[发明专利]液面曲率与电场分离控制的静电纺丝喷头及其纺丝方法

说明书

本发明公开了一种液面曲率和电场分离控制的静电纺丝喷头及其纺丝方法。所述静电纺丝喷头包括与高压发生器正极连接的碗形金属喷头，其内部设有液面曲率稳定调控模块，碗形金属喷头的内壁与液面曲率稳定调控模块的外壁之间形成环形狭缝通道，环形狭缝通道通过导液管与纺丝液储液槽内的纺丝液连通。纺丝方法为：打开接收装置、供液控制装置，向环形狭缝通道注入纺丝液；碗形静电纺丝喷头在接收装置正下方作往复运动；打开高压发生器，环形狭缝通道的上方开始产生射流，射流在接收装置上形成纳米纤维。本发明在不干扰电场调控的基础上可以稳定纺丝液自由液面，减少溶剂挥发，并可适应喷头快速运动需求，实现窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备。

技术领域

本发明涉及一种液面曲率和电场分离控制的静电纺丝喷头及其纺丝方法，属于纳米纤维和纺织机械技术领域。

背景技术

当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列惊奇的特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工材料范围、加工耗时等，静电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维的方法。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维成为工程材料科学界的研究热点。

传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微量注射泵控制，高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地。高压电源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥，当高压电源电压进一步增大，电场力会克服高聚物溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达接地金属收集板，在这个过程中，溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。

传统的静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低，很难满足纳米纤维在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。

当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。中国专利200710036447.4公开了一种喷气式静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通入气体在高聚物自由液面形成气泡，气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量，但在机理上气泡形成泰勒锥破裂的同时有许多形状大小不一的气泡碎片被电场力拉伸，造成纤维的直径分布较宽。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发，纺丝方向受限；中国专利201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这种方法可以实现纳米纤维的批量化制备，但伞状喷头的溶液自由表面与大气环境接触，溶剂极易挥发，从而会影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质，并且自由液面边缘溶液曲率不可调控；中国专利201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，该装置可以提高单位时间内纳米纤维的产量，纺丝方向不受限，但是存在针头易堵塞的缺点，同时，针头的排列方式要考虑到施加高压静电后电场之间的相互影响，所以多针头静电纺丝装置的设计较为繁琐和复杂，难以实现批量化生产纤维直径分布可控的纳米纤维产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纺丝液曲率和纺丝电场分离控制的碗形静电纺丝喷头及其使用方法，解决目前批量静电纺丝过程中待纺纺丝液自由液面过大，待纺纺丝液溶剂易挥发，喷头快速运动自由液面不稳定的问题，同时实现静电纺丝过程中电场和纺丝液曲率的精准设计调控，实现窄分布亚微米纤维、纳米纤维的批量制备。