專利名稱：高壓靜電梭納米紡絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓靜電梭口納米紡絲裝置。
背景技術(shù)：
靜電紡絲技術(shù)是非牛頓流體在高壓靜電場下產(chǎn)生射流，形成微米乃至納米纖維的 一種技術(shù)，它是可以用來制備有機(jī)、無機(jī)以及復(fù)合納米纖維的最直接方法。由于電紡納米纖 維在過濾、醫(yī)藥、環(huán)境、組織工程、器件、催化以及軍事等諸多領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景， 因此有關(guān)電紡絲設(shè)備的研究在最近成為了全球?qū)W者的熱點(diǎn)問題之一。目前，批量化生產(chǎn)納米纖維的電紡絲設(shè)備主要有三種形式多噴頭式、多管式以及 輥式電紡絲法。多噴頭式是將紡絲針尖進(jìn)行組合，其噴射效率為0. 1 1. Og/h，其缺點(diǎn)是 生產(chǎn)效率低，經(jīng)常出現(xiàn)靜電干擾，納米纖維直徑均一性難以保持，噴頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜易堵塞，不 適合于大批量工業(yè)化生產(chǎn)。多管式同樣具有紡絲效率低等問題。輥式靜電紡絲的代表是捷 克“納米蜘蛛”技術(shù)，其紡絲效率是1 5g/分，面積密度為0. 1 5g/米2，納米纖維直徑 在50 300nm范圍內(nèi)，幅寬可達(dá)1. 5米。然而，它的電紡絲溶液是處于一個(gè)紡絲槽的敞開 體系中，它易受環(huán)境的氣流、溫度和濕度影響，有著設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗繁瑣，不易維護(hù)，成 本和能耗高等問題。另外，該設(shè)備生產(chǎn)具有產(chǎn)品單一性，一臺(tái)設(shè)備只能定向生產(chǎn)一種產(chǎn)品， 這不僅使納米纖維產(chǎn)品領(lǐng)域的發(fā)展受到了限制，也嚴(yán)重影響了其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靜電梭口納米紡絲裝置，其不但克服“納米蜘蛛”技術(shù)中 存在的問題，而且具有高效、低能耗、低成本、不受環(huán)境(溫度/濕度)影響的優(yōu)良效果，發(fā) 射力強(qiáng)，紡絲速率高，單位時(shí)間內(nèi)形成的無紡布密度大，通過改換梭口尺寸、增加梭的數(shù)目、 調(diào)整紡絲電壓、采用多個(gè)靜電梭口串聯(lián)以及并聯(lián)，可以改變納米纖維直徑和無紡布的幅寬， 獲得面密度可調(diào)、幅寬可調(diào)、納米纖維直徑可調(diào)的多種類型無紡布，使之適合于實(shí)驗(yàn)室、中 試以及工業(yè)化生產(chǎn)。如圖1，本發(fā)明所述的高壓靜電梭納米紡絲裝置，由非導(dǎo)電體儲(chǔ)料罐8、閥門9、非 導(dǎo)電供料管10、靜電梭、非導(dǎo)電回料管11、非導(dǎo)電體溢料回收罐14、管狀金屬支架12、金屬 接收裝置62、接收底物61、高壓靜電發(fā)生器1組成；靜電梭包括非導(dǎo)電梭套21和梭芯兩部分，梭芯通過管狀金屬支架12上端的支撐 安裝在梭套21的內(nèi)部，梭芯的四周與梭套21間均留有空隙，梭芯包括非導(dǎo)電儲(chǔ)液腔3和安 裝在其上端面的靜電梭口 4，靜電梭口 4的上邊緣高于梭套21的上表面；在儲(chǔ)液腔3的下 方、梭套21的內(nèi)底部設(shè)置安裝有與管狀金屬支架12電連接的金屬高壓電極22 ；在非導(dǎo)電體儲(chǔ)料罐8具有進(jìn)料口和出料口，在其出料口上安裝有閥門9，非導(dǎo)電供 料管10的一端與閥門9密閉連接，另一端伸入管狀金屬支架12的底端并密閉；管狀金屬支 架12的底端同時(shí)與高壓靜電發(fā)生器的一端電連接，管狀金屬支架12的上端伸入到梭套21 的內(nèi)部并支撐儲(chǔ)液腔3;
