[发明专利]一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法

说明书

技术领域

本发明属于静电纺丝装置及其方法领域，特别涉及一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法。

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、孔隙率高等特性，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，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，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纳米纤维是很普遍的。然而，针头式喷丝孔之间的电场存在严重的相互干扰，难以获得大规模的推广。而且，传统静电纺丝工艺中输液推进速度缓慢，纺丝液流量较小，增加输送速度的做法因不能保证纺丝的稳定性而无法进行正常生产。另外，受纺丝液粘性和可纺性的影响，喷丝孔直径多处于微米级，容易因溶剂挥发过快出现堵塞现象，导致生产中断，进而影响生产效率，且存在不易维护，清洗困难等缺陷。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，如聚合物溶液因溶剂挥发造成的表面粘滞，同一参数条件下难以形成稳定射流，或者射流的不稳定，影响纺丝过程的顺利进行，或者射流根数增加有限，纳米纤维的产量提高不明显等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，该喷头避免堵塞现象，容易清洗，稳定性好；该静电纺丝方法提高了生产效率。

本发明的一种伞状静电纺丝喷头，包括伞状喷丝头、数控式输液装置和溶液收集槽三部分，所述的数控式输液装置主要包括溶液推进器和控制器；所述的伞状喷丝头中部有一空心处，所述的溶液推进器输出端置入所述的伞状喷丝头的空心处中；所述的控制器控制纺丝溶液的流速和流量，向所述的伞状喷丝头顶层持续注入纺丝溶液；所述的伞状喷丝头底部放置所述的溶液收集槽；所述的喷丝头上设有与高压正电极相连的接线柱。

所述的伞状喷丝头为圆盘状，具有四层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层的高度为6mm，每层高度相同；所述的伞状喷丝头每层边缘处加有高度为1mm的铜质空心圆柱套，外径大小与每层的直径（从顶层至底层依次为25mm、35mm、45mm、55mm）相同。

所述的伞状喷丝头由铜质材料制成，导电性能好，减少了能量的损失。

所述的空心处为圆柱形，其轴线与所述的伞状喷丝头的中轴线重合。

所述的溶液收集槽采用有机玻璃制成，放置于所述的伞状喷丝头底部。

所述的静电纺丝喷头还包括屏蔽罩；所述的伞状喷丝头和所述的溶液收集槽设置在所述屏蔽罩的上部；所述的溶液推进器设置在所述的屏蔽罩内部，由所述的屏蔽罩屏蔽电场干扰。

本发明的一种静电纺丝方法，该方法采用伞状静电纺丝喷头，具体步骤包括：

将伞状喷丝头上的接线柱连接高压正电极，引入高压静电；通过数控式输液装置向放置水平的伞状喷丝头中持续添加导电聚合物溶液，开始静电纺丝，通过收集装置收集，形成纳米纤维。

本发明中通过数控式输液装置向放置水平的伞状喷丝头中持续添加导电聚合物溶液，纺丝溶液便会从伞状喷丝头顶层冒出，沿着每层铜板边缘自由地流入下一层，最终使每层铜板各方向上形成厚度均匀、具有一定弧度的纺丝溶液层；电荷大多聚集在伞状喷丝头上每层纺丝溶液的边缘弧面处，因而此处的电场力最容易克服纺丝溶液自身的表面张力而形成泰勒锥，向上抽出数百根甚至上千根射流，溶剂挥发后，通过收集装置收集，形成纳米纤维。