一種批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法與流程

2023-10-24 22:39:07

本發明屬於靜電紡絲領域，具體是涉及一種批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法，特別是涉及一種朝上噴的批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法。

背景技術：

通過靜電紡絲技術製備的納米纖維無紡布材料由於其具有超高的比表面積、高孔隙率和優異的機械性能等優良特性，目前已經在生物醫學、過濾、催化、能源等眾多領域顯示出非常重要的應用價值，並列複合結構納米纖維與傳統單一結構的納米纖維相比在產品性能上可以綜合多種材料的優良性能，在研發功能性、多樣性、仿生性等方面具有更大的優勢，受到了廣泛的關注。

傳統的並列針頭靜電紡絲技術是將兩個單一的毛細管噴絲口並列配置形成並列靜電噴絲頭，即由並列配置的兩個毛細管相互並排而成。電紡時，將a紡絲溶液和b紡絲溶液分別由兩個不同的注射泵進行供液，在高壓靜電場作用下，能夠製備具有功能化的並列複合結構納米纖維。然而採用該技術時製備並列複合結構納米纖維的產量較低，且存在噴頭易堵塞的問題，無法實現並列複合結構納米纖維的批量化生產。

目前對於靜電紡絲技術批量化製備並列複合結構納米纖維的研究已經取得了一定的突破，但仍存在著一定的問題。如楊衛民等（專利號：zl201510076278.1）利用一種內外錐面複合套筒實現了並列結構納米纖維的批量製備，然而其作為一種朝下噴的紡絲方式，在紡絲過程中無法避免紡絲液滴直接噴向纖維氈，造成成品產生疵點，另外，其製備效率與內外錐面複合套筒的直徑有很大的關係，當其直徑過大時會造成單位面積製備效率的降低以及設備製造等困難。

因此，提出本發明。

技術實現要素：

針對現有技術的上述技術問題，本發明的目的是提供一種批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法，其利用雙側紡絲液面在高壓靜電場作用下產生不穩定波動的原理，實現並列複合結構納米纖維的批量生產。該方法避免了傳統並列靜電紡絲技術在紡絲過程中容易產生的噴頭易堵塞的問題，並且避免了紡絲過程中紡絲液滴直接噴向纖維氈、紡絲液面溶劑易揮發、製備效率低下等問題，該紡絲方法及裝置能夠大幅提高並列複合結構納米纖維的生產效率。其相應的裝置結構簡單，操作方便，在紡絲過程中可以消除紡絲液滴直接噴向纖維氈、紡絲液面溶劑揮發、產能受限等問題，實現並列複合結構納米纖維的高效批量製備。

為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法，包括以下步驟：

（1）通過紡絲液a和紡絲液b在噴絲頭上方形成左右兩側並列的複合層紡絲液；

（2）在高壓靜電場作用下形成並列結構泰勒錐；

（3）從泰勒錐產生的射流經拉伸固化後，在接收板上形成並列複合結構納米纖維。

所述靜電紡絲方法在靜電紡絲裝置內進行，所述的靜電紡絲裝置包括紡絲頭基座，所述紡絲頭基座的上方連接有高壓靜電發生器的條狀噴絲頭，所述條狀噴絲頭的兩側分別為儲液池a和儲液池b，儲液池a和儲液池b上均設有紡絲液出口，所述儲液池a的一側為溶液回收池a，儲液池b的一側為溶液回收池b，所述溶液回收池a和溶液回收池b均設有進口處，所述條狀噴絲頭的上方設有接收板，所述的接收板接地。

作為優選的，紡絲過程中，紡絲液通過儲液池a和儲液池b各自的狹縫，在條狀噴絲頭上方匯合，形成兩側分離的複合層紡絲液，剩餘的紡絲液a和紡絲液b分別流入兩側的溶液回收池a和溶液回收池b中。

所述條狀噴絲頭的橫截面為三角形、半圓形或者刀鋒形，條狀噴絲頭的縱向為直線型或者曲線型，條狀噴絲頭的寬度為1-4mm。

所述噴絲頭基座的橫截面為長方形，噴絲頭基座的縱向為與條狀噴絲頭相對應的直線型或者曲線型，噴絲頭基座的寬度為4-8mm。

所述紡絲液出口為寬度1-5mm的狹縫。

所述紡絲液a置於儲液池a中，所述儲液池a出口處狹縫高於噴絲頭上方0-5mm；所述紡絲液b置於儲液池b中，所述儲液池b出口處狹縫高於噴絲頭上方0-5mm。

所述溶液回收池a和溶液回收池b的進口處為寬度5-10mm的狹縫，所述的溶液回收池a和溶液回收池b的進口處狹縫高於各自對應的紡絲液出口的狹縫上方1-5mm；紡絲方向為朝上，所述接收板位於條狀噴絲頭上方100-500mm。

