一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法
【專利摘要】一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法，包括給料系統（1）、絲狀電極（2）和接收系統（3）。所述絲狀電極和接收系統設置在相互平行的兩個平面上；所述給料系統在絲狀電極上做橫向往復運動，刷新包覆聚合物溶液；水平設置的絲狀電極帶高壓靜電，與水平設置的接收系統之間形成電場，接收系統在傳輸帶帶動下做縱向運動，絲狀電極上的聚合物溶液在電場作用下分裂形成納米纖維，沉積在接收系統上，形成納米纖維膜。傳統靜電紡絲方法是電極包裹聚合物溶液，制備納米纖維效率非常低，本發明是聚合物溶液包裹電極，制備效率顯著提高；與傳統的針頭電極容易堵塞相比，絲狀電極避免了溶液堵塞的問題，可實現連續加工制備納米纖維。
【專利說明】
一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法，屬納米纖維制備技術領域。
【背景技術】
[0002]納米纖維在水處理，空氣過濾，生物醫學材料以及新能源等領域有廣泛的應用前景。靜電紡絲作為一種加工制備納米纖維非常有效的方法，一直是研究的熱點。作為一種材料加工的方法，靜電紡絲裝置是制備納米纖維的關鍵，傳統靜電紡絲裝置使用單針頭方式，產量低是靜電紡絲技術從實驗室走向工業化生產和應用的最大技術障礙，因此，提高靜電紡絲效率成為這一領域急需解決的技術問題。
[0003]已有的提高靜電紡絲效率的方法包括多噴頭靜電紡絲，多孔管靜電紡絲，磁流體靜電紡絲，氣泡靜電紡絲等，受噴頭本身效率低下的影響，多噴頭靜電紡絲裝置比單個噴頭效率有所提高，但是紡絲效率仍然較低，且噴頭間電場互相影響，導致紡絲不均勻，存在針頭堵塞的缺陷。多孔管靜電紡絲適當提高紡絲效率，但是需要氣壓輔助設備，結構較為復雜，同樣存在孔意堵塞的問題。磁流體靜電紡絲解決了針頭紡絲易堵塞的問題，但是也存在較大缺陷，引入磁粉和硅油等雜質，嚴重限制了其應用。氣泡靜電紡絲沒有傳統紡絲針頭堵塞的問題，但是存在設備結構復雜，紡絲不均勻的問題。捷克Elmarc0公司與貝利雷茨大學合作開發了首臺納米纖維紡絲機一納米蜘蛛，使用轉動的滾筒作為電極代替針頭，解決針頭堵塞的問題，聚合物溶液在滾筒表面形成Taylor錐，紡絲效率得到顯著提高，可以連續生產納米纖維材料，但是由于滾筒電極上的電場分布不均勻，獲得的纖維均勻性不夠，有待改進。可見提高靜電紡絲效率關鍵在于電極的設計，基于此，本發明提出一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，在帶電的絲狀電極表面包覆聚合物溶液，經過電場力作用形成泰勒錐，分裂形成納米纖維，堆積在縱向運動的接收系統基材上，紡絲效率顯著提高，適合納米纖維規模化制備。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是，為了克服傳統電極包裹聚合物溶液制備納米纖維效率低下，電極容易堵塞的問題，本發明提供一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置及納米纖維制備方法。
[0005]本發明實現的技術方案是如下，
一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置包括給料系統、絲狀電極和接收系統。所述絲狀電極和接收系統設置在相互平行的兩個平面上;所述給料系統做橫向往復運動在絲狀電極上刷新包覆聚合物溶液;水平設置的絲狀電極帶高壓靜電，與水平設置的接收系統之間形成電場，接收系統在傳輸帶帶動下做縱向運動，絲狀電極上的聚合物溶液在電場作用下分裂形成納米纖維，沉積在接收系統上，形成納米纖維膜。
[0006]所述絲狀電極直徑為0.絲狀電極長度為200mm-1600mm;絲狀電極數量為1-3000根。
[0007]所述高壓靜電的電壓為8KV-40KV。
[0008]所述絲狀電極與接收系統構成的電場距離為10cm-25cmo
[0009]所述給料系統往復運動速度為0.01m/s-0.lm/s，出料速度為3ml/h_3000ml/h。
[0010]所述接收系統的傳輸帶移動速度為0.lm/s-lm/s。
[0011 ] 一種納米纖維的制備方法步驟如下:
(I)根據聚合物性質以及材料用途要求配制具有一定粘度和濃度的聚合物溶液。
[0012](2)采用包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，設置靜電紡絲裝置參數;包括絲狀電極的直徑和數量、高壓靜電等級、電場距離，給料系統往復運動速度、出料速度和接收系統的傳輸帶移動速度。
[0013](3)裝置正常運轉后聚合物溶液在帶電的絲狀電極表面經過電場力作用形成泰勒錐，分裂形成納米纖維，堆積在接收系統基材上，獲得納米纖維膜材料。
[0014]與傳統方法比較，本發明的有益效果是，傳統靜電紡絲方法是電極包裹聚合物溶液，制備納米纖維效率非常低，本發明是聚合物溶液包裹電極，制備效率顯著提高；與傳統的針頭電極容易堵塞相比，絲狀電極避免了溶液堵塞的問題，可實現連續加工制備納米纖維，此外通過使用特殊表面形狀的絲狀電極可以進一步提高納米纖維制備效率;絲狀電極經過簡單的并列排列就可實現納米纖維規模化生產，生產效率顯著提高，解決傳統針頭電極制備納米纖維效率低下的問題;使用絲狀電極靜電紡絲裝置獲得的納米纖維直徑更細，纖維直徑分布更窄，纖維膜孔隙更加均勻。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明絲狀電極靜電紡絲裝置示意圖；圖2為納米纖維掃描電鏡照片(放大倍數200倍)；圖3為納米纖維掃描電鏡照片(放大倍數4000倍)。
【具體實施方式】
[0016]
實施例1
使用單根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統往復運動速度
0.0 lm/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較單個噴頭電極顯著提高。
[0017]本實施例產品納米纖維掃描放大倍數200倍的電鏡照片如圖2所示，納米纖維掃描放大倍數4000倍的電鏡照片如圖3所示。
[0018]實施例2
使用單根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制10%聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓10KV，給料系統往復運動速度0.01m/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PAN納米纖維膜。
