[实用新型]一种静电纺丝装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种从聚合物溶液中获得纳米纤维的静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝（electrospinning）技术应用于制备高分子一维纳米材料，可以获得直径在10～1000nm左右的超细纤维。相比常规纤维，纳米纤维的直径显著下降所带来的高孔隙率和高比表面积等新特性，使得静电纺丝技术在过滤、敷料、催化、传感及组织工程支架等领域得到更广泛的研究与应用。

常见的单针头静电纺丝设备主要由高电压源、纺丝泵、喷丝头和收集器等组件构成。在喷丝头和收集器之间的高压电场作用下，聚集在喷丝头口的聚合物溶液液滴的形状会变成锥形——“泰勒锥”，电场力的着力点在锥顶。随着电场力的增加，“泰勒锥”逐渐变尖，当锥顶角达到一个临界值后，液滴的相对稳定状态被破坏，锥顶表面分子受到足够大的电场力来克服表面张力，聚合物溶液从锥顶喷射出来，形成喷射流。电场力使射流拉伸数千倍至数百万倍，射流的直径随之减小到几个微米到十几个纳米。随着溶剂挥发，所得的纤维最终以无纺布的形式收集在与地线连接的金属板、缠绕器或其他收集器上。从施加静电场，到形成纳米纤维，最难发生的也是最慢的一步是形成“泰勒锥”，这是纺丝过程的决速步。

在单针头的静电纺丝中，纺丝效率很低（一般纺丝液的流速为0.1～10mL/h），无法满足工业生产对生产效率的要求。静电纺丝技术能获得工业化应用的前提是应用新的静电纺丝技术提高单位时间纺丝产量。

CN101210352A、CN102776582A等公开了多针头静电纺丝方法，可以较单针头有效地提高纺丝效率。多针头静电纺丝技术的优点在于原理简单，只是对单针头静电纺丝技术的简单放大。但在提高纺丝效率的同时也带来了很多更为复杂的问题，如：由于针头之间电场相互干扰，纺丝电场分布不匀，中心附近针头的电场会受到严重削弱，各针头纳米纤维产率和纤维直径差别很大；多针头射流因邻近射流表面电荷的干扰而偏斜，致使收集极获得纤维量分布不均；另外，针头直径小易堵塞，且不容易清理，多针头系统维护成本高，维护时间长，影响工业生产。

WO2005/024101A1公开了一种圆柱形的轴对称纺丝电极，其一部分浸入纺丝液，纺丝电极与对电极形成静电场，通过该电极绕其对称轴旋转，将纺丝液连续地供应到静电场中，达到连续纺丝的目的。这一发明，很好地解决了针头纺丝量小、且多针头之间互相电场互相影响的问题。但是，在实际生产中，无法避免的新问题主要有3个：1、圆柱形的电极与对电极之间需要高达80kV以上的电势差才能产生足够的电场强度，这对高压电源性能要求、纺丝设备的绝缘设计加工的要求是苛刻的；2、圆柱形的电极需要一个开口的盛装足够量溶液的槽子，使得电极的一部分可以浸入溶液并且电极旋转不被干涉，这种设置会使得溶剂大量挥发、溶液浓度变化，而溶液浓度决定了纳米纤维的形貌、结构、性能，影响连续生产中产品的质量稳定；3、圆柱形的电极在旋转过程中，裸露在空气中的表面积很大，而纺丝时，这部分电极表面附着的薄层液膜，参与形成泰勒锥的溶液只占液膜的很少一部分，大量的溶液在电场中极化并与空气接触后混入槽内溶液中，我们经过大量研究查明，溶液和电极接触而被极化以及空气中水的侵蚀，会造成溶液的老化。这在实际生产中大大地降低了原材料的利用率，提高生产成本。

WO2006/131081公布了几种带有外凸的尖端的圆柱形电极，在一定程度上解决了圆柱形电极应用的第一个问题，即外凸的尖端可以降低产生足够静电场所需的电势差。但是，新型电极不但没有解决溶剂容易挥发带来的溶液浓度变化的问题，也没有解决溶液老化被加速的问题；而且电极加工成本高、清洗困难。

WO2009/010020公布了一种全新的纺丝电极，其选用直径较小的金属丝作为纺丝电极，克服了之前对设备提供高电势差的依赖，降低了设备的绝缘设计加工要求。其采用向电极上喷洒聚合物基液的方式，可以解决圆柱形电极遇到的导致基液老化的问题。然而，有两方面问题比较突出：

一方面，原材料利用效率存在问题，即喷洒的溶液不能被完全用于纺丝，这是该供液方式的必然。

另一方面，WO2009/010020所公布的供液方式无法在同一时间使某一根电极的所有位置同时纺丝，这是因为：在从溶液进入电场到纺丝完成的过程中，泰勒锥的形成到开始纺丝是整个过程中耗时最长的一步。而所述供液方式是用喷嘴把基液沿着金属丝电极的一端喷洒到另一端，亦或将导线沿长度方向从溶液中逐步拉出。显而易见，无论哪种供液方式，都存在纺丝金属丝电极上的不同位置不能同时发生纺丝的问题。