非導(dǎo)電回料管11安裝在梭套21的底部，其下端置于溢料回收罐14內(nèi)；金屬接收裝置62位于靜電梭口 4的上方并與高壓靜電發(fā)生器的另一端電連接，接 收底物61附著在金屬接收裝置62上。裝在儲(chǔ)料罐8中的電紡絲溶液依靠壓差(重力或外加壓力)經(jīng)出料口、閥門9、供 料管10、管狀金屬支架12進(jìn)入儲(chǔ)液腔3內(nèi)，管狀金屬支架12同時(shí)作為輔助電極對(duì)電紡絲 液進(jìn)行極化，電紡絲液在高壓靜電的作用下在靜電梭口 4的邊緣發(fā)射細(xì)流并劈裂成納米纖 維，被吸附附著在金屬接收板62的接收底物61上；通過閥門9的調(diào)節(jié)使儲(chǔ)液腔3內(nèi)電紡絲 液的流入量與發(fā)射量基本相匹配，靜電梭口 4的溢出料流入梭套21中，經(jīng)回料管11進(jìn)入溢 料回收罐14。梭套中的金屬高壓電極22用于納米纖維走向的控制，其面積與梭套21的內(nèi) 底表面積相等或相接近。非導(dǎo)電供料管和非導(dǎo)電出料管的材料是非金屬高介電常數(shù)材料，它可以是玻璃、 塑料、陶瓷等。管狀金屬支架12的長度為1 20cm，中空，為銅、鋁、鐵等各種金屬材料。金屬接收裝置62的形狀可以是平板或圓輥，當(dāng)是平板形狀時(shí)，其接收面積是金屬 高壓電極22面積的2倍以上。接收底物61可以是各種紙張、紗布、高分子無紡布、金屬板寸。本發(fā)明所述的高壓靜電梭納米紡絲裝置，可以在敞開體系(無箱體)進(jìn)行電紡絲， 也可以將高壓靜電梭納米紡絲裝置置于一長方箱體15內(nèi)進(jìn)行電紡絲，長方箱體的體積大 于lm3。同時(shí)在長方箱體的底部設(shè)置有電恒溫器13，由電恒溫器13控制長方箱體15內(nèi)的溫 度和濕度。電恒溫器13使箱體15內(nèi)的溫度在10 50°C范圍內(nèi)、濕度在10 60% RH范 圍內(nèi)連續(xù)變化。儲(chǔ)料罐8的材料為玻璃、塑料、陶瓷、石材等，呈球形、圓筒、方形或其它異形。儲(chǔ)料 罐上方密閉安裝有進(jìn)料口，底部密閉安裝有出料口，容量在0.01 1000L范圍內(nèi)。儲(chǔ)料罐 8的底部與靜電梭口 4的上邊緣平行或高于其上邊緣。靜電梭口 4和儲(chǔ)液腔3的材料為非金屬高介電常數(shù)材料，可以是玻璃、塑料、陶瓷 等。靜電梭口 4 一般為狹縫結(jié)構(gòu)，狹縫的寬度為0. 05 30mm，長度為0. 3 3000mm ；儲(chǔ)液 腔3的體積在0. 01 IOL范圍內(nèi)。梭套21的體積是儲(chǔ)液腔3體積的2 50倍，兩者底部 之間距離是在2 147mm范圍內(nèi)。溢出料回收罐14的容量在0.01 1000L范圍內(nèi)。當(dāng)需要進(jìn)行大型生產(chǎn)時(shí)，將幾個(gè)梭口進(jìn)行串聯(lián)，其數(shù)目按幅寬要求增加；把幾個(gè)串 聯(lián)好的梭口再進(jìn)行并聯(lián)，以增加生產(chǎn)效率。


圖1 本發(fā)明所述的靜電梭納米紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中各部件的名稱為高壓靜電發(fā)生器1、梭套21、金屬高壓電極22、儲(chǔ)液腔3、靜 電梭口 4、接收底物61、接收板62、發(fā)射端金屬連線71、接收端金屬連線72、儲(chǔ)料罐8、閥門 9、供料管10、回料管11、管狀金屬支架12、電恒溫器13、溢料回收罐14、箱體15，納米纖維 5。參照?qǐng)D1，在進(jìn)行高壓靜電紡絲前，將高壓靜電發(fā)生器1 (紡絲電壓在0 160kV范 圍內(nèi)連續(xù)可調(diào))的一端與金屬支架12通過發(fā)射端金屬連線71連接，將高壓靜電發(fā)生器1的另一端與金屬接收板62通過接收端金屬連線72相連；打開電恒溫裝置13，使整個(gè)長方 箱體15內(nèi)溫度和濕度達(dá)到設(shè)定要求，箱體15為塑料板和金屬板構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，其中金屬 板在外層，塑料板在內(nèi)層，典型尺寸0. 8 (長)X 0. 8 (寬)X 1. 6 (高)米。在塑料儲(chǔ)料罐8中裝入電紡絲液，儲(chǔ)料罐8 一般為直徑任意的球形罐等。