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CN108385174A - 一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头及其纺丝方法 - Google Patents

一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头及其纺丝方法 Download PDF

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CN108385174A CN201810375660.6A CN201810375660A CN108385174A CN 108385174 A CN108385174 A CN 108385174A CN 201810375660 A CN201810375660 A CN 201810375660A CN 108385174 A CN108385174 A CN 108385174A
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覃小红
熊健
王荣武
吴媛媛
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Nantong Top Textile Machinery Technology Co Ltd
Donghua University
National Dong Hwa University
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Nantong Top Textile Machinery Technology Co Ltd
Donghua University
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Abstract

本发明公开了一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头及其纺丝方法。所述喷头包括多孔球形静电纺丝喷头，其为表面光滑的实心球体，其球面上分布有多个孔；多孔球形静电纺丝喷头的下部浸渍于纺丝液中；储液槽外侧套有金属电场控制环，金属电场控制环与高压发生器的正极连接。纺丝方法为：打开接收装置；打开供液装置；打开电机一，使多孔球形静电纺丝喷头纺丝液中旋转，纺丝液在球面、孔表面分别形成两种状态的液膜；打开高压发生器，使球面、孔表面的液膜分别产生不同细度的射流，射流拉伸固化沉积在接收装置上形成纳米纤维。本发明在不使用多种纺丝液不调整纺丝参数的情况下可以制备两种或多种直径分布的纳米纤维，并可控制纳米纤维的堆砌结构。

