[发明专利]一种双圆环状狭缝式静电纺丝装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米静电纺丝和纺织机械技术领域，特别涉及一种双圆环状狭缝式静电纺丝装置及方法。

背景技术

静电纺丝技术是制备纳米纤维材料的有效方法之一，由于其装置简单、操作方便和纳米纤维制品可调控等优点，一直以来，备受研究工作者的青睐。现阶段，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。与传统纤维材料相比，纳米纤维材料展示出非常优异的特性，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，因此纳米纤维材料的应用领域也非常广泛，如过滤材料、组织工程支架材料、医用敷料材料和防护材料等。纳米纤维材料已成为纺织功能材料中的后起之秀，市场潜力巨大，也必将会具有更为广阔的应用前景。

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。

利用传统单针头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大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞不便清理的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。当前对于静电纺丝纳米纤维批量化制备的装置也有一些报道。中国专利ZL 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空气在高聚物自由液面形成气泡产生射流，这种方法可以提高纳米纤维的产量，但是气泡形成的射流在纺丝过程中易出现不稳定的问题，同时敞口的高聚物自由液面溶剂极易挥发；中国专利ZL 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，但最大缺点是伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会严重影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质；中国专利ZL 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，但还是有针头容易堵塞的缺点，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。为此，发明一种既能够形成多射流又能避免溶剂大量挥发和实现溶液充分利用的静电纺丝喷头及装置尤为必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前无针式静电纺丝过程中溶剂容易大量挥发，溶液利用不充分，纳米纤维产量低及最终纳米纤维产品结构无取向等。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种双圆环状狭缝式静电纺丝装置，其特征在于，包括供液系统、双圆环状狭缝式喷头系统及纳米纤维收集系统，所述供液系统包括与微量注射泵连接的注射器；所述双圆环状狭缝式喷头系统包括由内至外依次嵌套的内环、内芯及外环，外环外设有外壳，注射器通过输液管与内芯连通，输液管依次通过内芯底部中心的微孔、内芯内部的微小通道与位于内环与外环之间的狭缝连通；外壳通过金属导线与高压静电发生器连接；所述纳米纤维收集系统包括用于收集纳米纤维的金属辊筒，金属辊筒连接调速电机。

优选地，所述外壳设有用于安装金属导线的小孔，金属导线的一端穿过外壳与外环相接触，另一端与高压静电发生器的正极连接。

更优选地，所述金属导线穿过外壳与外环相接触的一段采用导电铜丝；所述外壳外壁由上到下1mm-8mm处设有一直径为1mm-5mm的小孔，导电铜丝穿设于该小孔内。

优选地，所述外壳、内芯和输液管的材质均为聚四氟乙烯材料；所述外环和内环材质均为金属铜材料。

优选地，所述外壳的高度为30mm-100mm，直径为30mm-80mm；所述外环的高度为20mm-50mm，直径为28mm-78mm，厚度为1mm-5mm；所述内环的高度为20mm-50mm，直径26mm-76为mm，厚度为1mm-5mm；所述内芯的高度为30mm-100mm，直径为25mm-75mm；所述内芯底部中心的微孔的直径为2mm-4mm，内芯内微小通道的直径为2mm-4mm；所述输液管的直径为1mm-5mm，长度为300mm-700mm；所述内环与外环之间的狭缝的宽度为0.1mm-1mm。