[发明专利]纳米纤维发生装置

说明书

本发明公开了一种纳米纤维发生装置，包括：一可旋转的纺丝液储存装置，设有至少一个将内部储液腔内所储存纺丝液引向外部的喷丝通道；一纤维收集装置；一将高速气流引向所述喷丝通道出口并将出口中流出的纺丝液射流或其所形成纺丝辅助迁移至纤维收集装置的气流发生装置；以及一置于储液腔内并与纺丝液相接触的内置电极和一置于纺丝液储存装置外部的外置电极，所述内置电极和外置电极之间具有电位差；所述内置电极和外置电极与所述纺丝液储存装置同步旋转。

技术领域

本发明涉及一种新型纳米纤维发生装置。

背景技术

静电纺纳米纤维直径主要在50-1000nm之间，具有连续长度和很大的比表面积/体积比。由静电纺纳米纤维形成的非织造布具有比表面积大，孔隙率高，孔径小，通透性好等优点，在生物医疗、环境、能源、化工、服装、材料等诸多领域具有广阔的应用前景。

而传统的静电纺丝技术主要是以空心针头作为喷丝头，其纺丝能力非常有限，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0.3克。如此低的纳米纤维生产效率极大地限制了传统静电纺丝技术在工业上的应用。为了提高静电纺丝产量，高效静电纺丝技术多采用无针纺丝头设计。Formhals(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收集装置。Lucas等(WO2005024101)使用一个导电的圆筒作为纤维的发生器，在此装置中，导电圆筒的一部分浸没在聚合物黏性液体中，通过旋转使圆筒覆盖黏性液体并进入到电场中，当电场强度足够强时，圆筒表面的液体形成泰勒锥并生成大量的溶液射流，最后可在收集器上得到纳米纤维。Lin等(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结构表面形成一层薄膜，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，在螺旋结构表面形成纳米纤维。其它无针纺丝头包括变形的圆通(WO2006131081)、金属丝(WO2011015161)、薄板(WO2006131081)、螺杆(CN103774250)、阶梯(CN 103572388)等具有小曲率半径的喷丝头来进行纺丝可以明显增加电场强度提高纤维产量。

另一方面，离心纺丝是依靠旋转纺丝头产生的离心力来剪切聚合物溶液/熔体从而形成纤维的一种纺丝工艺，最早出现在美国专利(US3358323)。离心纺丝是为纳米纤维的制备提供一种新途径，经过发展已经出现多种不同离心纺丝技术，如使用离心静电纺丝工艺制备核壳结构复合纳微米纤维(CN104928774B)；离心纺丝工艺生产纳米纤维并直接收集成加捻纱线(CN105386167B)；使用气流辅助熔体离心纺丝装置，熔体射流在惯性力和高速气流作用下二次拉伸(CN104674360B)。

进一步，将静电纺丝与离心纺丝结合，是提高纳米纤维生产能力的重要途径。离心静电纺是指纤维形成时受到离心力与高压静电力的共同作用。离心力加强了纺丝过程中对射流和纤维的牵伸，沿圆周的高速移动同时加速了纤维中溶剂的挥发。离心静电纺丝技术结合了离心纺丝工艺和静电纺丝工艺各自优势，更具有纤维均匀、直径小、产量高等优点。中国专利CN104328514B公开了一种真空离心静电纺丝装置真空环境下射流不存在扰动，实现更稳定地制备出更高性能、更高质量的纳米纤维技术。CN105755557B则公开了一种磁悬浮式离心静电纺丝装置，可以克服离心纺丝对电动机的依赖，简化纺丝装置使操作更简单。CN105568403B设计了一种具旋转吸气的离心静电纺丝装置离心喷头的顶部设有风扇，风扇可随离心喷头同步转动，并将外部气体鼓入储液腔内以产生由出丝细孔吹向接收装置的气流。辅助纺丝射流的形成和进一步拉伸，形成纳米纤维被收集装置收集。

现有技术中纳米纤维的生产速度和对纤维细度的调节能力较低，并且生产过程中所生产的纤维对沉积的基材要求较高。

发明内容