專利名稱：一種離心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，具體為一種離心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做驅動力對高聚物溶液或熔體進行牽伸制備納米纖維材料的方法，主要由喂液系統、高壓電源、紡絲系統、接收系統、傳遞系統和控制系統組成。其工藝原理是，經喂液系統喂入紡絲系統的噴針或噴嘴的聚合物紡絲液在高壓電場作用下首先形成泰勒錐，再被電場力牽伸成紡絲射流；由于同種電荷的相互排斥作用和紡絲射流的鞭動不穩定性，紡絲射流進一步分裂成為無數小液滴；在向接收系統的相對極板運動的過程中，這些小液滴中的溶劑不斷揮發，聚合物逐漸固化，最后沉積在接收器上，形成納米纖維網/薄膜/非織造布材料。傳統靜電紡使用單針頭作為紡絲部件進行納米纖維材料的制備，但是速度慢、產量低，難以滿足市場的需要。近幾年出現的多針頭和無針頭 規模化靜電紡絲技術使納米纖維材料的制備技術得到了質的飛躍，使靜電紡納米纖維材料的產率得到了大幅度提高。然而，多針頭式靜電紡雖然具有所得纖維細度較細、且產品均勻的優點，但是隨著針頭數量的增加，產量卻并不能成比例地相應增大到期望值，原因是多針頭之間存在強烈的靜電干擾、最終導致了 “end effect (邊界效應)”現象。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、質量惡化等不足。無針頭式靜電紡絲裝置無需傳統靜電紡絲方法所需的毛細管(針頭/噴嘴)，避免了針頭易堵塞和清洗困難等缺陷，具有制造簡單，操作方便，利于節能環保，實施成本較低，便于工業化推廣使用等優點。有關無針頭式靜電紡絲技術的權威代表是捷克的納米蜘蛛靜電紡絲機(W02005/024101A1)，雖然該無針頭式靜電紡技術具有產量高、易操作的特點，不存在針頭堵塞問題，紡絲頭表面易清理，設備簡單，但是所得纖維較粗、且細度分布不勻，而且紡絲電壓偏高，造成生產成本較高，不利于實際應用。ZL200410025691. 5、ZL200610117671. I、ZL200710036447. 4、ZL200810032247. 6 和 CN101275299B 等中國專利中，采用了超聲波技術、振動技術和氣泡技術來實現無針頭靜電紡，該技術所得到的納米纖維及產品均勻度控制較難，可加工聚合物材料受限。此外，Yarin等人(Polymer International2004, (45) :2977-2980)提出過磁流體輔助式無針頭靜電紡絲方法，但裝置復雜、兩層液體的控制困難、射流中含有磁粉等雜質導致纖維直徑偏差較大，應用受限。Dosunmu等人(Nanotechnology 2006, (17) : 1123-1127.)發明了多孔管狀無針頭靜電紡絲方法，此方法需要氣壓裝置輔助供液，結構較為復雜，且同樣存在管孔內容易堵塞的問題。最近，CN102061530A描述了一種離心式無針頭靜電紡絲方法，原理是利用金屬網制成的甩桶作為紡絲電極和紡絲頭，得到筒狀納米纖維非織造布，但是結構復雜，所得納米纖維直徑在5nm lOOOnm，離散較大，產品結構極為不勻，難以滿足實際應用要求。

