專利名稱：一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及靜電紡絲技術，具體為一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置。
背景技術：
靜電紡絲技術是一種利用靜電場力生產納米纖維材料的技術，近年來在國內外得到了廣泛的研究。其主要工藝原理是在高壓靜電場作用下，處于毛細管口的懸垂小液滴在靜電力作用下頂端發出微細射流，射流在向接收裝置飛行過程中，溶劑揮發，固化成纖維。靜電紡絲技術分為針頭式和無針頭式兩大類。多針頭或多噴嘴靜電紡技術是利用毛細管來進行靜電紡絲的方法，被認為是實現規模化納米纖維材料生產的有效方法。該技術的一個代表是W02007035011所述的靜電紡絲方法，該方法共設有噴嘴38880個。針頭式靜電紡所得纖維具有細度較細、產品均勻的優點，但是多針頭或多噴嘴靜電紡過程中會出現嚴重的“邊緣效應(End effect)”現象，就是由于同排多針頭之間的靜電場相互疊加作用導致兩側 的針頭或噴嘴出來的射流會向兩側嚴重傾斜，使接收裝置只能接收到中間的部分纖維，導致靜電紡絲效率和產量大打折扣，結果是多針頭或多噴頭靜電紡并不能如人們所愿達到預期的產率。此外，針頭式靜電紡還存在針頭易堵塞、難清理、易造成產品結構不勻、質量惡化等問題。相比針頭式靜電紡而言，無針頭式靜電紡具有產量高、易操作，不存在針頭堵塞問題，紡絲頭表面易清理，設備簡單，制造成本較低等特點。目前作為世界主流的無針頭靜電紡絲技術，是捷克Elmarco公司的(輥式)無針頭靜電紡絲技術，它采用光面或表面帶螺紋、花紋等不同表面形貌的轉輥(參見W02005/024101A1)作為靜電紡絲頭，其加工所得納米纖維較粗，且細度不勻較大進行溶液靜電紡時，平均直徑在50 500nm范圍；進行熔體靜電紡時，直徑在Iym以上，且粗細不勻。此外，由于轉輥為金屬實體，造成面電荷分布密度較低，所需實際紡絲電壓過高，能耗大，而且，其纖維的接收距離不易改變，不便于進行工藝參數的在線調整。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，該裝置利用特殊結構的靜電紡絲組件，可大幅度提高納米纖維產品的產量和產品均勻度，并且避免傳統針頭式靜電紡絲過程中存在的靜電干擾(“End effect”現象)、針頭堵塞和不便清洗等問題；與現有輥式無針頭靜電紡絲技術相比，本發明靜電紡絲裝置所需電壓較低，有效提高了能源利用率，具有結構簡單，便于工業化實施，適用范圍廣等特點。本發明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，該裝置由供液系統、紡絲系統、高壓靜電發生系統、接收系統、傳動系統和控制系統構成，其特征在于所述紡絲系統包括紡絲箱體、紡絲組件和中心軸，紡絲箱體的外部為臥式長方體形狀，內部為臥式圓柱形空腔，中心軸主體安裝在該空腔內，兩端伸出紡絲箱體之外，并與傳動系統連接；所述的紡絲組件為軸向連續式或并列式的薄型齒條結構，其齒條的尖端向外安裝在中心軸上，并可由中心軸帶動旋轉，且該尖端與所述紡絲箱體的內壁保留有I 3mm距離；紡絲箱體的進液管口與供液系統的紡絲計量泵的出液管口相連通，其溢液口管接到供液系統的儲液器之內，且溢液口位置開在紡絲組件底部和中心軸之間；紡絲箱體上表面與紡絲組件的最高處相對應的位置開有矩形紡絲口。與現有技術相比，本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置是一種利用聚合物紡絲液的自由液體表面自組的納米纖維(網)的生產裝置，可實現高聚物紡絲液制備納米纖維(網)的規模化、連續化生產，有效減少電能損耗、降低生產成本、提高產品質量；該裝置采用帶尖端的薄型齒條作為無針頭式靜電紡絲單元，可在齒尖部位產生更強大和更均勻的場強，避免了其它無針頭式靜電紡絲方法由于表面電荷密度較小而引起的所需電壓較高造成的能源浪費；該裝置采用內含圓柱形空腔的紡絲箱體結構，紡絲箱體上部中央開設矩形紡絲口，通過調整其開口尺寸可以對參與紡絲的齒尖數進行控制，有效控制納米纖維層鋪展范圍，避免其它同類裝置紡絲面鋪展邊界不清引起的產品質量不均問題，通過調整工作面寬度、長度和紡絲箱體高度，可以實現對產品產率、纖維細度和均勻度的有效控制；同時整個靜電紡絲過程處于半封閉狀態，有效減輕了納米纖維生產過程中環境因素對紡絲狀態和紡絲效果 的影響，特別是紡絲溶液緩存區的紡絲液不會由于溶劑的快速揮發而迅速增稠；該生產裝置無需傳統紡絲方法的針頭(毛細管/噴嘴)，避免了針頭易堵塞和清洗困難等缺陷；該生產裝置制造簡單、操作方便，可滿足節能生產要求，實施成本低，便于工業化推廣。


