一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲領(lǐng)域，裝置由熔體噴頭、帶圈電極、溶液噴頭、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器和框架組成，熔體噴頭安裝在框架的最上端，帶圈電極位于熔體噴頭下面，帶圈電極的中心軸和熔體噴頭所在中心軸同軸，多個溶液紡絲噴頭所在平面與帶圈電極平面平行，多個溶液紡絲噴頭所在平面位于平面與帶圈電極平面下側(cè)，多個溶液紡絲噴頭沿著帶圈電極所在軸周向均勻分布，接收裝置在帶圈電極下面一定距離處，高壓靜電發(fā)生器有兩個，一個高壓輸出端接到帶圈電極上，另一個高壓輸出端接到串聯(lián)的溶液噴頭上，接收裝置及熔體噴頭接地。本發(fā)明實現(xiàn)了多級超細纖維的制備，為新材料開發(fā)提供了多種操作空間。
【專利說明】一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 靜電紡絲技術(shù)制備的連續(xù)超細纖維由于具有高比表面積、高孔隙率和微/納級的 纖維直徑和纖維間隙，被廣泛應(yīng)用于高性能過濾、微機電系統(tǒng)、鋰電池隔膜及電極材料、生 物醫(yī)藥和生化防護等方面。
[0003] 靜電紡絲技術(shù)分為熔體靜電紡絲技術(shù)和溶液紡絲技術(shù)。其中溶液靜電紡絲技術(shù) 制備的纖維較細，纖維直徑大部分在l〇〇-l〇〇〇nm之間，纖維致密，纖維間孔隙也大都處在 lym以內(nèi)，具有很高的比表面積；而熔體靜電紡絲制備的纖維細度相對較粗，纖維直徑大 部分在1-10 μ m之間，甚至有些高粘度材料制備的纖維在幾十微米，但是其纖維強度高，孔 隙率一般高于90%，纖維間隙在幾微米到數(shù)百微米，和溶液電紡纖維膜相比，比表面積要小 幾倍甚至數(shù)十倍。在很多應(yīng)用領(lǐng)域如生物醫(yī)藥支架、功能性負載材料等方面，需要纖維立體 支架結(jié)構(gòu)即具備高強度、高孔隙率，又需要較高的比表面積和較大的纖維孔隙，而互相纏繞 摻雜的微米/亞微米級的熔體電紡纖維和納米級的溶液電紡纖維正好滿足這一應(yīng)用需要。
[0004] 目前能滿足這一需求的制備工藝和裝置的文獻和專利報道較少。Kidoa-ki S等 通過移動接收裝置在多噴頭下進行連續(xù)接收，制備了不同材料互相摻混的網(wǎng)狀物（Kidoaki S，Kwon I K，Matsuda T.Biomaterials，2005,26:37-46)。
[0005] 本發(fā)明將熔體靜電紡絲裝置和溶液紡絲裝置結(jié)合起來，通過設(shè)計實現(xiàn)納米級纖維 在微米級纖維上的纏繞，即多級結(jié)構(gòu)的織構(gòu)，將為不同應(yīng)用開發(fā)提供很大的空間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是提出一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置及方法，將靜電紡 絲的溶液紡絲噴頭和熔體紡絲噴頭安裝在特定的位置，通過對熔體靜電紡絲噴頭和溶液靜 電紡絲噴頭工藝參數(shù)的合理配置，使得納米級別的溶液靜電紡絲射流在電荷吸引的作用 下，粘附纏繞在微米級別的熔體靜電紡絲射流上，并最終以平板、旋轉(zhuǎn)輥子或三維運動接收 平臺的接收方式，收集獲得多級超細纖維材料。新的復(fù)合材料具備溶液靜電紡絲和熔體靜 電紡絲的共同優(yōu)點，具有更高的比表面積、抗拉強度和孔隙率，同時具備溶液電紡纖維表面 納米級孔洞和熔體電紡絲纖維間微米級間距，將為高效過濾、醫(yī)藥支架、高強度催化劑負載 等方面的應(yīng)用提供有力支撐。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其主要組成 有：熔體噴頭、帶圈電極、溶液噴頭、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器和框架。熔體噴頭安裝在框 架的最上端，帶圈電極位于熔體噴頭的下面，帶圈電極的中心軸和熔體噴頭所在的中心軸 同軸，多個2)溶液紡絲噴頭所在平面與帶圈電極平面平行，多個2)溶液紡絲噴頭 所在平面位于平面與帶圈電極平面下側(cè)，多個溶液紡絲噴頭沿著帶圈電極所在軸周向均勻 分布，接收裝置在帶圈電極下面一定距離處，高壓靜電發(fā)生器有兩個，一個高壓輸出端接到 帶圈電極上，另一個高壓輸出端接到串聯(lián)的溶液噴頭上，接收裝置及熔體噴頭接地。
[0008] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其中熔體噴頭可以為單射流 或者是多射流，射流在氣流輔助的作用下穿過帶圈電極，然后與溶液電紡射流匯合，熔體噴 頭與熔體塑化裝置相連，熔體塑化裝置向熔體噴頭連續(xù)供料，熔體塑化裝置的類型很多，有 單螺桿和多螺桿，在熔體噴頭與塑化裝置間還可以連接熔體泵，使熔體噴頭獲得足夠壓力 和流量的聚合物熔體。
