[发明专利]一种制备纳米纤维的静电纺丝装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可制备纳米纤维的静电纺丝装置，属于纺织和新材料技术领域， 具体以一种喷液器喷射类似喇叭花形状的薄液膜，并在高压静电发生器、电极以及接收帘 等共同作用下该液膜顶端有多股射流产生并最终形成纳米纤维毡的装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种利用静电力使聚合物溶液或熔体产生射流并最终固化为纳 米纤维的技术。该技术的主要原理是首先使聚合物溶液或熔体形成表面弯曲的液滴、液柱 膜、气泡、火山口状隆起等，然后利用静电力作用从曲面顶端喷出射流。射流在电场力、表面 张力等作用下飞向负极板，期间被拉伸细化，溶剂蒸发，射流固化为纳米纤维并最终沉积在 接收板上，形成纳米纤维毡。由静电纺丝技术获得的纳米纤维直径从数十纳米到数微米不 等，其比表面积大，纤维间孔隙率高，已在纺织服装、环境工程、传感器、组织工程、药物缓 释、能源材料和催化等方面获得了广泛应用。

传统的静电纺丝装置多采用类似注射器针头大小的喷丝头，因此喷丝头顶端形成 的泰勒锥一般为直径约1毫米的小液滴。静电纺丝过程中小液滴顶端一般只喷射单根射流， 纳米纤维产量较低，约为0.01-0.3g／h(可见文献《Needlelesselectrospinning： influencesoffibregeneratorgeometry》(NiuH，WangX，LinT.TheJournalofthe TextileInstitute，103(7)，2012，787-794.))，不能满足工业化生产和应用对纳米纤维的 需求。因此，国内外许多研究人员和企业纷纷研制新型静电纺丝方法及装置。

目前，常用的可提高纳米纤维产量的静电纺丝装置包括多喷头静电纺丝装置、旋 转滚筒静电纺丝装置等。这些静电纺丝方法及装置可见文献《Experimental investigationsonthemulti-jetelectrospinningprocess》(A.Varesano， R.A.Carletto，andG.Mazzuchetti，，JMaterProcessTech，209(11)(2009)5178- 5185)、《Needlelesselectrospinning.I.Acomparisonofcylinderanddisk nozzles》(H.Niu，T.Lin，andX.Wang，，J.Appl.Polym.Sci.，114(6)(2009)3524-3530.)、 《平行排列多喷头静电纺丝机纺丝状态及纤维结构》(潘方良，查帅冲，潘志娟，丝绸[J]， 2012(1)，21-26.)和中国专利如CN200999274、CN101050550等，美国专利如US1975504、 US2011／0059261A1等，世界专利WO2012／077867A1和欧洲专利EP2557206等。这些方法仍存 在如设备复杂、成本高、技术不够完善、商业化生产困难等缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、设计合理、成本低且能够提高 纳米纤维产量的静电纺丝装置。该装置包括纺丝系统、供液系统、接收系统和传动系统四个 部分组成。其中纺丝系统包括喷液器、纺丝池、高压静电发生器、针式电极和平板电极组成， 供液系统由贮液池、送液泵、抽液泵和导管组成；接收系统包括接收帘、送帘辊和卷帘辊组 成；传动系统包括传动电机、带轮、轴承和导线组成。喷液器主要由喷液管和压嘴组成，下端 固定在纺丝池底部中心位置，且由导管与压液泵相连，压液泵另一端与贮液池相连。纺丝池 底部靠近壁端均匀分布有4个排液孔，排液孔由导管与抽液泵相连，抽液泵另一端与贮液池 相连。针状电极为若干根竖直的金属细针组成，这些金属细针根据纺丝池形状可排列成同 心圆形或矩阵形，安装在纺丝池底部，通过导线与高压静电发生器相连。平板电极固定在纺 丝池正上方一定距离处并通过导线与大地连接，在纺丝池和平板电极之间有一接收帘，接 收帘紧靠平板电极，由传动电机与送帘辊和卷帘辊相连。纺丝时首先将配置好的溶液装入 贮液池，通过送液泵将纺丝液压入喷液器，由于喷液器上压嘴的折射作用形成喇叭花形状 的薄液膜，类似传统静电纺丝的泰勒锥，在针状电极和平板电极间形成静电场，在静电力的 作用下液膜顶端有射流射出，飞向接收帘，期间射流中溶剂挥发，射流固化为纳米纤维，沉 积在接收帘上形成纳米纤维毡，经传动电机、送帘辊和卷帘辊使纳米纤维毡成卷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：