔體噴頭 氣流輔助設(shè)備，接通與帶圈電極相連的靜電發(fā)生器的電源，使帶圈電極帶電，調(diào)節(jié)電壓，使 得熔體電紡射流產(chǎn)生，然后打開(kāi)溶液噴頭連續(xù)供給裝置，并讓與溶液噴頭相連的另一個(gè)高 壓靜電發(fā)生器通電，多個(gè)溶液噴頭產(chǎn)生溶液電紡射流，多個(gè)溶液噴頭在電場(chǎng)力的作用下向 中心熔體電紡射流噴射，當(dāng)擺動(dòng)的熔體射流和鞭動(dòng)的溶液射流相遇后，溶液電紡的絲與熔 體電紡的絲粘附并纏繞后收集在接收裝置上。溶液絲中的溶劑在到達(dá)接收裝置前揮發(fā)，在 接收裝置上的復(fù)合纖維多級(jí)超細(xì)纖維。
[0014] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置制備及方法通過(guò)溶液噴頭和 熔體噴頭的位置設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)控，通過(guò)組合靜電紡絲裝置，溶液電紡的絲與熔體電紡的絲 粘附并纏繞后收集在接收裝置上，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)超細(xì)纖維的制備，為新材料開(kāi)發(fā)提供了多種 操作空間，從而滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)w維結(jié)構(gòu)特殊要求。新的復(fù)合材料具備溶液靜電紡絲 和熔體靜電紡絲的共同優(yōu)點(diǎn)，具有更高的比表面積、抗拉強(qiáng)度和孔隙率，同時(shí)具備溶液電紡 纖維表面納米級(jí)孔洞和熔體電紡絲纖維間微米級(jí)間距，將為高效過(guò)濾、醫(yī)藥支架、高強(qiáng)度催 化劑負(fù)載等方面的應(yīng)用提供有力支撐。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置示意圖
[0016] 1-熔體噴頭，2-帶圈電極，3-溶液噴頭，4-接收裝置，5-靜電發(fā)生器。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，如圖1所示，其主要組成有： 熔體噴頭1、帶圈電極2、溶液噴頭3、接收裝置4、高壓靜電發(fā)生器5和框架。其中帶圈電極 2和熔體噴頭1所在的中心軸同軸，多個(gè)（32)溶液噴頭3軸線所在平面與帶圈電極平面 平行，溶液噴頭3在帶圈電極平面下側(cè)，多個(gè)溶液噴頭3沿著帶圈電極2所在軸周向均勻分 布，多個(gè)溶液噴頭3通過(guò)導(dǎo)電材料連接在一起，接收裝置4在多個(gè)溶液噴頭3下面一定距離 處，高壓靜電發(fā)生器5有兩個(gè)，一個(gè)高壓輸出端接到帶圈電極2上，另一個(gè)高壓輸出端串聯(lián) 接到溶液噴頭3上，接收裝置4及熔體噴頭1接地，多個(gè)溶液噴頭3都帶電。
[0018] 本發(fā)明提出的本發(fā)明一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲方法，其操作步驟 為：等熔體連續(xù)穩(wěn)定供給后，打開(kāi)熔體噴頭1氣流輔助設(shè)備，接通與帶圈電極2相連的靜電 發(fā)生器的電源，使帶圈電極2帶電，調(diào)節(jié)電壓，使得熔體電紡射流產(chǎn)生，然后打開(kāi)溶液噴頭 連續(xù)供給裝置，并讓與溶液噴頭3相連的另一個(gè)高壓靜電發(fā)生器5通電，多個(gè)溶液噴頭3產(chǎn) 生溶液電紡射流，多個(gè)溶液噴頭3在電場(chǎng)力的作用下向中心熔體電紡射流噴射，當(dāng)擺動(dòng)的 熔體射流和鞭動(dòng)的溶液射流相遇后，溶液電紡的絲與熔體電紡的絲粘附并纏繞后收集在接 收裝置4上。
