[发明专利]一种超声波振荡静电纺丝喷头及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，特别是涉及一种超声波振荡静电纺丝喷头及其方法。

背景技术

静电纺丝是一种目前比较流行的制造纳米纤维的简单方法，以其设备简单、操作容易、材料来源广泛、工艺过程不破坏材料本体等优良特性已经成为当前研究纳米纤维制造的热点。静电纺丝所制得的纳米纤维具有直径小、比表面积大等特性，在生物医学、空气过滤、防护衣物等领域都有着巨大的应用潜力。

静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千乃至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力足够大时，电场力可在泰勒锥锥尖克服溶液表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或熔体固化，最终落在接受装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。

静电纺丝产量低是这种技术从实验室走向产业化生产及应用的最大的技术障碍。研究人员为了提高静电纺丝的生产效率，对纺丝喷头装置进行了较多的研究，但大多采用单个针头作为喷丝头或对其组装来解决这一技术障碍，因此采用单针头或多针头针筒式纺丝装置，靠机械力推动挤出溶液或熔体，在静电场中形成泰勒锥，从而抽拔出一根或较多根射流纺制成纳米纤维是很普遍的。然而，针头式喷丝孔直径多处于微米级，容易因溶剂挥发或熔体固化过快出现喷丝孔堵塞现象，导致生产中断，进而影响生产效率，且不易维护。目前部分学者研究的敞开向上式喷丝头从一定程度上改进了针头式喷丝头，但仍存在很多不足，如聚合物溶液或熔体直接与空气接触，由于溶剂挥发或熔体固化而使聚合物溶液或熔体表面粘滞，造成抽拔困难，同一参数条件下难以形成稳定射流，影响纺丝过程的顺利进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声波振荡静电纺丝喷头及其方法，可克服敞开式喷头难以形成射流的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超声波振荡静电纺丝喷头，包括喷丝头和超声波处理器，所述的超声波处理器包括变幅杆、换能器和控制器；所述的变幅杆顶端穿过所述的喷丝头底面置入所述的喷丝头中；所述的变幅杆底端与所述的换能器相连；所述的换能器与所述的控制器相连；所述的喷丝头为敞开式圆盘，所述的喷丝头上设有与高压正电极相连的接线柱。

所述的静电纺丝喷头还包括屏蔽罩；所述的变幅杆分为上半部分和下半部分；所述的喷丝头和所述的变幅杆的上半部分设置在所述的屏蔽罩的上方；所述的变幅杆的下半部分和换能器设置在屏蔽罩下方。

所述的喷丝头采用铜质材料制成。

所述的喷丝头底部中心处设有一孔洞，所述的变幅杆顶端穿过所述的孔洞置入所述的喷丝头内部；所述的喷丝头与所述的变幅杆的对称轴线相互重合；所述的变幅杆的外壁与所述的喷丝头的底面孔壁留有空隙。

所述的孔洞的直径为25cm；所述的空隙为0.05-0.1mm。

所述的变幅杆的上半部分采用绝缘树脂制成；所述的变幅杆的下半部分采用金属材料制成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超声波振荡静电纺丝方法，包括以下步骤：

(1)通过自动输液装置向喷丝头中添加纺丝溶液或熔体，并保持注入的纺丝溶液或熔体的液量高于变幅杆顶端水平面；

(2)开启控制器，设定超声波脉冲状态和超声时间，在超声波的机械效应和空化作用下，使变幅杆振荡纺丝溶液或熔体使其动态流动；

(3)将喷丝头上的接线柱连接高压正电极，引入高压静电；

(4)喷丝头中的纺丝溶液或熔体在超声波振荡的作用下形成泰勒锥，向上抽出射流，溶剂挥发或熔体固化，并通过收集装置收集，形成纳米纤维。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用超声波对喷丝头端内所注入的溶液或熔体进行振荡，使溶液处于动态流动状态，再加上铜质喷丝头的内壁顶端边缘处电场强度最大，可在同一电压作用下克服纺丝溶液或熔体的表面张力形成多根射流，增加了静电纺丝的产量，提高了喷头纺丝的稳定性，可实现纳米纤维的连续和规模化生产。本发明中采用的喷丝头是敞开向上式无针头式铜质喷头，避免了针头结构装置堵塞现象的发生，无需频繁更换和清洗喷丝孔，大大提高了生产效率，并且使用后容易清洗。

附图说明

图1是本发明实施例1的静电纺丝喷头示意图；

图2是本发明实施例1的喷丝头俯瞰图；

图3是本发明实施例2的静电纺丝喷头示意图；

图4是采用实施例2的静电纺丝喷头纺PVA溶液制成的纳米纤维的扫描电镜图；