一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法，其裝置主要包括旋轉(zhuǎn)噴頭、接收板、凹型支架、毛刷供料系統(tǒng)、擋板、電機和靜電發(fā)生器，凹型支架由凹型槽和支撐軸承組成，旋轉(zhuǎn)噴頭置于支撐軸承上；毛刷供料系統(tǒng)由毛刷、注射腔和微流量計量泵組成，毛刷尖端直線與旋轉(zhuǎn)噴頭軸心線平行，且毛刷與旋轉(zhuǎn)噴頭接觸；擋板置于凹型槽上，其上圓柱形刮片與旋轉(zhuǎn)噴頭相距一定距離；電機通過帶傳動控制旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動；接收板置于旋轉(zhuǎn)噴頭上端；靜電發(fā)生器高壓輸出端連接支撐軸承，靜電發(fā)生器接地端和接收板同時接地；接收板由導(dǎo)電金屬制成。本發(fā)明方法中紡絲溶液通過毛刷被均勻地刷到旋轉(zhuǎn)噴頭上，形成厚度可控溶液膜，毛刷結(jié)構(gòu)克服噴頭式易堵塞現(xiàn)象。
【專利說明】一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 納米纖維氈直徑小，孔隙率高，比表面積大，因此可被應(yīng)用于空氣過濾、水處理、 鋰電池隔膜等眾多領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)針孔式靜電紡絲裝置在產(chǎn)業(yè)化道路上有兩大瓶頸。一 是持續(xù)紡絲時針孔易堵塞，需要定時清理，耗時耗力。二是單針孔紡絲效率極低，僅為 100-1000mg/h。而多針孔紡絲裝置流道設(shè)計復(fù)雜，設(shè)備成本較高。無針式靜電紡絲裝置為 近年來靜電紡絲領(lǐng)域的研究熱點，研究者們先后提出滾筒式、圓盤式、螺旋線式、錐面式、線 型式紡絲噴頭。近年來專利包括《螺旋葉片納米纖維發(fā)生器及靜電螺旋紡絲裝置》（申請?zhí)?20102065002L 5)、《一種直線型高效靜電紡絲噴頭》（申請?zhí)?01220629729. 1)、《一種線性 射流無噴頭式靜電紡絲裝置》（申請?zhí)?01310596562. 2)等。這類裝置一般是利用噴頭的 旋轉(zhuǎn)或熔體在圓面的流動附著等供料方式形成溶液或熔體自由表面，在靜電場的作用下溶 液或熔體自由表面形成多個泰勒錐，最后泰勒錐被電場力拉伸為超細(xì)纖維。然而這類供料 方式無法精確控制溶液自由表面膜的厚度和均勻性。同時，這類供料方式的溶液池一般為 開放狀態(tài)，紡絲時池中溶液迅速揮發(fā)，會影響紡絲溶液的濃度和紡絲纖維的均勻性。因此目 前急需一種精確控制溶液膜厚度的封閉型供料方式的靜電紡絲裝置及方法，以實現(xiàn)納米纖 維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法，利用毛刷在噴頭上的旋轉(zhuǎn) 運動，將溶液均勻地刷到噴頭上，通過調(diào)節(jié)毛刷和擋板與噴頭的距離，實現(xiàn)溶液膜厚度的可 控性同時防止了溶液的揮發(fā)。
[0004] 實現(xiàn)上述目的的方案是，一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，主要包括旋轉(zhuǎn)噴頭、 接收板、凹型支架、毛刷供料系統(tǒng)、擋板、電機和靜電發(fā)生器。其中凹型支架由凹型槽和支撐 軸承組成，旋轉(zhuǎn)噴頭置于支撐軸承上；毛刷供料系統(tǒng)由毛刷、注射腔和微流量計量泵組成。 毛刷尖端直線與旋轉(zhuǎn)噴頭軸心線平行，且毛刷與旋轉(zhuǎn)噴頭接觸；擋板置于凹型槽上，其上圓 柱形刮片與旋轉(zhuǎn)噴頭相距一定距離，一般可選0. 3-lmm ;電機通過帶傳動控制旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn) 行旋轉(zhuǎn)運動；接收板置于旋轉(zhuǎn)噴頭上端，保持接收距離為10_40mm ;靜電發(fā)生器高壓輸出端 連接支撐軸承，靜電發(fā)生器接地端和接收板同時接地。
[0005] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中旋轉(zhuǎn)噴頭可為滾筒式或螺旋線 式，并由鋼、銅等導(dǎo)電金屬制成，當(dāng)旋轉(zhuǎn)噴頭為滾筒式時，滾筒中部可為空心或?qū)嵭?。旋轉(zhuǎn)噴 頭直徑為100-500mm，長為100-1000mm，當(dāng)旋轉(zhuǎn)噴頭為螺旋線式時，螺旋線直徑為3-10mm， 并保證一定的強度和剛度。
[0006] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中接收板由鋼、銅等導(dǎo)電金屬制成， 接收面為邊長大于旋轉(zhuǎn)噴頭長度100-300mm的正方形，通過調(diào)節(jié)接收板與旋轉(zhuǎn)噴頭的間距 可以得到不同直徑和表面形態(tài)的電紡纖維。