[0009] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其中帶圈電極可以是銅、 鐵、鋁等導(dǎo)電性良好的金屬材料，帶圈電極為圓環(huán)狀，內(nèi)圈直徑為10_200mm，外圈直徑為 20-400mm。為了增強電場對熔體的拉伸作用，內(nèi)圈的直徑可以小一些，只要熔體絲擺動時不 碰到為宜。當(dāng)溶液噴頭較多時，溶液絲射向熔體絲，內(nèi)圈和外圈的直徑都稍大一些，所以內(nèi) 圈和外圈的直徑都有一個合理的范圍。
[0010] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其中溶液噴頭為注射針頭， 其流量由微流量泵控制，多個溶液噴頭可以噴射一種物料，也可以噴射多種物料，每種物料 連接一個微流量泵，物料相同的溶液噴頭，其流道相同，在微流量泵的作用下均勻連續(xù)地噴 料。
[0011] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其中接收裝置為接地金屬材 質(zhì)，可以是平板接收，可以是輥子接收，也可以是X-Y-Z運動工作臺接收。
[0012] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其另一種電壓加載方式也可 以是在熔體噴頭上加載高壓正極或負極，而在溶液噴頭上加載相反極性的高壓電極，帶圈 電極和接收裝直接地。溶液嗔頭與溶體嗔頭、溶液嗔頭與接收裝直間、溶液嗔頭與帶圈電極 間都存在電壓差，熔體絲在氣流和電場的作用下被接收裝置收集，熔體絲在到達接收裝置 的過程中與溶液絲相遇，溶液絲射向熔體絲，溶液絲與熔體絲粘接和纏繞，一起到達接收裝 置。溶液絲直徑分布在納米級，熔體絲直徑分布在微米或亞微米級，最終得到的即為多級超 細纖維。
[0013] 采用本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置制備多級超細纖維的方 法，其操作步驟為：熔體塑化裝置向熔體噴頭供料，等熔體連續(xù)穩(wěn)定供給后，打開熔體噴頭 氣流輔助設(shè)備，接通與帶圈電極相連的靜電發(fā)生器的電源，使帶圈電極帶電，調(diào)節(jié)電壓，使 得熔體電紡射流產(chǎn)生，然后打開溶液噴頭連續(xù)供給裝置，并讓與溶液噴頭相連的另一個高 壓靜電發(fā)生器通電，多個溶液噴頭產(chǎn)生溶液電紡射流，多個溶液噴頭在電場力的作用下向 中心熔體電紡射流噴射，當(dāng)擺動的熔體射流和鞭動的溶液射流相遇后，溶液電紡的絲與熔 體電紡的絲粘附并纏繞后收集在接收裝置上。溶液絲中的溶劑在到達接收裝置前揮發(fā)，在 接收裝置上的復(fù)合纖維多級超細纖維。
[0014] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置制備及方法通過溶液噴頭和 熔體噴頭的位置設(shè)計和參數(shù)調(diào)控，通過組合靜電紡絲裝置，溶液電紡的絲與熔體電紡的絲 粘附并纏繞后收集在接收裝置上，實現(xiàn)了多級超細纖維的制備，為新材料開發(fā)提供了多種 操作空間，從而滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)w維結(jié)構(gòu)特殊要求。新的復(fù)合材料具備溶液靜電紡絲 和熔體靜電紡絲的共同優(yōu)點，具有更高的比表面積、抗拉強度和孔隙率，同時具備溶液電紡 纖維表面納米級孔洞和熔體電紡絲纖維間微米級間距，將為高效過濾、醫(yī)藥支架、高強度催 化劑負載等方面的應(yīng)用提供有力支撐。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置示意圖
[0016] 1-熔體噴頭，2-帶圈電極，3-溶液噴頭，4-接收裝置，5-靜電發(fā)生器。

【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，如圖1所示，其主要組成有： 熔體噴頭1、帶圈電極2、溶液噴頭3、接收裝置4、高壓靜電發(fā)生器5和框架。其中帶圈電極 2和熔體噴頭1所在的中心軸同軸，多個（32)溶液噴頭3軸線所在平面與帶圈電極平面 平行，溶液噴頭3在帶圈電極平面下側(cè)，多個溶液噴頭3沿著帶圈電極2所在軸周向均勻分 布，多個溶液噴頭3通過導(dǎo)電材料連接在一起，接收裝置4在多個溶液噴頭3下面一定距離 處，高壓靜電發(fā)生器5有兩個，一個高壓輸出端接到帶圈電極2上，另一個高壓輸出端串聯(lián) 接到溶液噴頭3上，接收裝置4及熔體噴頭1接地，多個溶液噴頭3都帶電。