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，提供了一種離心式無針頭靜電紡絲裝置，該裝置可用于大規模生產納米纖維，并可以有效提高靜電紡絲過程的穩定性，所得納米纖維細度、產品均勻度好，產量規模可滿足實際需要，且所需紡絲電壓較低，設備結構相對簡單，不存在噴絲孔堵塞和清理問題。本發明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種離心式無針頭靜電紡絲裝置，包括供液系統、紡絲系統、高壓靜電發生系統、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主要由一個內圓輥、一個外圓筒和一個中心軸組成，所述內圓輥的外表面均布有外凸釘，且可由中心軸帶動進行旋轉運動，所述外圓筒為一個靜態或固裝的薄壁空心圓筒，外圓筒的內表面也均布有內凸釘，外圓筒的形狀尺寸可以套裝在內圓輥之外，兩者同軸組合配裝，且使內圓輥的外凸釘與外圓筒的內凸釘相互交插嵌套分布，并留有適當間隙；同時，外圓筒的最高上表面處軸向均布開有1-3排紡絲孔。與現有技術相比，本發明離心式無針頭靜電紡絲裝置是利用離心力輔助喂液和輔助靜電紡的裝置，主要用于納米纖維網/薄膜/非織造布材料的生產，可實現納米纖維材料的規模化、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；該靜電紡裝置采用薄壁微孔金屬滾筒作為無針頭式靜電紡絲頭和紡絲電極，避免了其它無針頭靜電紡絲方 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；紡絲溶液在靜電紡絲之前得到充分剪切攪拌，實現了均勻混合，不會產生相分離，所得納米纖維均勻穩定；紡絲頭一邊連續紡絲，一邊沿幅寬方向進行往復橫動，避免了其他無針頭靜電紡絲技術的產品不均勻現象；采用雙計量泵的供液方法可以實現對紡絲組件供液的微量喂入和精度控制，生產出只有針頭式靜電紡才能生產出來的較細且均勻的納米纖維；本發明靜電紡絲裝置處于封閉狀態，有效減輕了生產過程中環境因素對紡絲液中溶劑揮發引起紡絲液變稠的影響。


圖I為本發明離心式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的整體主視及剖面結構示意圖。圖2為本發明離心式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的整體側視及剖面結構示意圖。圖3為本發明離心式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的外圓筒局部俯視圖。圖4為本發明離心式無針頭靜電紡絲裝置一種實施例的納米纖維產品SEM圖片圖。
具體實施例方式下面結合實施例及其附圖進一步闡述本發明。本發明設計的離心式無針頭靜電紡絲裝置(簡稱裝置，參見圖I、2 )，主要包括供液系統、紡絲系統、高壓靜電發生系統、供電系統、接收系統、傳動系統和控制系統，其特征在于所述的紡絲系統主要由一個內圓輥45、一個外圓筒65和一個中心軸70組成，所述內圓輥45的外表面均布有外凸釘60,且可由中心軸70帶動進行旋轉運動,所述外圓筒65為一個靜態或固裝的薄壁空心圓筒，夕卜圓筒65的內表面也均布有內凸釘50,夕卜圓筒65的形狀尺寸可以套裝在內圓輥45之外，兩者同軸組合配裝，且使內圓輥45的外凸釘60與外圓筒65的內凸釘50相互交插嵌套分布,并留有適當間隙；同時，外圓筒65的最高上表面處軸向均布開有1-3排紡絲孔90。在靜電紡絲過程中，紡絲液10位于旋轉的內圓輥45和靜止的外圓筒65之間。當紡絲電壓達到或超過臨界紡絲電壓時，所述的紡絲系統利用靜電場力和旋轉內圓輥45離心力的聯合作用，使紡絲液10從紡絲孔90中噴出，并對紡絲液10進行牽伸，形成紡絲射流。本發明裝置所述外圓筒65 (也稱為紡絲頭)可由薄壁金屬材料制成，例如不銹鋼、招合金或銅等，薄壁金屬材料或外圓筒65的壁厚為O. I 5mm,較好是O. 5 3_ ;外圓筒65的外徑為150 1000mm，較好是200 500mm，上表面最高處軸向均布開有I 3排紡絲孔90，孔徑為O. I 1mm。紡絲孔90孔徑的大小取決于聚合物原料種類和產品規格要求紡制較細納米纖維材料或采用較低粘度的紡絲液時，可選用較小的紡絲孔徑，紡制較粗納米纖維材料或采用較高粘度的紡絲液時，可選用較大的紡絲孔徑；紡絲孔90的孔間距為