在儲(chǔ)料 罐8的上端開有加料口，下端開有出料口，出料口上密閉安裝有閥門9，在閥門9的下端密 閉安裝有供料管10 ；供料管10與管狀金屬支架12 (輔助電極)相連，供料罐8中的電紡絲 液通過供料管10和管狀金屬支架12流入到塑料儲(chǔ)液腔3內(nèi)；儲(chǔ)液腔3可以是任意形狀、任 意體積的密閉槽體，其通過管狀金屬支架的支撐安裝在塑料梭套21內(nèi)正中央，梭套21的形 狀與儲(chǔ)液腔3形狀保持一致，儲(chǔ)液腔3是梭套21的等比例縮小，在梭套21與梭芯(包括儲(chǔ) 液腔3及靜電梭口 4)間均具有一定的空隙且無電接觸，在儲(chǔ)液腔3的上端面密閉安裝有靜 電梭口 4，靜電梭口 4的尺寸可隨意設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)；電紡絲液經(jīng)過儲(chǔ)液腔3到達(dá)靜電梭口 4的端 面，調(diào)整高壓靜電發(fā)生器1的電壓，使靜電梭口 4有射流出現(xiàn)并發(fā)生劈裂，即形成多條納米 纖維5，納米纖維5落在接收底物61上；接收底物61附著在金屬接收裝置62上，接收底物 61可以是各種紙張、紗布、高分子無紡布、金屬板等。當(dāng)需要進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，儲(chǔ)液腔3和 梭套21的長度均可以等比例加大，梭口數(shù)目可增至2個(gè)以上。在紡絲初期沒有噴射而由靜電梭口 4溢出的電紡絲溶液會(huì)流入梭套21，通過回料 管11進(jìn)入溢料回收罐14中(可為塑料球形結(jié)構(gòu))，進(jìn)行回收重復(fù)利用。各部件間均采用插件組裝式連接，當(dāng)改換電紡絲溶液種類時(shí)，部件可分解拆下進(jìn) 行清洗。圖2 在30kV下制得的PVP納米纖維的掃描電鏡照片；圖3 在40kV下制得的PVP納米纖維的掃描電鏡照片；圖4 在70kV下制得的PVP納米纖維的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施方案實(shí)施例1將4g聚乙烯基吡珞烷酮(PVP，分子量1，300, 000)加入到96g乙醇中，在常溫下 利用磁攪拌溶解2小時(shí)，得到電紡絲液；然后將獲得的電紡絲液加入到位于箱體15內(nèi)的儲(chǔ) 料罐8中，調(diào)節(jié)電恒溫器13使箱體15內(nèi)的溫度和濕度分別達(dá)25°C和30% RH，穩(wěn)定20分 鐘。打開閥門9，讓紡絲溶液通過供料管10和管狀金屬支架12流入到儲(chǔ)液腔3中，靜電梭 口 4為14mm(長)X0. 5mm(寬)的狹縫，靜電梭口 4與不銹鋼接收板62上聚丙烯無紡布接 收底物61間的距離120mm。當(dāng)有電紡絲液流出靜電梭口 4的邊緣時(shí)，開啟高壓靜電發(fā)生器 1，慢慢調(diào)至30kV。此時(shí)，在靜電梭口 4有射流出現(xiàn)，并發(fā)生劈裂，在基底上有PVP納米纖維 無紡布形成，紡絲效率0. 0114g/分鐘，平均直徑為350nm，面密度3. 8g/m2，見圖2。實(shí)施例2將4g聚乙烯基吡珞烷酮(PVP，分子量1，300，000)加入到96g乙醇中，在常溫 下利用磁攪拌溶解2小時(shí)，得到電紡絲液；將獲得的電紡絲液加入到箱體15內(nèi)的儲(chǔ)料 罐8中。調(diào)制箱體內(nèi)的溫度和濕度分別達(dá)25°C和30% RH，穩(wěn)定20分鐘。打開閥門9， 讓紡絲溶液通過供料管10和管狀金屬支架12流入到儲(chǔ)液腔3中，靜電梭口 4的尺寸為 14mm(長)X0. 5mm(寬)。梭口與接收板聚丙烯無紡布底物距離120mm。當(dāng)有液體流出梭口邊緣時(shí)，開啟高壓靜電發(fā)生器1，慢慢調(diào)至40kV。此時(shí)，有射流出現(xiàn)，并發(fā)生劈裂，在基底上 有PVP納米纖維無紡布形成，紡絲效率0. 035g/分鐘，平均直徑為380nm，面密度12g/m2，見 圖3。實(shí)施例3將4g聚乙烯基吡珞烷酮(PVP，分子量1，300，000)加入到96g乙醇中，在常 溫下利用磁攪拌溶解2小時(shí)，得到電紡絲液；將獲得的溶液加入到箱體15內(nèi)的儲(chǔ)料罐 8中。調(diào)制箱體內(nèi)的溫度和濕度分別達(dá)25°C和30% RH，穩(wěn)定20分鐘。打開閥門9，讓 紡絲溶液通過供料管10和管狀金屬支架12流入到儲(chǔ)液腔3中，靜電梭口 4的尺寸為 14mm(長)X0.5mm(寬)。梭口與接收板聚丙烯無紡布底物距離380mm。當(dāng)有液體流出梭口 邊緣時(shí)，開啟高壓靜電發(fā)生器1，慢慢調(diào)至70kV。此時(shí)，有射流出現(xiàn)，并發(fā)生劈裂，在底物上 有PVP納米纖維無紡布形成，紡絲效率0. 07g/分，平均直徑為600nm，面密度^g/m2，見圖 4。
權(quán)利要求
