自主式多噴頭氣泡靜電紡絲裝置的製作方法

2023-07-06 11:37:02

本發明涉及靜電紡絲裝置，尤其是涉及自主式多噴頭氣泡靜電紡絲裝置。

背景技術：

通過靜電紡絲技術製備納米纖維材料是近十幾年來世界材料科學技術領域的最重要的學術與技術活動之一。靜電紡絲技術以結構簡單、成本低、適用性高、工藝可控等優點，已成為一種可靠製備納米纖維的方法。靜電紡絲技術材料兼容性高，利用此技術已經製備了種類豐富的納米纖維，包括有機、有機/無機複合和無機納米纖維。

目前，傳統的靜電紡絲採用的是單個紡絲噴頭進行靜電紡絲，所產生的的射流只有一根，生產率過低，僅為0.01～0.1g/h，極大地影響到其產業化和規模化。近年來，研究人員針對這一問題，提出了兩種提高產量的方法，一是多噴頭靜電紡絲，二是無噴頭的多射流靜電紡絲，這兩種方法產量比傳統的電紡產量提高近一個數量級。在無噴頭的多射流靜電紡絲中，氣泡靜電紡絲是其典型代表，依靠氣體在溶液中產生的氣泡爆裂產生多條紡絲射流，極大的提高紡絲效率。但是在這種方式下，纖維是靠氣泡爆裂產生，且氣泡在溶液中的位置具有不確定性，導致紡絲射流具有較大的不穩定性，難以形成均勻的纖維，嚴重影響納米纖維的質量，使其纖維的應用範圍受到極大的限制。所以解決氣泡靜電紡絲穩定性和設計合理收集裝置進一步提高紡絲效率和質量成為研究的難題。

傳統的靜電紡絲採用的是單根紡絲噴頭進行纖維的製備，效率較低，無法實現纖維的批量化生產。目前提高靜電紡絲納米纖維效率的方法主要是採用多紡絲噴頭進行靜電紡絲(Theron S A,Yarin A L,Zussman E,et al.Multiple jets in electrospinning:experiment and modeling[J].Polymer,2005,46(9):2889-2899)，並且大多數採用的是對多個標準的注射紡絲噴頭進行組裝，靠機械力的推動擠出溶液或熔體，靠電場力的拉伸進行紡絲。但是，標準的注射噴頭的噴絲口直徑大多處於微米級，用這種噴頭進行靜電紡絲，容易因溶劑揮發或熔體固化速度過快而導致噴頭的阻塞，造成紡絲製備的中斷，影響生產效率，同時需要更換噴頭和對噴頭進行清洗，造成紡絲效率的降低，紡絲成本的提高。並且，對於粘度較高的溶液或熔體，由於溶液或熔體的表面張力大，難以克服表面張力形成噴射細流，目前解決的方法主要是採用提高加在噴頭上的直流電壓，使得溶液或熔體在噴頭處的溶液克服表面張力形成噴射細流，但是過高的電壓容易造成空氣的電離。在靜電紡絲過程中，除了上述的利用電場力克服溶液的表面張力的方法之外，採用外力幹擾也是一種有效破壞溶液的表面張力的方法。其中，採用機械振動可以增強溶液的流動性，採用外物接觸溶液表面，可以刺破表面，克服表面張力，均是有效破壞表面張力的途徑。目前有採用超聲波震蕩的方式使溶液處於動態流動狀態，克服溶液表面張力形成多射流。但是在靜電紡絲過程中，駐波的位置會偏移，泰勒錐形成的位置和方向不固定，射流和形成的纖維的均勻性較低，射流之間容易發生幹擾。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供引入氣流形成氣泡膜，同時通過金屬電極組往復運動，自主式刺破氣泡，促進射流的高效、穩定的噴射，形成均勻排列纖維的自主式多噴頭氣泡靜電紡絲裝置。

本發明設有電源、多噴頭頂蓋、收集板、供液裝置、底蓋、氣泵、供氣通道、電動伸縮推桿和金屬電極組；所述供液裝置通過軟管與多噴頭頂蓋連接；多噴頭頂蓋上端內部設有溶液槽，多噴頭頂蓋內表面設有7個噴嘴；多噴頭頂蓋設在收集板下方，金屬電極組與電動伸縮推桿連接，電動伸縮推桿驅動金屬電極組上下往復運動；多噴頭頂蓋下端設有底蓋，氣泵通過供氣通道與底蓋連接；所述底蓋設有氣道接口，電源正極通過導線與溶液槽連接，電源負極接地；收集板接地。

所述金屬電極組可由7個等間距並排的電極組成，每個電極直徑為0.2～1mm，電極尖端有10°～30°的錐度。

所述電動伸縮推桿行程可為0～100mm。

所述溶液槽中溶液高於噴嘴2～4mm，供液裝置供液速度為0～1000ml/h可調。

所述多噴頭頂蓋上的7個噴嘴之間等間距，每個噴嘴的內徑為0.3～1.5mm。

所述電源可採用高壓電源。

本發明的優點在於噴嘴處的溶液在氣體的作用下形成氣泡膜，而不破裂，往復運動的金屬電極組自主式刺破氣泡膜，可形成穩定的紡絲射流，促進纖維的穩定均勻排列，同時裝置具有多個噴嘴和電極，提高紡絲的生產效率。

附圖說明

圖1是本發明實施例的結構組成示意圖。

在圖1中，各標記為：電源1、多噴頭頂蓋2、收集板3、噴嘴4、溶液槽5、供液裝置6、帶氣道接頭的底蓋7、氣泵8、供氣通道9、電動伸縮推桿10、金屬電極組11。

具體實施方式

以下實施例將結合附圖對本發明作進一步說明。

參見圖1，本發明實施例設有電源1、多噴頭頂蓋2、收集板3、噴嘴4、溶液槽5、供液裝置6、帶氣道接頭的底蓋7、氣泵8、供氣通道9、電動伸縮推桿10、金屬電極組11。供液裝置6通過軟管與多噴頭頂蓋7連接；多噴頭頂蓋7上端內部設有溶液槽5，內表面設有7個噴嘴4；多射頭頂蓋2設在收集器3下方，金屬電極組11與電動伸縮推桿10連接，驅動金屬電極組11上下往復運動；多噴頭頂蓋2下端設有帶氣道接頭的底蓋7，氣泵8通過供氣通道9與帶氣道接口的底蓋7連接；電源1正極通過導線與溶液槽5連接，電源1負極接地；收集板3接地。

在開始進行靜電紡絲之前，需將收集板3放置在多噴頭頂蓋2的上方，控制收集板3與多噴頭頂蓋2的最小距離大於50mm。開始靜電紡絲時，開啟氣泵8，提供微弱氣流，打開供液裝置6，將靜電紡絲溶液注入到溶液槽5內，當溶液與噴嘴4高度差高於2mm時，加大氣泵8的氣壓，使溶液在噴嘴4處形成氣泡膜，打開電動伸縮推桿10驅動金屬電極組11向上運動，刺破氣泡膜，在高壓電場的作用下形成射流。待刺破氣泡後，驅動金屬電極組11向下運動，噴嘴4處溶液在供液裝置6的供給下，覆蓋噴嘴4，形成氣泡膜，金屬電極組11往復運動，不斷刺破形成的氣泡膜，高效穩定地產生紡絲射流，促進纖維的穩定均勻排列收集。