一种刷式静电纺丝装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种刷式静电纺丝装置及其使用方法。所述装置包括纺丝喷头、纺丝刷头、供液装置、高压发生器及纤维接收装置。使用方法为：开启纤维接收装置、供液装置并设置供液流速、高压发生器、纺丝刷头，使其在纺丝喷头上作往复运动，纺丝刷头内的纺丝液进入纺丝喷头内；进入纺丝喷头的纺丝液表面在高压发生器的高压静电场作用下形成射流飞向纤维接收装置；射流中的溶剂挥发后，拉伸固化并沉积在纤维接收装置上形成纳米纤维。本发明专利技术采用纺丝刷头在纺丝喷头上往复刷液的供液方式可以即时对喷头进行供液，喷头即时纺丝，减少高聚物纺丝液的浪费，保证纺丝的连续性和纺丝液浓度的稳定性，继而可实现高质量窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备。

A Brush Electrospinning Device and Its Application

【技术实现步骤摘要】
一种刷式静电纺丝装置及其使用方法
本专利技术涉及一种刷式静电纺丝装置及其使用方法，属于纳米纤维和纺织机械

技术介绍
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。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的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所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，静电纺丝加工技术就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。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。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应用时大批量的需求，此外单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。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，但在机理上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。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发，纺丝方向受限；中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这种方法可以实现纳米纤维的批量化制备，但伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质，并且自由液面边缘溶液曲率不可调控；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。现有专利也公开有系列涂刷式静电纺丝喷头，这些喷头依然存在对出丝点的纺丝液聚集状态无约束，电场设计单一，纤维直径控制性不佳等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：目前静电纺丝喷头表面纺丝液形貌无约束，待纺纺丝液易挥发固化，长时间纺丝易“拉丝”的问题，减少高聚物纺丝液的浪费，实现高质量窄分布亚微米纤维、纳米纤维的大批量制备。本专利技术解决上述技术问题的所采用的技术方案是：一种刷式静电纺丝装置，其特征在于，包括：用于接收纺丝液、并喷出纺丝液射流的纺丝喷头；在纺丝喷头上作往复运动、用于涂刷纺丝液的纺丝刷头；为纺丝刷头供液的供液装置；用于产生纺丝电压的高压发生器；用于接收纺丝的纤维接收装置。优选地，所述纺丝喷头采用金属材质的纺丝刀头，其形状为条状，其横截面为下部矩形，上部设有多个等距离分布的等腰三角形，纺丝刀头的喷口设于等腰三角形的顶部；纺丝刀头与高压发生器的正极相连；纺丝刀头的相邻喷口之间设有聚四氟乙烯材质的纺丝液形貌约束块一，两侧喷口的外侧分别设有纺丝液形貌约束块二、纺丝液形貌约束块三。纺丝液形貌约束块将纺丝液集聚在纺丝刀头上，同时集聚最强的射流激发电场。更优选地，所述纺丝液形貌约束块一，两侧喷口的外侧分别设有纺丝液形貌约束块二、纺丝液形貌约束块三的表面为圆弧面，任意一个纺丝液形貌约束块相邻的等腰三角形的腰线位于其半径上，且该圆弧面的半径为30-500mm。更优选地，所述等腰三角形的底边为2-10mm，高为6-30mm；相邻等腰三角形的间距为20-100mm；矩形的长度为100-3000mm，宽度为12-60mm且其宽度比两侧等腰三角形向外侧各延伸100-150mm，矩形的四个角均有半径10mm的圆角。优选地，所述纺丝刷头的上部为储液槽，下部为多个倒三角状截面的漏液口，其与纺丝刀头的喷口一一对应，漏液口柔性包覆纺丝刀头的喷口；纺丝刷头作往复运动的移动速度为0-10m/s，其运动由PLC控制，可无极变速；供液装置采用蠕动泵，用于调节向纺丝刷头中注入的纺丝液流量。更优选地，所述储液槽的材质为亚克力，漏液口的材质为橡胶。优选地，所述高压发生器的电压调节范围为0-100kV。优选地，所述纤维接收装置包括有电机驱动的金属滚筒，金属滚筒接地或与高压发生器的负极相连；电机转速的可调范围为0-100r/min。更优选地，所述金属滚筒的直径为80mm-1200mm。本专利技术还提供了上述刷式静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：调整纤维接收装置与纺丝喷头之间的距离，然后开启纤维接收装置；步骤2)：开启供液装置并设置供液流速；步骤3)：开启高压发生器，缓慢增加电压至所需纺丝电压；步骤4)：开启纺丝刷头，使其在纺丝喷头上作往复运动，纺丝刷头内的纺丝液进入纺丝喷头内；步骤5)：进入纺丝喷头的纺丝液表面在高压发生器的高压静电场作用下形成射流飞向纤维接收装置；步骤6)：射流中的溶剂挥发后，拉伸固化并沉积在纤维接收装置上形成纳米纤维。本专利技术采用纺丝刷头在纺丝喷头上往复刷液的供液方式即时对喷头进行供液，喷头即时纺丝，减少高聚物纺丝液的浪费，保证纺丝的连续性和纺丝液浓度的稳定性，继而可实现高质量窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备，该技术简单易行，在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。附图说明图1为本专利技术提供的刷式静电纺丝装置纺丝时的示意图；图2为纺丝刷头刷液时的结构示意图；图3为纺丝刷头刷液时的截面示意图；图4为纺丝喷头的结构示意图；图5为纺丝喷头的截面示意图；图6为纺丝刀头的结构示意图；图7为纺丝刀头的截面示意图。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。如图1-7所示，为实施例1-3提供的刷式静电纺丝装置，其包括：用于接收纺丝液、并喷出纺丝液射流的纺丝喷头；在纺丝喷头上作往复运动、用于涂刷纺丝液的纺丝刷头12；为纺丝刷头12供液的供液装置；用于产生纺丝电压的高压发生器1；用于接收纺丝的纤维接收装置。所述纺丝喷头采用金属材质的纺丝刀头10，其形状为条状，其横截面为下部矩形，上部设有多个等距离分布的等腰三角形，纺丝刀头10的喷口设于等腰三角形的顶部；纺丝刀头10与高压发生器1的正极相连；纺丝刀头10的相邻喷口之间设有聚四氟乙烯材质的纺丝液形貌约束块一11，两侧喷口的外侧分别设有纺丝液形貌约束块二2、纺丝液形貌约束块三9。纺丝液形貌约束块一11，两侧喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刷式静电纺丝装置，其特征在于，包括：用于接收纺丝液、并喷出纺丝液射流的纺丝喷头；在纺丝喷头上作往复运动、用于涂刷纺丝液的纺丝刷头(12)；为纺丝刷头(12)供液的供液装置；用于产生纺丝电压的高压发生器(1)；用于接收纺丝的纤维接收装置。

