專利名稱：連續制備納米纖維膜的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在基底上制備薄膜的裝置，更具體地說，本發明涉及一種具有多噴頭恒壓供料系統的納米纖維膜的制備裝置。
背景技術：
靜電紡絲又稱電紡，于1934年由美國人Formhals研究開發出來。靜電紡絲是指通過對聚合物溶液(或熔體)施加外加電場來制造聚合物纖維的紡絲技術。用靜電紡絲方法制得的纖維直徑可達納米級，相比于采用常規方法制得的纖維直徑小幾個數量級，且具有比表面積大、孔隙率高、孔徑小、長徑比大等優點。目前廣泛應用于導電纖維、生物醫用高分子等特殊功能材料領域；并且由于靜電紡絲納米纖維的獨特結構和優越特性，在生物醫用和納米級電子儀器領域具有廣闊和誘人的應用前景。因此靜電紡絲設備及其工藝的設計和開發功能化納米纖維是新興功能材料領域的研究熱點。雖然各國科研工作者對靜電紡絲的基本理論、設備和應用進行了大量的研究，使靜電紡絲技術不斷發展完善；但是上述研究大都局限于高校的實驗室或科研機構的實驗室用設備。而且目前有關納米纖維形態和材料特性的基礎研究工作仍處于初期階段，系統化深入地研究靜電紡絲制備納米纖維的工藝非常迫切一方面如何實現納米纖維尺度、導向和其他預期特征的控制和重復操作，仍是靜電紡絲生產納米纖維領域的主要難題；另一方面，對聚合物體系在靜電場中流體不穩定性進行精確描述是制備納米纖維的關鍵。現有技術中的靜電紡技術一般都集中于單針頭靜電紡絲，該工藝獲得纖維的效率較低，產量小，無法達到工業化要求。而多頭噴射靜電紡技術不僅可以解決產量小的問題，還有望達到連續化生產和獲得大面積纖維網。但是現有技術中的多噴頭設備或為多頭固定掃描或為多頭沿著接受裝置做往復運動掃描，而以上兩種方式均不能制造出膜面薄厚均勻無厚薄相間的符合市場需求的納米纖維膜。無法實現靜電紡納米纖維膜的產業化應用。中國專利申請CN02103350.1中記載了一種高分子纖維網制造裝置，所述的供料系統采用多噴頭的供料系統，但是所述多噴頭是固定不動的，通過該裝置制備的納米纖維膜均勻性較差，不能滿足實際需求。中國專利申請CN200910028078記載了一種自動靜電紡絲裝置，其采用的是單針頭的供料方式，生產效率低下，不適于規模化工業生產。
發明內容
為了克服現有技術的上述問題，特別是靜電紡絲設備制取納米纖維膜效率低下以及納米纖維膜不均勻的技術問題，本發明提供了一種連續制備納米纖維膜的裝置，本發明的連續制備納米纖維膜的裝置具有能夠循環運動的多噴頭恒壓供料系統，制備得到的納米纖維膜膜面厚薄均勻、膜厚度易調節、膜機械強度高、熱收縮率低、膜面無亮點。制備得到的納米纖維膜能夠直接作為鋰離子電池隔膜使用，解決了靜電紡絲法制取纖維膜橫向、縱向拉伸強度較小，穿刺強度也低的技術問題，加快了靜電紡絲法制取的納米纖維膜進入鋰電池行業的步伐，同時也大大提高了動力鋰電池的品質和可靠性。
為了解決上述技術問題，本發明采用了以下技術方案一種連續制備納米纖維膜的裝置，包括直流高壓電源、帶刻度高位料筒、旋轉儲料筒、供料泵、接絲輥、收料輥、其特征在于多噴頭的噴頭組設置在能夠循環運動的傳動基座上；并且所述旋轉儲槽內液位恒定，槽圓周上各出料口的中心高度相同，由槽圓周上各出料口弓丨至噴頭組各噴頭的料管長度、管徑相同。優選地，所述裝置中位于接絲輥兩側，在能夠循環運動的傳動基座上分別設置有一組多噴頭的噴頭組。進而可以實現在基材的兩面同時連續鍍覆納米纖維膜。優選地，所述裝置中恒壓供料儲槽同槽圓周上的料管能夠進行自轉；自轉的方向可以與旋轉儲料筒的旋轉方向相同或相反；優選地，自轉的方向與旋轉儲料筒的旋轉方向相反，如此，料液能夠混合得更加均勻，制備得到的納米纖維膜也更加均勻。優選地，所述裝置中傳動基座為循環運動傳動輪，其通過循環運動驅動輪驅動，循環運動驅動輪連接有電機。優選地，所述裝置中還具有熱風系統，能夠蒸發去除殘留在接絲輥上的溶劑。優選地，所述裝置中還可以包括輝光放電裝置，用于對待鍍覆的金屬基材進行預處理；經過輝光放電預處理的金屬基材，能夠進一步獲得更加均勻的隔膜。