本發(fā)明涉及一種紡絲設(shè)備，尤其是涉及一種使用在制備納米纖維的靜電紡絲設(shè)備及其方法。

背景技術(shù)：

納米纖維及其復(fù)合材料由于其高比表面積、高孔隙率及微孔徑等優(yōu)點(diǎn)，在組織工程、生物科技、紡織工程、能源、醫(yī)療與衛(wèi)生健康等眾多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景，而受到科學(xué)界越來越多的關(guān)注。目前制備納米纖維的技術(shù)主要包括共軛紡絲法、牽伸法、模板聚合法、自組裝法、熔噴法、靜電紡絲法等。其中，能達(dá)到工業(yè)級(jí)生產(chǎn)的是熔噴法與靜電紡絲法。

相對(duì)于熔噴法，靜電紡絲法具有原料適用性廣、成本低、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，靜電紡絲法所得的納米纖維直徑更小且分布更均一，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛認(rèn)為是一種極具前景的制備納米纖維的簡單高效方法。影響工業(yè)化靜電紡絲生產(chǎn)效率及纖維直徑分布的關(guān)鍵因素之一是設(shè)備的導(dǎo)電電極。靜電紡設(shè)備的導(dǎo)電電極主要分為三類：針頭型，金屬滾筒型與金屬絲型。由于針頭型導(dǎo)電電極的生產(chǎn)效率最低且有堵塞的可能性，因而在工業(yè)化生產(chǎn)中不被看好；滾筒型導(dǎo)電電極有著最高的生產(chǎn)效率，但由于其紡絲液在紡絲過程中為自由表面且分布不均，因而纖維直徑分布較廣，仍需進(jìn)一步改進(jìn)；金屬絲型導(dǎo)電電極是目前的最新形式，有著工業(yè)級(jí)的生產(chǎn)效率、且纖維直徑分布較為均一，但其導(dǎo)電電極安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備昂貴、生產(chǎn)及維護(hù)成本高。因而，結(jié)構(gòu)簡單的、且能保證纖維直徑分布均一的導(dǎo)電電極仍然是工業(yè)化推廣靜電紡納米纖維的研究重點(diǎn)。

目前現(xiàn)有的滾筒型靜電紡絲設(shè)備的正電極為一個(gè)有著光滑表面的金屬圓柱體，其存在的缺陷是：在靜電紡絲過程中，受不同材料、不同濃度、及不同粘度的紡絲液的影響，附著在光滑圓柱體的紡絲液厚度具有隨機(jī)性且不均勻性；同時(shí)，由于流體本身具有流動(dòng)性，在重力與離心力的影響下產(chǎn)生隨機(jī)流動(dòng)，從而導(dǎo)致紡絲液表面進(jìn)一步的不均勻，因而使紡絲環(huán)境不穩(wěn)定，影響紡出的納米纖維的直徑，尤其是當(dāng)圓柱體電極在快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紡出的納米纖維的直徑分布范圍較廣，從而影響納米纖維膜的品質(zhì)及性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種新型的連續(xù)靜電紡絲裝置，采用該裝置可以有效的解決納米纖維產(chǎn)量與纖維直徑分布不夠均一這對(duì)矛盾的技術(shù)問題，同時(shí)使紡絲設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用低，使該裝置更適合規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種連續(xù)靜電紡絲裝置，其特征在于：包括帶輸液口的儲(chǔ)液槽、表面包覆網(wǎng)狀物的滾筒、電機(jī)、收集板以及高壓電源；滾筒被置于儲(chǔ)液槽內(nèi)；

在滾筒的前后兩端分別固定連接金屬棒Ⅰ和金屬棒Ⅱ，滾筒、金屬棒Ⅰ和金屬棒Ⅱ的軸心線相重合；所述金屬棒Ⅰ和金屬棒Ⅱ均與儲(chǔ)液槽轉(zhuǎn)動(dòng)相連；

在滾筒的左后兩側(cè)分別設(shè)置擋液板Ⅰ和擋液板Ⅱ，擋液板Ⅰ和擋液板Ⅱ與儲(chǔ)液槽固定相連，擋液板Ⅰ和擋液板Ⅱ均正對(duì)于網(wǎng)狀物；即，網(wǎng)狀物落入擋液板Ⅰ和擋液板Ⅱ的長度范圍內(nèi)；

金屬棒Ⅰ與電機(jī)相連，在金屬棒Ⅱ上設(shè)置環(huán)形柔性電刷；高壓電源的正極與環(huán)形柔性電刷相連、負(fù)極與收集板相連。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的改進(jìn)：收集板位于網(wǎng)狀物的正上方。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：收集板與網(wǎng)狀物的最短距離為8cm～40cm。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：網(wǎng)狀物的厚度為0.5mm～20mm。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：網(wǎng)狀物的網(wǎng)格形狀為正方形、菱形、長方形、圓形或橢圓形。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：

