CN109137094A - 一种刀片印刷式静电纺丝装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米纤维制备和纺织机械领域，特别是指一种刀片印刷式静电纺丝装置及其使用方法。包括储液瓶和导液管道，所述导液管道与设于支撑架上的刷轴相连，刷轴与印刷式喷头通过圆孔内的螺栓连接，印刷式喷头下方设有刀片，刀片设于基座上，基座上设有移动架移动的轨道，移动架顶端固定于支撑架上、底部横杆通过传动机构与电机Ⅱ的输出端相连，高压发生器的正极通过轴承与刀片相连接；所述导液管道下方与蠕动泵相连；支撑架上方设有金属滚筒，金属滚筒内的转轴通过联轴器与电机Ⅰ相连，金属滚筒另一端与地线相连。采用本发明中的装置可以完成纺丝溶液的自动循环供给以及批量化的纳米纤维的制备，实现了批量化、工业化的纳米纤维的应用。

Description

一种刀片印刷式静电纺丝装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及纳米纤维制备和纺织机械领域，特别是指一种刀片印刷式静电纺丝装置及其使用方法。

背景技术

静电纺丝是一种制备纳米纤维简单而又有效的方法。静电纺丝的基本原理，即在高压电场中，聚合物溶液液滴在喷丝头处形成“泰勒锥”，在静电场中聚合物溶液除去受粘性应力外还受到静电力，聚合物液滴被牵伸形成带电射流，随后被牵伸的射流形成无规取向的纳米纤维。静电纺丝因为它的原理简单并且在实验的过程中操作简单，静电纺纳米纤维因其极细的纤维直径、高表面积和孔隙率等特点，已在生物医用、服装、复合材料、过滤材料和传感器等多领域成为研究的热点。纳米纤维材料的应用非常的广泛如净水过滤材料，空气过滤材料等。纳米纤维材料的应用领域十分广泛，有广阔的市场前景。

原始的静电纺丝方法只能得到无规排列的纳米纤维，静电纺丝的产品形式单一，纳米纤维的产量较低。传统的单针头静电纺丝设备主要由高压静电发生系统、供液系统以及纳米纤维的接受系统组成。其中的供液系统由注射泵、针管和平口的金属针头组成。静电高压加在金属针头上面，聚合物溶液在注射泵的缓慢注射下，聚合物溶液克服自身的表面张力和粘性应力，溶液在静电场中被逐步牵伸形成射流，然后固化形成纳米纤维，最终到达接受装置。

近年来，有关静电纺连续纳米纤维的文章和专利涌现出许多。传统的单针头的静电纺丝装置产生的纳米纤维产量极低，不能进行工业化的生产，并且单针头在纺丝的过程中还会造成针头的堵塞，并且针头只能是一次性的。中国专利200710036447.4介绍了一种喷气式静电纺丝装置，在这个装置中聚合物溶液被液槽底部的气流吹成气泡，在静电场中形成射流，这种纺丝的方法与传统的单针头静电纺丝方法相比能明显的提高纳米纤维的产量，这种静电纺丝方法的不足之处是在纺丝的过程中气泡的形成不稳定，并且高聚物溶液的敞开式存储，使得纺丝液挥发造成不必要的浪费。中国专利201310032194.9描述了一种伞状静电纺丝方法，运用专利中描述的方法能够实现纳米纤维的规模化生产，但是不足之处是伞形的喷头中的溶液与空气的接触面积大，在纺丝的过程中聚合物溶液极易挥发，这些缺点会影响纳米纤维的形态、稳定性，最后影响纳米纤维的品质。中国专利201510278266.7展示了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，能够增加相同时间里的纳米纤维的生产质量，但是有传统的单针头静电纺丝装置的极易堵塞的缺点，装置中的针头排列需要考虑多重的因素，例如在高压静电场中针头相互间电场的相互作用，可以明显的看出来多针头的静电纺丝装置的结构更为复杂。