O.5 10mm，具體孔間距90的大小取決于納米纖維細度和產量要求。本發明裝置所述的內圓棍45的直徑為100 800mm,較好是150 450mm,但更重 要的是內圓輥45的直徑與外圓筒65的直徑應當配套設計，內圓輥45套裝在外圓筒65之內后，應當使兩者的凸(即外凸釘60和內凸釘50)釘相互交錯插入一定深度，并留有適當間隙。內圓輥45可由金屬或PTFE塑料、陶瓷等耐高溫、耐腐蝕和與有機溶劑不反應的材料制成。所述的中心軸70由不銹鋼制成，其轉速為50 50000rev/min，較好是500 5000rev/min,根據產品規格要求選用紡制較細納米纖維可選用較低轉速，紡制較粗納米纖維可選用較高轉速。所述的凸釘(包括外凸釘60和內凸釘50)的高度范圍是10 100mm，較好的為20 50mm,其中，內圓棍45上的外凸釘60高度為10 80mm,較好是20 60mm ；間距為5 50mm,較好是10 40mm ;外圓筒65上的內凸釘50高度為I IOmm,較好是2 5_ ；間距為30 70mm，較好是40 60mm。所述凸釘的縱截面形狀可以是矩形、等腰三角形、等腰梯形、圓弧形或正方形等幾何形狀。所述的內圓輥45在中心軸70的帶動下勻速旋轉，產生的離心力可將紡絲液10從外圓筒65上的紡絲孔90高速甩出，同時來自總計量泵30的供液壓力(類似于液壓泵的液壓)也可以對內圓棍45和外圓筒65之間的紡絲液10施加壓力，使紡絲液10從外圓筒65上的紡絲孔90中泵出，這兩種驅動力的聯合作用使紡絲液10很容易從紡絲孔90中噴射擠出，并在電場力的作用下形成泰勒錐，因此可有效減少電能的使用。本發明裝置的特征還在于所述的紡絲系統還包括有4塊隔板100，所述隔板100把外圓筒65上表面(紡絲表面68)的紡絲孔90圍擋在其之內，并固裝在外圓筒65上表面與接收電極80的下表面之間，且隔板100的上端面與接收電極80之間留有縫隙，該縫隙允許基布95和沉積其下表面上的納米纖維順利傳輸通過。所述隔板100可有效防止外界環境對紡絲過程的干擾。所述的隔板100由介電性良好的材料制成，包括PTFE、陶瓷、玻璃和有機玻璃等，較好是玻璃和有機玻璃材料，不但不會干擾靜電紡絲，還具有透明性，有利于對靜電紡絲狀態的觀察和監控。在隔板100上的適當位置開有一個小孔，將高壓靜電發生器88的正極引入到外圓筒65 (紡絲頭兼紡絲電極)的紡絲表面68 (外圓筒65的金屬上表面)，其另一極與接收電極80相連接。所述的紡絲表面68由導電性良好的銅、鋁或不銹鋼等金屬的薄壁材料構成，位于外圓筒65的正上部，其上面開設有I 3排微孔，即紡絲孔90。外圓筒65的其它部分由高性能的PTFE (聚四氟乙烯)構成，以減小靜電紡絲過程中，外圓筒65材質對電場強度和分布的干擾。
為了更好地向紡絲系統定量提供紡絲液，本發明裝置設計了雙泵供液系統。其主要包括內裝紡絲液10的儲液槽20、總計量泵30和回流計量泵40。其中，總計量泵30的進液管口通入儲液槽20的紡絲液10內，其出液管有兩個管口，其中一個出液管口與回流計量泵40的進液管口相連接，另一個出液管口與紡絲系統的進液口 43相連接；所述的回流計量泵40的出液管口也通入儲液槽20的紡絲液10內，且理想的是總計量泵30和回流計量泵40相同規格，便于調整控制。該供液系統的特點是可以實現任何微小喂液速度和喂液量的精確供液，無需考慮現有市售計量泵的規格和供液速度，解決了靜電紡絲供液量小、精度要求高的難題。本發明裝置的高壓靜電發生系統負責對紡絲系統提供足夠的紡絲電壓，使得紡絲系統能夠正常進行靜電紡絲。