一种海胆形静电纺丝喷头及其纺丝方法
技术领域
本发明涉及一种海胆形静电纺丝喷头及其纺丝方法，属于纳米纤维和纺织机械技术领域。
背景技术
静电纺丝是高分子射流静电雾化的一种特殊形式。在静电纺丝过程中，喷丝孔处的聚合物液滴将携带数万伏的高压静电，带电液滴在电场力和液体表面张力的共同作用下形成泰勒锥。当液滴受到的电场力大于静电力的阈值时，泰勒锥顶点处的纺丝液滴被加速，并克服其表面张力，在泰勒锥的顶端产生喷射射流。射流在高压电场力作用下不断变细，伴随着溶剂的挥发以及溶质的固化，并有牵伸引力使其分散成细小的射流，最终在收集板上得到直径在微米级至纳米级的纤维，这些纤维无序排列，形成无纺布状的纳米纤维膜。与其他已知材料相比，微纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、过滤性能好和量子效应等性能，在组织工程、智能传感、生物医用和过滤等领域应用广泛。随着科研工作的深入进行，将会继续扩大纤维材料的种类，完善静电纺丝装置与技术，改善微纳米纤维的性能，同时拓展其应用领域和范围。
尽管静电纺丝技术具有装置简单、材料多样等优势，但在实际生产生活中应用局限，主要是因为纳米纤维产量低、成本高。静电纺丝过程通过两个平衡维持：静电力引起的牵伸力与聚合物液滴的表面张力之间的平衡，以及溶剂蒸发的固化速度与通过表面张力形成液滴的速度之间的竞争。在一般静电纺丝过程中，聚合物溶液是通过供给泵连续输送的。因此，在整个过程中保持这些微妙的平衡是一项挑战，因为它会受到众多参数的影响，包括聚合物溶液的特性(粘度，电导率，聚合物的分子量、浓度等)，实验参数(电压，流量等)，环境参数(温度、湿度等)。这些条件都会影响到纳米纤维批量化生产的顺利进行。
当前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道。中国专利200710036447.4公开了一种喷气式静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通入气体在高聚物自由液面形成气泡，气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量；中国专利201510209563.6公开了一种笼状针式喷头及静电纺丝方法。通过环形多喷头组阵列设计、并以内外同心圆的方式分别布置喷头组和接收部件的环式设计，有效地减弱了相邻喷头带电射流之间的排斥，提高静电纺丝效率；中国专利201811646555.8公开了一种网状双筒圆柱形静电纺丝装置，该装置通过网状圆筒内的液面高度的控制，对溶液压力进行控制,在圆柱面上的缝隙边缘产生电荷积聚，圆柱形供液装置上的网格轮流对准纺丝金属滚筒，以实现网状双筒的静电纺丝。现有专利对静电纺丝喷头的进一步设计与研究，加快静电纺丝批量化生产的进程，使得静电纺丝技术在生产生活以及科学研究中极具发展潜力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前批量化生产中纤维直径分布不可控，纳米纤维膜串珠较多的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种海胆形静电纺丝喷头，其特征在于，所述海胆形静电纺丝喷头结构为表面光滑的实心导电球体，表面设有导电探针；所述海胆形静电纺丝喷头通过传动轴与电动机一相连接，海胆形静电纺丝喷头的下部浸没于储液槽中的纺丝液中，所述储液槽连接有供液装置；海胆形静电纺丝喷头与直流电源的正极相连，所述海胆形静电纺丝喷头上方设有接收装置，所述接收装置包括接收滚筒，所述接收滚筒一端与电动机二连接、另一端接地。
优选的，所述储液槽的底部通过供给泵与供液装置连通，所述供液装置通过供给泵给储液槽提供纺丝液。
优选的，所述海胆形静电纺丝喷头的实心球体的材质为金属铜，其直径为40～100mm。
优选的，所述导电探针在所述海胆形静电纺丝喷头的球面上均匀且对称分布，为向外延伸的圆锥形结构；所述导电探针的数量为1～100，其底面直径为1～5mm，高度为1～30mm。
优选的，所述直流电源的电压调节范围是0～120kV。
优选的，所述传动轴与所述海胆形静电纺丝喷头的球心同轴连接，其材质为聚四氟乙烯。
优选的，所述电动机一的转速为0～10r/min。
优选的，所述储液槽的材质为聚四氟乙烯。
优选的，所述接收滚筒的直径为100～1000mm，所述电动机二的转速为0～100r/min。
本发明还提供了利用上述海胆形静电纺丝喷头进行静电纺丝的方法，包括以下步骤：
步骤1)：调整接收装置与海胆形静电纺丝喷头的距离，打开电动机二，使接收滚筒转动；
步骤2)：通过供液装置向储液槽中注入合适的纺丝液；
步骤3)：打开电动机一，设置合适的转速，使海胆形静电纺丝喷头在纺丝液中旋转，球面与导电探针表面形成两种不同状态的液膜；
步骤4)：打开直流电源，缓慢施加高电压，使得球面与导电探针表面的液滴受到牵伸形成两种不同细度的射流一和射流二，射流拉伸固化形成纳米纤维沉积在接地的接收装置上。
