一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置及其使用方法。所述静电纺丝装置包括供液系统、电场控制系统、纺丝液曲率调控系统及纳米纤维收集系统。使用方法为：调节纺丝液曲率至恒定值的静电纺丝方法生产窄分布纳米纤维产品，调节纺丝液曲率动态变化的静电纺丝方法生产多级窄分布纳米纤维产品或同时控制电场和调节纺丝液曲率的静电纺丝方法生产窄分布纳米纤维产品。本发明专利技术采用纺丝液曲率调控系统可实现对纺丝液边缘曲率的精准调控，实现了批量化自由液面纺丝过程调控，降低自由液面静电纺丝所需的临界电压，实现批量化纳米纤维产品的稳定可控生产，亦可动态调控纺丝液边缘曲率，实现多级窄分布纳米纤维集合体的一步法生产。

【技术实现步骤摘要】
一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置及其使用方法
本专利技术属于纳米静电纺丝和纺织机械
，特别涉及一种纺丝液曲率动态控制的自由液面静电纺丝装置及其使用方法。
技术介绍
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，在高效过滤、生物医用、智能传感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的方法。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。利用传统的静电纺丝方法制备的纳米纤维是以杂乱无章的纤维毡形式沉积在金属收集板上，这种无取向的纳米纤维毡极大地限制了纳米纤维在组织工程支架、细胞诱导生长方面的应用。另外，传统的静电纺丝装置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，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。中国专利200710036447.4公开了一种喷气式静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通入气体在高聚物自由液面形成气泡，气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量，但在机理上气泡形成泰勒锥破裂的同时有许多形状大小不一的气泡碎片被电场力拉伸，造成纤维的直径分布较宽。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发，纺丝方向受限；中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这种方法可以实现纳米纤维的批量化制备，但伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质，并且自由液面边缘溶液曲率不可调控；中国专利201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，该装置可以提高单位时间内纳米纤维的产量，纺丝方向不受限，但是存在针头易堵塞的缺点，同时，针头的排列方式要考虑到施加高压静电后电场之间的相互影响，所以多针头静电纺丝装置的设计较为繁琐和复杂，难以实现批量化生产纤维直径分布窄的纳米纤维产品。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种纺丝液曲率动态控制的自由液面静电纺丝装置及其使用方法，解决目前自由液面静电纺丝过程中溶液曲率不可控，待纺溶液易挥发等问题，拓宽高粘度、高挥发纺丝液在自由液面静电纺丝技术的使用。本专利技术解决其技术问题的所采用的技术方案是：提供一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，包括供液系统、电场控制系统、纺丝液曲率调控系统及纳米纤维收集系统；所述供液系统包括进液口与储液槽连接的蠕动推进泵；所述电场控制系统包括多层依次嵌套的碟形圆盘喷头，蠕动推进泵的出液口通过导液管连通碟形圆盘喷头，最上层的金属材质的碟形圆盘喷头通过导电棒与高压发生器的正极相连，所述碟形圆盘喷头固定于对应的绝缘中心座上，绝缘中心座从内至外的第一层中心座为实心结构，其固定于绝缘箱体二上，蠕动推进泵、储液槽设于绝缘箱体二内，第二层中心座及其它绝缘中心座为中空结构，相对内层的绝缘中心座套于相对外层的绝缘中心座内，且相对内层的绝缘中心座的顶端从相对外层的绝缘中心座的顶部露出，从上至下的第n层蝶形圆盘喷头固定于第n层中心座的顶端；所述纺丝液曲率调控系统包括用于调控碟形圆盘喷头之间距离的螺杆距离控制装置，通过螺杆距离控制装置调控碟形环间距实现纺丝液自由液面曲率的调控，所有中空结构的中心座均与螺杆距离控制装置连接，电场控制系统与纺丝液曲率调控系统构成静电纺丝喷头；所述纳米纤维收集系统包括由电机三驱动的转速可调的金属滚筒，金属滚筒接地。