高壓靜電發生系統本身為現有技術。本發明實施例的高壓靜電發生系統88由I 2臺直流高壓電源組成，如果采用I臺時，為正高壓電源；如果采用2臺時，為一正一負兩臺高壓電源；正高壓電源的電壓范圍為O IOOkV,負高壓電源的電壓范圍為O 口401^。每臺高壓電源的電流強度最低為2mA。需要生產較細纖維時，可使用正負高壓2臺電源組合。 本發明裝置的接收系統負責收集來自紡絲系統的納米纖維，采用常規公知的技術。實施例的所述的纖維接收系統由接收電極80、同向旋轉的4個導棍110、基布95、傳輸網簾105和負壓吸風機120組成。所述接收電極80由常規透氣性微孔結構或金屬網簾構成，以便于采用負壓吸風機120將所形成的納米纖維薄膜牢牢地吸附在基布95的下表面，并且使基布表面平整、不下垂。所述基布95可以是常規透氣性柔性材料，例如機織布、針織布、非織造布、塑料、紙、皮革等制品；傳輸網簾105為常規材料制成。本發明裝置的傳動系統負責為所述總計量泵30和回流計量泵40、中心軸70、接收基布95、傳輸網簾105和負壓吸風機120等部件提供常規驅動。本發明裝置的控制系統負責為供液系統和傳動系統提供常規傳動控制。本發明裝置的工作原理和過程是(參見附圖1、2和3):工作時，先在儲液槽20中裝入按要求配好的適當濃度的聚合物溶液(紡絲液10)，鋪設好基布95，打開總計量泵30和回流計量泵40，調節兩個計量泵的轉速(總計量泵30的速度略大于回流計量泵40的速度)對紡絲系統進行供液，使得紡絲液10能夠經進液口 43流入內圓輥45和外圓筒65之間區域；打開中心軸70的控制開關，逐漸提高其轉速至適當速度，即能夠觀察到外圓筒65的上表面紡絲孔90有液體噴出，此時，內圓輥45和外圓筒65的外內凸釘60和50之間的相對運動可對紡絲液10提供機械攪拌作用和切向剪切力，有利于紡絲液10的均勻混合和粘度下降，將紡絲液10順利喂入紡絲孔90 ;而薄壁微孔式的紡絲孔90結構利于紡絲液10的順利擠出；打開高壓靜電發生器88，緩慢調整電壓旋鈕，在外圓筒65 (紡絲頭)和接收電極80之間施加靜電場；緩慢調節總計量泵30的轉速，當供液速度和紡絲電壓相匹配時，可以在紡絲孔90上產生半圓形液滴即泰勒錐，進一步增大電壓時，泰勒錐被牽伸成紡絲細流92，并向電勢較低的接收電極80運動；在此期間，由于同種電荷相互排斥以及紡絲射流的鞭動不穩定性(Rayleighinstability)，使得射流分裂成無數微小液滴，同時溶劑迅速揮發；到達接收電極80時，溶劑揮發殆盡，聚合物凝固成納米纖維沉積在接收基布95上，形成納米纖維材料。當觀察到有納米纖維材料在基布95上形成時，打開基布95輸送電源開關，設定好輸送速度，開始連續穩定地接收納米纖維材料。本發明生產裝置的特征是，該裝置為封閉式紡絲系統。由于所述的外圓筒65上表面和接收電極80之間，設有防止環境干擾的環境隔板100，只是為了基布和納米纖維薄膜的傳輸方便才在接近基布的位置留有適當微小間隙；外圓筒65垂直上方的局部側圓柱面的薄壁上開有一定數量、均勻分布的微細紡絲孔90，且靜電紡絲過程中，所述的紡絲液10位于旋轉內圓輥45和靜止外圓筒65之間，因此整個紡絲過程是一個接近封閉式的系統，紡絲液和紡絲狀態鮮受環境干擾，利于穩態靜電紡絲過程和產品質量穩定。本發明生產裝置的進一步特征是，所述的內圓輥45隨中心軸70進行勻速旋轉的同時，還沿著其軸線方向(產品幅寬方向)在一定距離內進行勻速往復橫動，同時與之裝配成一體的外圓筒也沿其軸線方向(產品幅寬方向)同步作直線勻速往復橫動(只作直線往復橫動，不旋轉)。這種設計，可以得到質地更均勻的納米纖維網。所述的勻速往復橫動可采 用常規傳動和控制技術來實現。