[发明专利]高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和方法

说明书

技术领域

本发明属静电纺纳米纤维毡领域，特别是涉及高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和制备方法。

背景技术

早在70年前，有人开始研究用静电纺丝方法制备纳米级纤维材料，目前已经可以制备出上百种聚合物纳米纤维。该方法工艺简单，操作方便，而且其纤维的直径比普通纺丝法所获得的纤维直径小100～1000倍，且具有巨大的比表面积和复杂的孔隙结构。这些独特的性能使得静电纺丝纤维材料具有广阔的应用前景，不仅可以用作高效的过滤材料，而且可以用于生物医学材料、化学传感器、防护材料、纳米复合材料等领域。

但是传统的静电纺丝方法一般采用单针头式静电纺丝装置，该方法生产效率很低，大约每小时产量为0.1～1.0克，远远不能满足工业化生产要求。近年来，为了提高静电纺丝生产效率，人们在纺丝装置和生产方法上作了一些研究。美国专利(US6616435B2、US6689374B2、US6713011B2、US6743273B2)设计了多喷头连续静电纺丝装置。中国专利(申请号200310109222.9，公开号CN1546753A)设计了共轴复合连续纳/微米纤维的多喷头静电纺丝装置。但是，在多喷头静电纺丝系统中，周边喷头喷射出的纳米纤维因受到相邻喷头喷射的带有同种电荷的纳米纤维的静电排斥，导致周边喷头喷出的纳米纤维飞散，并且影响了溶剂的挥发，因此目前多喷头静电纺丝装置喷针头排列都较稀疏，一般两相邻喷头相距10～20厘米，大大制约了产量的提高。

欧洲专利(WO2005024101)设计了一种无喷头纳米纤维纺丝机：将带电金属棒部分浸没在其下方的聚合物溶液中，通过金属棒的旋转汲取溶液并将溶液带出到金属棒的表面以形成Taylor锥，然后在静电场作用下拉伸成丝。但实验证明，当金属棒在聚合物溶液中旋转时，特别容易在金属棒表面形成一层聚合物膜，随着实验的进行，聚合物膜的厚度会变厚，严重影响纺丝的进行。因此，此种静电纺丝方法，对金属棒浸入纺丝液的深度、金属棒的转速和溶液浓度等工艺参数的设置要求苛刻，一旦条件达不到，在金属棒表面就不能形成Taylor锥，从而使纺丝难以进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置和方法，这种连续纳米纤维毡的制备方法生产效率高，适用于静电纺丝的规模化生产。

本发明的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，该装置是由溶解釜1、过滤器2、储液桶3、计量泵4、均匀分配器5、金属滚筒7、铝制筛网11、纤维接收网12、卷绕辊筒8、退绕辊筒9和溶液接收槽10组成，如图1所示。

所述均匀分配器是“T”型均匀分配器(图2)、衣架型均匀分配器(图3)，优选衣架型均匀分配器；

所述金属滚筒是沟槽式金属滚筒(图5)、角钉式金属滚筒(图6)，优选角钉式金属滚筒。

本发明中，溶解釜1、过滤器2、储液桶3、计量泵4、均匀分配器5组成供液系统；铝制筛网11、纤维接收网12、卷绕辊筒8、退绕辊筒9组成接收装置。

在溶解釜1中制得的聚合物纺丝溶液，经过滤器2过滤，进入储液桶3，然后由计量泵4输送至均匀分配器5。纺丝溶液经过均匀分配器5前端的喷孔6，溅射到旋转的金属滚筒7表面上。金属滚筒7连接高压静电发生器正极，铝制筛网11接地，在此高压静电场作用下，金属滚筒7上的液滴被拉伸，通过溶剂挥发成丝，沉积于纤维接收网12上形成纳米纤维毡。纤维接收网12在退绕滚筒9和卷绕滚筒8的作用下，可实现纳米纤维毡的连续接收。从金属滚筒7滴落的未成丝聚合物溶液由溶液接收槽10接收回用。

本发明的高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备方法，是通过高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置实现，其具体步骤包括：

(a)在溶解釜1中配制好合适浓度的聚合物纺丝液，经过滤器2后暂存于储液桶3中；

(b)将金属滚筒7与高压静电发生器的正极相连接并施加适当的静电压，将铝制筛网11接地；

(c)使金属滚筒7以适合的转速回转；

(d)启动计量泵4，纺丝液从储液桶3定量供给均匀分配器5，使纺丝液均匀分配给均匀分配器5前端的喷孔6，并由此溅射到旋转金属滚筒7表面上以形成Taylor锥；

(e)使卷绕滚筒8回转，驱动纤维接收网12运动，连续接收纳米纤维毡。

所述聚合物纺丝液是聚合物溶于溶剂或溶剂和添加剂混合物而形成的溶液，可以是多种聚合物纺丝液，其中聚合物可以是聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸类高分子、聚酸酐中的一种或者是两种或多种的共混物。