[发明专利]一种高效制备纳米纤维的静电纺装置及方法

说明书

本发明公开了一种高效制备纳米纤维的静电纺装置及方法，包括：收集系统；笼状喷丝器；旋转动力系统；恒温储料槽；供料系统；高压发生器；温度控制系统。笼状喷丝器边缘固定有金属丝/棒，在旋转动力系统带动下转过恒温储料槽，浸润后金属丝/棒附着纺丝溶液或熔体，露出储料槽液面后继续转动过程中，金属丝/棒上的纺丝溶液或熔体在高压电场作用下被拉伸形成射流，收集系统接收射流堆积成纳米纤维。本装置及方法采用金属丝/棒瞬间同时产生射流，大大提高效率，既可以用于溶液电纺又可用于熔体电纺，扩大了制备纳米纤维材料范围。

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其是一种高效制备纳米纤维的静电纺丝装置及方法。

背景技术

自1934年，Formhals首次提出聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维纤维细丝。虽然能制备纳米纤维，但由于纺丝效率低而应用受到限制，为了提高效率，科研界和工业界大多在针头数量、接收装置类型及运动方式、无针头方式展开研究和开发。针头数量增加以后，在一定程度上可以提高纺丝效率，但针头与针头之间会产生静电干扰，容易引起射流不稳定，而且针头数量过多，清洗堵塞的针头工作量也大。有的无针电纺是通过机械运动将纺丝液附着到纺丝头上形成射流（动态无针电纺）；需要射流喷射完后，才进行下一次附着纺丝液，周而复始；有的无针电纺是借助重力、磁力、气体压力使纺丝液表面形成刺突状以便能在高压下产生射流（静态无针电纺），这就使得结构复杂起来，需要更多零部件。

发明内容

为了克服现有制备纳米纤维的静电纺丝中多针头堵塞、针头间静电干扰、效率低，本发明提供一种高效制备纳米纤维的装置及方法，所述装置及方法原理是：笼状喷丝器两侧边缘分布金属丝/棒，金属丝/棒平行于笼状喷丝器中轴，在转动过程中，金属丝/棒转过恒温储料槽，浸润后附着纺丝液，加有高压电的金属丝/棒在转出储液槽后瞬间同时产生泰勒锥射流，喷向收集系统堆积成纳米纤维。相比动态无针电纺，整根金属丝上的射流瞬间同时产生，效率更高；相比静态无针电纺，装置部件更简单，生产成本更低，产业化更有优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效制备纳米纤维的静电纺装置，包括：收集系统；笼状喷丝器；旋转动力系统；恒温储料槽；供料系统；高压发生器；温度控制系统。所述收集系统相对放置于笼状喷丝器。所述笼状喷丝器不限于圆形滚筒状，且中轴居中垂直横跨固定于恒温储料槽侧板上。所述旋转动力系统固定于恒温储料槽一侧板上，并与笼状喷丝器中轴的一端连接。所述恒温储料槽开口朝向收集系统，用于固定旋转动力系统的侧板高于相对侧板。所述供料系统通过恒温储料槽一侧板管道向恒温储料槽供料。所述高压发生器通过金属线与笼状喷丝器连接。所述温度控制系统固定于恒温储料槽上。

更优地，显然不限于以下技术方案，所述收集系统为相对笼状喷丝器方向平移收集纳米纤维，接收距离1～80cm可调。所述笼状喷丝器两侧由若干根金属丝/棒组成，并两两平行固定于两侧，金属丝/棒直径0.01～8mm，金属丝/棒长度0.01～8m,金属丝/棒分布数量最少2根。所述旋转动力系统提供转速范围1～9000rpm。所述恒温储料槽液面至少能覆盖一根金属丝/棒。供料系统，对于聚合物溶液，由进样液泵供料；对于聚合物熔体，由螺杆机构旋转推进供料。高压发生器提供直流高压1～100KV或交流高压，峰值1～100KV。温度控制系统范围1～1000℃。

对应溶液静电纺，用所述的高效静电纺装置来制备纳米纤维的方法，包括步骤1：配制某一浓度的纺丝溶液，供料系统向恒温储料槽提供配置好的纺丝液，至少能覆盖一根金属丝/棒；步骤2：调节收集系统平面到笼状喷丝器的距离；步骤3：调高压发生器提供直流高压电场，至金属丝/棒上的形成泰勒锥射流；步骤4：调节旋转动力系统使笼状喷丝器转动；步骤5：待收集系统能收集到纳米纤维，调节进样泵流速保持供料。