一種可用於大規模生產納米纖維的靜電紡設備的製作方法

2023-10-22 15:59:27 4

專利名稱：一種可用於大規模生產納米纖維的靜電紡設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種製作納米纖維的設備，尤其是能夠大規模連續工業化生產納米纖維 及其複合材料的靜電紡設備。
背景技術：
1934年，描述靜電紡絲技術的第一個專利(A. Formhals， US Patent No. 1975504， 1934) 公開了一種應用靜電場力並結合溼法紡絲技術生產納米纖維的裝置和方法。其構成和方法是 部分浸入紡絲液中的具有鋸齒形邊緣的薄齒輪，其上施加了止電荷；尖銳的齒輪邊緣在轉動 過程中將紡絲液帶到高壓靜電場中，在齒輪邊緣的尖端處形成紡絲液射流。當靜電力克服了 溶液的表面張力時，射流向電勢較低的纖維收集器運動。運動過程中由於射流的不穩定性而 進一步劈裂成更細小的液滴。在到達纖維收集器時，由於溶劑的揮發而固化成納米纖維，沉 積在纖維收集器上。不足之處是，這種方法雖然可以收集到數量有限的長絲，但由於生產速 度和產品質量控制等問題，該專利在當時並沒有轉化為工業應用。
此後直至目前，絕大多數研究人員以靜電紡方法生產納米纖維採用的是針頭式/毛細管式 /噴嘴式靜電紡技術。此種技術又分為單針頭式/單噴嘴式電紡絲技術和多針頭式/多噴嘴式電 紡絲技術。
單針頭式/單噴嘴式(針孔/紡絲孔直徑為0.5 mnTl.5mm)靜電紡絲技術的不足之處是，產 量低(O. lg~1.0g/hr)，均勻度差，且噴絲孔易堵塞難以清理，所以仍然停留在實驗室階段， 難以適應連續大規模工業化生產納米纖維的需要。
多針頭式/多噴嘴式靜電紡技術，有望實現納米纖維的大規模生產。不足之處是，由於在 相同的靜電場作用下，每個噴絲孔受到的靜電力並不相同，造成噴絲狀態不一致，加上不同 噴絲孔之間的相互幹擾，使得多噴嘴靜電紡設備的產品質量難以控制，因此也難以用來實現 丁業化生產納米纖維。
發明內容
為克服現有設備的不足和解決上述技術問題，本實用新型提供了一種町用於大規模連續 工業化生產納米纖維及其複合材料的靜電紡設備。 本實用新型的技術方案是被巻繞輥100/巻繞羅拉81和退繞輥90/退繞羅拉80牽引的基布85，形成接收納米纖維的支 撐平面；基布85下方為紡絲部分，由紡絲網簾1和紡絲網簾傳動輥30組合形成封閉式網簾結構， 其傳動方向與生產線方向相反；基布85上方為位於真空室55內的纖維收集部分，由纖維收集 屏40和纖維收集屏傳動輥50組合形成封閉式網簾結構，其中包含一個真空泵70,其傳動方向 與生產線方向一致；基布85靠近上方纖維收集屏40，並和下方紡絲網簾l保持適當距離形成紡 絲區域60，紡絲區域60最下方靠近紡絲網簾1的箱體兩側開有熱空氣進口110和熱空氣出口 111;紡絲部分下方為給液部分，包括紡絲液存儲器5，開在其側面的紡絲液出口ll和開在底 面的紡絲液進口IO，紡絲液儲存器5中儲存著維持適當液面高度的紡絲液20。
該設備中，紡絲網簾l、纖維收集屏40、紡絲網簾傳動輥30、纖維收集屏傳動輥50均由導 電性良好的金屬材料製成，其他處於紡絲單元內的部件由絕緣材料製成。
紡絲網簾1和纖維收集屏40的工作寬度和工作長度都可以根據產量需要進行改變。
紡絲網簾1和纖維收集屏40採用了柔性連接結構，金屬片130和金屬片131為完全相同的金 屬片，兩個側邊具有凹凸結構，金屬片130上的凸起部分嵌入金屬片131的凹入部分，再使用 銷軸120將二者鬆弛地結合在一起，形成柔性可傳動的網簾結構。此類結構包括履帶式金屌傳 送帶、鏈板、輸送網簾、鏈網(網帶)、網板鏈、傳送鏈、金屬針布、綱帶式輸送帶、大滾鏈 輸送鏈等。