[0007] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中凹型槽內(nèi)徑比旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)徑大 1-5_，以便收集從旋轉(zhuǎn)噴頭上滴落的溶液，防止溶液滴落在容器外面。
[0008] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中支撐軸承內(nèi)徑為10-30_，靜電發(fā) 生器正極與支撐軸承相連。
[0009] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中毛刷由動植物纖維或化纖制成， 具有一定的強度和彈性，可抵抗紡絲溶液的腐蝕。毛刷的刷毛頂端直線長度略小于旋轉(zhuǎn)噴 頭長度，紡絲時，刷毛頂端與旋轉(zhuǎn)噴頭緊密接觸。
[0010] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中注射腔由有機玻璃制成，其上有 刻度，可精確控制溶液的使用量。
[0011] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中微流量計量泵控制紡絲溶液的供 料速率，實現(xiàn)微流量供料。
[0012] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其中擋板頂端為圓柱形結(jié)構(gòu)，過厚溶 液膜滑過擋板時被掛下來，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噴頭上溶液膜最大厚度的可控性。
[0013] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其使用方法步驟為：先配置好紡絲溶 液，并注入注射腔中；然后調(diào)節(jié)好擋板與旋轉(zhuǎn)噴頭的間距；紡絲時，開啟電機帶動旋轉(zhuǎn)噴頭 轉(zhuǎn)動，再開啟微流量計量泵；此時紡絲溶液通過毛刷被均勻地刷到旋轉(zhuǎn)噴頭上，形成一層厚 度可控的溶液膜；最后開啟靜電發(fā)生器，溶液膜表面在高壓電場的作用下于旋轉(zhuǎn)噴頭上形 成眾多泰勒錐；溶液射流從泰勒錐中噴出，被接收板接收，形成納米纖維。
[0014] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法，其有益效果為：
[0015] (1)與針孔式靜電紡絲裝置相比，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，同時成倍地提高了產(chǎn)量并消除 了針孔噴頭易堵塞的現(xiàn)象。
[0016] (2)與溶液附著式供料系統(tǒng)相比，該裝置可精確控制溶液膜厚度，同時防止溶液的 揮發(fā)，實現(xiàn)了電紡纖維直徑的均勻性。
[0017] (3)本發(fā)明裝置及方法使用簡單，且具有模塊化擴展性，能用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)或?qū)嶒?室研究等各個領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2是圖1所示本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置的凹型支架和毛刷供料 系統(tǒng)不意圖。
[0020] 圖3是圖1本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置的擋板示意圖。
[0021] 圖中：1-旋轉(zhuǎn)噴頭，2-接收板，3-凹型支架，4-毛刷供料系統(tǒng)，5-擋板，6-電機， 7_靜電發(fā)生器，8-毛刷，9-注射腔，10-微流量計量泵，11-凹型槽，12-支撐軸承。

【具體實施方式】
[0022] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法，如圖1所示，裝置主要包括旋 轉(zhuǎn)噴頭1、接收板2、凹型支架3、毛刷供料系統(tǒng)4、擋板5、電機6和靜電發(fā)生器7。其中凹型 支架3由凹型槽11和支撐軸承12組成，旋轉(zhuǎn)噴頭1置于支撐軸承12上；毛刷供料系統(tǒng)4 由毛刷8、注射腔9和微流量計量泵10組成。毛刷8尖端直線與旋轉(zhuǎn)噴頭1軸心線平行， 且毛刷8與旋轉(zhuǎn)噴頭1接觸；擋板5置于凹型槽11上，其上圓柱形刮片與旋轉(zhuǎn)噴頭1相距 0. 3-1_ ;電機6通過帶傳動控制旋轉(zhuǎn)噴頭1進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動；接收板2置于旋轉(zhuǎn)噴頭1上端， 保持接收距離為10-40_ ;靜電發(fā)生器7高壓輸出端連接支撐軸承12,靜電發(fā)生器7接地端 和接收板2同時接地。