Description

一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头及其纺丝方法
技术领域
本发明涉及一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头及其纺丝方法，属于纳米纤维和纺织机械技术领域。
背景技术
当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列惊奇的特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工材料范围、加工耗时等，静电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维的方法。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维成为工程材料科学界的研究热点。
传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微量注射泵控制，高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地。高压电源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥，当高压电源电压进一步增大，电场力会克服高聚物溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达接地金属收集板，在这个过程中，溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。
传统的静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低，很难满足纳米纤维在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。
当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。中国专利200710036447.4公开了一种喷气式静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通入气体在高聚物自由液面形成气泡，气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量，但在机理上气泡形成泰勒锥破裂的同时有许多形状大小不一的气泡碎片被电场力拉伸，造成纤维的直径分布较宽。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发，纺丝方向受限；中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这种方法可以实现纳米纤维的批量化制备，但伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质，并且自由液面边缘溶液曲率不可调控；中国专利201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，该装置可以提高单位时间内纳米纤维的产量，纺丝方向不受限，但是存在针头易堵塞的缺点，同时，针头的排列方式要考虑到施加高压静电后电场之间的相互影响，所以多针头静电纺丝装置的设计较为繁琐和复杂，难以实现批量化生产纤维直径分布可控的纳米纤维产品。
发明人也公开了一系列批量化静电纺丝装置，包括ZL 201710684508.1一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201710044752.1一种螺旋沟槽形静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201710044800.7一种环状旋转刷式静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201710046822.7一种球形旋转刷式批量化静电纺丝装置及其使用方法，ZL 201610629977.9，一种直线形槽状无针式静电纺丝装置及纺丝方法，ZL 2016 10296863.7一种双圆环状狭缝式静电纺丝装置及方法，ZL 2015 10831359.8一种锯齿形环状无针式静电纺丝装置及其使用方法等，这些专利都是基于纳米纤维单种直径分布的调控和优化。而在学术界和工业界关注的过滤、能源、传感、生物医药等许多应用中，能够精细调控静电纺丝纳米纤维集合体结构以进一步提高产品性能，同时能实现其批量化制备尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头及其使用方法，解决目前批量静电纺丝过程中纤维多级直径分布不可控，多射流空间分布难调控，纳米纤维膜结构单一的问题，实现可控多级直径分布纳米纤维集合体的一步法批量化制备。
本发明解决上述技术问题的所采用的技术方案是：一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，包括多孔球形静电纺丝喷头，其为表面光滑的实心球体，其球面上分布有多个孔；多孔球形静电纺丝喷头通过传动轴与电机一连接，多孔球形静电纺丝喷头的下部浸渍于储液槽内的纺丝液中，供液装置通过蠕动泵与储液槽的底部连通；储液槽外侧套有金属电场控制环，金属电场控制环与高压发生器的正极连接；多孔球形静电纺丝喷头的上方设有接收装置。
优选地，所述实心球体的材质为聚四氟乙烯，其直径为30～250mm。
优选地，所述孔在球面上均匀且对称分布，孔的数量为1～800，其直径为1～12mm，深度为1～30mm。
优选地，所述孔于球面处为向外缘延伸的倒角结构，倒角结构的深度为0～10mm。
优选地，所述储液槽的材质为聚四氟乙烯，其结构为底面直径40～300mm的圆柱体。
优选地，所述金属电场控制环与储液槽外壁相贴合，金属电场控制环的内径为40～300mm，壁厚为2～10mm，高为5～100mm；金属电场控制环与多孔球形静电纺丝喷头球心的相对高度可调，可调范围为0～100mm。
优选地，所述高压发生器的电压调节范围为0-120kV。
优选地，所述传动轴与实心球体的直径同轴布置。
优选地，所述电机一的转速为0～20r/min。
优选地，所述接收装置包括带电机二的金属滚筒，金属滚筒接地或与高压发生器的负极连接。
优选地，所述金属滚筒的直径为100～1200mm，电机二的转速为0-120r/min。
优选地，所述供液装置设有用于控制纺丝液温度的控温装置，温度控制范围为-5～60℃。
本发明还提供了一种静电纺丝方法，其特征在于，采用上述分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，包括以下步骤：
步骤1)：调整接收装置与多孔球形静电纺丝喷头之间的距离，打开接收装置；
步骤2)：打开供液装置，调节纺丝液的温度，通过蠕动泵向储液槽中注入纺丝液；