1.一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于由非導(dǎo)電體儲(chǔ)料罐(8)、閥門(9)、非導(dǎo)電供料管(10)、靜電梭、非導(dǎo)電回料管(11)、非 導(dǎo)電體溢料回收罐(14)、管狀金屬支架(1 、金屬接收裝置(6 、接收底物(61)、高壓靜電 發(fā)生器⑴組成；靜電梭包括非導(dǎo)電體梭套和梭芯兩部分，梭芯通過管狀金屬支架(1 上端的支 撐安裝在梭套的內(nèi)部，梭芯的四周與梭套間均留有空隙，梭芯包括非導(dǎo)電體儲(chǔ)液 腔(3)和安裝在其上端面的靜電梭口 G)，靜電梭口(4)的上邊緣高于梭套21的上表面； 在儲(chǔ)液腔(3)的下方、梭套的內(nèi)底部安裝有與管狀金屬支架(1 電連接的金屬高壓 電極(22)；在非導(dǎo)電體儲(chǔ)料罐(8)具有進(jìn)料口和出料口，在其出料口上安裝有閥門(9)，非導(dǎo)電供 料管(10)的一端與閥門(9)連接，另一端與管狀金屬支架(1 的底端連接；管狀金屬支架 (12)的底端同時(shí)與高壓靜電發(fā)生器的一端電連接，其上端伸入到梭套的內(nèi)部支撐儲(chǔ) 液腔⑶；非導(dǎo)電回料管(11)安裝于梭套的底部，其下端置于溢料回收罐(14)內(nèi)；金屬接 收裝置(6 位于靜電梭口(4)的上方并與高壓靜電發(fā)生器的另一端電連接，接收底物(61) 附著在金屬接收裝置(6 上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于將高壓靜電梭納 米紡絲裝置置于一長方箱體(15)內(nèi)進(jìn)行電紡絲。
3.如權(quán)利要求2所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于在長方箱體(15) 的底部設(shè)置有電恒溫器(13)，由電恒溫器(13)控制長方箱體(15)內(nèi)的溫度和濕度。
4.如權(quán)利要求2所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于長方箱體(15)為 塑料板和金屬板構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，其中金屬板在外層，塑料板在內(nèi)層。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于儲(chǔ)料罐(8)的材 料為玻璃、塑料或陶瓷，儲(chǔ)料罐(8)的底部與靜電梭口(4)的上邊緣平行或高于其上邊緣。
6.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于靜電梭口(4)為 一狹縫結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于金屬接收裝置 (62)的形狀是平板或圓輥。
8.如權(quán)利要求1所述的一種高壓靜電梭納米紡絲裝置，其特征在于接收底物(61)是 紙張、紗布、高分子無紡布或金屬板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高壓靜電梭口納米紡絲裝置，由箱體、儲(chǔ)料罐、閥門、靜電梭、供料管、回料管、溢料回收罐、電恒溫器、金屬支架、接收裝置、接收底物、高壓靜電發(fā)生器組成。靜電梭包括梭套和梭芯，梭芯是由儲(chǔ)液腔、靜電梭口、金屬高壓電極構(gòu)成。本發(fā)明通過靜電梭的建立，形成封閉式紡絲體系，無溶劑揮發(fā)；由于電恒溫器的存在，本體系不受環(huán)境(溫度/濕度)影響；通過調(diào)換梭芯尺寸和調(diào)整電壓，納米纖維直徑可調(diào)，無紡布幅寬可任意選擇；另外，這個(gè)靜電梭口紡絲裝置采用壓差式供料和插件式組裝，具有易清洗、低能耗、低成本、安全可靠、操作簡便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，采用多個(gè)靜電梭口串聯(lián)以及并聯(lián)，可用于實(shí)驗(yàn)室、中試以及工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)D01D5/00GK102071484SQ201110041949
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者張靚, 金昌顯 申請(qǐng)人:張靚, 金昌顯