[0023] 本發(fā)明一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置及方法，其使用方法步驟為：先將配制 好的紡絲溶液注入注射腔9中。然后調(diào)節(jié)好擋板5與旋轉(zhuǎn)噴頭1的間距。紡絲時，開啟電 機6帶動旋轉(zhuǎn)噴頭1轉(zhuǎn)動，再開啟微流量計量泵10。此時紡絲溶液通過毛刷8被刷到旋轉(zhuǎn) 噴頭1上，形成一層很薄的溶液膜。而擋板可將部分過厚的溶液從旋轉(zhuǎn)噴頭上刮入凹形槽 中，保證溶液膜的均勻度。最后開啟靜電發(fā)生器7,溶液膜表面在高壓電場的作用下于旋轉(zhuǎn) 噴頭1上形成眾多泰勒錐。溶液射流從泰勒錐中噴出，最終被接收板接收，形成納米纖維。
[0024] 本發(fā)明的一個具體實施例，如圖1所示，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的完全醇解聚乙烯 醇（PVA1699)溶液。旋轉(zhuǎn)噴頭為滾筒式，直徑200mm，長400mm，電機轉(zhuǎn)速為20r/min，擋板與 旋轉(zhuǎn)噴頭間距為1mm，接收板和旋轉(zhuǎn)噴頭頂端間距為15mm，靜電發(fā)生器電壓90KV，微流量計 量泵供料速度為120g/h。最后得電紡纖維直徑為100-500nm之間，直徑分布均勻。
【權(quán)利要求】
1. 一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：主要包括旋轉(zhuǎn)噴頭、接收板、凹型 支架、毛刷供料系統(tǒng)、擋板、電機和靜電發(fā)生器，凹型支架由凹型槽和支撐軸承組成，旋轉(zhuǎn)噴 頭置于支撐軸承上；毛刷供料系統(tǒng)由毛刷、注射腔和微流量計量泵組成，毛刷尖端直線與旋 轉(zhuǎn)噴頭軸心線平行，且毛刷與旋轉(zhuǎn)噴頭接觸；擋板置于凹型槽上，其上圓柱形刮片與旋轉(zhuǎn) 噴頭相距一定距離；電機通過帶傳動控制旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動；接收板置于旋轉(zhuǎn)噴頭上 端；靜電發(fā)生器高壓輸出端連接支撐軸承，靜電發(fā)生器接地端和接收板同時接地；接收板 由導(dǎo)電金屬制成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：圓柱形刮 片與旋轉(zhuǎn)噴頭相距一定距離為〇. 3-lmm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：接收板置 于旋轉(zhuǎn)嗔頭上纟而，保持接收距尚為l〇_40mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：旋轉(zhuǎn)噴頭 為滾筒式或螺旋線式，并由導(dǎo)電金屬制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：旋轉(zhuǎn)噴頭 為滾筒式，滾筒中部可為空心或?qū)嵭?，旋轉(zhuǎn)噴頭直徑為100-500mm，長為100-1000mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：旋轉(zhuǎn)噴頭 為螺旋線，螺旋線直徑為3-10mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：凹型槽內(nèi) 徑比旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)徑大l-5mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：支撐軸承 內(nèi)徑為l〇-30mm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置，其特征在于：毛刷由動 植物纖維或化纖制成，具有一定的強度和彈性及抵抗紡絲溶液的腐蝕，毛刷的刷毛頂端直 線長度略小于旋轉(zhuǎn)噴頭長度，刷毛頂端與旋轉(zhuǎn)噴頭緊密接觸。
10. 采用權(quán)利要求1所述的一種毛刷供料式無針靜電紡絲裝置進(jìn)行紡絲的方法，其特 征在于：先配置好紡絲溶液，并注入注射腔中；然后調(diào)節(jié)好擋板與旋轉(zhuǎn)噴頭的間距；紡絲 時，開啟電機帶動旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)動，再開啟微流量計量泵；此時紡絲溶液通過毛刷被均勻地刷 到旋轉(zhuǎn)噴頭上，形成一層厚度可控的溶液膜；最后開啟靜電發(fā)生器，溶液膜表面在高壓電場 的作用下于旋轉(zhuǎn)噴頭上形成眾多泰勒錐；溶液射流從泰勒錐中噴出，被接收板接收，形成納 米纖維。
【文檔編號】D01D13/00GK104120499SQ201410359797
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】楊衛(wèi)民, 吳衛(wèi)逢, 李好義, 何雪濤, 丁玉梅 申請人:北京化工大學(xué)