步骤3)：打开电机一，设置转速，使多孔球形静电纺丝喷头纺丝液中旋转，纺丝液在球面、孔表面分别形成两种状态的液膜；
步骤4)：打开高压发生器，缓慢增加电压至所需纺丝电压，使球面、孔表面的液膜分别产生不同细度的第一射流、第二射流，射流在高压静电场作用下飞向接收装置，溶剂挥发后，射流拉伸固化沉积在接收装置上形成纳米纤维。
本发明采用分离控制电场环来调控球形喷头表面的电场分布及多射流运动电场形态，采用多孔球形静电纺丝喷头实现高聚物纺丝液在喷头表面同时形成两种纺丝液膜状态，一种是在球孔表面形成的液膜，另一种是分布在球面处的液膜。进一步实现喷头表面的初始多射流形貌及多射流分布调控和多射流运动路径调控，继而实现可控多级直径分布的纳米纤维一步法批量化生产，该技术在不使用多种纺丝液不调整纺丝参数的情况下可以制备两种或多种直径分布的纳米纤维，并可控制纳米纤维的堆砌结构，该技术简单易行，在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。
附图说明
图1为本发明提供的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头的示意图；
图2为多孔球形静电纺丝喷头的示意图；
图3为多孔球形静电纺丝喷头的透视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1-3采用的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头如图1-3所示，其多孔球形静电纺丝喷头5，其为表面光滑的实心球体，其球面12上分布有多个孔13；实心球体的材质为聚四氟乙烯，其直径为30～250mm。孔13在球面12上均匀且对称分布，孔13的数量为1～800，其直径为1～12mm，深度为1～30mm。孔13于球面12处为向外缘延伸的倒角结构，倒角结构的深度为0～10mm。
多孔球形静电纺丝喷头5通过绝缘的传动轴4与电机一3连接，传动轴4与实心球体的直径同轴布置；电机一3的转速为0～20r/min。多孔球形静电纺丝喷头5的下部浸渍于储液槽14内的纺丝液15中，供液装置17通过蠕动泵16与储液槽14的底部连通；储液槽2的材质为聚四氟乙烯，其结构为底面直径40～300mm的圆柱体。供液装置17设有用于控制纺丝液15温度的控温装置，温度控制范围为-5～60℃。
储液槽14外侧套有金属电场控制环2，金属电场控制环2与高压发生器1的正极连接。金属电场控制环2与储液槽14外壁相贴合，金属电场控制环2的内径为40～300mm，壁厚为2～10mm，高为5～100mm；金属电场控制环2与多孔球形静电纺丝喷头5球心的相对高度可调，可调范围为0～100mm。高压发生器1的电压调节范围为0-120kV。多孔球形静电纺丝喷头5的上方设有接收装置，接收装置包括带电机二6的金属滚筒7，金属滚筒7接地9或与高压发生器1的负极连接。金属滚筒7的直径为100～1200mm，电机二6的转速为0-120r/min。
实施例1
一种静电纺丝方法：
纺丝液15采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％。
选择喷头直径为60mm；其球面12上分布有个孔13；孔13在球面12上均匀且对称分布，孔13的数量为60，其直径为4mm，深度为5mm。孔13于球面12处为向外缘延伸的倒角结构，倒角结构的深度为1mm。
将金属滚筒7接地9，调整金属滚筒7和多孔球形静电纺丝喷头5(采用直径为60mm的聚四氟乙烯球体)的距离为22cm；调节金属电场控制环2的内径为80mm；调节金属电场控制环2与多孔球形静电纺丝喷头5的相对高度为10mm；打开电机二6，并设置金属滚筒7转速为80r/min；打开供液装置17的开关，调节纺丝液15的温度为室温，通过蠕动泵16向储液槽14中注入纺丝液15；打开电机一3，并设置转速为0.5r/min，电机一3经传动轴4驱动多孔球形静电纺丝喷头5在纺丝液15中旋转，球面12、孔13表面分别形成两种状态液膜；打开高压发生器1开关，缓慢增加电压至80kV；不同细度的第一射流10、第二射流11分别在球面12、孔13表面液膜处产生；两种射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒7，溶剂挥发，第一射流10、第二射流11拉伸固化沉积在金属滚筒7上形成一定沉积半径的纳米纤维8。
实施例2
一种静电纺丝方法：
纺丝液15采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％。
选择喷头直径为60mm；其球面12上分布有个孔13；孔13在球面12上均匀且对称分布，孔13的数量为60，其直径为4mm，深度为10mm。孔13于球面12处为向外缘延伸的倒角结构，倒角结构的深度为1mm。
将金属滚筒7接地9，调整金属滚筒7和多孔球形静电纺丝喷头5(采用直径为80mm的聚四氟乙烯球体)的距离为17cm；调节金属电场控制环2的内径为100mm；调节金属电场控制环2与多孔球形静电纺丝喷头5的相对高度为10mm；打开电机二6，并设置金属滚筒7转速为80r/min；打开供液装置17的开关，调节纺丝液15的温度为室温，通过蠕动泵16向储液槽14中注入纺丝液15；打开电机一3，并设置转速为2r/min，电机一3经传动轴4驱动多孔球形静电纺丝喷头5在纺丝液15中旋转，球面12、孔13表面分别形成两种状态液膜；打开高压发生器1开关，缓慢增加电压至75kV；不同细度的第一射流10、第二射流11分别在球面12、孔13表面液膜处产生；两种射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒7，溶剂挥发，第一射流10、第二射流11拉伸固化沉积在金属滚筒7上形成一定沉积半径的纳米纤维8。
实施例3
一种静电纺丝方法：
纺丝液15采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为9％。
选择喷头直径为60mm；其球面12上分布有个孔13；孔13在球面12上均匀且对称分布，孔13的数量为60，其直径为6mm，深度为10mm。孔13于球面12处为向外缘延伸的倒角结构，倒角结构的深度为1mm。
将金属滚筒7接地9，调整金属滚筒7和多孔球形静电纺丝喷头5(采用直径为80mm的聚四氟乙烯球体)的距离为15cm；调节金属电场控制环2的内径为100mm；调节金属电场控制环2与多孔球形静电纺丝喷头5的相对高度为5mm；打开电机二6，并设置金属滚筒7转速为60r/min；打开供液装置17的开关，调节纺丝液15的温度为室温，通过蠕动泵16向储液槽14中注入纺丝液15；打开电机一3，并设置转速为0.5r/min，电机一3经传动轴4驱动多孔球形静电纺丝喷头5在纺丝液15中旋转，球面12、孔13表面分别形成两种状态液膜；打开高压发生器1开关，缓慢增加电压至85kV；不同细度的第一射流10、第二射流11分别在球面12、孔13表面液膜处产生；两种射流在高压静电场作用下飞向金属滚筒7，溶剂挥发，第一射流10、第二射流11拉伸固化沉积在金属滚筒7上形成一定沉积半径的纳米纤维8。