本发明提供的海胆形静电纺丝喷头使得静电纺丝工艺成为基于批量化生产的连续系统，实现纺丝方向上的突破；该静电纺丝技术采用将导电探针与实心球体相结合的方式，进行无注射器式批量化静电纺纳米纤维的制备，避免了喷头的堵塞，产量也大大增加；另外，可实现高聚物纺丝液在喷头表面同时形成两种纺丝液膜状态，一种是在球表面形成的液膜，另一种是在导电探针表面形成的液膜，继而实现可控多级直径分布的纳米纤维一步法批量化生产。该装置结构简单易操作，因此在材料工程、生物医用等领域有很大前景。
附图说明
图1为本发明提供的海胆形静电纺丝喷头纺丝时的示意图；
图2为海胆形静电纺丝喷头的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1-2所示，为实施例1-3采用的海胆形静电纺丝喷头，所述海胆形静电纺丝喷头6为表面光滑的实心球体，实心球体的材质为金属铜或不锈钢，其直径为40～100mm；其球面上分布有多个导电探针13；导电探针13在球面上均匀且对称分布，是向外延伸的圆锥形结构。导电探针13的数量为1～100，其底面直径为1～5mm，高度为1～30mm。海胆形静电纺丝喷头6通过绝缘的传动轴5与电动机一4连接(电动机一4的转速为0～10r/min)，传动轴5与实心球体的直径同轴布置，材质为聚四氟乙烯。海胆形静电纺丝喷头6的下部浸没于储液槽14内的纺丝液3中，海胆形静电纺丝喷头6与直流电源15的正极相连接。供液装置1通过供给泵2与储液槽14的底部连通；海胆形静电纺丝喷头6的上方设有接收装置。储液槽14的材质为聚四氟乙烯。直流电源15的电压调节范围为0～120kV。接收装置包括连接电动机二7的接收滚筒8，接收滚筒8接地10。接收滚筒8的直径为100～1000mm，电动机二7的转速为0～100r/min。
实施例1：
一种静电纺丝方法：纺丝液3采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为9％。选择海胆形静电纺丝喷头6的实心球体直径为50mm，其球面上分布有多个导电探针13；导电探针13在球面上均匀且对称分布，导电探针13的数量为30个，其底面直径为3mm，高度为15mm。导电探针13于球面处是向外延伸的圆锥形结构。将接收滚筒8接地10，调整接收滚筒8和海胆形静电纺丝喷头6的距离为15cm；打开电动机二7，并设置接收滚筒8的转速为40r/min；打开供液装置1的开关，通过供给泵2向储液槽14中注入纺丝液3；打开电动机一4，并设置转速为0.3r/min，电动机一4通过传动轴5驱动海胆形静电纺丝喷头6在纺丝液3中旋转，球面和导电探针13表面分别形成两种状态液膜；打开直流电源15开关，缓慢增加电压至65kV；不同细度的第一射流12、第二射流11分别在球面、导电探针13表面的液膜处产生；射流在高压静电场作用下飞向接收滚筒8，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在接收滚筒8上形成纳米纤维9。
实施例2：
一种静电纺丝方法：纺丝液3采用聚乙烯基苯酚(PVP)与乙醇和水的混合溶剂所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PVP高聚物溶液的质量分数为10％。选择喷头的实心球体直径为60mm，其球面上分布有多个导电探针13；导电探针13在球面上均匀且对称分布，导电探针13的数量为40个，其底面直径为3mm，高度为20mm。导电探针13于球面处是向外延伸的圆锥形结构。将接收滚筒8接地10，调整接收滚筒8和海胆形静电纺丝喷头6的距离为20cm；打开电动机二7，并设置接收滚筒8的转速为50r/min；打开供液装置1的开关，通过供给泵2向储液槽14中注入纺丝液3；打开电动机一4，并设置转速为0.3r/min，电动机一4通过传动轴5驱动海胆形静电纺丝喷头6在纺丝液3中旋转，球面和导电探针13表面分别形成两种状态液膜；打开直流电源15开关，缓慢增加电压至75kV；不同细度的第一射流12、第二射流11分别在球面、导电探针13表面的液膜处产生；射流在高压静电场作用下飞向接收滚筒8，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在接收滚筒8上形成纳米纤维9。
实施例3：
一种静电纺丝方法：纺丝液3采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与四氢呋喃(THF)所配制的高聚物溶液制备可控多级直径分布的纳米纤维。配制PMMA高聚物溶液的质量分数为15％。选择喷头的实心球体直径为50mm，其球面上分布有多个导电探针13；导电探针13在球面上均匀且对称分布，导电探针13的数量为20个，其底面直径为3mm，高度为15mm。导电探针13于球面处是向外延伸的圆锥形结构。将接收滚筒8接地10，调整接收滚筒8和海胆形静电纺丝喷头6的距离为15cm；打开电动机二7，并设置接收滚筒8的转速为40r/min；打开供液装置1的开关，通过供给泵2向储液槽14中注入纺丝液3；打开电动机一4，并设置转速为0.3r/min，电动机一4通过传动轴5驱动海胆形静电纺丝喷头6在纺丝液3中旋转，球面和导电探针13表面分别形成两种状态液膜；打开直流电源15开关，缓慢增加电压至65kV；不同细度的第一射流12、第二射流11分别在球面、导电探针13表面的液膜处产生；射流在高压静电场作用下飞向接收滚筒8，溶剂挥发，射流拉伸固化沉积在接收滚筒8上形成纳米纤维9。