紡絲網簾1表面具有規律性分布的尖銳凹凸形狀，能夠產生尖端放電效應。 纖維收集屏40表面有規律性分布的丌孔或縫隙，具有透氣性。
紡絲網簾1和纖維收集屏40的工作長度相同，但纖維收集屏40的工作寬度大於或等於紡絲 網簾l的工作寬度。
紡絲液存儲器5裝有升降裝置，通過升高或降低紡絲液存儲器5的位置可以調節紡絲網簾1 和纖維收集屏40之間的垂直距離，即纖維接收或固化距離。
基布85的運動速度可以通過改變巻繞部分的速度而改變，從而改變納米纖維層的厚度。
使用此靜電紡設備生產納米纖維的方法，就是利用靜電場力作驅動力，使進入靜電場內 的高聚物紡絲液產生射流，可以大規模連續工業化生產納米纖維複合材料。
設備工作時，帶有0-100kv可調直流電壓的紡絲網簾l與接地的纖維收集屏40之間形成高 壓靜電場，當浸入紡絲液中的紡絲網簾1被紡絲M簾傳動輥30牽引運動，其表面上的凹槽將紡 絲液20帶到位於兩電極之間的靜電場時，紡絲網簾l上的紡絲液薄層在靜電場力的作用下，克 服了溶液表面張力後產生變形，形成Tay]i錐，並在電場力的引導卜一，向電勢較低的纖維收 集屏40運動，在紡絲區域60內形成紡絲液射流，由於射流彎曲的不穩定性，射流在運動過程中會發生進一步的分裂，形成更細小的液滴；射流經過紡絲區域60內的熱空氣，高聚物不斷 凝聚固化，通過真空泵70產生的負壓吸附在基布85上，形成含有納米纖維表層的基布86，經 過巻繞輥/羅拉的牽引形成強度較高的納米纖維複合材料。 上述方法中，還包括以下三個重要工藝方法
通過升降紡絲液存儲器5的高度，來調節紡絲網簾1和纖維收集屏40之間的垂直距離，即 纖維接收或固化距離，從而改變納米纖維的形貌。
在紡絲區域60內通入與生產線方向相反的熱空氣流，即從熱空氣進口110進入，從熱空氣 出口lll離開，射流經過熱空氣時，在其輔助作用下紡絲溶劑不斷揮發，高聚物不斷凝聚固化， 到達基布時，溶劑揮發殆盡。通過熱空氣促進溶劑的揮發和高聚物的固化，可以提高納米纖 維生產率。
採用透氣性纖維接收屏40和能形成負壓的真空泵70來收集纖維，使高聚物吸附在基布85 上，形成強度較高的納米纖維複合材料。尤其是使用自下而上噴絲的紡絲頭時，真空吸附是 唯一能夠使紡出來的纖維貼附在基布或纖維收集器表面的方法。
本實用新型所使用的紡絲溶液具有適當的紡絲參數，包括高聚物分子量/聚合度，濃度/ 質量分數，粘度，電導率，表面張力。對於表面張力過高或導電性差的紡絲溶液，可以加入 適量的表面活性劑如Triton X-100等來降低表面張力；或加入適量的低分子量電解質如 NaCl來提高溶液的導電性，以利於靜電紡絲的順利進行。
靜電紡絲過程會受到許多參數或變量的影響。
高聚物濃度可以影響溶液粘度和表面張力存在一個最小濃度以穩定纖維射流；也存在 一個最高濃度，使得超過此濃度後，溶液粘度太高而無法有效地進行射流展開(Jet splaying)o
表面張力在射流分裂過程中起主要作用表面張力總在抵消射流的彎曲不穩定性，而較 高的表面張力一般易產生較多的珠狀結構；所以低分子量，低濃度溶液往往產生珠絲。 較低電壓下也易生產出珠絲。
低表面張力和高電導率的紡絲溶液有利於生產較細的纖維和較少的珠子。 纖維固化距離(接收距離，兩電極之間的距離，即紡絲網簾到纖維收集屏之間的距離) 也是影響所生產的納米纖維形貌的重要因素。較短的接收距離可以導致纖維的崩潰，扁平和 接合，但可提高電場強度；較長的接收距離有利於溶劑揮發，可導致圓形纖維截面，但是導 致電場強度降低。
環境變量如溫度，溼度以及空氣流速等都回影響靜電紡絲過程的穩定性和產品質量。適 當提高紡絲室內的環境溫度有利於溶劑的快速揮發。由於採用上述技術方案，本實用新型提供的靜電紡絲設備，具有這樣的有益效果 紡絲網簾特殊的表面形貌，有助於提高產品均勻度，消除了傳統多針頭式/多噴嘴式設備 中存在的靜電幹擾，並且很好清洗；