发明内容

本发明提出一种刀片印刷式静电纺丝装置及其使用方法，解决了现有技术中纳米纤维连续规模化生产定向排列的问题，实现了纺丝过程中连续化，该方法使纳米纤维在后续的规模化生产中创造了条件。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种刀片印刷式静电纺丝装置，包括储液瓶和导液管道，所述导液管道与设于支撑架上的刷轴相连，刷轴与印刷式喷头通过圆孔内的螺栓连接，印刷式喷头下方设有刀片，刀片设于基座上，基座上设有移动架移动的轨道，移动架顶端固定于支撑架上、底部横杆通过传动机构与电机Ⅱ的输出端相连，高压发生器的正极通过轴承与刀片相连接；所述导液管道下方与蠕动泵相连；支撑架上方设有金属滚筒，金属滚筒内的转轴通过联轴器与电机Ⅰ相连，金属滚筒另一端与地线相连。

所述传动机构包括丝杆和齿形带，丝杆固设于移动架的底部横杆上，齿形带通过带轮与电机Ⅱ的输出端相连。

所述印刷式喷头为棱柱块状、中间设有与刷轴间接接触的液缝；印刷式喷头距离基座上表面10mm-260mm处与高压发生器的正极相连接，高压发生器的电压调节范围是0kv-130kv。

所述基座为矩形结构、材质为聚四氟乙烯、长度为30-900mm，与基座的连接部分的壁厚均匀为1-10mm、连接的高度为5-30mm，所述刀片嵌入印刷式喷头里面部分的纵截面为等腰梯形、壁厚从1-10mm收窄到三角形上0-1mm、并且向外有0°到85°的倾角、高度为1-30mm。

所述印刷式喷头的数量≥1；刷轴直径为5-200mm，长度为30-600mm。

所述印刷式喷头、基座和储液瓶材质均为聚四氟乙烯材料。

所述支撑架与金属滚筒垂直间距1-50 cm。

所述的刀片印刷式静电纺丝装置的使用方法，步骤如下：

1）、向物储液瓶中加入纺丝液，用导液管道连接好储液瓶与印刷式喷头；

2）、打开蠕动泵开关，调节纺丝液的供液速度，使得纺丝溶液经过导液管道（缓慢流过印刷式喷头，将纺丝溶液挂满印刷式喷头；

3）、将金属滚筒与地线连接，打开连接金属滚筒的电机Ⅰ，保证金属滚筒正常旋转；

4）、印刷式喷头通过齿形带与电机Ⅱ相连，打开电机Ⅱ通过齿形带带动移动架进而带动支撑架上的印刷式喷头往复运动；

5）、将高压发生器的正极与刀片连接，打开高压发生器电源，缓慢增加电压，当电压超过某一定值以后，在刀片印刷式喷头上面便会出现许多射流，射流在飞向金属滚筒的过程中，射流被拉伸溶剂挥发，纺丝液固化，形成纳米纤维沉积在金属滚筒上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用循环式溶液供给结构将供液系统与刷头连接，可以实现纺丝液对喷头的自动供给和控制，操作简单、能够实现对聚合物溶液在纺丝过程中量的控制。

2、喷头采用刀片式结构，纺丝液经过导液管到达刷头处，经过刷头中的储液室最终到达喷头，可以有效的控制纺丝液的利用程度，同时，由于多根射流会在刀片式喷头上面形成，提高纺丝的效率，提高了纳米纤维的产量。

3、刀片印刷式喷头结构在刀片上刷上较薄较窄的一层高聚物溶液，溶液浓度控制性好，即供即纺，一直处于良好的初始状态，这种状态也使得刀片式结构实现了空间纺丝的可能，为后续的加工以及结构的控制提供了更多的可能性。

