一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置及其在无机材料纳米纤维制备中的应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，包括：机架；喷头组阵列集成组件；直流高压电源；接收部件；驱动部件等。本发明专利技术的装置采用环形多喷头组阵列设计、以内外同心圆的方式分别布置喷头组和接收部件；喷头组的环式设计有效地减弱了相邻喷头带电射流之间的排斥，使喷头组中每根针的效率接近单个针式喷头纺丝效率的极值。本发明专利技术还公开了该装置在无机材料纳米纤维制备中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及静电纺丝领域。更具体地，涉及一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置及其在无机材料纳米纤维制备中的应用。
技术介绍
静电纺丝(简称“电纺”)是制备纳米纤维、功能纳米纤维薄膜的重要方法。近一、二十年间，纳米材料的制备、性能研究是材料研究领域的热点，因而人们对静电纺丝的关注持续升温，其应用也日益广泛。但是，涉及静电纺丝的研究绝大多数采用的是以一根针管为喷头的简易电纺装置，仅可以得到很少量的纳米纤维或纳米纤维膜样品。当需要大规模制备某种纳米纤维或纳米纤维膜材料，就需要发展高效的、具有生产应用价值的静电纺丝设备，以及与之相配套的专有材料配方体系和工艺方法，三者缺一不可。近年来发展的可以大规模制备纳米纤维、纳米纤维膜的技术主要有：基于静电纺丝针式喷头传统模式发展起来的经纬双向静电纺丝技术(CN200910087706.5,WO 2010/148644,US8,827,672B2)、以滚筒或金属线蘸取原料作为喷头的“纳米蜘蛛”(CN200480025091.5,WO2005/024101)、在“纳米蜘蛛”技术上变形的以螺管蘸取原料为喷头的电纺技术、以及一些基于其它创意喷头组设计的电纺技术。虽然研究静电纺丝技术的科学和技术人员对无针喷头静电纺丝设备的研制和效率的提升充满了期望，但不可否认的是针式多喷头电纺装置具有突出的优点：在制备过程中给料精确、制膜厚度均匀性好、可调整的参数变量丰富、应用的电压明显低于非针式电纺设备等。而且，设计合理的针式喷头电纺装置，其制备效率甚至可以显著高于非针式喷头电纺装置。应用静电纺丝装置制备的纳米纤维，其原料最初多为高分子聚合物，得到柔软、有韧性、弹性的纤维或膜材料。随着对静电纺丝应用研究的深入，无机材料能否以电纺制备成纳米纤维，甚至是柔性的纳米纤维材料逐渐成为本领域研究的热点之一。无机陶瓷材料中常见而且有重要用途的，如氧化铝(Al2O3)，其化学稳定，耐热性好、导热系数低，比表面积大，常被用于吸附材料、耐高温材料、催化剂载体材料以及复合材料的增强等领域。以往通常通过溶胶-凝胶法，预聚合法，熔融抽丝法，熔融纺丝法来制备多种结构的陶瓷Al2O3纤维。又如氧化铈(CeO2)，是一种用途广泛的稀土氧化物，是典型的氧化-还原性质载体，同时具有优异的储-放氧能力。因此，CeO2常被用作汽车尾气催化剂载体以及助剂，作为第二相添加剂，能够显著提高三元催化剂的催化性能。将Al2O3、CeO2、SiO2等无机陶瓷材料制成纳米纤维材料，即赋予了它们新的形态和物理特性，也是近年来的研究热点。相应的配方、工艺方法、实现高效制备的设备，在该领域均有重要的价值。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置。本专利技术的另一个目的在于提供上述高效笼状针式喷头静电纺丝装置的应用，尤其是在无机材料纳米纤维制备中的应用。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，包括：机架，底部为敞口；喷头组阵列集成组件，用于接收原料并将原料纺丝，设置在机架的内部，包括支撑体和间隔设置在支撑体的外壁上的若干喷头组；支撑体在其中心轴线方向为中空结构，中空结构的顶端与进料接口连接；喷头组与支撑体的中空结构连通；直流高压电源，经高压接线端子向喷头组阵列集成组件提供动力；接收部件，设置在机架的内部，上下均为敞口，侧壁上设有若干孔；喷头组阵列集成组件的设置有喷头组的部分位于接收部件的敞口空间内；驱动部件，用于驱动接收部件旋转。