一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法
【專利摘要】一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法，包括給料系統(tǒng)（1）、絲狀電極（2）和接收系統(tǒng)（3）。所述絲狀電極和接收系統(tǒng)設(shè)置在相互平行的兩個平面上；所述給料系統(tǒng)在絲狀電極上做橫向往復(fù)運動，刷新包覆聚合物溶液；水平設(shè)置的絲狀電極帶高壓靜電，與水平設(shè)置的接收系統(tǒng)之間形成電場，接收系統(tǒng)在傳輸帶帶動下做縱向運動，絲狀電極上的聚合物溶液在電場作用下分裂形成納米纖維，沉積在接收系統(tǒng)上，形成納米纖維膜。傳統(tǒng)靜電紡絲方法是電極包裹聚合物溶液，制備納米纖維效率非常低，本發(fā)明是聚合物溶液包裹電極，制備效率顯著提高；與傳統(tǒng)的針頭電極容易堵塞相比，絲狀電極避免了溶液堵塞的問題，可實現(xiàn)連續(xù)加工制備納米纖維。
【專利說明】
一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法，屬納米纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]納米纖維在水處理，空氣過濾，生物醫(yī)學(xué)材料以及新能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。靜電紡絲作為一種加工制備納米纖維非常有效的方法，一直是研究的熱點。作為一種材料加工的方法，靜電紡絲裝置是制備納米纖維的關(guān)鍵，傳統(tǒng)靜電紡絲裝置使用單針頭方式，產(chǎn)量低是靜電紡絲技術(shù)從實驗室走向工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的最大技術(shù)障礙，因此，提高靜電紡絲效率成為這一領(lǐng)域急需解決的技術(shù)問題。
[0003]已有的提高靜電紡絲效率的方法包括多噴頭靜電紡絲，多孔管靜電紡絲，磁流體靜電紡絲，氣泡靜電紡絲等，受噴頭本身效率低下的影響，多噴頭靜電紡絲裝置比單個噴頭效率有所提高，但是紡絲效率仍然較低，且噴頭間電場互相影響，導(dǎo)致紡絲不均勻，存在針頭堵塞的缺陷。多孔管靜電紡絲適當(dāng)提高紡絲效率，但是需要氣壓輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同樣存在孔意堵塞的問題。磁流體靜電紡絲解決了針頭紡絲易堵塞的問題，但是也存在較大缺陷，引入磁粉和硅油等雜質(zhì)，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。氣泡靜電紡絲沒有傳統(tǒng)紡絲針頭堵塞的問題，但是存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，紡絲不均勻的問題。捷克Elmarc0公司與貝利雷茨大學(xué)合作開發(fā)了首臺納米纖維紡絲機一納米蜘蛛，使用轉(zhuǎn)動的滾筒作為電極代替針頭，解決針頭堵塞的問題，聚合物溶液在滾筒表面形成Taylor錐，紡絲效率得到顯著提高，可以連續(xù)生產(chǎn)納米纖維材料，但是由于滾筒電極上的電場分布不均勻，獲得的纖維均勻性不夠，有待改進(jìn)?？梢娞岣哽o電紡絲效率關(guān)鍵在于電極的設(shè)計，基于此，本發(fā)明提出一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，在帶電的絲狀電極表面包覆聚合物溶液，經(jīng)過電場力作用形成泰勒錐，分裂形成納米纖維，堆積在縱向運動的接收系統(tǒng)基材上，紡絲效率顯著提高，適合納米纖維規(guī)模化制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是，為了克服傳統(tǒng)電極包裹聚合物溶液制備納米纖維效率低下，電極容易堵塞的問題，本發(fā)明提供一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法。
[0005]本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)方案是如下，
一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置包括給料系統(tǒng)、絲狀電極和接收系統(tǒng)。所述絲狀電極和接收系統(tǒng)設(shè)置在相互平行的兩個平面上;所述給料系統(tǒng)做橫向往復(fù)運動在絲狀電極上刷新包覆聚合物溶液;水平設(shè)置的絲狀電極帶高壓靜電，與水平設(shè)置的接收系統(tǒng)之間形成電場，接收系統(tǒng)在傳輸帶帶動下做縱向運動，絲狀電極上的聚合物溶液在電場作用下分裂形成納米纖維，沉積在接收系統(tǒng)上，形成納米纖維膜。
[0006]所述絲狀電極直徑為0.絲狀電極長度為200mm-1600mm;絲狀電極數(shù)量為1-3000根。
[0007]所述高壓靜電的電壓為8KV-40KV。
[0008]所述絲狀電極與接收系統(tǒng)構(gòu)成的電場距離為10cm-25cmo
[0009]所述給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度為0.01m/s-0.lm/s，出料速度為3ml/h_3000ml/h。
[0010]所述接收系統(tǒng)的傳輸帶移動速度為0.lm/s-lm/s。
[0011 ] 一種納米纖維的制備方法步驟如下:
(I)根據(jù)聚合物性質(zhì)以及材料用途要求配制具有一定粘度和濃度的聚合物溶液。
[0012](2)采用包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，設(shè)置靜電紡絲裝置參數(shù);包括絲狀電極的直徑和數(shù)量、高壓靜電等級、電場距離，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度、出料速度和接收系統(tǒng)的傳輸帶移動速度。
[0013](3)裝置正常運轉(zhuǎn)后聚合物溶液在帶電的絲狀電極表面經(jīng)過電場力作用形成泰勒錐，分裂形成納米纖維，堆積在接收系統(tǒng)基材上，獲得納米纖維膜材料。
[0014]與傳統(tǒng)方法比較，本發(fā)明的有益效果是，傳統(tǒng)靜電紡絲方法是電極包裹聚合物溶液，制備納米纖維效率非常低，本發(fā)明是聚合物溶液包裹電極，制備效率顯著提高；與傳統(tǒng)的針頭電極容易堵塞相比，絲狀電極避免了溶液堵塞的問題，可實現(xiàn)連續(xù)加工制備納米纖維，此外通過使用特殊表面形狀的絲狀電極可以進(jìn)一步提高納米纖維制備效率;絲狀電極經(jīng)過簡單的并列排列就可實現(xiàn)納米纖維規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)效率顯著提高，解決傳統(tǒng)針頭電極制備納米纖維效率低下的問題;使用絲狀電極靜電紡絲裝置獲得的納米纖維直徑更細(xì)，纖維直徑分布更窄，纖維膜孔隙更加均勻。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明絲狀電極靜電紡絲裝置示意圖；圖2為納米纖維掃描電鏡照片(放大倍數(shù)200倍)；圖3為納米纖維掃描電鏡照片(放大倍數(shù)4000倍)。
【具體實施方式】
[0016]
實施例1
使用單根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度
0.0 lm/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較單個噴頭電極顯著提高。