圖I為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的整體結構示意圖。圖2為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的連續式單頭螺旋式薄型齒條結構紡絲組件的形狀結構示意圖。圖3為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的拱橋式薄型齒條結構紡絲組件的形狀結構示意圖；其具體形狀結構是數根齒條環繞在一個整體式中心軸上，呈并列直線式均勻排布，且中間平直，兩端彎曲。圖4為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的拱橋式薄型齒條結構紡絲組件的形狀結構示意圖；其具體形狀結構是數根齒條環繞在一個分離式(兩段式)中心軸上，呈并列直線式均勻排布，且中間平直，兩端彎曲。圖5為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的并列式圓盤型薄型齒條結構紡絲組件的形狀結構示意圖。圖6為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的連續式多頭螺旋薄型齒條結構(齒形未畫出)紡絲組件的形狀結構示意圖。圖7為本發明鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例(實施例4)得到的PVA納米纖維SEM照片圖。
具體實施例方式下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發明本發明設計的鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置(簡稱裝置，參見圖I 7)，該裝置主要包括供液系統、紡絲系統、供電系統、接收系統、傳動系統和控制系統。
所述供液系統為現有技術，包括紡絲計量泵(簡稱計量泵或紡絲泵)30和儲液器20，計量泵30的進液管口探入儲液器20內的紡絲液液面以下，在計量泵30的作用下，供液系統向紡絲系統定量提供紡絲液。所述紡絲系統為本發明的核心或特征，主要包括紡絲箱體35、紡絲組件70和中心軸60，紡絲箱體35的外部為臥式長方體形狀，內部為臥式圓柱形空腔45，中心軸60主體安裝在該空腔45內，兩端伸出紡絲箱體35之外，并與傳動系統連接；所述紡絲組件70為軸向連續式或并列式的薄型齒條結構，其齒條的尖端向外安裝在中心軸60上,并可由中心軸60帶動旋轉，且該尖端與所述紡絲箱體35的內壁保留有I 3mm距離；紡絲箱體35的進液管口與供液系統的紡絲計量泵30的出液管口相連通，其溢液口 50管接到供液系統的儲液器20之內，且溢液口 50的位置開在紡絲組件70最底部和中心軸60之間，以保證順利供液和紡絲；紡絲箱體35上表面與紡絲組件70的最高處相對應的位置開有矩形紡絲口 75。本發明裝置中，所述的紡絲箱體35為半封閉式結構，其上部居中位置(與紡絲組 件70的最高處相對應的位置)開有矩形紡絲口 75，紡絲口 75的長度大于紡絲組件70的軸向總長，寬度可根據實際生產需要的工作齒尖數量來確定，一般為I IOcm ;紡絲箱體35的材質可為PTFE (聚四氟乙烯)、玻璃、陶瓷等高性能介電性材料，較好的選擇是玻璃或高性能有機玻璃，由玻璃或高性能有機玻璃制成的透明箱體35便于觀察和工藝操作。本發明裝置進一步特征是，所述的紡絲箱體35能夠做垂直升降運動，以根據需要調節所紡纖維的接收距離，所述垂直升降運動的距離為5 30cm。紡絲箱體35做垂直升降運動的機構為絲杠升降機構、液壓升降機構等現有技術。