本發明生產裝置的進一步特征是，所述的隔板100具有高度調節功能，即隔板100的高度可以在一定范圍內調節，以便調節接收距離或所述縫隙的大小。同理，紡絲系統的整體位置也可以做一定范圍內的上下升降調節，以便對接收距離或所述縫隙的大小進行適當調整，適應不同靜電紡絲工藝的要求。由于接收距離或所述縫隙的大小與隔板100的高度調節和紡絲系統整體位置的升降調節均相關，因此實際操作應當進行兩者同步配套的高度調節，以獲取更佳紡絲效果。本發明裝置通過調整靜電紡絲工作區(即外圓筒65的紡絲表面68)的寬度或/和長度以及紡絲孔的直徑、密度和排數等，可實現對產品產率、纖維細度、形貌和均勻度的有效控制。此外，本發明裝置所述的(靜電)紡絲頭可以根據產品需要進行多紡絲頭的不同排列組合，如并列(平行)配置，以提高產品厚度和克重；串聯配置，以提高產品幅寬，或者同時采用前述的兩種配置方法同時提高產品的厚度、克重、幅寬和總產量。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。實施例I采用聚乙烯醇(PVA)的水溶液進行靜電紡絲，PVA的聚合度為1700，醇解度為99mol%,分子量74800。紡絲溶液是通過將PVA粉末加入去離子水在80°C下溶解2小時并靜置2小時制得的。接收電極80為透氣性薄壁多孔鋁板，基布95為熔噴非織造布。靜電紡絲裝置(參見圖1、2和3)的紡絲系統的內圓輥45直徑為200mm，轉速500rev/min ;外圓筒65的直徑300mm,內圓輥45和外圓筒65沿幅寬方向的同步直線運動速度為25m/min。內圓輥45和外圓筒65上的外、內凸釘60，50為矩形截面，其高度均為40mm，其中內圓輥45上的外凸釘60高度為40mm,間距為IOmm ;外圓筒65上的內凸釘50高度為2mm,間距為50mm,上部薄壁厚度為2mm,沿著外圓筒65的外表面開設有3排直徑為O. 6mm、中心線間距為IOmm的紡絲孔90。
在儲液槽20內放入前述的PVA水溶液，濃度為20%w/v，在紡絲頭(外圓筒65)和接收電極80之間引入35kV直流高壓，接收距離15cm。調節兩個紡絲計量泵30和40的供液速度差，對紡絲系統進行供液。當觀察到有納米纖維材料沉積在基布95表面時，設定傳輸網簾105及基布95的速度為10m/min。靜電紡絲后得到平均直徑為lOlnm、CV= 12%的PVA 納米纖維材料，以及過濾效率為99. 999%的納米纖維/熔噴非織造布復合材料(參見圖4)。
權利要求
1.一種離心式無針頭靜電紡絲裝置，包括供液系統、紡絲系統、高壓靜電發生系統、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主要由一個內圓輥、一個外圓筒和一個中心軸組成，所述內圓輥的外表面均布有外凸釘，且可由中心軸帶動進行旋轉運動，所述外圓筒為一個靜態或固裝的薄壁空心圓筒，外圓筒的內表面也均布有內凸釘，外圓筒的形狀尺寸可以套裝在內圓輥之外，兩者同軸組合配裝，且使內圓輥的外凸釘與外圓筒的內凸釘相互交插嵌套分布，并留有適當間隙；同時，外圓筒的最高上表面處軸向均布開有1-3排紡絲孔。
2.根據權利要求I所述離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的紡絲系統還包括有4塊隔板，所述隔板把外圓筒上表面的紡絲孔圍擋在其之內，并固裝在外圓筒上表面與接收電極的下表面之間，且隔板的上端面與接收電極之間留有縫隙，該縫隙允許基布和沉積其下表面上的納米纖維順利傳輸通過。
3.根據權利要求I所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述供液系統包括內裝紡絲液的儲液槽、總計量泵和回流計量泵，所述總計量泵的進液管與儲液槽內的紡 絲液連通，其出液管有兩個管口，一個與回流計量泵的進液管連通，另一個與紡絲系統的進液管連通，所述回流計量泵的出液管也與儲液槽內的紡絲液連通。