4、纳米纤维收集装置由电机驱动金属滚子接受纳米纤维，可以实现一定取向的纳米纤维的制备。

5、采用本发明中的装置可以完成纺丝溶液的自动循环供给以及批量化的纳米纤维的制备，实现了批量化、工业化的纳米纤维的应用。

附图说明

图1刀片印刷式静电纺丝装置正视示意图。

图2刀片印刷式喷头喷头口的截面示意图。

图3刀片印刷式静电纺丝装置刀片喷头示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-3所示的一种刀片印刷式静电纺丝装置，包括储液瓶3和导液管道4，所述导液管道4与设于支撑架9上的刷轴16相连，刷轴16与印刷式喷头17通过圆孔22连接，印刷式喷头17下方设有刀片10，刀片10设于基座15上，基座15上设有移动架2移动的轨道，移动架2顶端固定于支撑架9上、底部横杆通过传动机构与电机Ⅱ13的输出端相连，高压发生器1的正极通过轴承与刀片10相连接；所述导液管道4下方与蠕动泵5相连；支撑架9上方设有金属滚筒7，金属滚筒7内的转轴通过联轴器与电机Ⅰ6相连，金属滚筒7另一端与地线相连。

优选的，所述传动机构包括丝杆18和齿形带12，丝杆18固设于移动架2的底部横杆上，齿形带12通过带轮与电机Ⅱ13的输出端相连。

优选的，所述印刷式喷头17为棱柱块状、中间设有与刷轴16间接接触的液缝21；印刷式喷头17距离基座15上表面10mm-260mm处与高压发生器1的正极相连接，高压发生器1的电压调节范围是0kv-130kv。

优选的，所述基座为矩形结构、材质为聚四氟乙烯、长度为30-900mm，与基座的连接部分的壁厚均匀为1-10mm、连接的高度为5-30mm，所述刀片10嵌入印刷式喷头17里面部分的纵截面为等腰梯形、壁厚从1-10mm收窄到三角形上0-1mm、并且向外有0°到85°的倾角、高度为1-30mm。

优选的，所述印刷式喷头17的数量≥1；刷轴16直径为5-200mm，长度为30-600mm。

优选的，所述印刷式喷头17、基座15和储液瓶3材质均为聚四氟乙烯材料。

优选的，所述支撑架9与金属滚筒7垂直间距1-50 cm。

本发明的喷头采用刀片式结构，纺丝液经过导液管到达刷头处，经过刷头中的储液室最终到达喷头，可以有效的控制纺丝液的利用程度，同时，由于多根射流会在刀片式喷头上面形成，提高纺丝的效率，提高了纳米纤维的产量。刀片印刷式喷头结构在刀片上刷上较薄较窄的一层高聚物溶液，溶液浓度控制性好，即供即纺，一直处于良好的初始状态，这种状态也使得刀片式结构实现了空间纺丝的可能，为后续的加工以及结构的控制提供了更多的可能性。

所述的刀片印刷式静电纺丝装置的使用方法，步骤如下：

1）、向物储液瓶3中加入纺丝液，用导液管道4连接好储液瓶2与印刷式喷头17；

2）、打开蠕动泵开关，调节纺丝液的供液速度，使得纺丝溶液经过导液管道4缓慢流过印刷式喷头17，将纺丝溶液挂满印刷式喷头17；

3）、将金属滚筒7与地线8连接，打开连接金属滚筒7的电机Ⅰ6，保证金属滚筒7正常旋转；

4）、印刷式喷头17通过齿形带12与电机Ⅱ13相连，打开电机Ⅱ13通过齿形带12带动移动架2进而带动支撑架上的印刷式喷头17往复运动；

5）、将高压发生器1的正极与刀片10连接，打开高压发生器1电源，缓慢增加电压，当电压超过某一定值以后，在刀片印刷式喷头17上面便会出现许多射流，射流在飞向金属滚筒7的过程中，射流被拉伸溶剂挥发，纺丝液固化，形成纳米纤维沉积在金属滚筒7上。

