CN101210352A - Taylor锥多喷头静电纺丝机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Taylor锥多喷头静电纺丝机，包括喷头箱(1)、自动输液装置(2)、喷丝头组、高压静电发生器(4)和卷绕机构，所述的喷丝头组安装在喷头箱中由自动输液装置(2)输液，高压静电发生器(4)产生静电场发射的丝由卷绕机构收集，所述的喷丝头组为若干喷丝头(3)排列而成。本发明能够提高毛毡的质量和产量；并且运行稳定、成品均匀，在工艺条件相同的情况下，纺制的纳米纤维细度比传统静电纺丝机纺制的小一半。

Description

Taylor锥多喷头静电纺丝机

技术领域

本发明属于纺织机械领域，尤其涉及一种多喷头静电纺丝机。

背景技术

将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下在Taylor锥顶被加速，当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、黏滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。近几年来，由于纳米科技研究的迅速升温，使得静电纺丝这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术激起了人们对其进行深入研究的浓厚兴趣。目前，静电纺丝已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法。但静电纺丝纤维的直径较细，所以产量低，且提供牵伸力的电场容易受到干扰，阻碍了工业化的生产和应用。提高静电纺丝的产量已经迫在眉睫，其中用得较多的是多个喷头组装起来提高产量。

U.S.Pat.No.6,713,011报导了静电纺含有纤维形成材料的液体得到纤维毡的装置和方法。文中透露用多个喷嘴来提高产量，并通过改进控制射流的形成和收集，使得纺丝均匀。文中也透露使用次级电场修正初级电场来提供足够的电场强度来克服带电流体的表面张力和邻近喷头/射流的干扰从而有助于形成射流。但尽管它的送液装置设计精密，但是朝下的喷头设计难以避免纺丝液来不及形成纤维而滴下来，使得成毡质量恶化。国内在静电纺丝产业化方面也取得可喜的成果。同济大学发表了多头静电纺丝装置的专利，但只有输液装置和喷丝头，还没形成一个机器。东华大学万玉芹发表了一种可用于静电纺丝的新型喷丝板的专利，它所纺得的纤维比普通纺丝设备细，但难以达到纳米级，并且也没有形成机器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Taylor锥多喷头静电纺丝机，解决现有技术中生产效率低，成毡质量差的缺陷。

技术方案

一种Taylor锥多喷头静电纺丝机，包括喷头箱、自动输液装置、喷丝头组、高压静电发生器和卷绕机构，所述的喷丝头组安装在喷头箱中由自动输液装置输液，高压静电发生器产生静电场发射的丝由卷绕机构收集，所述的喷丝头组为若干喷丝头排列而成。

所述的喷丝头由金属喷头和屏蔽套组成，纺丝液面不得低于金属喷头和有机玻璃屏蔽套。

所述的屏蔽套为有机玻璃。

所述的卷绕机构为基布或纤维收集帘由机械控制控制收集纺丝。

所述的喷头箱可通过电气控制箱和行程开关控制作直线往复运动。

所述的喷头箱的运动方向和基布或纤维收集帘的运动方向垂直。

所述的喷头箱可屏蔽电场，所述的自动输液装置的电动机和泵体是绝缘的。

单喷头的形状可以是圆形、三角形、长方形等任意形状；单喷头的大小不固定，按照施加的高压来调节，高压高则单喷头面积大，高压低则单喷头面积小；单喷头的设计使得纺丝液面不得低于金属喷头和有机玻璃屏蔽套，并且单喷头中纺丝液除了受高压电场力之外，不施加另外其它的附加力(例如加磁场等)，单喷头内除了金属喷头和有机玻璃屏蔽套外，不添加任何其它物件。

