一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料是近十幾年來(lái)世界材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最重要的學(xué)術(shù)與技術(shù)活動(dòng)之一。靜電紡絲以其制造裝置簡(jiǎn)單、紡絲成本低廉、可紡物質(zhì)種類繁多、工藝可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)制備了種類豐富的納米纖維，包括有機(jī)、有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合和無(wú)機(jī)納米纖維。然而，傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)雖然可制備納米級(jí)纖維，但還難以開(kāi)發(fā)出具有柔韌性好、強(qiáng)度及取向度高的纖維，且靜電紡絲電壓存在極值點(diǎn)，超過(guò)該點(diǎn)后會(huì)發(fā)生射流擊穿的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了該法制備纖維直徑進(jìn)一步細(xì)化的可能，這也使靜電紡絲技術(shù)研究漸漸進(jìn)入瓶頸期，極大限制了它的發(fā)展。
[0003]超重力紡絲，也稱離心紡絲技術(shù)，是一種將聚合物溶液/熔體借助旋轉(zhuǎn)裝置中的超重力克服表面張力甩出，在溶劑揮發(fā)或熔體固化后形成纖維的方法。同現(xiàn)有的靜電紡絲相比，超重力紡絲所制成的纖網(wǎng)不但均勻性好且纖網(wǎng)的面密度也遠(yuǎn)高于低面密度的靜電紡纖網(wǎng)，且其依靠超重力紡絲，纖維制備效率極高，所制備纖維取向度高和強(qiáng)度好，但其制備纖維直徑較粗，對(duì)轉(zhuǎn)速要求高，還難以適應(yīng)當(dāng)前紡織工業(yè)對(duì)纖維直徑的需求。
[0004]超重力紡絲和靜電紡絲法各有優(yōu)點(diǎn)，如何結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)進(jìn)行紡絲已引起研究者們的注意，目前已有相關(guān)專利提及將兩者結(jié)合進(jìn)行紡絲的方法。中國(guó)專利201410050160.7，201010184068.1等提出溶液離心靜電紡絲法制備納米纖維的方法，采用將毛細(xì)管置于旋轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行離心的方式，這些方法均存在裝置復(fù)雜、毛細(xì)管易堵塞以及旋轉(zhuǎn)噴頭加電較為困難的問(wèn)題，且無(wú)法對(duì)聚合物熔體進(jìn)行加工，局限性明顯。如何通過(guò)結(jié)合超重力紡絲和靜電紡絲實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量納米纖維制備仍需人們進(jìn)一步探索。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置及方法，將旋轉(zhuǎn)噴頭與機(jī)頭分開(kāi)設(shè)計(jì)，利用導(dǎo)流管與機(jī)頭間隙作為流道，并將高壓靜電直接加在機(jī)頭與接收裝置之間，裝置簡(jiǎn)單，且解決了毛細(xì)管堵塞以及旋轉(zhuǎn)噴頭加電較為困難的問(wèn)題。本發(fā)明結(jié)合超重力技術(shù)特點(diǎn)與靜電紡絲優(yōu)勢(shì)，突破靜電紡絲電壓極值點(diǎn)的限制，引入超重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的進(jìn)一步細(xì)化，制備纖維效率及取向度極高，性能優(yōu)異。
[0006]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置，主要包括紡絲箱體、高壓靜電發(fā)生器、錐環(huán)形收集板、離心碟形噴頭、噴頭固定螺釘、熱電偶、軸承、機(jī)頭、供料裝置、電機(jī)支架、聯(lián)軸器、電機(jī)、氣動(dòng)管接頭、導(dǎo)流管、軸、機(jī)頭固定螺釘、加熱圈、隔熱圈和收集板絕緣支架等，其中離心碟形噴頭通過(guò)噴頭固定螺釘與軸連接固定，軸穿過(guò)導(dǎo)流管中心孔通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)連接，并通過(guò)兩對(duì)軸承保持噴頭軸中心位置固定，軸承外表面有隔熱圈與噴頭隔開(kāi)，避免軸承過(guò)熱，且可防止熔體流入軸承，電機(jī)固定在電機(jī)支架上，電機(jī)支架通過(guò)螺紋與箱體連接，導(dǎo)流管與機(jī)頭間隙配合，導(dǎo)流管上氣孔通過(guò)氣動(dòng)管接頭進(jìn)氣，導(dǎo)流管通過(guò)螺紋連接固定在箱體上，機(jī)頭通過(guò)機(jī)頭固定螺釘與箱體相連接固定，錐環(huán)型收集板連接高壓靜電發(fā)生器正極，機(jī)頭下邊緣接地。