4.根據權利要求3所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述總計量泵和回流計量泵規格相同。
5.根據權利要求I所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述的內圓輥隨中心軸進行勻速旋轉的同時，還沿著其軸線方向在一定距離內進行勻速往復橫動，同時與之裝配成一體的外圓筒也沿其軸線方向同步作直線勻速往復橫動。
6.根據權利要求I所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述隔板的高度可以在一定范圍內調節；所述紡絲系統的整體位置也可以做一定范圍內的上下升降調節。
7.根據權利要求I所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述外圓筒由薄壁金屬材料制成，薄壁金屬材料的壁厚為O. I 5mm ;外圓筒的外徑為150 1000mm,上表面最高處軸向均布開有I 3排紡絲孔，孔徑為O. I 1臟，紡絲孔的孔間距為O. 5 IOmm ；所述內圓輥的直徑為100 800_，內圓輥的直徑與外圓筒的直徑配套設計，內圓輥套裝在外圓筒之內后，應當使兩者的凸釘相互交錯插入一定深度，并留有適當間隙；所述的凸釘的高度范圍是10 100mm，其中，內圓輥上的外凸釘高度為10 80mm，間距為5 50mm ;夕卜圓筒上的內凸釘高度為I IOmm,間距為30 70_。
8.根據權利要求7所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述薄壁金屬材料的壁厚為O. 5 3mm,夕卜圓筒的外徑是200 500mm ;所述內圓棍的直徑為150 450mm ；所述凸釘的高度范圍是20 50mm，其中，內圓輥上的外凸釘高度為20 60mm，間距為是10 40_ ;外圓筒上的內凸釘高度為2 5mm,間距為40 60_。
9.根據權利要求I所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述紡絲系統還包括有4塊隔板，所述隔板把外圓筒上表面的紡絲孔圍擋在其之內，并固裝在外圓筒上表面與接收電極的下表面之間，且隔板的上端面與接收電極之間留有縫隙，該縫隙允許基布和沉積其下表面上的納米纖維順利傳輸通過。
10.根據權利要求I所述的離心式無針頭靜電紡絲裝置，其特征在于所述外圓筒上的 紡絲表面由導電性良好的銅、鋁或不銹鋼薄壁材料構成，且在該紡絲表面上開設有I 3排紡絲孔，外圓筒的其它部分則由高性能的聚四 氟乙烯構成。
全文摘要
本發明公開一種離心式無針頭靜電紡絲裝置，包括供液系統、紡絲系統、高壓靜電發生系統、供電系統、接收系統、傳動系統和控制系統，其特征在于所述的紡絲系統主要由一個內圓輥、一個外圓筒和一個中心軸組成，所述內圓輥的外表面均布有外凸釘，且可由中心軸帶動進行旋轉運動，所述外圓筒為一個靜態或固裝的薄壁空心圓筒，外圓筒的內表面均布有內凸釘，外圓筒的形狀尺寸可以套裝在內圓輥之外，兩者同軸組合配裝，且使內圓輥的外凸釘與外圓筒的內凸釘相互交插嵌入分布，并留有適當間隙；同時，外圓筒的最高上表面處軸向均布開有1-3排紡絲孔。
文檔編號D01D1/06GK102828260SQ20121034751
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, 張澤茹, 漆東岳, 馬營, 陳威亞 申請人:天津工業大學