应用例

下面采用聚丙烯晴（PAN）与N-N二甲基甲酰胺（DMF）所配制的纺丝液制备纳米纤维，配置的纺丝液的质量分数为10%,将配置好的PAN/DMF高聚物溶液注入烧杯中，用导液管把烧杯和刷头连接起来，打开蠕动泵，调节蠕动泵的转速进一步控制纺丝液的流动速度，使聚合物溶液刚刚好挂满刀片。把金属滚筒与地线连接，金属滚筒与刀片式喷头的距离为280mm，打开与金属滚筒相连接的电机，保证金属滚筒以100r/min的速度转动，刷头底端通过同步齿形带与电机连接，打开电机带动刷头以3m/min运动。将高压发生器的正极与刀片相连接，打开高压电源，逐渐调大电压，当电压大于某一定值后，在刀片式喷头上面便可以形成多股射流，射流在向金属滚筒移动的过程中，射流被静电力拉伸，溶剂挥发，高聚物固化，形成的纳米纤维便可以沉积在金属滚筒上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种刀片印刷式静电纺丝装置，包括储液瓶（3）和导液管道（4），其特征在于：所述导液管道（4）与设于支撑架（9）上的刷轴（16）相连，刷轴（16）与印刷式喷头（17）通过圆孔（22）内的螺栓连接，印刷式喷头（17）下方设有刀片（10），刀片（10）设于基座（15）上，基座（15）上设有移动架（2）移动的轨道，移动架（2）顶端固定于支撑架（9）上、底部横杆通过传动机构与电机Ⅱ（13）的输出端相连，高压发生器（1）的正极通过轴承与刀片（10）相连接；所述导液管道（4）与底部的蠕动泵相连；支撑架（9）上方设有金属滚筒（7），金属滚筒（7）内的转轴通过联轴器与电机Ⅰ（6）相连，金属滚筒（7）另一端与地线相连。

2.如权利要求1所述的刀片印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述传动机构包括丝杆（18）和齿形带（12），丝杆（18）固设于移动架（2）的底部横杆上，齿形带（12）通过带轮与电机Ⅱ（13）的输出端相连。

3.如权利要求1所述的刀片印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述印刷式喷头（17）为棱柱块状、中间设有与刷轴（16）间接接触的液缝（21）；印刷式喷头（17）距离基座（15）上表面10mm-260mm处与高压发生器（1）的正极相连接，高压发生器（1）的电压调节范围是0kv-130kv。

4.如权利要求1所述的刀片印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述基座（15）为矩形结构、材质为聚四氟乙烯、长度为30-900mm，与基座（15）的连接部分的壁厚均匀为1-10mm、连接的高度为5-30mm，所述刀片（10）嵌入印刷式喷头（17）里面部分的纵截面为等腰梯形、壁厚从1-10mm收窄到三角形上0-1mm、并且向外有0°到85°的倾角、高度为1-30mm。

5.如权利要求1所述的刀片印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述印刷式喷头（17）的数量≥1；刷轴（16）直径为5-200mm，长度为30-600mm。

6.如权利要求1所述的刀片印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述印刷式喷头（17）、基座（15）和储液瓶（3）材质均为聚四氟乙烯材料。

7.如权利要求1所述的刀片印刷式静电纺丝装置，其特征在于：所述支撑架（9）与金属滚筒（7）垂直间距1-50 cm。

8.权利要求1-7任一项所述的刀片印刷式静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：

1）、向物储液瓶（3）中加入纺丝液，用导液管道（4）连接好储液瓶（2）与印刷式喷头（17）；

2）、打开蠕动泵开关，调节纺丝液的供液速度，使得纺丝溶液经过导液管道（4）缓慢流过印刷式喷头（17），将纺丝溶液挂满印刷式喷头（17）；

3）、将金属滚筒（7）与地线（8）连接，打开连接金属滚筒（7）的电机Ⅰ（6），保证金属滚筒（7）正常旋转；

4）、印刷式喷头（17）通过齿形带（12）与电机Ⅱ（13）相连，打开电机Ⅱ（13）通过齿形带（12）带动移动架（2）进而带动支撑架上的印刷式喷头（17）往复运动；

5）、将高压发生器（1）的正极与刀片（10）连接，打开高压发生器（1）电源，缓慢增加电压，当电压超过某一定值以后，在印刷式喷头（17）上面便会出现许多射流，射流在飞向金属滚筒（7）的过程中，射流被拉伸溶剂挥发，纺丝液固化，形成纳米纤维沉积在金属滚筒（7）上。