优选地，所述碟形圆盘喷头的材质为铜；所述碟形绝缘材料圆盘的材质为聚四氟乙烯。优选地，所述碟形圆盘喷头固定在绝缘中心座顶部的部分为圆管状结构，其平均壁厚为2mm-20mm，高度为1mm-10mm；蝶形圆盘喷头的内径与绝缘中心座的外径相同；蝶形圆盘喷头高出绝缘中心座上平面的部分侧壁的纵截面为三角形，壁厚从三角形底边1mm-30mm收窄至三角形上顶点0°，三角形的高度为1-100mm，且侧壁向外倾斜为0°-85°。优选地，所述碟形圆盘喷头的数量为2-100。优选地，所述第一层中心座的直径为20-200mm，第二层中心座及其它中心座的壁厚为10mm，内径较相邻外层中心座的外径大0-0.8mm；第一层中心座的高度为80-1000mm，第二层中心座及其它中心座的高度较相邻外层中心层座的高度小50-200mm。优选地，每层所述绝缘中心座外围套有厚度3-5mm的防漏液弹性橡胶圈。优选地，所述金属滚筒的转速为10-300r/min，直径为100-1500mm；金属滚筒的中心轴与第一层碟形圆盘喷头上表面的距离为10-30cm。优选地，所述螺杆距离控制装置包括与电机连接的绝缘丝杆。优选地，所述高压发生器设于绝缘箱体一内。优选地，所述蠕动推进泵与导液管连接的部分、储液槽、导液管、绝缘中心座的材质均为聚四氟乙烯。优选地，所述导电棒的外侧设有厚度为5mm的聚四氟乙烯屏蔽层。本专利技术还提供了一种上述纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，为以下三种方法中的其中一种：方法一：调节纺丝液曲率至恒定值的静电纺丝方法生产窄分布纳米纤维产品，具体步骤如下：步骤1)：根据需要搭建要求层数的金属材质的碟形圆盘喷头；步骤2)：将配制好的高聚物溶液注入到储液槽中；步骤3)：打开各层螺杆距离控制装置，使各层碟形圆盘喷头的间距相等的设定值；步骤4)：打开蠕动推进泵，向蝶形圆盘喷头供液至各层之间的液面接近饱满；步骤5)：调节金属滚筒的高度，即其中心轴的水平位置与第一层碟形圆盘喷头上表面的距离；步骤6)：打开电机三并设置转速；步骤7)：打开高压发生器开关，设定纺丝电压，缓慢增加电压至设定电压，各层碟形圆盘喷头间的饱和自由液面出现多根射流，射流在飞向金属滚筒过程中，溶剂挥发，高聚物拉伸固化，形成纳米纤维沉积在金属滚筒上被收集；步骤8)：调节蠕动推进泵流量，使得各层自由液面曲率保持不变，维持稳定静电纺丝过程持续进行。方法二：调节纺丝液曲率动态变化的静电纺丝方法生产多级窄分布纳米纤维产品，具体包括以下步骤：步骤9)：根据需要搭建要求层数的金属材质的碟形圆盘喷头；步骤10)：将配制好的高聚物溶液注本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，包括供液系统、电场控制系统、纺丝液曲率调控系统及纳米纤维收集系统；所述供液系统包括进液口与储液槽(3)连接的蠕动推进泵；所述电场控制系统包括多层依次嵌套的碟形圆盘喷头，蠕动推进泵的出液口通过导液管(24)连通碟形圆盘喷头，最上层的金属材质的碟形圆盘喷头通过导电棒(6)与高压发生器(4)的正极相连，所述碟形圆盘喷头固定于对应的绝缘中心座上，绝缘中心座从内至外的第一层中心座(23)为实心结构，其固定于绝缘箱体二(7)上，蠕动推进泵、储液槽(3)设于绝缘箱体二(7)内，第二层中心座(22)及其它绝缘中心座为中空结构，相对内层的绝缘中心座套于相对外层的绝缘中心座内，且相对内层的绝缘中心座的顶端从相对外层的绝缘中心座的顶部露出，从上至下的第n层蝶形圆盘喷头固定于第n层中心座的顶端；所述纺丝液曲率调控系统包括用于调控碟形圆盘喷头之间距离的螺杆距离控制装置，所有中空结构的中心座均与螺杆距离控制装置连接，电场控制系统与纺丝液曲率调控系统构成静电纺丝喷头；所述纳米纤维收集系统包括由电机三(13)驱动的转速可调的金属滚筒(15)，金属滚筒(15)接地(16)。...