當(dāng)網(wǎng)格形狀為正方形或菱形時(shí)，其邊長為1～50mm；

當(dāng)網(wǎng)格形狀為長方形時(shí)，其長邊的長度為1～50mm；

當(dāng)網(wǎng)格形狀為圓形時(shí)，其直徑為1～50mm；

當(dāng)網(wǎng)格形狀為橢圓形時(shí)，其長軸的長度為1～50mm。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：擋液板Ⅰ和擋液板Ⅱ均平行于滾筒，且擋液板Ⅰ與網(wǎng)狀物之間的距離＝擋液板Ⅱ與網(wǎng)狀物之間的距離，該距離為0.2mm～15mm。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：當(dāng)網(wǎng)狀物由導(dǎo)電材料制成時(shí)，滾筒由絕緣材料制成；或者，當(dāng)網(wǎng)狀物由絕緣材料制成時(shí)，滾筒由導(dǎo)電材料制成；

擋液板Ⅰ和擋液板Ⅱ均由絕緣材料制成；

儲(chǔ)液槽由絕緣材料制成。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：在網(wǎng)狀物的兩端分別設(shè)置緊固殼體Ⅰ和緊固殼體Ⅱ，依靠緊固殼體Ⅰ和緊固殼體Ⅱ，網(wǎng)狀物與滾筒固定相連；

所述金屬棒Ⅰ和金屬棒Ⅱ均與滾筒固定相連，或者，金屬棒Ⅰ與緊固殼體Ⅰ固定相連、金屬棒Ⅱ與緊固殼體Ⅱ固定相連。

作為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：緊固殼體Ⅰ和緊固殼體Ⅱ均由導(dǎo)電材料制成。

在本發(fā)明中，網(wǎng)狀物的長度占滾筒長度的70％～90％，滾筒與儲(chǔ)液槽之間的間距為15～20mm。高壓電源是指≥20kv的電源。

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有滾筒型靜電紡絲設(shè)備存在的不足，在其基礎(chǔ)上改進(jìn)了圓柱體電極結(jié)構(gòu)形式，在圓柱體(即，滾筒)表面包覆一層網(wǎng)狀物，以及增加了一對(duì)對(duì)稱設(shè)置的擋液板。這層網(wǎng)狀物不僅可以限制紡絲液的自由流動(dòng)，同時(shí)將紡絲液附著在微小直徑的網(wǎng)絲上或細(xì)小的網(wǎng)格內(nèi)，易于被電場(chǎng)力激發(fā)而牽拉成絲，有著高效的、工業(yè)化的納米纖維生產(chǎn)能力。此外，擋液板可以有效的控制紡絲液的厚度，且使紡絲液表面均勻、厚度一致。利用網(wǎng)狀物與擋液板，可以使紡絲液均勻的分布在微小直徑的網(wǎng)絲上或細(xì)小的網(wǎng)格內(nèi)，使被高壓電場(chǎng)激發(fā)的紡絲液的質(zhì)量均勻一致，從而使被紡出的納米纖維直徑均勻一致，改善納米纖維膜的品質(zhì)與性能。

本發(fā)明實(shí)際使用時(shí)，輸液口與蠕動(dòng)泵或控制裝置相連，在蠕動(dòng)泵或控制裝置的控制下，紡絲液通過輸液口進(jìn)入儲(chǔ)液槽內(nèi)。

本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)及維護(hù)方便、且能連續(xù)高效的生產(chǎn)納米纖維，易于工業(yè)規(guī)?；茝V。

2、通過絲網(wǎng)和擋液板來控制紡絲液的自由流動(dòng)，使紡絲液分布均勻，從而提高纖維直徑分布的均一性，改善了納米纖維及其復(fù)合材料的品質(zhì)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明的連續(xù)靜電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中帶輸液口2的儲(chǔ)液槽1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中擋液板Ⅱ62的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖1中網(wǎng)狀物8的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此：

實(shí)施例1、一種連續(xù)靜電紡絲裝置，包括帶輸液口2的儲(chǔ)液槽1、滾筒9、電機(jī)4、收集板10以及高壓電源11等。

滾筒9的表面包覆網(wǎng)狀物8，網(wǎng)狀物8例如為絲網(wǎng)等，網(wǎng)狀物8的長度占滾筒9長度的70％～90％；在網(wǎng)狀物8的兩端分別設(shè)置緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52，依靠緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52，網(wǎng)狀物8被固定包覆于滾筒9的表面。