[0018] 本發(fā)明提出的本發(fā)明一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲方法，其操作步驟 為：等熔體連續(xù)穩(wěn)定供給后，打開熔體噴頭1氣流輔助設(shè)備，接通與帶圈電極2相連的靜電 發(fā)生器的電源，使帶圈電極2帶電，調(diào)節(jié)電壓，使得熔體電紡射流產(chǎn)生，然后打開溶液噴頭 連續(xù)供給裝置，并讓與溶液噴頭3相連的另一個高壓靜電發(fā)生器5通電，多個溶液噴頭3產(chǎn) 生溶液電紡射流，多個溶液噴頭3在電場力的作用下向中心熔體電紡射流噴射，當(dāng)擺動的 熔體射流和鞭動的溶液射流相遇后，溶液電紡的絲與熔體電紡的絲粘附并纏繞后收集在接 收裝置4上。
[0019] 一個實施例如圖1所示，熔體噴頭1為內(nèi)錐面噴頭，內(nèi)錐面下端沿直徑為26mm，氣 流輔助速度為8m/s，帶圈電極2內(nèi)徑為40mm，外圈為80mm，熔體射流根數(shù)為60根，熔體為聚 丙烯（PP)，熔體溫度260°C，熔體流量13g/h，帶圈電極2與熔體噴頭1的距離為20mm，帶圈 電極2加載電壓為20kV ;溶液噴頭3為注射針頭，針頭內(nèi)徑0. 41mm，紡絲原料采用完全醇解 聚乙烯醇（PVA1799) 10 %質(zhì)量分數(shù)的水溶液，3個溶液噴頭3環(huán)向直徑200mm，圍繞熔體噴頭 1所在軸環(huán)向均布，溶液噴頭3所在面與帶圈電極的距離為240mm，高壓靜電發(fā)生器5有兩 個，接收裝置4采用輥子結(jié)構(gòu)，接收裝置4與帶圈電極2的距離為200mm，獲得纖維為平均 直徑為300nmPVA和1. 8 μ m的PP多級摻雜纖維。
【權(quán)利要求】
1. 一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于：主要由熔體噴頭、帶圈 電極、溶液噴頭、接收裝置、高壓靜電發(fā)生器和框架組成，熔體噴頭安裝在框架的最上端，帶 圈電極位于熔體噴頭的下面，帶圈電極的中心軸和熔體噴頭所在的中心軸同軸，多個溶液 紡絲噴頭所在平面與帶圈電極平面平行，多個溶液紡絲噴頭所在平面位于平面與帶圈電極 平面下側(cè)，多個溶液紡絲噴頭沿著帶圈電極所在軸周向均勻分布，接收裝置在帶圈電極下 面一定距離處，高壓靜電發(fā)生器有兩個，一個高壓輸出端接到帶圈電極上，另一個高壓輸出 端接到串聯(lián)的溶液噴頭上，接收裝置及熔體噴頭接地。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 熔體噴頭為單射流噴頭或多射流噴頭，并具有氣流輔助系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 帶圈電極可以是銅、鐵、鋁等導(dǎo)電性良好的金屬材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 帶圈電極為圓環(huán)狀，內(nèi)圈直徑為1〇_200_，外圈直徑為20_400mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 溶液噴頭為單射流噴頭，溶液噴頭為注射針頭，其流量由微流量泵控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 接收裝置為接地金屬材質(zhì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 接收裝置是平板接收，或是輥子接收，或是X-Y-Z運動工作臺接收。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置，其特征在于： 電壓加載方式改變?yōu)樵谌垠w噴頭上加載高壓正極或負極，在溶液噴頭上加載相反極性的高 壓電極，帶圈電極和接收裝置接地。
9. 采用權(quán)利要求2所述的一種制備多級超細纖維的組合靜電紡絲裝置進行紡絲的方 法，其操作步驟為：首先熔體塑化裝置向熔體噴頭供料，等熔體連續(xù)穩(wěn)定供給后，打開熔體 噴頭氣流輔助設(shè)備，接通與帶圈電極相連的靜電發(fā)生器的電源，使帶圈電極帶電，調(diào)節(jié)電 壓，使得熔體電紡射流產(chǎn)生，然后打開溶液噴頭連續(xù)供給裝置，并讓與溶液噴頭相連的另一 個高壓靜電發(fā)生器通電，多個溶液噴頭產(chǎn)生溶液電紡射流，多個溶液噴頭在電場力的作用 下向中心熔體電紡射流噴射，當(dāng)擺動的熔體射流和鞭動的溶液射流相遇后，溶液電紡的絲 與熔體電紡的絲粘附并纏繞后收集在接收裝置上。
【文檔編號】D01D5/00GK104088022SQ201410311919
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】李好義, 馬穆德, 楊衛(wèi)民, 陳宏波, 李小虎, 丁玉梅 申請人:北京化工大學(xué)