[发明专利]一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法

说明书

本发明涉及一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法，所述静电纺丝甬道气氛控制装置包括甬道体和多组气流输入输出头。甬道体分为射流稳定段甬道体和射流不稳定段甬道体，针对两段甬道体分别采用不同的气流运输方式。本发明采用了多组气流输入输出头，使可控温度湿度的各种组分气体以一定流速和方向在甬道中运动，实现在射流稳定段甬道体中稳定射流温湿度环境，在射流不稳定段甬道体中辅助射流拉伸细化。该技术简单易行，提高了静电纺丝过程特别是多射流产业化静电纺丝的可控性，方便设计纤维形貌，控制纤维细度及其分布。

技术领域

本发明属于纳米纤维和纺织机械技术领域，特别涉及一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法。

背景技术

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，纳米纤维材料在高效过滤、生物医用、智能传感、能源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一次只产生一根或几根射流，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的问题，严重影响纺丝过程的顺利进行。无针式静电纺丝装置用更大的自由液面替代了针头约束下的毛细管液面状态。国内外研究学者设计了多种无针式静电纺丝喷头，实现了同时产生数百根上千根射流的同时激发和拉伸。这些装置的出现大大提高了静电纺丝生产纳米纤维的产量。

单针头静电纺丝装置产量小，射流又是一根接着一根拉伸，空间中溶剂的逸散相对容易，所以这类装置基本没有配备气体环境控制装置。然而绝大部分静电纺丝过程使用的有机溶剂都具有易燃易爆的属性，而且在溶液静电纺丝过程中，纺丝液中80％-95％都是溶剂。这些溶剂的直排将会直接污染环境。发展到无针式多射流静电纺丝阶段，溶剂的挥发量更是指数性地增长，空间中溶剂的自发逸散过程变得困难。连续生产状态下，来不及逸散的溶剂直接影响纺丝的稳定进行。此外，纺丝环境气氛的化学成分、温湿度、分布、运动状态都交互影响着最终纤维的形貌，尺寸和质量。目前国内外尚未有针对静电纺丝甬道设计的报导。现有的化纤纺丝甬道装置由于其生产过程不同，并不适用于静电纺丝多阶段拉伸细化要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法，解决目前批量静电纺丝过程中纺丝空间溶剂含量波动大，溶剂逸散无组织，环境气氛种类单一，温度、湿度不稳定等问题，实现静电纺丝特别是大批量静电纺丝的环境调控，进而实现亚微米纤维和纳米纤维的尺寸及纤维直径分布的有效控制及电纺纤维的形貌设计。

本发明为解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种静电纺丝甬道气氛控制装置，包括甬道体以及多组气流输入头和气流输出头，甬道体为中空圆柱体，气流输入头和气流输出头安装在甬道体上。

进一步，甬道体分为射流稳定段甬道体和射流不稳定段甬道体。