所述的紡絲組件70為軸向連續式或并列式的薄型齒條結構，其齒條的尖端向外安裝在中心軸60上,并可由中心軸60帶動旋轉。所述的軸向連續是指薄型齒條沿中心軸60的軸向是連續不斷的齒條，包括直線型連續(參見圖3、4)和螺旋線型連續(參見圖2、6)，可以是單頭的連續(參見圖2)，也可以是多頭均布的連續(參見圖6)。所述的并列式是指薄型齒條沿中心軸60的軸向是間斷、重復、并列排布的齒條，例如圓盤型薄型齒條(參見圖5。所述的薄型齒條為現有技術，包括公知的標準工業齒條、鋸條或梳理機針布，其規格、型號、長度或數量不受限定。所述的薄型齒條不排除非標準規格和尺寸的工業齒條、鋸條或梳理機針布的適用性，其規格、型號、長度或數量同樣不受限定。本發明裝置的進一步特征是，所述圓盤型薄型齒條的直徑隨位置不同而不同，沿軸向呈中間最大、兩端依次減小的形狀(附圖5未示出)。所述的軸向連續式紡絲組件70 —般由I 8根金屬齒條和帶動齒條勻速轉動的中心軸60構成。采用I根金屬齒條時，齒尖向外，把該金屬齒條盤繞成螺旋形，構成單頭螺旋連續式紡絲組件70 (參見圖2);采用2根以上金屬齒條時，齒尖向外，把金屬齒條彎成拱橋狀、螺旋狀、圓環狀或者其他適用形狀，環繞中心軸60作周向或軸向均布，并安裝在中心軸60上(參見圖3 6)。實施例優選拱橋狀金屬齒條紡絲組件。不論什么形狀結構的齒條，齒條的尖端要一律向外安裝在中心軸60上，且該尖端與所述紡絲箱體35的內壁或空腔45的“外壁”保留有I 3mm距離。所述的中心軸60可以是一段整體式中心軸60 (參見圖3、5)上，也可以是兩段分離式(兩段式結構)中心軸60 (參見圖2、4、6，或者說是虛擬式中心軸60)上。所述中心軸60的中間配裝有紡絲組件70的部分安裝在紡絲箱體35之內，位于所述臥式空腔45的幾何中心線上，中心軸60的兩端則伸出紡絲箱體35之外，并與傳動系統連接。本發明裝置所述供電系統包括正高壓直流電源80和負高壓直流電源90 ;所述接收系統主要包括透氣性接收電極85、基布120、導輥、退繞輥和卷繞輥等(導輥、退繞輥和卷繞輥等未在圖I中示出)常規傳動機構和負壓吸風機110 ;所述傳動系統包括驅動中心軸60轉動和驅動接收系統基布120回轉的常規傳動機構；所述控制系統主要包括對供液系統控制和傳動系統控制。本發明裝置的工作原理和過程是(參見圖I):將配制好的聚合物紡絲液10放入儲液器20中，聚合物紡絲液10由紡絲計量泵30計量后經進液口 40喂入紡絲箱體35內，形成紡絲液存儲區65 ;紡絲液存儲區65的最大深度由工藝要求設定，一旦有多余的紡絲液可經溢液口 50自動流回到儲液器20內。所述的紡絲組件70連入正高壓直流電源85或接地，接收電極85接地或連入負高壓直流電源90，在紡絲組件70和接收電極85間形成高壓靜電場；通過中心軸60的一側或兩側帶動紡絲組件70進行連續轉動，將位于其下方紡絲液緩存 區65的一薄層紡絲液10帶入靜電場進行靜電紡絲。調節電壓達到臨界紡絲電壓時，紡絲組件70的齒尖部位出現泰勒錐，并進一步拉伸成紡絲射流100，向著接收電極85運動。與此同時，紡絲液10中的溶劑不斷揮發，聚合物逐漸冷卻，到達基布120時，聚合物固化，形成納米纖維130，包括纖維網、薄膜或非織造布材料。本發明裝置可以極大地提高紡絲組件70上單個紡絲單元的表面電荷密度，從而提高電能利用率、降低了生產成本和費用，所得納米纖維產品的細度更細，且更均勻，并大幅度提聞了廣品質量和廣量。本發明未述及之處適用于現有技術。下面給出本發明的具體實施例。具體實施例僅用于進一步說明本發明，不構成對本發明申請權利要求的限制。以下實施例實驗均采用本發明靜電紡絲裝置(參見圖1)，紡絲溶液為20%w/v的PVA,其聚合度1700，醇解度為99mol%，分子量74800 ;紡絲溶液是通過將PVA粉末，加入去離子水中，在80°C下溶解2小時制備而得。接收電極及基布為鋁箔紙。實施例I采用齒頂為等腰三角形的齒條作為靜電紡絲單元，組合成單齒條螺旋狀靜電紡絲組件(參見圖2)進行無針頭式多射流尖端靜電紡。紡絲組件長度30cm，直徑為20cm。紡絲組件轉速為5rev/min，電壓為20kV+2kV (正高壓電源輸出電壓為20kV，負高壓電源輸出電壓為2kV)、接收距離為15cm，獲得平均直徑為115nm、CV= 12%的PVA納米纖維薄膜。