Claims (13)

1.一种分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，包括多孔球形静电纺丝喷头(5)，其为表面光滑的实心球体，其球面(12)上分布有多个孔(13)；多孔球形静电纺丝喷头(5)通过传动轴(4)与电机一(3)连接，多孔球形静电纺丝喷头(5)的下部浸渍于储液槽(14)内的纺丝液(15)中，供液装置(17)通过蠕动泵(16)与储液槽(14)的底部连通；储液槽(14)外侧套有金属电场控制环(2)，金属电场控制环(2)与高压发生器(1)的正极连接；多孔球形静电纺丝喷头(5)的上方设有接收装置。
2.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述实心球体的材质为聚四氟乙烯，其直径为30～250mm。
3.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述孔(13)在球面(12)上均匀且对称分布，孔(13)的数量为1～800，其直径为1～12mm，深度为1～30mm。
4.如权利要求1或3所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述孔(13)于球面(12)处为向外缘延伸的倒角结构，倒角结构的深度为0～10mm。
5.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述储液槽(2)的材质为聚四氟乙烯，其结构为底面直径40～300mm的圆柱体。
6.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述金属电场控制环(2)与储液槽(14)外壁相贴合，金属电场控制环(2)的内径为40～300mm，壁厚为2～10mm，高为5～100mm；金属电场控制环(2)与多孔球形静电纺丝喷头(5)球心的相对高度可调，可调范围为0～100mm。
7.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述高压发生器(1)的电压调节范围为0-120kV。
8.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述传动轴(4)与实心球体的直径同轴布置。
9.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述电机一(3)的转速为0～20r/min。
10.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述接收装置包括带电机二(6)的金属滚筒(7)，金属滚筒(7)接地(9)或与高压发生器(1)的负极连接。
11.如权利要求10所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述金属滚筒(7)的直径为100～1200mm，电机二(6)的转速为0-120r/min。
12.如权利要求1所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，其特征在于，所述供液装置(17)设有用于控制纺丝液(15)温度的控温装置，温度控制范围为-5～60℃。
13.一种静电纺丝方法，其特征在于，采用权利要求1-12任意一项所述的分离控制电场多孔球形静电纺丝喷头，包括以下步骤：
步骤1)：调整接收装置与多孔球形静电纺丝喷头(5)之间的距离，打开接收装置；
步骤2)：打开供液装置(17)，调节纺丝液(15)的温度，通过蠕动泵(16)向储液槽(14)中注入纺丝液(15)；
步骤3)：打开电机一(3)，设置转速，使多孔球形静电纺丝喷头(5)纺丝液(15)中旋转，纺丝液(15)在球面(12)、孔(13)表面分别形成两种状态的液膜；
步骤4)：打开高压发生器(1)，缓慢增加电压至所需纺丝电压，使球面(12)、孔(13)表面的液膜分别产生不同细度的第一射流(10)、第二射流(11)，射流在高压静电场作用下飞向接收装置，溶剂挥发后，射流拉伸固化沉积在接收装置上形成纳米纤维(8)。
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