一種聚合物溶液基磁流體自組裝無針電紡裝置及其電紡納米纖維的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及靜電紡絲技術領域，具體地說是一種聚合物溶液基磁流體自組裝無針電紡裝置，同時，本發明還公開了采用該無針電紡裝置來進行紡絲的電紡納米纖維的方法。
【背景技術】
[0002]目前，在靜電紡絲的技術領域，各種材料的產量是供不應求，特別是納米材料，納米纖維材料可廣泛應用于化工、醫藥等產品的提純及過濾，還可以用于制作高級防護服等領域。
[0003]靜電紡絲裝備就是一種可以制備納米纖維材料的設備，并且靜電紡絲技術已經發展的比較成熟。但是其中還存在一些問題，最明顯的問題就是靜電紡絲過程中出現的注射針頭的堵塞和需要注射栗推注。
[0004]CN 201110154158.0，公開了一種靜電紡絲裝置，包括噴絲模頭、噴絲模頭蓋板、噴絲頭、高壓供電裝置以及接收板，所述靜電紡絲裝置還包括原料輸送裝置、機械振動發生裝置以及磁場發生裝置，所述原料輸送裝置連接在噴絲模頭的一側，所述機械振動發生裝置安裝于噴絲模頭的一端，所述磁場發生裝置安裝于噴絲模頭的另一端，并位于噴絲頭與接收板之間。其通過磁場來改變噴絲模頭所噴出的聚合物絲的行動軌跡，防止泰勒錐出現從而降低纖維絲的收集難度。但是，其采用的是噴頭式結構，容易產生聚合物堵塞噴口的故障。
[0005]傳統的靜電紡絲裝置的注射栗的針頭直徑一般都比較小，導致會發生的情況:不僅包括上文所敘述的針頭的阻塞，而且對高分子聚合物溶液基的性質要求也比較嚴格。這些問題對紡絲過程構成了諸多的不便和阻力。
[0006]而后，出現了無針電紡技術。目前作為世界主流的無針頭靜電紡絲技術，是捷克Elmarco公司的納米蜘蛛(NanospiderTM)無針頭靜電紡絲技術，它采用光面或表面帶螺紋、花紋等不同表面形貌的轉輥(參見W02005/024101A1)作為靜電紡絲頭。在專利W02005/024101中，其通過滾輥作為紡絲聚合物的發射載體，容易出現紡絲不均勻、大部分的纖維較粗。
[0007]針對上述技術的改進可見下述中國專利申請:CN201310186515.0，公開了一種尖端式無針頭靜電紡絲設備，其主要原理是將專利W02005/024101中的滾輥改成了設有多塊針板的鏈條，通過鏈條帶動針板不斷的浸入聚合物溶液中，然后通過電場達到噴絲的目的。但是其存在結構復雜，生產過程難于精確控制。
[0008]CN201510390839.5，公開了一種批量生產納米纖維的靜電紡絲裝置，其包括接收板、高壓直流電源、溶液槽、電動機及與噴絲裝置，所述噴絲裝置采用多重-帶針尖金屬圓盤或帶針尖螺旋片或帶針尖彈簧，所述多重-帶針尖金屬圓盤或帶針尖螺旋片或帶針尖彈簧置于溶液槽上且保證針尖接觸到聚合物溶液。該裝置雖然結構相比于CN201310186515.0進行了一定的簡化，但是結構依然比較復雜，并且其針尖的聚合物的形態等生產過程及其參數是難于控制的。
[0009]上述無針紡絲技術雖然有效地解決了傳統靜電紡絲設備存在的問題，但是這些無針電紡設備的結構過于復雜，生產過程難于穩定的控制，為大量生產納米纖維材料帶來了不便。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于提供一種結構簡單、操作可控易控、加工效率高的聚合物溶液基磁流體自組裝無針電紡裝置，同時，本發明還提供一種采用該無針電紡裝置的無針電紡方法，該方法通過控制電磁場來達到對高分子射流控制的目的，操作可控易控，控制精度尚O
[0011 ]本發明的具體的技術方案為:一種聚合物溶液基磁流體自組裝無針電紡裝置，包括一種高分子聚合物溶液基磁流體自組裝無針電紡裝置，包括凹槽、可控磁場發生模塊、高壓電場發生模塊、用于收集纖維絲的具有導電性的纖維接收模塊以及至少一個具有導電性和導磁性的圓錐塔，所述的圓錐塔的表面設有沿圓錐塔螺旋上升的螺紋槽；
[0012]所述的圓錐塔設置在凹槽內，所述的纖維接收模塊設置在圓錐塔的上方，所述的可控磁場發生模塊設置在凹槽下方且用于施加可控磁場于圓錐塔上，所述的高壓電場發生模塊的一端與纖維接收模塊電連接且另一端與圓錐塔電連接；
[0013]當高分子聚合物溶液基磁流體加入到凹槽之后，可控磁場發生模塊使高分子聚合物溶液基磁流體沿圓錐塔的螺紋槽上升并在螺紋槽的邊緣呈尖峰狀排列;高壓電場發生模塊使高分子聚合物溶液基磁流體在電場作用下形成射流，并在纖維接收模塊上形成磁性納米纖維絲。
[0014]在本發明中，圓錐塔優選為I個，當然也并不排斥圓錐塔的數量為2個或3個。
[0015]作為本發明的進一步優選，所述的可控磁場發生模塊包括鐵芯和纏繞在鐵芯表面的勵磁線圈組成，所述的勵磁線圈電連接有穩壓直流電源和第一變阻器。