滾筒9被置于儲(chǔ)液槽1內(nèi)；在滾筒9的兩端分別設(shè)置金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32，滾筒9、金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32的軸心線相重合；金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32均與儲(chǔ)液槽1轉(zhuǎn)動(dòng)相連。金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32可直接與滾筒9固定相連；也可以金屬棒Ⅰ31與緊固殼體Ⅰ51固定相連、金屬棒Ⅱ32與緊固殼體Ⅱ52固定相連，從而間接實(shí)現(xiàn)金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32與滾筒9的固定相連。

在滾筒9的左后兩側(cè)分別設(shè)置長度相等的擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62，擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62與儲(chǔ)液槽1固定相連，擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62均正對(duì)于網(wǎng)狀物8；即，就長度方向(滾筒9的軸心線)而言，網(wǎng)狀物8落入擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62的長度范圍內(nèi)。擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62均平行于滾筒9，且擋液板Ⅰ61與網(wǎng)狀物8之間的距離＝擋液板Ⅱ62與網(wǎng)狀物8之間的距離，該距離為0.2mm～15mm。

金屬棒Ⅰ31與電機(jī)4相連，在金屬棒Ⅱ32上設(shè)置環(huán)形柔性電刷7；高壓電源11的正極與環(huán)形柔性電刷7相連、負(fù)極與收集板10相連。

收集板10位于網(wǎng)狀物8的正上方；收集板10與網(wǎng)狀物8的最短距離為8cm～40cm，網(wǎng)狀物8的厚度為0.5mm～20mm；網(wǎng)狀物8的網(wǎng)格形狀為正方形、菱形、長方形、圓形或橢圓形。當(dāng)網(wǎng)格形狀為正方形或菱形時(shí)，其邊長為1～50mm；當(dāng)網(wǎng)格形狀為長方形時(shí)，其長邊的長度為1～50mm；當(dāng)網(wǎng)格形狀為圓形時(shí)，其直徑為1～50mm；當(dāng)網(wǎng)格形狀為橢圓形時(shí)，其長軸的長度為1～50mm。

當(dāng)金屬棒Ⅰ31與緊固殼體Ⅰ51固定相連、金屬棒Ⅱ32與緊固殼體Ⅱ52固定相連時(shí)，緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52均由導(dǎo)電材料制成，擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62均由絕緣材料制成，儲(chǔ)液槽1由絕緣材料制成；網(wǎng)狀物8和滾筒9可選擇以下任意一種：當(dāng)網(wǎng)狀物8由導(dǎo)電材料制成時(shí)，滾筒9由絕緣材料制成；或者，當(dāng)網(wǎng)狀物8由絕緣材料制成時(shí)，滾筒9由導(dǎo)電材料制成。

當(dāng)金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32直接與滾筒9固定相連時(shí)，金屬棒Ⅰ31和金屬棒Ⅱ32與緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52相接觸，擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62均由絕緣材料制成，儲(chǔ)液槽1由絕緣材料制成；網(wǎng)狀物8、滾筒9、緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52可選擇以下任意一種：當(dāng)網(wǎng)狀物8由導(dǎo)電材料制成時(shí)，滾筒9由絕緣材料制成，緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52均由導(dǎo)電材料制成；或者，當(dāng)網(wǎng)狀物8由絕緣材料制成時(shí)，滾筒9由導(dǎo)電材料制成，則緊固殼體Ⅰ51和緊固殼體Ⅱ52可由絕緣材料制成。

本發(fā)明實(shí)際使用時(shí)，輸液口2與蠕動(dòng)泵或控制裝置相連，具體如下：

1、在蠕動(dòng)泵或控制裝置的控制下，紡絲液通過輸液口2進(jìn)入儲(chǔ)液槽1內(nèi)。紡絲液的輸送速率可以通過納米纖維的產(chǎn)率來計(jì)算控制；

2、打開電機(jī)4的開關(guān)，從而帶動(dòng)滾筒9做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，紡絲液會(huì)隨著滾筒9的旋轉(zhuǎn)而涂覆在滾筒9及網(wǎng)狀物8(即，絲網(wǎng))的整個(gè)表面，紡絲液的涂覆量由網(wǎng)狀物8的厚度以及擋液板Ⅰ61(擋液板Ⅱ62)與網(wǎng)狀物8之間的距離來控制。

