一种梯度结构短纤维毡的制备方法及其装置与流程

本发明涉及短纤维毡制备技术领域，具体为一种梯度结构短纤维毡的制备方法及其装置。

背景技术：

纳米短纤维膜，在过滤、催化、医学等领域具有较大的应用。纳米短纤维具有较大的比表面积，体现出良好的过滤特性，可以有效过滤微纳级别的颗粒，还具有良好的强度和刚度、易分散、加工性能良好等特点。直径在纳米级别的纤维，能够有效地过滤亚微米级或纳米级颗粒，特别的，当纤维膜呈现直径梯度结构时，可以过滤的颗粒范围更广，效率更高。

静电纺丝技术，是制备纳米纤维的重要方法之一，其原理可以归纳为：纺丝溶液液滴受到静电作用会发生电液耦合作用并形成泰勒锥，克服表面张力形变成射流并向纤维收集器喷射，在飞行过程中逐渐被拉伸、固化成纳米纤维，最后在纤维收集器上形成纤维膜。利用电纺技术得到的纳米纤维膜一般为长纤维膜，而若能通过简单、可行的电纺手段得到纳米短纤维膜，将会进一步扩大其应用范围。

目前，制备纳米短纤维一般采用模板法、化学气相沉积法、静电纺丝再后处理等方法。如中国专利cn105536075a、cn1603036a等专利提出，将电纺得到的长纤维收集在水中，再利用高速水流的剪切作用将纳米长纤维剪切成微米级别长度的纳米短纤维，最后进行过滤、分样等处理，得到品质较好、毫米级别长度的纳米短纤维。但此类方法具有操作繁琐、难以实现功能化、不适合批量生产等缺陷，也无法快速制备出梯度结构短纤维毡。

因此，现有技术存在进一步改进和优化的需求，这也正是该技术领域内的研究重点之一，更是本发明得以完成的动力和出发点所在。

技术实现要素：

为了克服已有静电纺丝方式的制备工序复杂、纤维毡梯度结构过渡不连续的不足，本发明提供一种梯度结构短纤维毡的制备方法，解决现有技术中制备工序复杂、纤维毡梯度结构过渡不连续等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种梯度结构短纤维毡的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.搭建制备装置，将溶液装入储液箱，电极板与基底间距10cm～150cm，高压静电发生器正极或负极与电极座、电极板电性连接，基底接地；

步骤2.设定液体泵总流量为10μl/hr～100ml/hr，液滴产生的频率为0.1hz～10hz；

步骤3.开启高压静电发生器，设定电压输出值为1kv～80kv，电极板与基底之间产生高压静电场；

步骤4.开启风机，设定泵入气体的流速为0.1m/s-50m/s，电极板与基底之间产生横向风场；

步骤5.输送装置从左至右移动，从输送装置传输出的基底上沉积有梯度结构短纤维毡，具体为，上表面疏松向下连续过渡到下表面致密的梯度结构、单根纤维长度在0.5mm～5mm，单根纤维直径50nm～5μm的短纤维毡。

一种梯度结构短纤维毡的制备装置，包括喷头、电极座、电极板、液体泵、储液箱、输送装置、基底、高压静电发生器和风机，所述喷头通过电极座固定于电极板，且喷头依次与液体泵、储液箱连通；所述输送装置设置于电极板正下方，输送装置上表面设有基底，所述高压静电发生器正极或负极与电极座、电极板电性连接，所述基底接地；风机设在电极板与基底之间，所述风机的出风方向与电极板与基地之间的静电场方向垂直。

进一步，喷头由导电材料制成，喷头内部设有多个喷口，喷口内径范围为30μm～1500μm，喷口内径不统一。

本发明的有益效果主要表现在：

1)利用高压静电力，液滴发生电液耦合作用，形成短纤维射流，最后在基底上形成短纤维毡；

2)在横向风场的作用下，悬浮速度相对小的液滴形成的短纤维在基底上的沉积点离风机距离相对较远，悬浮速度相对大的液滴形成的短纤维在基底上的沉积点离风机距离相对较近，基底依次通过上述区域收集短纤维，可形成上表面疏松向下连续过渡到下表面致密或者上表面致密向下连续过渡到下表面疏松的梯度结构短纤维毡。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为存在高压静电场时，液滴的沉积行为。

图3为存在风场时，液滴的沉积行为。

图4为同时存在高压静电场和风场时，液滴的沉积行为。

图5为喷头的端面示意图。

图中标号：1、输送装置；2、基底；3、风机；4、喷头；5、电极座；6、储液箱；7、液体泵；8、高压静电发生器；9、电极板；10、喷口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种梯度结构短纤维毡的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.搭建制备装置，将溶液装入储液箱6，电极板9与基底2间距10cm～150cm，高压静电发生器8正极或负极与电极座5、电极板9电性连接，基底2接地；