所述高壓靜電發生器的高壓靜電壓輸出範圍為101-100kv。

所述條狀噴絲頭為金屬材料；所述儲液池a和儲液池b均為絕緣材料；所述溶液回收池a和溶液回收池b均為絕緣材料；所述噴絲頭基座為絕緣材料；所述接收板為金屬材料。

本發明批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法具有如下有益效果：

1、本發明的靜電紡絲方法極大地提高了並列複合結構納米纖維的生產效率；

2、本發明的靜電紡絲裝置可以避免傳統並列靜電紡絲針頭結構裝置易堵塞的現象，且容易清洗，穩定性好；

3、本發明的靜電紡絲裝置可以避免其它並列靜電紡絲技術中存在的紡絲液滴直接噴向纖維氈、紡絲過程中紡絲液面溶劑易揮發等問題。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為橫截面為三角形、縱向為直線型的條狀噴絲頭結構示意圖；

圖3為橫截面為三角形、縱向為曲線型的條狀噴絲頭結構示意圖；

圖4為橫截面為半圓形、縱向為直線型的條狀噴絲頭結構示意圖；

圖5為橫截面為半圓形、縱向為曲線型的條狀噴絲頭結構示意圖。

其中，1為溶液回收池a、2為溶液回收池b、3為儲液池a、4為儲液池b、5為條狀噴絲頭、6為噴絲頭基座、7為高壓靜電發生器、8為接收板。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不限於此。

本發明一種批量製備並列複合結構納米纖維的靜電紡絲方法，包括如下步驟：紡絲溶液a選用質量濃度為10%的聚丙烯腈（pan）溶液，紡絲溶液b採用14%的聚氨酯（pu）溶液，紡絲溶液a和b分別從各自儲液池出口處狹縫以一定的流速溢出，並在條狀噴絲頭5上沿相遇，溢出紡絲溶液流入各自對應的溶液回收池；當條狀噴絲頭5上沿形成穩定的兩側紡絲液分布時，高壓靜電發生器7開始施加一定的電壓，使條狀噴絲頭5上沿的兩側複合層紡絲液在高壓靜電場作用下形成不穩定波動，由紡絲液面上形成的多個並列複合結構泰勒錐產生並列複合結構射流，經拉伸乾燥後形成並列複合結構納米纖維。

如圖1-5所示，本發明中的靜電紡絲裝置包括條狀噴絲頭5，條狀噴絲頭5置於噴絲頭基座6上方，其橫截面為三角形、半圓形或者刀鋒形，縱向為直線型或者曲線型，其寬度為1-4mm。噴絲頭基座6的橫截面為長方形，縱向為與條狀噴絲頭5相對應的直線型或者曲線型，其寬度為4-8mm。儲液池a3和儲液池b4分別位於噴絲頭基座6的兩側，其紡絲液出口處為寬度1-5mm的狹縫。紡絲液a置於儲液池a3中，儲液池a3出口處狹縫高於條狀噴絲頭5上方0-5mm；紡絲液b置於儲液池b4中，儲液池b4出口處狹縫高於條狀噴絲頭5上方0-5mm。溶液回收池a和溶液回收池b分別置於噴絲頭基座6的兩側，並且分別位於對應儲液池a3和儲液池b4的外側，其進口處為寬度5-10mm的狹縫，溶液回收池a1和溶液回收池b2進口處狹縫高於各自對應的儲液池a3和儲液池b4狹縫上方1-5mm。紡絲方向為朝上，即接收板8位於條狀噴絲頭5正上方的100-500mm，條狀噴絲頭5與高壓靜電發生器7的正極相連，接收板8接地。

本發明在紡絲過程中紡絲液通過儲液池a3和儲液池b4各自的狹縫，在條狀噴絲頭5上方匯合形成兩側分離的複合層紡絲液，剩餘的紡絲液a、b分別流入兩側的溶液回收池a1和溶液回收池b2。

其中，並列複合結構納米纖維中a纖維與b纖維比例可以通過紡絲液a及紡絲液b自各自儲液池出口處狹縫的溢出量、溢出速率以及紡絲液粘度、導電率進行調節。高壓靜電壓輸出範圍為10-100kv。

本發明中的條狀噴絲頭5為金屬材料，噴絲頭基座6為絕緣材料，儲液池a3和儲液池b4為絕緣材料，溶液回收池a1和溶液回收池b2為絕緣材料，接收板8為金屬材料。

本發明可以提高製備並列複合結構納米纖維的產量，實現並列複合結構納米纖維的連續化、規模化製備。

上述實施例僅用於解釋說明本發明的發明構思，而非對本發明權利保護的限定，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應落入本發明的保護範圍。