靜電紡絲過程中，隨著滾筒9的轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)液槽1內(nèi)的紡絲液會(huì)附著在網(wǎng)狀物8的網(wǎng)絲上以及網(wǎng)格內(nèi)，限制紡絲液的自由流動(dòng)；附著有紡絲液的滾筒9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擋液板(即，擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62)可以將不均勻的紡絲液阻擋住，使紡絲液表面均勻、厚度一致，并使多余的紡絲液回流到儲(chǔ)液槽1內(nèi)；此外，可以通過調(diào)節(jié)擋液板與網(wǎng)狀物8表面間的距離來控制紡絲液的厚度。因此，利用網(wǎng)狀物8與擋液板，可以使紡絲液均勻的分布在微小直徑的網(wǎng)絲上或細(xì)小的網(wǎng)格內(nèi)，使被高壓電場(chǎng)激發(fā)的紡絲液的質(zhì)量均勻一致，從而使被紡出的納米纖維直徑均勻一致，改善納米纖維膜的品質(zhì)與性能。

3、打開高壓電源11的開關(guān)，利用環(huán)形柔性電刷7、金屬棒32及網(wǎng)狀物8或滾筒9的電傳導(dǎo)(備注說明：當(dāng)網(wǎng)狀物8為導(dǎo)電材料時(shí)，由網(wǎng)狀物8傳導(dǎo)；反之，當(dāng)滾筒9為導(dǎo)電材料時(shí)，由滾筒9傳導(dǎo))；從而使紡絲液帶電，在紡絲液與收集板10之間形成高壓電場(chǎng)，通過高壓電場(chǎng)的拉伸作用，網(wǎng)狀物8上的紡絲液被拉伸形成納米纖維；最終在收集板10收集。

實(shí)驗(yàn)一、實(shí)施例1中的連續(xù)靜電紡絲裝置中的零部件的尺寸具體如下：

滾筒9的直徑為50mm，長度為250mm；滾筒9與儲(chǔ)液槽1內(nèi)壁之間的距離為15mm；

網(wǎng)狀物8的厚度為1mm，長度為200mm，網(wǎng)格形狀為正方形，該正方形的邊長為3mm，

擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62的長度為230mm；擋液板Ⅰ61(擋液板Ⅱ62)與網(wǎng)狀物8之間的距離為0.2mm；

收集板10與網(wǎng)狀物8的最短距離為15cm。

紡絲液的配方為8％PVDF(聚偏氟乙烯)溶于DMF(二甲基甲酰胺)中。

紡絲液的輸送速率為100ml/min，電機(jī)4的轉(zhuǎn)速為150rpm，高壓電源11提供的正極電壓為30kv，負(fù)極電壓為-10kv。

最終所得的納米纖維的產(chǎn)量為500g/h，纖維直徑為60nm～100nm。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、將實(shí)驗(yàn)一中的本發(fā)明連續(xù)靜電紡絲裝置改成背景技術(shù)中告知的現(xiàn)有滾筒型，即，同時(shí)取消實(shí)驗(yàn)一中的擋液板Ⅰ61、擋液板Ⅱ62、網(wǎng)狀物8這些零部件的設(shè)置，其余等同于實(shí)驗(yàn)一。

最終所得的納米纖維的產(chǎn)量為450g/h，纖維直徑為50nm～140nm。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、取消實(shí)驗(yàn)一中的擋液板Ⅰ61和擋液板Ⅱ62這兩個(gè)零部件的設(shè)置，其余等同于實(shí)驗(yàn)一。

最終所得的納米纖維的產(chǎn)量為470g/h，纖維直徑為45nm～120nm。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)3-1、將實(shí)驗(yàn)一中的收集板10與網(wǎng)狀物8的最短距離由15cm改成5cm，其余等同于實(shí)驗(yàn)一。

最終所得的納米纖維的產(chǎn)量為600g/h，纖維直徑為80nm～180nm。同時(shí)，由于收集板10與網(wǎng)狀物8之間的距離太小，溶劑揮發(fā)不夠充分，出現(xiàn)珠狀纖維。另一方面，電極間距離太小，有被擊穿的危險(xiǎn)性。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)3-2、將實(shí)驗(yàn)一中的收集板10與網(wǎng)狀物8的最短距離由15cm改成50cm，其余等同于實(shí)驗(yàn)一。最終所得的納米纖維的產(chǎn)量為0。由于收集板10與網(wǎng)狀物8之間的距離太大，電場(chǎng)力強(qiáng)度不夠，無法激發(fā)紡絲液，從而無法紡出纖維。雖然可以通過增加正負(fù)極間的電壓差來提高電場(chǎng)強(qiáng)度，但太高的電壓差會(huì)增加高壓電源對(duì)安全性的保障，從而增加靜電紡絲的危險(xiǎn)性。

最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。