本发明专利技术涉及一种以喷丝头和溶液池组合机构为核心部件的静电纺丝装置，以及利用所述装置从聚合物溶液中高效稳定地获得纳米纤维的方法。所述装置包括喷丝头和位于喷丝头下方的溶液池；所述喷丝头包括依次连接的带有高压触点的支撑机构、导体金属丝电极、绝缘连杆、向导体金属丝电极输出升降运动的凸轮机构以及驱动电机。当所述喷丝头的导体金属丝电极下降通过溶液池盖板的狭缝浸入聚合物溶液中蘸取溶液，再上升到于高压触点接触后，导体金属丝电极所附着的聚合物溶液被供入喷丝头与对电极之间形成的高压静电场，借此获得了良好的纺丝状态。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及静电纺丝
，尤其涉及一种从聚合物溶液中获得纳米纤维的静电纺丝装置及纺丝方法。
技术介绍
静电纺丝技术应用于制备高分子一维纳米材料，可以获得直径在10 IOOOnm左右的超细纤维。相比常规纤维，纳米纤维的直径显著下降所带来的高孔隙率和高比表面积等新特性，使得静电纺丝技术在过滤、敷料、催化、传感及组织工程支架等领域得到更广泛的研究与应用。常见的单针头静电纺丝设备主要由高电压源、纺丝泵、喷丝头和收集器等组件构成。在喷丝头和收集器之间的高压电场作用下，聚集在喷丝头口的聚合物溶液液滴的形状会变成锥形——“泰勒锥”，电场力的着力点在锥顶。随着电场力的增加，“泰勒锥”逐渐变尖，当锥顶角达到一个临界值后，液滴的相对稳定状态被破坏，锥顶溶液表面分子受到足够大的电场力来克服表面张力，聚合物溶液从锥顶喷射出来，形成喷射流。电场力使射流拉伸数千倍至数百万倍，射流的直径随之减小到几个微米到十几个纳米。随着溶剂挥发，所得的纤维最终以无纺布的形式收集在与地线连接的金属板、缠绕器或其他收集器上。从施加静电场，到形成纳米纤维，最难发生的也是最慢的一步是形成“泰勒锥”，这是纺丝过程的决速止/J/ O在单针头的静电纺丝中，纺丝效率很低(一般纺丝液的流速为0.1 10mL/h)，无法满足工业生产对生产效率的要求。静电纺丝技术能获得工业化应用的前提是应用新的静电纺丝技术提高单位时间纺丝产量。CN101210352A、CN102776582A等公开了多针头静电纺丝方法，可以较单针头有效地提高纺丝效率。多针头静电纺丝技术的优点在于原理简单，只是对单针头静电纺丝技术的简单放大。但在提高纺丝效率的同时也带来了很多更为复杂的问题，如:由于针头之间电场相互干扰，纺丝电场分布不匀，中心附近针头的电场会受到严重削弱，各针头纳米纤维产率和纤维直径差别很大；多针头射流因邻近射流表面电荷的干扰而偏斜，致使收集极获得纤维量分布不均；另外，针头直径小易堵塞，且不容易清理，多针头系统维护成本高，维护时间长，影响工业生产。W02005/024101A1公开了一种圆柱形的轴对称纺丝电极，其一部分浸入纺丝液，纺丝电极与对电极形成静电场，通过该电极绕其对称轴旋转，将纺丝液连续地供应到静电场中，达到连续纺丝的目的。这一专利技术，很好地解决了针头纺丝量小、且多针头之间互相电场互相影响的问题。但是，在实际生产中，无法避免的新问题主要有3个:1、圆柱形的电极与对电极之间需要高达SOkV以上的电势差才能产生足够的电场强度，这对高压电源性能要求、纺丝设备的绝缘设计加工的要求是苛刻的；2、圆柱形的电极需要一个开口的盛装足够量溶液的槽子，使得电极的一部分可以浸入溶液并且电极旋转不被干涉，这种设置会使得溶剂大量挥发、溶液浓度变化，而溶液浓度决定了纳米纤维的形貌、结构、性能，影响连续生产中产品的质量稳定；3、圆柱形的电极在旋转过程中，裸露在空气中的表面积很大，而纺丝时，这部分电极表面附着的薄层液膜，参与形成泰勒锥的溶液只占液膜的很少一部分，大量的溶液在电场中极化并与空气接触后混入槽内溶液中，我们经过大量研究查明，溶液和电极接触而被极化以及空气中水的侵蚀，会造成溶液的老化。这在实际生产中大大地降低了原材料的利用率，提高生产成本。W02006/131081公布了几种带有外凸的尖端的圆柱形电极，在一定程度上解决了圆柱形电极应用的第一个问题，即外凸的尖端可以降低产生足够静电场所需的电势差。但是，新型电极不但没有解决溶剂容易挥发带来的溶液浓度变化的问题，也没有解决溶液老化被加速的问题；而且电极加工成本高、清洗困难。W02009/010020公布了一种全新的纺丝电极，其选用直径较小的金属丝作为纺丝电极，克服了之前的专利技术对设备提供高电势差的依赖，降低了设备的绝缘设计加工要求。