一种伸缩载液无针式静电纺丝装置的制作方法

1.本发明涉及纺丝技术领域，特别涉及一种伸缩载液无针式静电纺丝装置及其使用方法。


背景技术：

2.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。如纳米纤维的比表面积约为微米纤维的比表面积的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，纳米纤维还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，静电纺丝加工技术已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。
3.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。
4.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，无法适应长时间连续稳定生产。
5.当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外均有一些报道。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；
6.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。


技术实现要素：

7.为克服现有技术的不足，本发明公开了一种伸缩载液无针式静电纺丝装置。
8.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
9.本发明公开了一种伸缩载液无针式静电纺丝装置，包括：
10.静电纺丝喷液机构，用以向上喷出纺丝液体，其中，所述静电纺丝喷液机构包括底座和金属喷头，所述底座中设置有容置槽，所述金属喷头的形状与所述容置槽的形状相匹配，所述金属喷头在控制开关的控制下打开而在所述容置槽内上下往复运动；
11.供液机构，用以向所述静电纺丝喷液机构提供纺丝液体，所述供液机构与所述容置槽的底部侧壁连通；
12.纳米纤维收集机构,其位于所述静电纺丝喷液机构的上方，所述纳米纤维收集机构用以接收从所述静电纺丝喷液机构喷出的纺丝液并进行固化沉积；以及，
13.高压发生器，用以缓慢增加电压至设定纺丝电压，所述金属喷头与所述高压发生器正极相连。
14.优选的，所述金属喷头整体呈十字形，所述容置槽为相对应的十字形槽。
15.进一步优选的，所述金属喷头的长度为40～400mm，所述金属喷头的线宽为1～10mm，且所述金属喷头的棱边均倒有半径0.2～5mm的圆角。
16.进一步优选的，所述金属喷头的顶部中心低且边缘高，形成相对于所述底座的水平端面5～45
°
的倾角。
17.进一步优选的，所述底座的顶部具有空心的倒圆锥形槽，所述倒圆锥形槽与所述十字形槽连通，当金属喷头向上运动高出所述十字形槽时，所述倒圆锥形槽能够包围所述金属喷头的上部。
18.优选的，所述底座采用聚四氟乙烯底座。
19.优选的，所述供液机构包括储液槽、导液管和绝缘供液泵，所述储液槽通过所述导液管和绝缘供液泵与所述容置槽的底部侧壁连通。
20.优选的，所述纳米纤维收集机构包括滚筒和驱动电机，所述驱动电机与所述滚筒连接，所述滚筒接地。
21.优选的，所述滚筒为金属圆柱滚筒，其直径为80mm～1200mm；和/或，所述驱动电机转速为0～100r/min。
22.优选的，所述高压发生器电压调节范围为0～100kv。
23.与现有技术相比，本发明的至少具有以下优点：
24.本发明提供的伸缩载液无针式静电纺丝装置采用金属喷头和底座，金属喷头在底座内以上下往复运动的形式实现静电纺丝的载液过程，有利于长时间连续稳定纺丝，同时降低对静电纺丝供液精度的要求；
25.本发明提供的伸缩载液无针式静电纺丝装置所采用的金属喷头整体为十字线形，金属喷头的空间对称设计和金属喷头连续负载新纺丝液可以实现多射流持续空间对称拉伸，多射流激发位置和空间拉伸过程一致性高，可以实现直径窄分布纳米纤维的连续批量制备；
26.本发明提供的伸缩载液无针式静电纺丝装置操作起来简单易行，在能源、过滤、生物、医疗领域极具应用潜力；
27.本发明提供的伸缩载液无针式静电纺丝装置的结构简单合理，稳定性好，制造成本低廉。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
29.图1为本发明实施例所公开的一种伸缩载液无针式静电纺丝装置的结构示意图；
30.图2为本发明实施例所公开的静电纺丝喷液机构的结构示意图；
31.图3为本发明实施例所公开的静电纺丝喷液机构的主视图；
32.图4为本发明实施例所公开的静电纺丝喷液机构的俯视图；
33.图5为本发明实施例所公开的金属喷头的结构示意图；
34.图6为本发明实施例所公开的金属喷头的主视图；
35.图7为本发明实施例所公开的金属喷头的俯视图；
36.图8为本发明实施例所公开的底座的结构示意图；
37.图9为本发明实施例所公开的底座的主视图；
38.图10为本发明实施例所公开的底座的俯视图。
具体实施方式
39.下面结合实施例及附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