【技术特征摘要】
1.一种纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，包括供液系统、电场控制系统、纺丝液曲率调控系统及纳米纤维收集系统；所述供液系统包括进液口与储液槽(3)连接的蠕动推进泵；所述电场控制系统包括多层依次嵌套的碟形圆盘喷头，蠕动推进泵的出液口通过导液管(24)连通碟形圆盘喷头，最上层的金属材质的碟形圆盘喷头通过导电棒(6)与高压发生器(4)的正极相连，所述碟形圆盘喷头固定于对应的绝缘中心座上，绝缘中心座从内至外的第一层中心座(23)为实心结构，其固定于绝缘箱体二(7)上，蠕动推进泵、储液槽(3)设于绝缘箱体二(7)内，第二层中心座(22)及其它绝缘中心座为中空结构，相对内层的绝缘中心座套于相对外层的绝缘中心座内，且相对内层的绝缘中心座的顶端从相对外层的绝缘中心座的顶部露出，从上至下的第n层蝶形圆盘喷头固定于第n层中心座的顶端；所述纺丝液曲率调控系统包括用于调控碟形圆盘喷头之间距离的螺杆距离控制装置，所有中空结构的中心座均与螺杆距离控制装置连接，电场控制系统与纺丝液曲率调控系统构成静电纺丝喷头；所述纳米纤维收集系统包括由电机三(13)驱动的转速可调的金属滚筒(15)，金属滚筒(15)接地(16)。2.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述碟形圆盘喷头的材质为铜；所述碟形绝缘材料圆盘的材质为聚四氟乙烯。3.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述碟形圆盘喷头固定在绝缘中心座顶部的部分为圆管状结构，其平均壁厚为2mm-20mm，高度为1mm-10mm；蝶形圆盘喷头的内径与绝缘中心座的外径相同；蝶形圆盘喷头高出绝缘中心座上平面的部分侧壁的纵截面为三角形，壁厚从三角形底边1mm-30mm收窄至三角形上顶点0°，三角形的高度为1-100mm，且侧壁向外倾斜为0°-85°。4.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述碟形圆盘喷头的数量为2-100。5.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述第一层中心座(23)的直径为20-200mm，第二层中心座(22)及其它中心座的壁厚为10mm，内径较相邻外层中心座的外径大0-0.8mm；第一层中心座(23)的高度为80-1000mm，第二层中心座(22)及其它中心座的高度较相邻外层中心层座的高度小50-200mm。6.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，每层所述绝缘中心座外围套有厚度3-5mm的防漏液弹性橡胶圈(12)。7.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述金属滚筒(15)的转速为10-300r/min，直径为100-1500mm；金属滚筒(15)的中心轴与第一层碟形圆盘喷头(18)上表面的距离为10-30cm。8.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述螺杆距离控制装置包括与电机连接的绝缘丝杆。9.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述高压发生器(4)设于绝缘箱体一(5)内。10.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述蠕动推进泵与导液管(24)连接的部分、储液槽(3)、导液管(24)、绝缘中心座的材质均为聚四氟乙烯。11.如权利要求1所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置，其特征在于，所述导电棒(6)的外侧设有厚度为5mm的聚四氟乙烯屏蔽层。12.一种权利要求1-11任意一项所述的纺丝液曲率动态控制的静电纺丝装置的使用方法，其特征在于，为以下三种方法中的其中一种：方法一：调节纺丝液曲率至恒定值的静电纺丝方法生产窄分布纳米纤维产品，...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃小红，熊健，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31