[发明专利]一种琴弦式静电纺丝装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种琴弦式静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

纳米纤维因其纤维直径细，比表面积大，孔隙率高等特性在当今世界有着广泛的应用。利用静电纺丝法制备纳米纤维简单易行且电纺纤维具有良好的可控性。然而传统的针孔式静电纺丝装置纺丝效率低，仅为300mg/h左右，同时针孔易堵塞，不利于静电纺丝的产业化发展。为此人们开始研究无针式静电纺丝装置，包括滚筒式、圆盘式、螺旋线式、内外锥面式等。该技术通过在宽阔的液体自由表面上施加高压电场产生多根泰勒锥，可极大地提高静电纺丝的产量。《一种气泡静电纺丝装置》(专利号CN201310693050)、《旋转纺丝电极》(专利号US8573959B2)、《静电纺丝装配》(专利号WO2010043002A1)等无针式静电纺丝装置虽然提高了电纺纤维的产量，但纺丝过程中，从宽阔的液面形成泰勒锥需要巨大的电场力，一般工作电压为80-200KV，容易引起电极间电弧放电或者空气击穿，也导致该过程较大的功率损耗。因此目前急需一种批量化生产纳米纤维的装置及方法，降低无针纺丝电压，实现纺丝过程安全可靠和较低能耗。

发明内容

本发明提出一种琴弦式静电纺丝装置及方法，利用纺丝弦的振动力和高压电场的静电力在纺丝线表面产生泰勒锥。由于振动力的作用，降低了产生泰勒锥所需的电压，从而降低了能耗，同时无针喷头的设计提高了电纺纤维的产量。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，主要包括纺丝弦、自动拨弦装置、接收极板、溶液池、伺服溶液供给系统和高压静电发生器。其中纺丝弦等间距排列于溶液池顶端，与溶液水平面保持-5mm至+14mm的距离，即距离溶液水平面上或下一段距离范围内，在这个范围内纺丝弦可由于振动在溶液水平面上下跳动，纺丝弦在溶液水平面下太深，纺丝弦跳动太低，电场力容易作用到溶液水平面上，纺丝弦在溶液水平面上太高，纺丝弦跳动时携带的溶液太少；自动拨弦装置由拨头、导轨、传动轮和传动带组成，置于纺丝弦上方；拨头由橡胶触头与凸轮组成，为螺纹连接，拨头等间距排列于导轨上，橡胶触头的尖端置于纺丝弦上3-6mm处；传动轮和传动带组成带轮传动系统，控制导轨和拨头产生旋转运动；接收极板置于溶液池上方4-30cm处。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，纺丝弦为导电金属丝，可以是钢、铜、金等导线，直径为0.1-1.6mm，具有一定的抗拉强度和弹性模量，同时长期使用不会生锈。根据弦振动公式通过控制纺丝弦的长度、线密度和张力可以控制纺丝弦的固有频率。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，自动拨弦装置由塑料等绝缘的材料制备，传动源为绝缘带轮间接远距离传动。橡胶触头需有一定的韧性，使之能拨动纺丝弦，同时不会在转动时被纺丝弦卡住。橡胶触头与凸台的螺纹连接保证了橡胶触头的互换性。通过控制橡胶触头的旋转速度、个数和间距可以控制纺丝弦振动时的频率、振幅和波长。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，接收极板接地或高压静电发生器负极，通过调节接收极板与纺丝弦间的距离可以得到不同直径和表面形态的电纺纤维。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，高压静电发生器正极与多条并行排列的纺丝弦相连，保证施加于并行排列的纺丝弦上的电压一致。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置，伺服溶液供给系统不断向溶液池供料，使液面始终与纺丝弦静止时保持一定距离。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置的使用方法的步骤为：第一步，配置聚合物溶液作为纺丝原料；第二步，纺丝时先开启带轮传动系统拨动纺丝弦，带轮传动系统控制导轨和拨头旋转，每旋转一周，橡胶触头拨动纺丝弦一次，使之产生上下振动；第三步，橡胶触头周期性的拨动使纺丝弦产生周期性的上下振动，形成三角函数的波；第四步，等波幅稳定后再开启高压静电发生器进行纺丝，同时开启伺服溶液供给系统，保证溶液池液面高度稳定；第五步，当纺丝弦的波峰越出液面时，纺丝弦上附着的溶液在高电场力和振动力的作用下形成泰勒锥，进而被电场力拉伸为溶液射流，射流在飞向接收极板的过程中溶剂不断挥发，最终射流固化成纳米纤维并被接收极板接收。

本发明一种琴弦式静电纺丝装置及方法。其有益效果为：

(1)纺丝时，纺丝弦作周期性的上下振动。在波峰处，振动力与电场力共同作用，促使泰勒锥更加容易生成，从而降低了需要产生泰勒锥的电场力，降低电压节约电能。

(2)与单根喷针式溶液静电纺丝装置，该无针式静电纺丝装置极大地提高了产量并消除了喷头易堵塞的现象。