本专利技术的装置的喷头组与现有技术中的平行喷头组设计不同，这种设计能减弱相邻喷头带电射流之间的排斥，使喷头组中每根针的效率更高。优选地，所述喷头组阵列集成组件为圆柱形形状，所述喷头组是等间距、纵向、环绕在支撑体的外壁上；所述接收部件为上下敞口的圆筒状结构。本专利技术环形多喷头组阵列设计、并以内外同心圆的方式分别布置喷头组和接收部件的环式设计有效地减弱了相邻喷头带电射流之间的排斥，使喷头组中每
根针的效率接近单个针式喷头纺丝效率的极值。在电纺过程中，原料在电场力拉伸的作用下，从圆心到每一支不锈钢喷头的顶端按等夹角方向射出，其射流带高压电荷，喷射轨迹先为短暂的直线继而形成鞭动的螺旋线，飞向接收部件。而现有的常见的多针喷头的每支喷头是相互平行布置的，且间距较小，由于原料射流带有同种电荷会相互排斥进而削弱了电场对原料的拉伸，导致多喷头集成后的电纺效率远远低于单支喷头纺丝效率与数量的乘积。而本专利技术的多支原料射流是按一定的夹角形成，在飞行过程中间距不断加大，其电荷排斥的作用微弱，基本不对纺丝的效率构成影响。优选地，每个喷头组由若干喷头组装而成；喷头的长度为6mm-30mm；喷头端部至接收部件内壁的距离为120mm-300mm；相邻喷头组的纵向间隔距离为125mm-305mm；且相邻喷头组的纵向间隔距离大于喷头端部至接收部件内壁的距离。更优选地，单个喷头组通常是由4至12支不锈钢细管作为喷头组装而成；不锈钢细管的内径为0.6mm-1.5mm，以正多边形中心与顶点的连线方向布置，优选数量为6-8支。每支不锈钢细管喷头之间由金属导线连接并导通。优选地，所述装置还包括：产物转移传送装置，设置在机架的底部的下方，用于接收并转移产物。优选地，所述装置还包括：温湿度传感器，用于测定接收部件圆筒状空间内的温度和湿度。温湿度传感器设置在靠近接收部件的上方。优选地，所述装置还包括：计量泵，用于按照设定的流量向进料接口处输送原料。优选地，所述装置还包括：环境条件控制部件，用于调节机架内的环境条件。优选地，所述环境条件控制部件包括：直流风扇、加热灯和加湿器进风口，均设置在机架的内部。计量泵流量、接收装置的电机转速、环境条件控制部件等均由控制装置设定参数。优选地，所述接收部件的侧壁上还设置有刮板，用来将飞向接收部件的内壁的产物刮落。优选地，所述接收部件为上下敞口的圆筒状结构。优选地，所述接收部件的圆筒直径为300mm-800mm。优选地，所述驱动部件包括皮带法兰环、电机皮带轮、皮带和直流电机；皮带法兰环设置在机架的底部，经电机皮带轮、皮带与直流电机连接驱动。优选地，所述机架为金属材质；所述皮带法兰环为金属材质；所述接收部件为不锈钢材质，内壁镀有特氟龙(Teflon)；所述喷头组阵列集成组件的支撑体的材质是绝缘工程塑料；所述刮板为绝缘塑料材质。接收部件的下端与皮带法兰环连接，皮带法兰环由设置在机架上的3个托轮夹紧(定位)托起。接收部件通过金属材质的皮带法兰环与金属机架电子导通。为达到上述的第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：本专利技术的高效笼状针式喷头静电纺丝装置的应用，其可用于制备各种材料体系的纳米纤维；优选适用于制备无机材料的纳米纤维；最优适用于制备介孔氧化铝纳米纤维、介孔氧化铝/氧化铈复合纳米纤维、柔性氧化铝纳米纤维。