[0007]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置，碟形噴頭通過(guò)其軸結(jié)構(gòu)與電機(jī)連接；碟形噴頭上半部為半球形結(jié)構(gòu)，一方面可以節(jié)省材料，適應(yīng)狹小的空間并減少多次旋轉(zhuǎn)造成的磨損，另一方面當(dāng)所用材料為高粘度材料時(shí)，可有效防止熔體由于爬桿效應(yīng)向上爬升流進(jìn)軸承孔，影響機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，碟形噴頭下半部錐形表面采用鍍石墨層處理，方便熱量可以快速?gòu)臋C(jī)頭傳導(dǎo)到噴頭上，錐型紡絲面傾角α可取10°?80°，當(dāng)紡絲過(guò)程中纖維線速度要求較高時(shí)，傾角α可選較小角度來(lái)增大噴頭半徑以實(shí)現(xiàn)線速度的提高；噴頭沿錐面方向設(shè)計(jì)有一圈溝槽微分結(jié)構(gòu)，聚合物溶液或熔體由導(dǎo)流管流至噴頭上后，在噴頭溝槽上被微分成若干股流體，并在噴頭末端面形成泰勒錐，在電壓增大導(dǎo)致泰勒錐破裂后形成多股螺旋線型射流，并在超重力、靜電力及氣流作用下被拉伸成纖，最終沉積在收集裝置上。
[0008]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置，導(dǎo)流管外表面與機(jī)頭中心孔內(nèi)表面間隙配合，形成一定間隙，聚合物熔體或溶液由機(jī)頭斜流道流至導(dǎo)流管表面后，在導(dǎo)流管與機(jī)頭內(nèi)孔表面形成的間隙流道內(nèi)流動(dòng)，導(dǎo)流管表面可設(shè)置螺旋線型槽或直線型槽進(jìn)行導(dǎo)流，這樣的設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)靜電紡絲毛細(xì)管易堵塞的問(wèn)題。導(dǎo)流管上有四組進(jìn)氣通孔，氣流從氣動(dòng)管接頭進(jìn)入通孔內(nèi)，氣流一方面可以起到冷卻作用，帶走熱量防止軸承受熱變形，且可防止高粘度熔體向上爬升，另一方面氣流可對(duì)熔體流進(jìn)行吹薄細(xì)化，且可通過(guò)氣流大小改變氣流力，使纖維在接收板上形成的纖維環(huán)寬度更大，增大一次纖維成形面積。
[0009]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置，接收裝置為錐環(huán)型接收板或接收網(wǎng)，其傾角β可隨噴頭傾角α變化在5°?75°之間選取，當(dāng)射流剛從噴頭飛出時(shí)，其受離心力、重力以及相互溶滴或熔體的粘附力作用，若靜電力與三者合力在一條直線上則對(duì)射流拉伸細(xì)化作用最強(qiáng)，三者合力與水平方向夾角約為α-5°內(nèi)，故選取錐環(huán)型接收板或接收網(wǎng)的傾角β在5°?75°，更有利于纖維的細(xì)化拉伸。
[0010]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置，該裝置使用方法一般步驟為:第一步，通過(guò)供料裝置對(duì)聚合物流體進(jìn)行計(jì)量，并將其輸送到導(dǎo)流管與機(jī)頭之間的間隙流道中；第二步，當(dāng)聚合物流體通過(guò)流道流至碟形噴頭上并在其上均布時(shí)，打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，聚合物流體在噴頭上形成泰勒錐；第三步，繼續(xù)增大高壓靜電發(fā)生器的電壓，泰勒錐發(fā)生破裂，形成多股射流后，打開(kāi)電機(jī)，射流在超重力場(chǎng)內(nèi)形成多股旋轉(zhuǎn)射流，開(kāi)啟空壓機(jī)使氣流通過(guò)導(dǎo)流管上進(jìn)氣通孔均勻吹向碟形噴頭，使射流進(jìn)一步吹薄細(xì)化；第四步，射流在超重力場(chǎng)中受離心力、靜電力、氣流及自身重力作用被拉伸細(xì)化，形成纖維，并沉積收集在錐環(huán)形收集板上。以上步驟為本裝置的一般使用方法，本裝置紡絲原料可為聚合物熔體或溶液。當(dāng)原料為熔體時(shí)，需通過(guò)熔融供料裝置對(duì)聚合物進(jìn)行熔融，并由加熱圈對(duì)機(jī)頭進(jìn)行加熱保溫；當(dāng)原料為溶液時(shí)，則無(wú)需上述加熱過(guò)程。
[0011]本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置及方法，引入超重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的進(jìn)一步細(xì)化，制備纖維效率及取向度極高，性能優(yōu)異；錐環(huán)型收集板連接高壓靜電發(fā)生器正極，機(jī)頭下邊緣接地，容易形成穩(wěn)定的靜電場(chǎng)；射流在超重力場(chǎng)中受離心力、靜電力、氣流及自身重力作用被拉伸細(xì)化，獲得的纖維直徑更小。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置的剖視圖。
[0013]圖2是本發(fā)明一種超重力聚合物微分靜電紡絲裝置的紡絲部件放大視圖。
[0014]圖中:1-紡絲箱體