[0019]實施例3
使用單根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制15%聚乳酸(PLA)的DMF溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離20cm，電壓25KV，給料系統往復運動速度0.01m/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在
0.lm/s，收集獲得PLA納米纖維膜。
[0020]實施例4
使用6根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，電極排列間距5cm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統往復運動速度0.01m/s，出料速度18ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1單根電極系統顯著提尚O
[0021]實施例5
使用6根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，電極排列間距5cm，配制10%聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓10KV，給料系統往復運動速度0.0lm/s，出料速度18ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PAN納米纖維膜。
[0022]實施例6
使用15根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統往復運動速度0.0lm/s，出料速度45ml/h，傳輸帶移動速度在
0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1和實施例4單根或6根電極系統顯著提尚O
[0023]實施例7
使用15根直徑為0.5mm的銅導線做絲狀電極，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制15%聚乳酸(PLA)的DMF溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離20cm，電壓25KV，給料系統往復運動速度0.01111/8，出料速度451111/11，傳輸帶移動速度在
0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例3的電極系統顯著提高。
[0024]實施例8
使用單根直徑為0.5mm表面經過粗糙處理的銅導線做絲狀電極，提高電極與聚合物溶液的接觸面積，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統往復運動速度0.0 lm/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1有所提高。
[0025]實施例8
使用多股細銅絲(直徑0.1mm)經過纏繞成麻花繩狀的單根繩做絲狀電極，提高電極與聚合物溶液的接觸面積，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統往復運動速度0.0lm/s，出料速度3ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1進一步提高。
[0026]實施例9
使用表面排列分布許多小孔的銅毛細管(直徑1_)做絲狀電極，毛細管中通空氣，根據技術方案所述方法組建靜電紡絲裝置，電極長度400mm，配制8%聚乙烯醇(PVA)水溶液，控制參數條件:電極與接收基底之間距離15cm，電壓30KV，給料系統往復運動速度0.0lm/s，出料速度5ml/h，傳輸帶移動速度在0.lm/s，收集獲得PVA納米纖維膜，紡絲效率較實施例1進一步提尚。
【主權項】
1.一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述裝置包括給料系統、絲狀電極和接收系統;所述絲狀電極和接收系統設置在相互平行的兩個平面上;所述給料系統在絲狀電極上做橫向往復運動，刷新包覆聚合物溶液;水平設置的絲狀電極帶高壓靜電，與水平設置的接收系統之間形成電場，接收系統在傳輸帶帶動下做縱向運動，絲狀電極上的聚合物溶液在電場作用下分裂形成納米纖維，沉積在接收系統上，形成納米纖維膜。2.根據權利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述絲狀電極直徑為0.絲狀電極長度為200mm-1600mm;絲狀電極數量為1-3000根。3.根據權利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述高壓靜電的電壓為8KV-40KV。4.根據權利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述絲狀電極與接收系統構成的電場距離為10cm-25cmo5.根據權利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述給料系統往復運動速度為0.01m/s-0.lm/s，出料速度為3ml/h-3000ml/h。6.根據權利要求1所述一種包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，其特征在于，所述接收系統的傳輸帶移動速度為0.lm/s-lm/s。7.一種納米纖維的制備方法，其特征在于，所述方法的步驟為: (1)根據聚合物性質以及材料用途要求配制具有一定粘度和濃度的聚合物溶液； (2)采用包含絲狀電極的靜電紡絲裝置，設置靜電紡絲裝置參數;包括絲狀電極的直徑和數量、高壓靜電等級、電場距離，給料系統往復運動速度、出料速度和接收系統的傳輸帶移動速度； (3)裝置正常運轉后聚合物溶液在帶電的絲狀電極表面經過電場力作用形成泰勒錐，分裂形成納米纖維，堆積在接收系統基材上，獲得納米纖維膜材料。
【文檔編號】D04H1/728GK106012049SQ201610562143
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發明人】孫復錢, 張鵬, 崔紅敏, 董曉娜
【申請人】江西省科學院應用化學研究所