[0017]本實施例產(chǎn)品納米纖維掃描放大倍數(shù)200倍的電鏡照片如圖2所示，納米纖維掃描放大倍數(shù)4000倍的電鏡照片如圖3所示。
[0018]實施例2
使用單根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制10%聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓10KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.01m/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PAN納米纖維膜。
[0019]實施例3
使用單根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制15%聚乳酸(PLA)的DMF溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離20cm，電壓25KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.01m/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在
0.lm/s，收集獲得PLA納米纖維膜。
[0020]實施例4
使用6根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，電極排列間距5cm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.01m/s，出料速度18ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1單根電極系統(tǒng)顯著提尚O
[0021]實施例5
使用6根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，電極排列間距5cm，配制10%聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓10KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.0lm/s，出料速度18ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PAN納米纖維膜。
[0022]實施例6
使用15根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.0lm/s，出料速度45ml/h，傳輸帶移動速度在
0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1和實施例4單根或6根電極系統(tǒng)顯著提尚O
[0023]實施例7
使用15根直徑為0.5mm的銅導(dǎo)線做絲狀電極，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制15%聚乳酸(PLA)的DMF溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離20cm，電壓25KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.01111/8，出料速度451111/11，傳輸帶移動速度在
0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例3的電極系統(tǒng)顯著提高。
[0024]實施例8
使用單根直徑為0.5mm表面經(jīng)過粗糙處理的銅導(dǎo)線做絲狀電極，提高電極與聚合物溶液的接觸面積，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.0 lm/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1有所提高。
[0025]實施例8
使用多股細(xì)銅絲(直徑0.1mm)經(jīng)過纏繞成麻花繩狀的單根繩做絲狀電極，提高電極與聚合物溶液的接觸面積，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.0lm/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1進(jìn)一步提高。
[0026]實施例9
使用表面排列分布許多小孔的銅毛細(xì)管(直徑1_)做絲狀電極，毛細(xì)管中通空氣，根據(jù)技術(shù)方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數(shù)條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度0.0lm/s，出料速度5ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1進(jìn)一步提尚。
【主權(quán)項】
1.一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述裝置包括給料系統(tǒng)、絲狀電極和接收系統(tǒng);所述絲狀電極和接收系統(tǒng)設(shè)置在相互平行的兩個平面上;所述給料系統(tǒng)在絲狀電極上做橫向往復(fù)運動，刷新包覆聚合物溶液;水平設(shè)置的絲狀電極帶高壓靜電，與水平設(shè)置的接收系統(tǒng)之間形成電場，接收系統(tǒng)在傳輸帶帶動下做縱向運動，絲狀電極上的聚合物溶液在電場作用下分裂形成納米纖維，沉積在接收系統(tǒng)上，形成納米纖維膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述絲狀電極直徑為0.絲狀電極長度為200mm-1600mm;絲狀電極數(shù)量為1-3000根。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述高壓靜電的電壓為8KV-40KV。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述絲狀電極與接收系統(tǒng)構(gòu)成的電場距離為10cm-25cmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度為0.01m/s-0.lm/s，出料速度為3ml/h-3000ml/h。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述接收系統(tǒng)的傳輸帶移動速度為0.lm/s-lm/s。7.一種納米纖維的制備方法，其特征在于，所述方法的步驟為: (1)根據(jù)聚合物性質(zhì)以及材料用途要求配制具有一定粘度和濃度的聚合物溶液； (2)采用包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，設(shè)置靜電紡絲裝置參數(shù);包括絲狀電極的直徑和數(shù)量、高壓靜電等級、電場距離，給料系統(tǒng)往復(fù)運動速度、出料速度和接收系統(tǒng)的傳輸帶移動速度； (3)裝置正常運轉(zhuǎn)后聚合物溶液在帶電的絲狀電極表面經(jīng)過電場力作用形成泰勒錐，分裂形成納米纖維，堆積在接收系統(tǒng)基材上，獲得納米纖維膜材料。
【文檔編號】D04H1/728GK106012049SQ201610562143
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】孫復(fù)錢, 張鵬, 崔紅敏, 董曉娜
【申請人】江西省科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所