優選地，所述裝置中直流高壓電源的正高壓接在噴頭組的噴頭上，另一端接在接絲輥上，接絲輥接地。優選地，所述接絲輥為不銹鋼鏡面接絲輥。本發明的裝置的主要操作步驟如下作為噴絲原料的聚合物溶液從帶刻度的高位料筒輸送至旋轉儲料槽中，儲料槽中液位恒定，并且旋轉能夠保證料液混合均勻；高壓電場由直流高壓電源產生，直流高壓電源一端輸出的正高壓接在能夠循環運動的噴頭組的噴頭上，另一端地線接在接絲輥上。帶電的聚合物溶液在電場力的作用下克服多針噴絲針頭頂端的表面張力，分裂成納米絲噴射向接絲輥表面的連續運動的基材上。本發明的裝置，通過創造性地，循環運動的噴頭組的設計以及旋轉儲料筒的設計結合，能夠制備得到成分和厚度均勻的納米纖維薄膜，得到的納米纖維薄膜由于成分和厚度均一、薄膜納米結構分子取向均勻，從而導致得到的薄膜機械強度高，熱收縮率低，膜面無亮點。從而實現了在工業化生產的規模下，同樣能夠得到高質量的納米纖維薄膜。本發明的裝置適合用于制備各種特種納米纖維膜，例如特殊功能化的納米級導電纖維、生物醫用高分子納米纖維、亞微米級專用過濾基材等應用。特別地，本發明的裝置還特別適用于鋰離子電池隔膜的聚合物納米纖維薄膜，所述聚合物包括但不僅限于聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈共異丁烯酸酯等。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果本發明的裝置能夠實現納米纖維膜的工業化規模連續生產，同時制備得到成分和厚度均勻的納米纖維薄膜，得到的納米纖維薄膜由于成分和厚度均一、薄膜納米結構分子取向均勻，從而導致得到的薄膜機械強度高，熱收縮率低，膜面無亮點。采用本發明的裝置能夠制備現有技術中的各種特種納米纖維膜；并且特別適用于鋰離子電池隔膜的聚合物納米纖維薄膜的制備，得到的隔膜完全能夠滿足鋰離子電池及動力鋰離子電池的安全和充放電性能要求。
圖1為本發明一個實施例的連續制備納米纖維膜的裝置的示意圖。圖中各附圖標記所代表的含義如下1_帶刻度的高位料筒、2-旋轉儲料槽、3-總供料管、4-供料管、5-電機、6-噴頭、7-高壓電纜、8-收料輥、9-接絲輥驅動器、10-接絲輥、11-直流高壓電源、12-旋轉儲料槽驅動輪、13-金屬密封面旋轉進料接頭、14-噴頭組循環運動傳動輪、15-噴頭組循環運動驅動輪。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步的解釋和說明。以下實施例僅是為了進一步說明本發明的技術方案，不能將其解釋為對發明保護范圍的限制。實施例1如附圖1所示，本實施例所示的連續制備納米纖維膜的裝置，其供料系統包括帶刻度的高位料筒1、旋轉儲料槽2、以及用于分別向旋轉儲料槽2供給料液的總供料管3和用于向噴頭組噴頭6供給料液的供料管3 ;通過旋轉儲槽驅動輪12的驅動，旋轉儲料槽可以實現旋轉，從而可以防止料液中各組分的沉降和偏聚，能夠保證料液均勻的供給噴頭7 ;另外總供料管3通過金屬密封面旋轉進料接頭13將帶刻度的高位料筒I中的料液供給旋轉儲料槽并保證旋轉儲料槽2中的液位恒定；另外由于旋轉儲料槽2槽圓周上各出料口的中心高度相同，并且由槽圓周上各出料口引至噴頭組各噴頭6的供料管4的長度、管徑完全相同；從而能夠保證使得供給到各噴頭6的料液成分均一、并且料液的壓力也一致；在連續鍍覆的條件下給各噴頭6提供成分和壓力相同的料液，從而有利于得到成分和厚度均勻的納米纖維膜。更進一步的，所述的供料管4自身能夠自轉，進一步保證了料液成分和壓力的均一；另一方面，電極5用于驅動噴頭組循環運動驅動輪15運動，噴頭組循環運動驅動輪15帶動噴頭組循環運動傳動輪14循環運動，從而實現位于其上的噴頭6的循環運動，噴頭6能夠被傳動基座帶動而循環運動(例如圓周運動)，從而能夠使得噴頭6相對于連續運動的基材產生相對運動；高壓 電場由直流高壓電源11產生，直流高壓電源11 一端輸出的正高壓接在能夠循環運動的噴頭組的噴頭6上，另一端地線接在接絲輥10上；帶電的聚合物溶液在電場力的作用下克服多針噴絲針頭頂端的表面張力，分裂成納米絲噴射向接絲輥表面的連續運動的基材上，并通過收料輥收卷鍍覆納米纖維膜的基材；接絲輥10通過接絲輥驅動器9驅動。