[0019] 一個(gè)實(shí)施例如圖1所示，熔體噴頭1為內(nèi)錐面噴頭，內(nèi)錐面下端沿直徑為26mm，氣 流輔助速度為8m/s，帶圈電極2內(nèi)徑為40mm，外圈為80mm，熔體射流根數(shù)為60根，熔體為聚 丙烯（PP)，熔體溫度260°C，熔體流量13g/h，帶圈電極2與熔體噴頭1的距離為20mm，帶圈 電極2加載電壓為20kV ;溶液噴頭3為注射針頭，針頭內(nèi)徑0. 41mm，紡絲原料采用完全醇解 聚乙烯醇（PVA1799) 10 %質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水溶液，3個(gè)溶液噴頭3環(huán)向直徑200mm，圍繞熔體噴頭 1所在軸環(huán)向均布，溶液噴頭3所在面與帶圈電極的距離為240mm，高壓靜電發(fā)生器5有兩 個(gè)，接收裝置4采用輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)，接收裝置4與帶圈電極2的距離為200mm，獲得纖維為平均 直徑為300nmPVA和1. 8 μ m的PP多級(jí)摻雜纖維。
【權(quán)利要求】
1. 一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于：主要由熔體噴頭、帶圈 電極、溶液噴頭、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器和框架組成，熔體噴頭安裝在框架的最上端，帶 圈電極位于熔體噴頭的下面，帶圈電極的中心軸和熔體噴頭所在的中心軸同軸，多個(gè)溶液 紡絲噴頭所在平面與帶圈電極平面平行，多個(gè)溶液紡絲噴頭所在平面位于平面與帶圈電極 平面下側(cè)，多個(gè)溶液紡絲噴頭沿著帶圈電極所在軸周向均勻分布，接收裝置在帶圈電極下 面一定距離處，高壓靜電發(fā)生器有兩個(gè)，一個(gè)高壓輸出端接到帶圈電極上，另一個(gè)高壓輸出 端接到串聯(lián)的溶液噴頭上，接收裝置及熔體噴頭接地。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 熔體噴頭為單射流噴頭或多射流噴頭，并具有氣流輔助系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 帶圈電極可以是銅、鐵、鋁等導(dǎo)電性良好的金屬材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 帶圈電極為圓環(huán)狀，內(nèi)圈直徑為1〇_200_，外圈直徑為20_400mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 溶液噴頭為單射流噴頭，溶液噴頭為注射針頭，其流量由微流量泵控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 接收裝置為接地金屬材質(zhì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 接收裝置是平板接收，或是輥?zhàn)咏邮?，或是X-Y-Z運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)接收。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 電壓加載方式改變?yōu)樵谌垠w噴頭上加載高壓正極或負(fù)極，在溶液噴頭上加載相反極性的高 壓電極，帶圈電極和接收裝置接地。
9. 采用權(quán)利要求2所述的一種制備多級(jí)超細(xì)纖維的組合靜電紡絲裝置進(jìn)行紡絲的方 法，其操作步驟為：首先熔體塑化裝置向熔體噴頭供料，等熔體連續(xù)穩(wěn)定供給后，打開(kāi)熔體 噴頭氣流輔助設(shè)備，接通與帶圈電極相連的靜電發(fā)生器的電源，使帶圈電極帶電，調(diào)節(jié)電 壓，使得熔體電紡射流產(chǎn)生，然后打開(kāi)溶液噴頭連續(xù)供給裝置，并讓與溶液噴頭相連的另一 個(gè)高壓靜電發(fā)生器通電，多個(gè)溶液噴頭產(chǎn)生溶液電紡射流，多個(gè)溶液噴頭在電場(chǎng)力的作用 下向中心熔體電紡射流噴射，當(dāng)擺動(dòng)的熔體射流和鞭動(dòng)的溶液射流相遇后，溶液電紡的絲 與熔體電紡的絲粘附并纏繞后收集在接收裝置上。
【文檔編號(hào)】D01D5/00GK104088022SQ201410311919
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】李好義, 馬穆德, 楊衛(wèi)民, 陳宏波, 李小虎, 丁玉梅 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)