【技术特征摘要】
1.一种刷式静电纺丝装置，其特征在于，包括：用于接收纺丝液、并喷出纺丝液射流的纺丝喷头；在纺丝喷头上作往复运动、用于涂刷纺丝液的纺丝刷头(12)；为纺丝刷头(12)供液的供液装置；用于产生纺丝电压的高压发生器(1)；用于接收纺丝的纤维接收装置。2.如权利要求1所述的刷式静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝喷头采用金属材质的纺丝刀头(10)，其形状为条状，其横截面为下部矩形，上部设有多个等距离分布的等腰三角形，纺丝刀头(10)的喷口设于等腰三角形的顶部；纺丝刀头(10)与高压发生器(1)的正极相连；纺丝刀头(10)的相邻喷口之间设有聚四氟乙烯材质的纺丝液形貌约束块一(11)，两侧喷口的外侧分别设有纺丝液形貌约束块二(2)、纺丝液形貌约束块三(9)。3.如权利要求2所述的刷式静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝液形貌约束块一(11)，两侧喷口的外侧分别设有纺丝液形貌约束块二(2)、纺丝液形貌约束块三(9)的表面为圆弧面，任意一个纺丝液形貌约束块相邻的等腰三角形的腰线位于其半径上，且该圆弧面的半径为30-500mm。4.如权利要求2所述的刷式静电纺丝装置，其特征在于，所述等腰三角形的底边为2-10mm，高为6-30mm；相邻等腰三角形的间距为20-100mm；矩形的长度为100-3000mm，宽度为12-60mm且其宽度比两侧等腰三角形向外侧各延伸100-150mm，矩形的四个角均有半径10mm的圆角。5.如权利要求1所述的刷式静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝刷头(12)的上部为储液槽，下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣武，
申请(专利权)人：南通顶誉纺织机械科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32