可調的紡絲網簾工作寬度、工作長度，可根據需要調整生產率； 可調的纖維固化距離，有助於調整纖維形貌。


圖l是紡絲原理圖2是帶有三角形凹槽的紡絲網簾表面； 圖3是帶有正方形凹槽的紡絲網簾表面； 圖4是帶有十字形凹槽的紡絲網簾表面； 圖5是帶有圓形儲液凹槽和尖頂圓錐的紡絲網簾表面； 圖6是柔性連接金屬網簾結構示意圖。
圖中紡絲網簾l 紡絲液存儲器5紡絲液進口IO紡絲液出口ll 紡絲液20 紡絲網
簾傳動輥30纖維收集屏40纖維收集屏傳動輥50真空室55紡絲區域60真空泵70退 繞羅拉80巻繞羅拉81 基布85含有納米纖維表層的基布86退繞輥90巻繞輥IOO熱 空氣進口IIO熱空氣出口lll 銷軸120金屬片130金屬片13具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步詳細描述
實施例l:
將PVA粉末加入去離子水在80'C下溶解1小時，調配成10% w/v的PVA溶液，其醇解度為 98%，分子量為120000。將此溶液通過紡絲液進口10注入紡絲液存儲器5中，並通過紡絲液進 口10和紡絲液出口11可以調整紡絲液面高度。
紡絲網簾1接入13 kV高壓靜電，纖維收集屏40接地；纖維固化距離(紡絲網簾到纖維收 集屏之間的距離)為16cm。
浸入紡絲液中的紡絲網簾1在傳動過程中將底部的部分紡絲液20帶到紡絲網簾1的上部， 進入紡絲網簾1和纖維收集屏40之間的靜電場進行靜電紡絲；未參加靜電紡絲的多餘的紡絲 液從紡絲網簾1上被重新帶回到紡絲液存儲器5中；紡絲液存儲器5右邊的紡絲液出口 ll可以 控制紡絲液20存儲量和帶到紡絲網簾1上的紡絲液20的數量。為了促進溶劑的快速揮發，在兩個電極之間的紡絲區域60通入6(TC的乾熱空氣。所形成的直徑為150nm至350 nra的納米纖維通過真空泵70產生的負壓吸附在基布85上。納米纖維層的厚度可以通過改變基布85和纖維收集屏40的運動速度來調節。生產線速度為250cm/min，在工作面積(紡絲網簾處於紡絲區域的長度和寬度之積)為l平方米的紡絲網簾l上PVA納米纖維網的產率為2g/hr。
實施例2:
將PVA粉末加入去離子水在80'C下溶解1小時，調配成7Xw/v的PVA溶液，其醇解度為99%，分子量為155000。
在紡絲液中加入1.，。質量分數的NaCl以提高紡絲液的電導率，並降低表面張力，以生產更細的纖維。
紡絲網簾l被接入30kV高壓靜電，纖維收集屏40接地；纖維固化距離為20cm。 PVA紡絲液20經過紡絲液進口10進入紡絲液存儲器5，浸入紡絲液中的紡絲網簾l在傳動過程中將底部的部分紡絲液20帶到紡絲網簾1的上部，進入紡絲網簾1和纖維收集屏40之間的靜電場進行靜電紡絲；未參加靜電紡絲的多餘的紡絲液從紡絲網簾1上被重新帶回到紡絲液存儲器5中；紡絲液存儲器5右邊的紡絲液出口11可以控制紡絲液20存儲量和帶到紡絲網簾1上的紡絲液20的數量。為了促進溶劑的快速揮發，在兩個電極之間的紡絲區域60通入6(TC的T熱空氣。所形成的直徑為50nm至250 nm的納米纖維通過真空泵70產生的負壓吸附在基布85上。納米纖維層的厚度可以通過改變基布85和纖維收集屏40的運動速度來調節。生產線速度為250cm/min，在工作面積(紡絲網簾處於紡絲區域的長度和寬度之積)為l平方米的紡絲網簾l上PVA納米纖維網的產率為1.5g/hr。
實施例3:
將PVA粉末加入去離子水在8(TC下溶解1小時，調配成7Ww/v的PVA溶液，其醇解度為99%，分子量為155000。
在紡絲液中加入8%質量分數的PEG (Polyethylene glycol,聚乙二醇)以提高溶液粘度，限制噴霧和液滴的形成，生產更粗的纖維。