[0016]進一步地，所述的高壓電場發生模塊包括高壓直流電源和第二變阻器。
[0017]進一步地，所述的高壓電場發生模塊的電壓最低可調為0V，最高可調大于等于40KV;所述的可控磁場發生模塊的磁場強度可調范圍為O?400mT。
[0018]進一步地，所述的圓錐塔的錐度范圍為0.18?0.3;所述的圓錐塔的高度范圍為5cm?8cm;螺紋槽的深度范圍為0.20cm?0.5cm;螺紋槽的螺距范圍為0.5cm?lcm。
[0019]進一步地，所述的凹槽的材質為有機玻璃或工程塑料，如:聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)等材料。
[0020]進一步地，所述的纖維接收模塊為電的良導體，如鋁箔;所述的圓錐塔為電和磁的良導體，如電工純鐵、鋼等。
[0021]進一步地，所述的纖維接收模塊為具有內凹曲面的結構，所述的纖維接收模塊與圓錐塔對應，所述的凹槽與纖維接收模塊之間的距離為17cm至20cmo
[0022]本發明的另外一個目的是提供一種利用上述的無針電紡裝置來進行紡絲的電紡納米纖維的方法，具體來說，首先將高分子聚合物溶液基磁流體加入到凹槽中，啟動可控磁場發生模塊，周期性的增大勵磁線圈中的電流值，使高分子聚合物溶液基磁流體沿圓錐塔的螺紋槽上升并在螺紋槽的邊緣呈尖峰狀排列;然后啟動高壓電場發生模塊，穩定后產生恒定電場強度，使高分子聚合物溶液基磁流體在電場作用下形成射流，并在纖維接收模塊上形成磁性納米纖維絲。
[0023]本發明中，所述的周期性的增大勵磁線圈中的電流值的步驟，具體可為:每隔一分鐘勵磁線圈中的電流值增大0.5A。
[0024]作為本發明的進一步優選，所述的磁場強度的可調范圍為O?0.4T，所述的高壓電場發生模塊工作電壓為20KV?40KV。
[0025]需要說明的是，本發明的高分子聚合物溶液基磁流體可選為四氧化三鐵磁流體聚合物，其中高分子聚合物為聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，高分子聚合物溶液基磁流體的配制方法可以為:先配置7 %的PVA的水溶液，混合均勻后，將經過表面修飾的Fe3O4納米顆粒以0.2g/ml的濃度加入到上述的溶液中混合均勻;或者先配置質量體積比為7%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的無水乙醇溶液，混合均勻后，將包覆好Fe3O4粉0.2g/ml加入到溶液中混合均勻，對此本發明不做過多限制。
[0026]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0027]本發明與現有技術相比，通過采用可控磁場和高壓電場配合，實現了高分子聚合物溶液基磁流體在磁場作用下自行螺旋上升，并橫向擴展為尖峰，在電場作用下尖峰形成射流，經過電場拉伸，并在此過程中揮發溶劑和聚合物固化得到聚合物纖維絲。本發明克服了傳統無針電紡需要不斷采用驅動機構進行驅動、結構復雜的缺點，實現了結構簡化、操作過程簡化、提高生產效率的目的，并且本發明裝置生產得到的聚合物纖維絲連續且規格一致。
[0028]本發明采用優選的圓錐塔、螺紋槽的參數和可控磁場發生模塊及其參數的選擇，實現了聚合物穩定的沿螺紋槽上升，并在磁場作用下進一步螺紋槽的邊緣拉伸形成尖峰，有助于聚合物射流穩定、規格統一的形成。
[0029]本發明對凹槽、圓錐塔、纖維接收模塊進一步優選可以達到以下目的，一方面凹槽的材料優選可以降低對磁場的影響，提高磁場作用在高分子聚合物溶液基磁流體的穩定性，降低對磁場的影響，一方面，圓錐塔良好的導電性和導磁性實現了電場和磁場均能有效的作用在高分子聚合物溶液基磁流體上，提高制備過程的穩定性，再一方面纖維接收模塊的用材選擇也提高了電場的強度，有助于提高聚合物纖維的制備穩定性。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發明實施例1和本發明實施例2的整體結構示意圖；
[0031]圖2是本發明實施例1和本發明實施例2的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合【具體實施方式】，對本發明的技術方案作進一步的詳細說明，但不構成對本發明的任何限制。
[0033]實施例1
[0034]如圖1和2所示，本實施例提供了一種聚合物溶液基磁流體自組裝無針電紡裝置，包括有機玻璃材質的凹槽1、可控磁場發生模塊2、高壓電場發生模塊3、用于收集纖維絲的具有導電性的纖維接收模塊4以及I