我們通過實驗表明在保證各噴頭6料液組分和壓力一致的前提下，噴頭6的循環運動(例如圓周運動或沿著橢圓軌道運動)能夠增強從噴頭6噴出的料液噴射流的不規則性螺旋運動，進一步增強了噴射液的隨機運動，能夠確保得到成分和厚度均一的納米纖維膜。另外，本發明的裝置還可以包括輝光放電裝置，用于對待鍍覆的電極片進行預處理。預料不到的是，與常規的噴砂前處理相比，采用輝光放電處理不僅能夠提高粘結強度，還有利于提高鍍覆的均勻性，并且能夠提高噴絲原料的聚合物溶液的利用率。實施例2示意性地，采用實施例1所述的本發明的裝置制備鍍覆PVDF隔膜的電極片。本實施例僅僅是示意性的，除了 PVDF納米纖維膜以外，還可以鍍覆其它納米纖維膜。配制含有重量濃度為9. Owt %的聚偏氟乙烯溶液，溶液的粘度在600_700mPa S之間。基材傳送速度為100cm/min。噴頭與接絲棍之間施加的電場強度為1500V/cm,距離15cm,噴頭循環運動的速率20-50cm/min ;旋轉儲料槽的旋轉速率為50-3000轉/min，供料管的旋轉速度為50-3000轉/min ;本發明的裝置中供料系統能夠有效保證供給至噴頭的料液成分和壓力一致。開啟本發明的裝置，聚偏氟乙烯溶液通過噴頭對電極片進行鍍覆，得到聚偏氟乙烯的納米纖維膜。實際測得單面凈膜厚12 ym，所得薄膜厚度在長度和寬度方向的厚度差別低于3% ;并且通過光學顯微鏡觀察，得到的納米纖維薄膜孔隙分布均勻、力學性能測試表明納米纖維膜的抗拉強度高；而且薄膜的熱穩定性好，90°C保持4h雙向收縮< 0. 5%。以上所述，僅為本發明的優選實施例，不能解釋為以此限定本發明的范圍，凡在本發明的權利要求書要求保護的范圍內所做出的等同的變形和改變的實施方式均在本發明所要求保護的范圍內。
權利要求
1.一種連續制備納米纖維膜的裝置，包括直流高壓電源、帶刻度高位料筒、旋轉儲料筒、供料泵、接絲輥、收料輥、其特征在于多噴頭的噴頭組設置在能夠循環運動的傳動基座上；并且所述旋轉儲槽內液位恒定，旋轉儲槽圓周上各出料口的中心高度相同，由槽圓周上各出料口引至噴頭組各噴頭的料管長度、管徑相同。
2.權利要求1所述的裝置，其特征在于位于接絲輥兩側，在能夠循環運動的傳動基座上分別設置有一組多噴頭的噴頭組。
3.權利要求1所述的裝置，其特征在于恒壓供料儲槽同槽圓周上的供料管能夠進行自轉。
4.權利要求3所述的裝置，其特征在于供料管的自轉方向與旋轉儲料筒的旋轉方向相反。
5.權利要求1所述的裝置，其特征在于傳動基座為循環運動傳動輪，其通過循環運動驅動輪驅動，循環運動驅動輪連接有電機。
6.權利要求1所述的裝置，其特征在于所述裝置中還具有熱風系統，能夠蒸發去除殘留在接絲輥上的溶劑。
7.權利要求2所述的裝置，其特征在于所述直流高壓電源的正高壓接在噴頭組的噴頭上，另一端接在接絲輥上，接絲輥接地。
8.權利要求1所述的裝置，其特征在于所述接絲輥為不銹鋼鏡面接絲輥。
9.權利要求1所述的裝置，其特征在于所述循環運動為圓周運動或沿著橢圓形軌道循環運動。
全文摘要
本發明涉及連續制備納米纖維膜的裝置，包括直流高壓電源、帶刻度高位料筒、旋轉儲料筒、供料泵、接絲輥、收料輥、其特征在于多噴頭的噴頭組設置在能夠循環運動的傳動基座上；并且所述旋轉儲槽內液位恒定，槽圓周上各出料口的中心高度相同，由槽圓周上各出料口引至噴頭組各噴頭的料管長度、管徑相同。本發明的裝置能夠制備得到成分和厚度均勻的納米纖維薄膜，得到的納米纖維薄膜由于成分和厚度均一、薄膜納米結構分子取向均勻，從而導致得到的薄膜機械強度高，熱收縮率低，膜面無亮點；適合用于制備各種特種納米纖維膜，特別是用于鋰離子電池隔膜的聚合物納米纖維薄膜。
文檔編號B05D7/14GK103046145SQ20111031401
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月17日 優先權日2011年10月17日
發明者孫志峰, 荊彥超 申請人:三門峽興邦特種膜科技發展有限公司