步骤2.设定液体泵7总流量为10μl/hr～100ml/hr，液滴产生的频率为0.1hz～10hz；

步骤3.开启高压静电发生器8，设定电压输出值为1kv～80kv，电极板9与基底2之间产生高压静电场；

步骤4.开启风机3，设定泵入气体的流速为0.1m/s-50m/s，电极板9与基底2之间产生横向风场；

步骤5.输送装置1从左至右移动，从输送装置1传输出的基底2上沉积有梯度结构短纤维毡，具体为，上表面疏松向下连续过渡到下表面致密的梯度结构、单根纤维长度在0.5mm～5mm，单根纤维直径50nm～5μm的短纤维毡。

一种梯度结构短纤维毡的制备装置，包括喷头4、电极座5、电极板9、液体泵6、储液箱7、输送装置1、基底2、高压静电发生器8和风机3，所述喷头通过电极座固定于电极板，且喷头依次与液体泵、储液箱连通；所述输送装置设置于电极板正下方，输送装置上表面设有基底，所述高压静电发生器正极或负极与电极座、电极板电性连接，所述基底接地；风机设在电极板与基底之间，所述风机的出风方向与电极板与基地之间的静电场方向垂直。

进一步，喷头由导电材料制成，喷头内部设有多个喷口，喷口内径范围为30μm～1500μm，喷口内径不统一。

本实施例中，喷头通过电极座固定于电极板，且喷头依次与液体泵、储液箱连通，实现喷头周期性、定量、定形地吐出液滴。喷头设有多个喷口，喷口内径范围为30μm～1500μm。喷口内径不完全统一，因此喷口产生的液滴具有不同的悬浮速度。喷头、电极座、电极板为导电材料制成。液体泵将储液箱内的溶液泵送至喷口，泵送频率范围为0.1hz～10hz的液滴，流量范围为10μl/hr～100ml/hr。

输送装置设置于电极板正下方，输送装置上表面设有基底，基底与电极板相对、平行放置，两者间距范围为10cm～150cm。高压静电发生器正极或负极与电极座、电极板电性连接，基底接地，使电极板与基底之间产生高压静电场，其中高压静电发生器的输出电压范围为1kv～80kv。风机设在电极板与基底之间，开启风机输送横向风，使电极板与基底之间产生横向风场，风机气流的速度范围为0.1m/s～50m/s。

本技术方案的工作原理：溶液被液体泵泵送至喷头处，以某频率形成液滴。若只存在高压静电场(如图2)，喷头处的液滴带有相应电性，带电液滴在高压静电场的作用下会发生电液耦合作用，液滴被拉伸形变成射流，向基底喷射，最后沉积在基底上形成短纤维毡；若只存在风场(如图3)，液滴从喷头口进入横向风场，悬浮速度相对小的液滴飞行时间较长，受风场剪切力的作用碎裂成更小的液滴后沉积在基底上，其沉积点离风机距离相对较远(如图3的b轨迹所示)，而悬浮速度相对大的液滴飞行时间较短，受风场作用碎裂成液滴后沉积在离风机距离相对较近的区域(如图3的a轨迹所示)。本技术方案中，在静电场和横向风场的作用下(如图4)，悬浮速度相对小的液滴，在电极板与基底之间的飞行时间较长，液滴被电场和风场拉伸的时间充分，所以纤维直径较小、长度较长、在基底上的沉积点离风机距离相对较远(如图4的b区域所示)；悬浮速度相对大的液滴，在电极板与基底之间的飞行时间较短，拉伸时间较悬浮速度大的液滴短，所以纤维直径较大、长度较短、在基底上的沉积点离风机距离相对较近(如图4的a区域所示)。当输送装置从左至右移动时，图4中a区域产生的短纤维首先沉积在基底上，当基底移动至图4中b区域下方，在基底上沉积该区域拉伸的短纤维，因此形成上表面疏松向下连续过渡到下表面致密的梯度结构短纤维毡。当输送装置从右至左移动时，形成上表面致密向下连续过渡到下表面疏松的梯度结构短纤维毡。

选取一组工艺参数，具体阐述制备梯度结构短纤维毡的方法：

采用的溶液为peo溶液，浓度18％，溶质为peo，溶剂为酒精和蒸馏水(体积比为1:1)。喷头内有5个喷头，其中喷头内径400μm设有1个，喷头内径500μm设有2个，喷头内径600μm设有2个。

步骤1.按图1搭建制备装置，将溶液装入储液箱，电极板与基底间距35cm，高压静电发生器正极与电极座、电极板电性连接，基底接地；

步骤2.设定液体泵总流量为5ml/hr，液滴产生的频率为5hz；

步骤3.开启高压静电发生器，设定电压输出值为45kv，电极板与基底之间产生高压静电场；

步骤4.开启风机，设定泵入气体的流速为5m/s，电极板与基底之间产生横向风场；

步骤5.输送装置从左至右移动，从输送装置传输出的基底上沉积有梯度结构短纤维毡，具体为，上表面疏松向下连续过渡到下表面致密的梯度结构、单根纤维长度在0.5mm～5mm，单根纤维直径50nm～5μm的短纤维毡。