[发明专利]一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，传统静电纺丝技术虽然可制备纳米级纤维，但还难以开发出具有柔韧性好、强度及取向度高的纤维，且静电纺丝电压存在极值点，超过该点后会发生射流击穿的问题，严重影响了该法制备纤维直径进一步细化的可能，这也使静电纺丝技术研究渐渐进入瓶颈期，极大限制了它的发展。

超重力纺丝，也称离心纺丝技术，是一种将聚合物溶液/熔体借助旋转装置中的超重力克服表面张力甩出，在溶剂挥发或熔体固化后形成纤维的方法。同现有的静电纺丝相比，超重力纺丝所制成的纤网不但均匀性好且纤网的面密度也远高于低面密度的静电纺纤网，且其依靠超重力纺丝，纤维制备效率极高，所制备纤维取向度高和强度好，但其制备纤维直径较粗，对转速要求高，还难以适应当前纺织工业对纤维直径的需求。

超重力纺丝和静电纺丝法各有优点，如何结合两者优势进行纺丝已引起研究者们的注意，目前已有相关专利提及将两者结合进行纺丝的方法。中国专利201410050160.7，201010184068.1等提出溶液离心静电纺丝法制备纳米纤维的方法，采用将毛细管置于旋转盘上进行离心的方式，这些方法均存在装置复杂、毛细管易堵塞以及旋转喷头加电较为困难的问题，且无法对聚合物熔体进行加工，局限性明显。如何通过结合超重力纺丝和静电纺丝实现高质量纳米纤维制备仍需人们进一步探索。

发明内容

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，将旋转喷头与机头分开设计，利用导流管与机头间隙作为流道，并将高压静电直接加在机头与接收装置之间，装置简单，且解决了毛细管堵塞以及旋转喷头加电较为困难的问题。本发明结合超重力技术特点与静电纺丝优势，突破静电纺丝电压极值点的限制，引入超重力场实现对纤维的进一步细化，制备纤维效率及取向度极高，性能优异。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，主要包括纺丝箱体、高压静电发生器、锥环形收集板、离心碟形喷头、喷头固定螺钉、热电偶、轴承、机头、供料装置、电机支架、联轴器、电机、气动管接头、导流管、轴、机头固定螺钉、加热圈、隔热圈和收集板绝缘支架等，其中离心碟形喷头通过喷头固定螺钉与轴连接固定，轴穿过导流管中心孔通过联轴器与电机连接，并通过两对轴承保持喷头轴中心位置固定，轴承外表面有隔热圈与喷头隔开，避免轴承过热，且可防止熔体流入轴承，电机固定在电机支架上，电机支架通过螺纹与箱体连接，导流管与机头间隙配合，导流管上气孔通过气动管接头进气，导流管通过螺纹连接固定在箱体上，机头通过机头固定螺钉与箱体相连接固定，锥环型收集板连接高压静电发生器正极，机头下边缘接地。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，碟形喷头通过其轴结构与电机连接；碟形喷头上半部为半球形结构，一方面可以节省材料，适应狭小的空间并减少多次旋转造成的磨损，另一方面当所用材料为高粘度材料时，可有效防止熔体由于爬杆效应向上爬升流进轴承孔，影响机器运转，碟形喷头下半部锥形表面采用镀石墨层处理，方便热量可以快速从机头传导到喷头上，锥型纺丝面倾角α可取10°～80°，当纺丝过程中纤维线速度要求较高时，倾角α可选较小角度来增大喷头半径以实现线速度的提高；喷头沿锥面方向设计有一圈沟槽微分结构，聚合物溶液或熔体由导流管流至喷头上后，在喷头沟槽上被微分成若干股流体，并在喷头末端面形成泰勒锥，在电压增大导致泰勒锥破裂后形成多股螺旋线型射流，并在超重力、静电力及气流作用下被拉伸成纤，最终沉积在收集装置上。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，导流管外表面与机头中心孔内表面间隙配合，形成一定间隙，聚合物熔体或溶液由机头斜流道流至导流管表面后，在导流管与机头内孔表面形成的间隙流道内流动，导流管表面可设置螺旋线型槽或直线型槽进行导流，这样的设计避免了传统静电纺丝毛细管易堵塞的问题。导流管上有四组进气通孔，气流从气动管接头进入通孔内，气流一方面可以起到冷却作用，带走热量防止轴承受热变形，且可防止高粘度熔体向上爬升，另一方面气流可对熔体流进行吹薄细化，且可通过气流大小改变气流力，使纤维在接收板上形成的纤维环宽度更大，增大一次纤维成形面积。