[发明专利]一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法

说明书

一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，包括有纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元，所述纺丝形成单元包括有纺丝液容腔、带电电极、纺丝狭缝、中介电极及气流通道；所述收集单元包括有收集电极板；在所述的带电电极与收集电极板之间形成第一静电场；在所述的带电电极与中介电极之间形成第二静电场；所述纺丝液容腔中的纺丝液在第二静电场的作用下、经由纺丝狭缝喷出纺丝纤维，所述纺丝纤维在气流通道的引导及第一静电场的作用下，收集到收集电极板。本发明的一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，可提供一种均匀性高、产量更多、射程更远、纤维直径更细的静电纺丝。

技术领域

本发明属于静电纺丝领域，具体涉及一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法。

背景技术

纳米纤维通常是指直径小于1000nm的超细纤维。相对于普通的纤维，纳米纤维具有比表面积大，孔隙率高等优点，在诸多领域具有广阔的应用前景。静电纺丝技术是一种制备纳米纤维常用的技术，适用范围广泛，操作简单，工艺可控。静电纺丝技术的基本原理是，置于高压静电场中的聚合物液滴会形成泰勒锥，当电场力足够大，液滴可克服表面张力从泰勒锥锥尖喷射并形成射流，射流在静电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下不断细化，最终落在纤维收集电极上形成纳米纤维。传统的静电纺丝技术主要是以空心针头作为喷丝头，其纺丝生产能力有限，每个喷丝针头只能产生一根聚合物喷丝，每个针每小时生产纤维量小于300毫克。低下的纳米纤维生产效率极大地限制了静电纺丝技术的工业化进程。

一种常用的提高静电纺丝纳米纤维产量的方法是运用多个针头。由于单个针头的纤维产量极低，导致要生产达到市场需求克重的纳米纤维，须排列大量的针头。然而不同的针头之间存在着电场干扰，限制了它们的最小间距，增大了设备空间成本。同时，聚合物的沉积物或者杂质容易堵塞针头，因此纺丝过程的持续运作需要频繁地清理针头，使纳米纤维产品的质量和产量都受到影响。为了增加静电纺丝的生产效率，多种无针式纺丝头被引入。Formhals(美国专利US1975504)使用锯齿状的转轮作为纳米纤维的发生器，制备得到了纤维素纤维以及醋酸纤维素纤维，并设计了干法和湿法纺丝的纤维收集电极。Reneker等(国际专利WO2000022207)使用一种特殊的环形柱状体作为纤维的发生器，在该装置中，聚合物纺丝液首先被挤压到环形柱状体末端，然后中心通过气流使纺丝液形成薄膜，薄膜进入电场被进一步拉伸形成纺丝射流。Lucas等(国际专利WO2005024101)使用一个导电的圆柱体作为纤维的发生器，在此装置中，导电圆柱体的一部分浸没在聚合物纺丝液中，通过旋转该圆柱体使纺丝液体进入到电场中，大量的射流在圆柱体表面形成，最后可在收集器上得到纳米纤维。在此基础上，PETRAS等(国际专利WO2006131081)将导电圆柱体替换为一系列复杂的导电旋转体，与Lucas等人的专利相似，纺丝液体也在其表面形成射流。Lin等(国际专利WO2010043002)公开了一种无针静电纺纱装置，包括局部浸没在聚合物溶液容器内的螺旋线形纺丝电极(或喷丝头)。对电极处于离螺旋电极一定距离的收集器上。容器中的聚合物溶液在螺旋线圈表面形成一层薄膜，进入纺丝电极和接收电极之间电场中。

当电极之间的静电场强度足够大可以将溶液拉进泰勒锥时，在线圈表面一些点处形成纳米纤维。纳米纤维堆积在收集器表面，形成非织纳米纤维毡。

上述多种静电纺丝装置均采用开放式的体系，聚合物纺丝液的表面暴露在空气中，造成大量溶剂挥发。随着纺丝过程进行，溶液浓度会越来越大，纤维也随溶液浓度的增加越来越粗。因而影响纳米纤维生产的稳定性。同时，上述静电纺丝装置均需要较高的电压以保证较大的电场强度，但高电压容易引起放电，在实际生产过程中存在巨大的安全隐患。

申请号为201410022675.6的中国发明申请，公开了一种“无针头式静电纺丝装置”，由喷丝头、接收电极、高压电源、储存聚合物溶液的溶液罐、废液槽、基材及其卷绕系统等组成，或者由喷丝头、接收电极、高压电源、储存聚合物熔融体的储液罐、废液槽、基材及其卷绕系统，以及加热装置及其电加热控制装置等组成。其喷丝头采用狭缝型喷丝头；由左、右半片喷丝头紧密贴合通过螺纹联接件紧固一体构成；或者由左、右两片喷丝头构件与夹在二者之间的均流栅栅板夹片构成。