有益效果

本发明采用朝上喷的方法，使得纺丝液不会滴到毡上使得成毡质量恶化；使用多喷头的喷头组提高了纺丝的产量；在工艺条件相同的情况下，纺制的纳米纤维细度比传统静电纺丝机纺制的小一半；用屏蔽套屏蔽头与头之间的电场，用屏蔽箱屏蔽头与机架之间的电场，使得静电纺丝的电场更加稳定；喷头箱的往复运动，配合与喷头箱运动相垂直的基布的平动，使得成品均匀，喷头箱和基布或纤维收集帘可以慢速移动且速度可调；设计输液装置，使得泵体和输液装置绝缘，输液量精确可调，使得溶液中所带的高压电不会影响到电动机的转动。输液装置的设计可以满足连续自动输液，保持精密的输液量，为静电纺丝机连续化生产提供了保障，能使喷头内液体的液面保持理想的弧形，多根射流能同时不间断地从弧形液面抽出。

附图说明

图1 Taylor锥多喷头静电纺丝机示意图；

1-喷头箱，2-自动输液装置，3-喷丝头，4-高压静电发生器，5-基布或纤维收集帘，6-电气控制箱，7-行程开关，8-机械控制；

图2 喷丝头结构示意图；

图3 喷头箱中喷头的排列图；

图4 基布(纺粘无纺布)与纳米纤维毡的扫描电镜图；

图a 基布扫描电镜图，放大倍数为1000倍(纤维直径约为12um)；图b纳米毡的扫描电镜图，放大倍数20000倍(平均直径约为250nm)

图5 不同克重的纳米纤维毡分别纺制在熔喷无纺布与纺粘无纺布上的过滤效率比较。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本发明涉及到一种Taylor锥多喷头静电纺丝机，主要包括喷头装置、自动输液装置2、高压静电发生器4和卷绕机构四个部分。其中高压发生器采用F10-II型高压静电发生器；喷头箱1的往复运动由ZB-0.1/8型空气压缩机提供压缩空气，由Cylinder SC50-500提供往复运动动力，用两个行程开关7LX19-001控制运动的往复。卷绕机构用100YYJ-250型GEAR MOTOR传动。其工艺流程为：打开总电源开关→打开高压静电发生器电源以预热高压静电发生器→开动自动输液装置输液→打开控制箱气门，喷头箱开始往复运动→打开高压发生器高压开关，调整电压，开始纺丝→打开卷绕机构电动机开关，调节电动机转速从而调节基布平动速率→纺丝完毕后关掉自动输液装置，停止输液→关掉高压发生器高压开关，停止纺丝→关掉卷绕机构电动机的电源，停止基布的卷取→关掉控制箱气门，停止喷头箱的往复运动→关掉高压发生器的电源→关掉总电源开关→从卷取辊取下纺好了纤维的基布。通过如下方法实现的：

(1)喷丝头的方向、形状和分布

基布位于喷丝头3的上方，喷丝头3朝上喷，见图1。精密设计的输液装置，使纺丝液能以一定的压力或流量输送到每个喷头上去。液滴不会像朝下喷的装置中那样滴落到纺成的毡上，破坏成毡质量。

喷头结构，见图2，使得喷头尖端形成一定弧度的液滴，这样电场力易于克服溶液的表面张力。并通过改进溶液和优化纺丝工艺参数，使得每个喷头可同时抽出多个射流，提高了单喷头的产量。在喷头箱中组合多个喷丝头，见图3，调整喷头之间的距离和分布，使得喷头之间，射流之间的干扰尽可能小，从而保证了纺丝的均匀性，进一步提高静电纺丝的产量。多个喷头的距离和分布还可以保证每个喷头可以同时抽出多个射流，喷头间电场相互影响较小，配合喷头箱和卷绕机构的运动，使得纺丝均匀、成品质量好。

(2)采用屏蔽套和喷头箱屏蔽电场。

多喷头静电纺丝喷头之间的距离较小，喷头间电场相互干扰，所以喷头之间需要用来屏蔽隔离，如图2所示，单个喷头是由金属喷头3b和有机玻璃屏蔽套3a组成。金属喷头周围的屏蔽套可以部分屏蔽掉喷头与喷头之间电场的干扰，使得喷头之间电场干扰较小，电场较稳定。机器用铁做架子，当喷头箱运动到靠近机架的时候，机架对喷头电场的影响较大，使得纺丝的电场不稳定，而且喷头箱作往复运动，增加了机架对喷头电场影响的不稳定。本发明中喷头箱见图1，可以屏蔽机架和周围物质对箱内多喷头电场的影响，进一步提高了纺丝电场的稳定性，使得纺丝稳定，从而提高成毡质量。