實施例2采用齒頂為等腰三角形的齒條彎曲成直徑為20cm的圓形作為靜電紡絲單元，組合成串聯式圓形齒條靜電紡絲組件(參見圖5)進行無針頭式多射流靜電紡。紡絲組件長度30cm,轉速為5rev/min,上有均勻分布的5個圓形齒條紡絲頭,紡電壓為26kV、接收距離為15cm，獲得平均直徑為98nm、CV= 10%的PVA納米纖維。實施例3采用齒頂為等腰三角形的齒條作為靜電紡絲單元，采取具有分離式中心軸的并列式多齒條靜電紡絲組件(參見圖4)進行多射流靜電紡。紡絲組件長度30cm，上有6根金屬齒條，相互平行配置，距離中心線等距布局。紡絲頭直徑為20cm。采用兩個同步電機帶動紡絲組件慢速轉動，轉速為5rev/min。電壓為28kV、接收距離為15cm，獲得平均直徑為105nm、CV=9%的PVA納米纖維。實施例4
采用6根齒頂為等腰三角形的齒條作為靜電紡絲單元，組成多齒條螺旋狀靜電紡絲組件(參見圖6)進行多射流靜電紡。紡絲組件長度30cm，紡絲頭直徑為20cm，紡絲組件轉速為5rev/min，電壓為35kV、接收距離為15cm，獲得平均直徑為120nm、CV=10%的PVA納米纖維。其納米纖維的SEM照片參見圖7。
權利要求
1.一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，該裝置包括供液系統、紡絲系統、供電系統、接收系統、傳動系統和控制系統，其特征在于所述紡絲系統包括紡絲箱體、紡絲組件和中心軸，紡絲箱體的外部為臥式長方體形狀，內部為臥式圓柱形空腔，中心軸主體安裝在該空腔內，兩端伸出紡絲箱體之外，并與傳動系統連接；所述的紡絲組件為軸向連續式或并列式的薄型齒條結構，其齒條的尖端向外安裝在中心軸上，并可由中心軸帶動旋轉，且該尖端與所述紡絲箱體的內壁保留有I 3mm距離；紡絲箱體的進液管口與供液系統的紡絲計量泵的出液管口相連通，其溢液口管接到供液系統的儲液器之內，且溢液口位置開在紡絲組件底部和中心軸之間；紡絲箱體上表面與紡絲組件的最高處相對應的位置開有矩形紡絲口。
2.根據權利要求I所述的鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的紡絲箱體能夠整體做垂直升降運動,所述垂直升降運動的距離為5 30cm。
3.根據權利要求I所述的鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的中心軸是一段整體式中心軸或是兩段分離式中心軸。
4.根據權利要求I所述的鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的紡絲組件由彎曲成圓形的齒條結構組成，且其直徑大小從中間齒條圓盤到兩側齒條圓盤逐漸減小。
5.根據權利要求I所述的鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的紡絲組件由一條或數條沿軸向連續盤繞式或螺旋狀齒條結構組成。
6.根據權利要求I所述的鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的紡絲組件由與中心軸呈并列直線排布的拱橋式齒條結構組成，且中間平直、兩端彎曲。
全文摘要
本發明公開一種鋸齒式無針頭靜電紡絲裝置，該裝置包括供液、紡絲、供電、接收、傳動和控制系統，其特征在于所述紡絲系統包括紡絲箱體、紡絲組件和中心軸，紡絲箱體的外部為臥式長方體形狀，內部為臥式圓柱形空腔，中心軸主體安裝在該空腔內，兩端伸出紡絲箱體之外，并與傳動系統連接；紡絲組件為軸向連續式或并列式的薄型齒條結構，其齒條的尖端向外安裝在中心軸上，并可由中心軸帶動旋轉，且該尖端與紡絲箱體的內壁保留有1～3mm距離；紡絲箱體的進液管口與供液系統的紡絲計量泵相連通，其溢液口管接到供液系統的儲液器，且溢液口位置開在紡絲組件底部和中心軸之間；紡絲箱體上表面與紡絲組件的最高處相對應的位置開有矩形紡絲口。
文檔編號D01D4/02GK102828259SQ20121034751
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者劉延波, 劉健, 張澤茹, 馬營, 陳威亞 申請人:天津工業大學