[发明专利]一种离心式无针头静电纺丝装置

说明书

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术，具体为一种离心式无针头静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种利用静电场力做驱动力对高聚物溶液或熔体进行牵伸制备纳米纤维材料的方法，主要由喂液系统、高压电源、纺丝系统、接收系统、传递系统和控制系统组成。其工艺原理是，经喂液系统喂入纺丝系统的喷针或喷嘴的聚合物纺丝液在高压电场作用下首先形成泰勒锥，再被电场力牵伸成纺丝射流；由于同种电荷的相互排斥作用和纺丝射流的鞭动不稳定性，纺丝射流进一步分裂成为无数小液滴；在向接收系统的相对极板运动的过程中，这些小液滴中的溶剂不断挥发，聚合物逐渐固化，最后沉积在接收器上，形成纳米纤维网/薄膜/非织造布材料。传统静电纺使用单针头作为纺丝部件进行纳米纤维材料的制备，但是速度慢、产量低，难以满足市场的需要。近几年出现的多针头和无针头规模化静电纺丝技术使纳米纤维材料的制备技术得到了质的飞跃，使静电纺纳米纤维材料的产率得到了大幅度提高。然而，多针头式静电纺虽然具有所得纤维细度较细、且产品均匀的优点，但是随着针头数量的增加，产量却并不能成比例地相应增大到期望值，原因是多针头之间存在强烈的静电干扰、最终导致了“end effect（边界效应）”现象。此外，针头式静电纺还存在针头易堵塞、难清理、易造成产品结构不匀、质量恶化等不足。

无针头式静电纺丝装置无需传统静电纺丝方法所需的毛细管（针头/喷嘴），避免了针头易堵塞和清洗困难等缺陷，具有制造简单，操作方便，利于节能环保，实施成本较低，便于工业化推广使用等优点。有关无针头式静电纺丝技术的权威代表是捷克的纳米蜘蛛静电纺丝机(WO2005/024101A1)，虽然该无针头式静电纺技术具有产量高、易操作的特点，不存在针头堵塞问题，纺丝头表面易清理，设备简单，但是所得纤维较粗、且细度分布不匀,而且纺丝电压偏高，造成生产成本较高，不利于实际应用。ZL200410025691.5、ZL200610117671.1、ZL200710036447.4、ZL200810032247.6和CN101275299B等中国专利中，采用了超声波技术、振动技术和气泡技术来实现无针头静电纺，该技术所得到的纳米纤维及产品均匀度控制较难，可加工聚合物材料受限。此外，Yarin等人（Polymer International2004,(45):2977-2980）提出过磁流体辅助式无针头静电纺丝方法，但装置复杂、两层液体的控制困难、射流中含有磁粉等杂质导致纤维直径偏差较大，应用受限。Dosunmu等人（Nanotechnology 2006,(17):1123-1127.）发明了多孔管状无针头静电纺丝方法，此方法需要气压装置辅助供液，结构较为复杂，且同样存在管孔内容易堵塞的问题。最近，CN102061530A描述了一种离心式无针头静电纺丝方法，原理是利用金属网制成的甩桶作为纺丝电极和纺丝头，得到筒状纳米纤维非织造布，但是结构复杂，所得纳米纤维直径在5nm～1000nm，离散较大，产品结构极为不匀，难以满足实际应用要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种离心式无针头静电纺丝装置，该装置可用于大规模生产纳米纤维，并可以有效提高静电纺丝过程的稳定性，所得纳米纤维细度、产品均匀度好，产量规模可满足实际需要，且所需纺丝电压较低，设备结构相对简单，不存在喷丝孔堵塞和清理问题。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种离心式无针头静电纺丝装置，包括供液系统、纺丝系统、高压静电发生系统、供电系统、接收系统、传动系统和控制系统，其特征在于：所述纺丝系统主要由一个内圆辊、一个外圆筒和一个中心轴组成，所述内圆辊的外表面均布有外凸钉，且可由中心轴带动进行旋转运动，所述外圆筒为一个静态或固装的薄壁空心圆筒，外圆筒的内表面也均布有内凸钉，外圆筒的形状尺寸可以套装在内圆辊之外，两者同轴组合配装，且使内圆辊的外凸钉与外圆筒的内凸钉相互交插嵌套分布，并留有适当间隙；同时，外圆筒的最高上表面处轴向均布开有1-3排纺丝孔。