紡絲網簾l被接入40 kV高壓靜電，纖維收集屏40接地；纖維固化距離為25cm。 PVA紡絲液20經過紡絲液進U10進入紡絲液存儲器5，浸入紡絲液中的紡絲網簾l在傳動過程中將底部的部分紡絲液20帶到紡絲網簾1的上部，進入紡絲網簾l和纖維收集屏40之間的靜電場進行靜電紡絲；未參加靜電紡絲的多餘的紡絲液從紡絲網簾1上被重新帶回到紡絲液存儲器5中；紡絲液存儲器5右邊的紡絲液出口11可以控制紡絲液20存儲量和帶到紡絲網簾1上的紡絲液20的數量。為了促進溶劑的快速揮發，在兩個電極之間的紡絲區域60通入6(TC的乾熱空氣。所形成的直徑為250nm至600 nm的納米纖維通過真空泵70產生的負壓吸附在基布85上。納米纖維層的厚度可以通過改變基布85和纖維收集屏40的運動速度來調節。生產線速度為250cm/min，在工作面積(紡絲網簾處於紡絲區域的長度和寬度之積)為l平方米的紡絲網簾l上PVA納米纖維網的產率為2. 5g/hr。
權利要求1、一種可用於大規模生產納米纖維的靜電紡設備，其特徵在於被卷繞輥(100)/卷繞羅拉(81)和退繞輥(90)/退繞羅拉(80)牽引的基布(85)，形成接收納米纖維的支撐平面；基布(85)下方為紡絲部分，由紡絲網簾(1)和紡絲網簾傳動輥(30)組合形成封閉式網簾結構，其傳動方向與生產線方向相反；基布(85)上方為位於真空室(55)內的纖維收集部分，由纖維收集屏(40)和纖維收集屏傳動輥(50)組合形成封閉式網簾結構，其中包含一個真空泵(70)，其傳動方向與生產線方向一致；基布(85)靠近上方纖維收集屏(40)，並和下方紡絲網簾(1)保持適當距離形成紡絲區域(60)，紡絲區域(60)下方靠近紡絲網簾(1)的兩側開有熱空氣進口(110)和熱空氣出口(111)；紡絲部分下方為給液部分，包括紡絲液存儲器(5)，開在其側面的紡絲液出口(11)和開在底面的紡絲液進口(10)，紡絲液儲存器(5)中儲存著維持適當液面高度的紡絲液(20)。
2、 根據權利要求1所述的靜電紡設備，其特徵在於，所述的紡絲網簾(1)、纖維收集屏(40)、 紡絲網簾傳動輥(30)、纖維收集屏傳動輥(50)均由導電性良好的金屬材料製成，其他處於 紡絲單元內的部件由絕緣材料製成。
3、 根據權利要求1所述的靜電紡設備，其特徵在於，所述的紡絲網簾(1)和纖維收集屏(40) 採用了柔性連接結構，金屬片(130)和金屬片(131)為完全相同的金屬片，兩個側邊具有 凹凸結構，金屬片(130)上的凸起部分嵌入金屬片(131)的凹入部分，再使用銷軸(120) 將二者鬆弛地結合在一起，形成柔性可傳動的網簾結構。
4、 根據權利要求1所述的靜電紡設備，其特徵在於，所述的紡絲網簾(1)表面有規律性分 布的尖銳凹凸形狀。
5、 根據權利要求1所述的靜電紡設備，其特徵在於，所述的纖維收集屏(40)表面有規律性 分布的開孔或縫隙。
6、 根據權利要求1所述的靜電紡設備，其特徵在於，所述的紡絲網簾(1)和纖維收集屏(40) 的工作長度相同，但纖維收集屏(40)的工作寬度大於或等於紡絲網簾(1)的工作寬度。
專利摘要本實用新型公開了一種可用於大規模生產納米纖維的靜電紡設備，旨在提供一種可以控制產品均勻度和產量，而且可以實現大規模連續工業化生產的靜電紡絲設備。其技術方案要點是，採用特殊紡絲網簾結構，可調整工作面寬度、長度，可調整紡絲箱體高度從而調整纖維固化距離。本實用新型的主要用途是，通過特殊結構的紡絲網簾提高產品均勻度，消除傳統設備中存在的靜電幹擾，且此種結構便於清洗；通過調整工作面寬度、長度和調整紡絲箱體高度，可以實現對產品產率、纖維形貌的有效控制。
文檔編號D01D5/00GK201280610SQ20082012773
公開日2009年7月29日 申請日期2008年7月18日 優先權日2008年7月18日
發明者劉延波, 劉玉軍, 姚金波 申請人:宏大研究院有限公司