(3)多喷头和基布在垂直方向上分别运动

多喷头装置射流束比较集中，射流在纺程中挥发没有单喷头那样理想，收集到的纤维毡中纤维挥发不完全，本发明中喷头箱和基布都是移动的，使得纤维毡内溶剂有足够的挥发时间，收集到的毡质量较好。如图1所示，喷头箱1通过电气控制箱6控制作直线往复运动。并通过电气控制箱6控制喷头箱1往复运动的方向与速度。基布5的卷绕是通过机械控制8来完成的。电气控制箱6控制的喷头箱1的往复运动和机械控制8控制的基布的平动加上多喷头较均匀的喷射使得成毡质量均匀，可实现静电纺丝的产业化。

(4)输液装置的精密设计

喷头上液面需要保持一定的形状，这样使液体的表面张力较小，施加较小高压得到的电场就足以克服溶液表面张力而抽出射流来。本发明采用的多喷头中的溶液是连通的，溶液可以以一定的压力或流量输送到每个喷头上。溶液在纺丝的过程中带高电压，所以自动输液装置2的发动机和泵体是绝缘的，使得溶液中所带的高压电不会影响到发动机的转动。本发明输液装置可以自动连续输液，为纺丝机的连续化生产提供了前提。

当使用本发明采用聚乙烯醇(PVA)进行纺丝时，纺丝液注入自动输液装置2，输液速度控制在0.05~0.5ml/min自动输送到喷头箱1中各个喷头3上。将高压发生器4的电压调节到40kV，基布或纤维收集帘5以0.5m/min的速度平动，并与喷头箱1的往复运动相配合，接受距离基布或纤维收集帘5与喷头3的距离为20cm。制造出的纳米纤维毡的直径约为250nm，平方米克重为1.5g/m²，见扫描电镜图4。同时调节工艺参数，生产不同克重的纳米纤维毡，并测试了不同克重纳米纤维毡的过滤效率。实验将不同克重的纳米纤维分别纺制在纺粘或熔喷基布上，测试其过滤性能。测试的方法是高效过滤器方法(HEPA)，即钠焰法。测试结果见图5。

Claims (7)

1.一种Taylor锥多喷头静电纺丝机，包括喷头箱(1)、自动输液装置(2)、喷丝头组、高压静电发生器(4)和卷绕机构，所述的喷丝头组安装在喷头箱中由自动输液装置(2)输液，高压静电发生器(4)产生静电场发射的丝由卷绕机构收集，其特征是：所述的喷丝头组为若干喷丝头(3)排列而成。

2.如权利要求1所述的Taylor锥多喷头静电纺丝机，其特征是：所述的喷丝头(3)由金属喷头(3b)和屏蔽套(3a)组成，纺丝液面不得低于金属喷头(3b)和有机玻璃屏蔽套(3a)。

3.如权利要求2所述的Taylor锥多喷头静电纺丝机，其特征是：所述的屏蔽套(3a)为有机玻璃。

4.如权利要求1所述的Taylor锥多喷头静电纺丝机，其特征是：所述的卷绕机构为基布或纤维收集帘(5)由机械控制(8)控制收集纺丝。

5.如权利要求1～4中任意一权利要求所述的朝上喷的Taylor锥多喷头静电纺丝机，其特征是：所述的喷头箱(1)可通过电气控制箱(6)和行程开关(7)控制作直线往复运动。

6.如权利要求5所述的Taylor锥多喷头静电纺丝机，其特征是：所述的喷头箱(1)的运动方向和基布或纤维收集帘(5)的运动方向垂直。

7.如权利要求1～4中任意一权利要求所述的Taylor锥多喷头静电纺丝机，其特征是：所述的喷头箱(1)可屏蔽电场，所述的自动输液装置(2)的电动机和泵体是绝缘的。

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