40.参见图1-10所示，一种伸缩载液无针式静电纺丝装置，包括：
41.静电纺丝喷液机构，用以向上喷出纺丝液体，其中，静电纺丝喷液机构包括底座1和金属喷头3，底座1中设置有容置槽，金属喷头3的形状与容置槽的形状相匹配，金属喷头3在控制开关的控制下打开而在容置槽内上下往复运动；
42.供液机构8，用以向静电纺丝喷液机构提供纺丝液体，供液机构8与容置槽的底部侧壁连通；
43.纳米纤维7收集机构,其位于静电纺丝喷液机构的上方，纳米纤维7收集机构用以接收从静电纺丝喷液机构喷出的纺丝液并进行固化沉积；以及，
44.高压发生器2，用以缓慢增加电压至设定纺丝电压，金属喷头3与高压发生器2正极相连。
45.金属喷头3的载液过程为金属喷头3向下运动并完全浸没于底座1内的纺丝液中；
46.金属喷头3纺丝过程为金属喷头3从浸没纺丝液位置向上运动至高于纺丝液水平面一定距离(10～30mm)的工作位置。
47.伸缩载液无针式静电纺丝装置采用金属喷头3和底座1，金属喷头3在底座1内以上下往复运动的形式实现静电纺丝的载液过程，有利于长时间连续稳定纺丝，同时降低对静电纺丝供液精度的要求。
48.其中，如图2-7所示，金属喷头3整体呈十字形，容置槽为相对应的十字形槽12。
49.具体的，金属喷头3的长度为40～400mm，金属喷头3的线宽为1～10mm，且金属喷头3的棱边均倒有半径0.2～5mm的圆角。
50.金属喷头3的顶部中心低且边缘高，形成相对于底座1的水平端面5～45
°
的倾角。
51.如图8-10所示，底座1的顶部具有空心的倒圆锥形槽11，倒圆锥形槽11与十字形槽连通，当金属喷头3向上运动高出十字形槽时，倒圆锥形槽能够包围金属喷头3的上部。底座
1采用聚四氟乙烯底座1。
52.倒圆锥形槽的设计形成了一个倒锥形的包围空间，倒锥形的包围空间在金属喷头3喷出纺丝液体时，可以承接住少量未来得及固化的纺丝液体，避免纺丝液体从底座1上落至底座1之外，造成环境污染。
53.金属喷头3整体为十字线形，金属喷头3的空间对称设计和金属喷头3连续负载新纺丝液可以实现多射流4持续空间对称拉伸，多射流4激发位置和空间拉伸过程一致性高，可以实现直径窄分布纳米纤维7的连续批量制备；
54.参见图1所示，供液机构8包括储液槽83、导液管81和绝缘供液泵82，储液槽83通过导液管81和绝缘供液泵82与容置槽的底部侧壁连通。纳米纤维7收集机构包括滚筒6和驱动电机5，驱动电机5与滚筒6连接，滚筒6接地。滚筒6为金属圆柱滚筒，其直径为80mm～1200mm；驱动电机5转速为0～100r/min；高压发生器2电压调节范围为0～100kv。
55.利用上述伸缩载液无针式静电纺丝装置进行静电纺丝的方法，包括以下步骤：
56.1)调整金属圆柱滚筒和聚四氟乙烯底座1的距离；
57.2)打开金属圆柱滚筒的驱动电机5，并设置转速；
58.3)打开供液机构8的开关，通过绝缘供液泵82和导液管81向聚四氟乙烯底座1快速注入一定量的高聚物纺丝液，持续供液；
59.4)打开金属喷头3的控制开关，使其在聚四氟乙烯底座1内上下往复运动，即重复完全浸没和高于纺丝液液面一定距离的过程；
60.5)打开高压发生器2开关，缓慢增加电压至所需纺丝电压；
61.6)大量射流4在金属喷头3表面产生；
62.7)射流4在高压静电场作用下飞向金属圆柱滚筒，溶剂挥发，射流4拉伸固化沉积在金属圆柱滚筒上形成大量纳米纤维7。
63.以下结合附图和更为具体的实施例，对发明的技术内容作进一步地描述。
64.实施例1：
65.下面采用聚丙烯腈(pan)与n-n二甲基甲酰胺(dmf)所配制的高聚物溶液制备纳米纤维7，该高聚物溶液中pan的的质量分数为14％。调整金属圆柱滚筒与聚四氟乙烯底座1的距离为20cm；打开金属圆柱滚筒的驱动电机5，并设置转速为120r/min；打开供液机构8开关，通过绝缘供液泵82向聚四氟乙烯底座1快速注入刚好能使得金属喷头3完全浸没的高聚物纺丝液，然后设置持续供液速度为10ml/h；打开金属喷头3的控制开关，使其在聚四氟乙烯底座1内上下往复运动，即重复完全浸没和高于纺丝液液面一定距离的过程；打开高压发生器2开关，缓慢增加电压至65kv；大量射流4在金属喷头3表面产生；射流4在高压静电场作用下飞向金属圆柱滚筒，溶剂挥发，射流4拉伸固化沉积在金属圆柱滚筒上形成大量纳米纤维7。
66.实施例2：
67.下面采用聚丙烯腈(pan)与n-n二甲基甲酰胺(dmf)所配制的高聚物溶液制备纳米纤维7，该高聚物溶液中pan的的质量分数为12％。调整金属圆柱滚筒和聚四氟乙烯底座1的距离为18cm；打开金属圆柱滚筒的驱动电机5，并设置转速为100r/min；打开供液装置开关，通过绝缘供液泵82向聚四氟乙烯底座11快速注入刚好能使得金属喷头3完全浸没的高聚物纺丝液，然后设置持续供液速度为6ml/h；打开金属喷头3控制开关，使其在聚四氟乙烯底座
1内上下往复运动，重复完全浸没和高于纺丝液液面一定距离的过程；打开高压发生器2开关，缓慢增加电压至65kv；大量射流4在金属喷头3表面产生；射流4在高压静电场作用下飞向金属圆柱滚筒，溶剂挥发，射流4拉伸固化沉积在金属圆柱滚筒上形成大量纳米纤维7。
68.对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。