其采用向电极上喷洒聚合物基液的方式，可以解决圆柱形电极遇到的导致基液老化的问题。然而，有两方面问题比较突出:一方面，原材料利用效率存在问题，即喷洒的溶液不能被完全用于纺丝，这是该供液方式的必然。另一方面，W02009/010020所公布的供液方式无法在同一时间使某一根电极的所有位置同时纺丝，这是因为:在从溶液进入电场到纺丝完成的过程中，泰勒锥的形成到开始纺丝是整个过程中耗时最长的一步。而所述供液方式是用喷嘴把基液沿着金属丝电极的一端喷洒到另一端，亦或将导线沿长度方向从溶液中逐步拉出。显而易见，无论哪种供液方式，都存在纺丝金属丝电极上的不同位置不能同时发生纺丝的问题。该方案实际的工艺过程是:电极上某一位置获得了新溶液；经过一个小的时间间隔，在该位置产生了泰勒锥；而后该位置才开始纺丝，再经历一个时间间隔该位置纺丝不稳定需要再次获得新溶液。显然，这种供液方式的问题是整根金属丝电极的开始纺丝、正常纺丝、结束纺丝三个过程不能够同一时间在整根电极上发生，这种工艺的不连续和不稳定在生产中是很大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现从聚合物溶液中稳定、连续纺丝的装置和利用所述装置纺丝的方法，以解决现有纺丝装置及方法的操作电压过高、工艺不够稳定以及原材料利用率低等工艺实质问题。本专利技术利用静电纺丝的原理，提供一种从聚合物溶液中获得纳米纤维的装置，所述装置以喷丝头和溶液池组合机构为核心部件，喷丝头接高压电源的正极，对电极接地或接高压电源的负极，在喷丝头与对电极之间形成了高压静电场，引发喷丝头所附着的聚合物溶液发生静电纺丝，并将获得的纳米纤维收集于纳米纤维贮存部件上。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案:本专利技术的目的之一在于提供一种静电纺丝装置，所述装置包括喷丝头和位于喷丝头下方的溶液池；所述喷丝头包括依次连接的带有高压触点的支撑机构、导体金属丝电极、绝缘连杆、向导体金属丝电极输出升降运动的凸轮机构以及驱动电机。本专利技术所述的导体金属丝电极，一端与带有高压触点的支撑机构相连，另一端与绝缘连杆的一端相连；绝缘连杆的另一端则与凸轮机构相连；凸轮机构连接驱动电机。当驱动电机输出转矩时，凸轮机构将转矩变成直线往复运动，带动绝缘连杆做升降运动，进而带动导体金属丝电极做升降运动。本专利技术采用导体金属丝作为电极可以较直径大于30mm的圆柱形电极在纺丝时，所需要的电压降低20kV以上，降低了对设备绝缘等级的要求，从而降低了设备的制造成本。所述导体金属丝电极材料为导电的金属或合金，具有一定的刚度，使导体金属丝电极在支撑机构和绝缘连杆之间保持平直。优选地，所述导体金属丝电极的长度为10 2500mm,进一步优选为100 2000mm ;优选地,所述导体金属丝电极的直径为0.5 20mm,进一步优选为0.5 10mm。进一步地，所述导体金属丝电极为单根金属丝或由多根金属丝绞拧构成。本专利技术所述支撑机构对导体金属丝电极起到支撑和约束运动轨迹的作用。所述支撑机构内侧顶端嵌有与高压电源相连的高压触点，当导体金属丝电极上升到喷丝头的顶端，与高压触点接触使导体金属丝电极带有高压电势。在本专利技术中，当导体金属丝电极上升到预定的纺丝位置时，才能接触到高压触点而通电。这样，由于喷丝头与对电极的位置是固定的，相互之间的距离保持恒定，只要固定输入高压，喷丝头与对电极之间的电场强度是恒定的。恒定的电场强度将使生产的纳米纤维直径分布变窄，这对产品质量是有利的。本专利技术所述溶液池上本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种静电纺丝装置，其特征在于，所述装置包括喷丝头（3）和位于喷丝头（3）下方的溶液池（4）；所述喷丝头（3）包括依次连接的带有高压触点（32）的支撑机构（33）、导体金属丝电极（31）、绝缘连杆（34）、向导体金属丝电极（31）输出升降运动的凸轮机构（35）以及驱动电机（36）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高小歌，
申请(专利权)人：高小歌，
类型：发明
国别省市：
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