[发明专利]一种蓬松态纳米纤维的制备装置及制备方法

说明书

本发明公开了一种蓬松态纳米纤维的制备装置及制备方法，所述制备装置包括高压电源、储液箱、溶液泵、喷头、若干喷嘴、溶液收集池、旋转台及若干旋转针；高压电源正极与喷头连接，溶液收集池与高压电源接地连接；储液箱、溶液泵、喷头、喷嘴依次连接组成纤维喷射装置；溶液收集池位于喷头的正下方，池内存储有非牛顿流体溶液；旋转台置于溶液收集池的底部用于支撑溶液收集池及带动旋转针旋转，旋转针转动带动其周围的非牛顿流体溶液在其尖端部形成溶液凸尖，喷嘴喷射出的纳米纤维收集在溶液凸尖上。本发明利用静电纺丝技术产生纳米纤维，利用韦森堡效应收集所述纳米纤维可制得蓬松态纳米纤维，经后续处理后可得到蓬松态、多尺度孔隙的纳米纤维膜。

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，具体涉及一种蓬松态纳米纤维的制备装置及制备方法。

背景技术

静电纺丝技术是一种纤维制造工艺，液滴凸尖在电场拉伸作用下形变为圆锥形(即泰勒锥)，并从泰勒锥尖端喷射出纺丝射流，最后收集得到纳米级聚合物纤维。蓬松态纳米纤维比表面积大，具有易分散、加工性能良好等特点，在过滤、催化、医学等领域具有较大的应用。

蓬松态纳米纤维通常通过常规纤维膜经过多次拉伸、热定型等后处理得到，但是生产蓬松纤维需要耗费大量时间和能源，生产效率低且蓬松度不佳。中国专利CN108950700A提出的“一种制备蓬松态纳米纤维的静电纺丝装置及方法”可以通过静电纺丝技术来制备三维纤维，对制备具有细胞兼容性环境的纤维有积极意义，而对于解决制备成本、降低能耗、降低纤维细度、制备多尺度孔隙纤维等方面不具有可借鉴的意义。

轴在非牛顿流体溶液中旋转时，非牛顿流体会受到剪切力作用形成流动单元产生弹性回复力，流动单元在弹性回复力的作用下出现沿轴爬升的效应，即韦森堡效应。本发明的目的在于利用静电纺丝技术及韦森堡效应制备一种蓬松态的纳米纤维。

发明内容

本发明提供一种蓬松态纳米纤维的制备装置，该装置利用静电纺丝技术产生纳米纤维，利用韦森堡效应收集所述纳米纤维，得到蓬松、多尺度孔隙的纳米纤维。所述多尺度孔隙是指得到的纳米纤维具有纳米级别的孔隙、微米级别的孔隙，多种级别孔隙的纳米纤维组成了蓬松态纳米纤维。

本发明采用的技术方案是：本发明提供一种蓬松态纳米纤维的制备装置，包括高压电源、纤维喷射装置及纤维收集装置；所述纤维喷射装置包括储液箱、溶液泵及喷头；所述喷头上设有若干喷嘴；储液箱内存储有纺丝溶液，所述纺丝溶液经所述溶液泵泵入所述喷头经所述若干喷嘴喷出；所述纤维收集装置包括溶液收集池、旋转台及旋转针；所述溶液收集池设于喷头的正下方，池内存储有非牛顿流体溶液；所述旋转针设有若干根，若干根旋转针相间隔地竖直设于所述非牛顿流体溶液中，其尖端部伸出液面与所述喷头的喷嘴的喷口相对；所述若干根旋转针自旋转运动，带动其周围的非牛顿流体溶液在其尖端部形成溶液凸尖；所述旋转台设于溶液收集池的底部用于支撑溶液收集池及带动所述旋转针旋转；所述高压电源的正极与纤维喷射装置电性连接，纤维收集装置与所述高压电源接地连接。

本发明的蓬松态纳米纤维的制备装置的工作原理是：

高压电源与纤维喷射装置电性连接，纤维收集装置接地，从而使纤维喷射装置与纤维收集装置之间形成高压静电场，因此喷嘴出口处的液滴形变成泰勒锥向溶液收集池喷射，在溶液收集池上生成纳米纤维。旋转针旋转时，非牛顿流体出现韦森堡现象，因此非牛顿流体在旋转针的尖端产生韦森堡效应，从而形成溶液凸尖。发生韦森堡效应的溶液凸尖，具有周向、轴向以及径向的运动。纤维在溶液凸尖上沉积，受到溶液凸尖的周向运动作用进一步拉伸细化，并逐渐旋绕在溶液凸尖上，使纳米纤维的直径进一步细化。发生韦森堡效应的溶液凸尖对纤维有牵引作用，而未发生韦森堡效应的收集溶液对纤维的牵引作用较小，因此纤维集中沉积在溶液凸尖，而未发生韦森堡效应的收集溶液沉积相对较少，这样就在收集溶液池内形成了区域分布具有差异性纤维，最后通过现有技术手段将沉积在收集池底部的纳米纤维经清洗、烘干后，即可得到具有蓬松态的纳米纤维膜。

进一步地，所述旋转针的转速为50～5000RPM，直径为10～500μm。