采用本专利技术的高效笼状针式喷头静电纺丝装置制备纳米纤维时，包括以下步骤：1)配制原料：针对特定的目标产物，配制原料溶液，调节溶液粘度；2)调节装置参数：根据制备量，确定喷头组的安装数量；根据工艺要求和喷头组的数量，计算并设定计量泵的输出量；读取温湿度传感器的度数，根据工艺要求，确定是否打开环境条件控制部件；3)纺丝：开启计量泵，原料溶液经进料接口输送到支撑体的中空结构中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，其特征在于，所述装置包括：机架(3)，底部为敞口；喷头组阵列集成组件(2)，用于接收原料并将原料纺丝，设置在机架(3)的内部，包括支撑体(201)和间隔设置在支撑体(201)的外壁上的若干喷头组(1)；支撑体(201)在其中心轴线方向为中空结构，中空结构的顶端与进料接口(16)连接；喷头组(1)与支撑体(201)的中空结构连通；直流高压电源(7)，经高压接线端子(6)向喷头组阵列集成组件(2)提供动力；接收部件(12)，设置在机架(3)的内部，上下均为敞口，侧壁上设有若干孔；喷头组阵列集成组件(2)的设置有喷头组(1)的部分位于接收部件(12)的敞口空间内；驱动部件，用于驱动接收部件(12)旋转。

【技术特征摘要】
1.一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，其特征在于，所述装置包括：机架(3)，底部为敞口；喷头组阵列集成组件(2)，用于接收原料并将原料纺丝，设置在机架(3)的内部，包括支撑体(201)和间隔设置在支撑体(201)的外壁上的若干喷头组(1)；支撑体(201)在其中心轴线方向为中空结构，中空结构的顶端与进料接口(16)连接；喷头组(1)与支撑体(201)的中空结构连通；直流高压电源(7)，经高压接线端子(6)向喷头组阵列集成组件(2)提供动力；接收部件(12)，设置在机架(3)的内部，上下均为敞口，侧壁上设有若干孔；喷头组阵列集成组件(2)的设置有喷头组(1)的部分位于接收部件(12)的敞口空间内；驱动部件，用于驱动接收部件(12)旋转。2.根据权利要求1所述的一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，其特征在于，所述喷头组阵列集成组件(2)为圆柱形形状，所述喷头组(1)是等间距、纵向、环绕在支撑体(201)的外壁上；所述接收部件(12)为上下敞口的圆筒状结构。3.根据权利要求1或2所述的一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，其特征在于，每个喷头组(1)由若干喷头组装而成；喷头的长度为6mm-30mm；喷头端部至接收部件(12)内壁的距离为120mm-300mm；相邻喷头组(1)的纵向间隔距离为125mm-305mm；且相邻喷头组(1)的纵向间隔距离大于喷头端部至接收部件(12)内壁的距离。4.根据权利要求1所述的一种高效笼状针式喷头静电纺丝装置，其特征在于，优选地，所述装置还包括：温湿度传感器(18)，用于测定接收部件(12)圆筒状空间内的温度和湿度；优选地，所述装置还包括：计量泵(4)，用于测定流入进料接口(16)的原料的输出量；优选地，所述装置还包括：环境条件控制部件，用于调节机架(3)内的环境条件；优选地，所述装置还包括：产物转移传送装置(21)，设置在机架(3)的底部的下方，用于接收并转移产物；优选地，所述接收部件(12)的侧壁上还设置有刮板(13)，用来将飞向接收部件(12)的内壁的产物刮落；优选地，所述接收部件(12)的圆筒直径为300mm-800mm；优选地，所述驱动部件包括皮带法兰环(20)、电机皮带轮(9)、皮带(10)和直流电机(11)；皮带法兰环(20)设置在机架(3)的底部，经电机皮带轮(9)、皮带(10)与直流电机(11)连接驱动；优选地，所述机架(3)为金属材质；所述皮带法兰环(20)为金属材质；所述接收部件(12)为不锈钢材质，内壁镀有特氟龙；所述喷头组阵列集成组件(2)的支撑体(201)的材质是绝缘工程塑料；所述刮板(13)为绝缘塑料材质；优选地，单个喷头组(1)由4至12支不锈钢细管作为喷头组装而成；不锈钢细管的内径为0.6mm-1.5mm，长度6mm-30mm，以正多边形中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴大勇，王刚，梁卫华，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11