一种圆盘形无针式静电纺丝装置及其工作方法
技术领域
本发明属于纺织机械和纳米纤维产业化制备技术领域，具体涉及一种圆盘形无针式静电纺丝装置及其工作方法。
背景技术
随着纳米材料领域的兴起，纳米纤维的制备技术及应用研究成为当前纤维材料的研究热点。而静电纺丝技术是目前制备纳米纤维行之有效的方法。由于其装置简单、操作方便和成本经济，成为众多纤维材料研究人员青睐技术方法。一直以来，纺织纤维原料主要是天然纤维和合成纤维，其纤维直径属于微米级别，使得最终纺织品功能性不能得到有效提升。采用静电纺丝技术能够制备亚微米甚至是纳米级别的纤维，随着纤维直径尺度的显著降低，纤维可以显示出比表面积大、纤维细和孔隙率高等特点。与传统纺织纤维原料相比，利用亚微米或纳米纤维作为纺织原料亦或是将亚微米或纳米纤维与传统纺织纤维相结合来制备纺织制品，必将会使其功能性得到显著改善，同时，当前已有的研究表明纳米纤维以其优异的特性在空气过滤、水处理、伤口敷料、组织工程支架材料、传感器及储能材料等领域具有广阔的应用前景。
传统静电纺丝装置是单针头静电纺丝系统，其纺丝装置较为简单，主要包括微量注射泵、医用注射器、平口金属针头、高压电源发生器和平面金属接收板。聚合物溶液贮存于医用注射器内，平口金属针头与医用注射器连接，医用注射器放置于微量注射泵上，通过调节微量注射泵的参数可以控制溶液流量，高压电源的正极与金属针头连接，平面金属接收板接地。因此，在金属针头与金属接收板之间就形成高压电场区域，当施加电压逐渐增大，溶液所受到的静电力也逐渐增加，当溶液所受静电力与溶液自身表面张力和粘滞阻力的合力相平衡时，就会在金属针头的尖端形成微小的“泰勒锥”，此时，进一步增大施加电压，在“泰勒锥”的尖端就会形成一根射流，由于高压电场作用，射流经过直线段和不稳定段的拉伸，同时射流中溶剂挥发，射流固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。
目前利用传统单针头静电纺丝装置主要存在以下问题：(1)纳米纤维产量非常低，难以满足纳米纤维批量化应用需求；(2)纺丝针头直径小容易堵塞，不能保证纺丝的顺利进行；(3)纺丝结束后针头难以清理。
无针式静电纺丝技术作为一种新型静电纺丝技术能够有效解决单针头静电纺丝装置所存在的问题，该技术能够同时形成多根射流从而极大提高静电纺丝效率并显著提升纳米纤维的产量。对于无针式静电纺丝技术，目前虽然已有相关研究，但仍然存在一些问题。中国发明专利201610629977.9公开一种直线形槽状无针式静电纺丝装置，该喷头是直线形槽状铜杆，因此喷头上的电场分布不均匀，这会导致纳米纤维直径不均匀增加，从而影响到纳米纤维制品的质量；中国发明专利201710044752.1公开了一种螺旋沟槽形静电纺丝装置，该装置纺丝时能够形成多根射流，提高纳米纤维产量，但螺旋沟槽喷丝系统及相关部件的设计较为复杂，这在实际加工中存在诸多不便；中国发明专利201710046822.7公开了一种球形旋转刷式批量化静电纺丝装置，该纺丝装置同样存在机械结构复杂的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种圆盘形无针式静电纺丝装置及其工作方法，结构设计合理，能够通过空间对称的电场形成均匀、稳定的多射流，自动化程度高，能够实现纳米纤维的批量生产。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种圆盘形无针式静电纺丝装置，包括纺丝液供料系统、喷头、直线往复系统、金属辊筒、高压电源和自动控制系统；
喷头包括圆盘形的喷头本体，喷头本体上设有出液孔，出液孔连接有纺丝液通道，喷头本体具有碟形边；喷头本体固定在直线往复系统上，纺丝液通道通过蠕动泵与纺丝液供料系统连接，出液孔正对金属辊筒；
金属辊筒连接有第一电机；高压电源的正极与喷头本体，高压电源的的接地线与金属辊筒连接；蠕动泵、直线往复系统、高压电源和第一电机均分别与自动控制系统连接。
优选地，碟形边与喷头本体的夹角为120°～150°。
优选地，碟形边的高度为喷头本体直径的8％～12％，碟形边的厚度为喷头本体直径的0.1％～5％。
优选地，出液孔直径为喷头本体直径的7％～10％。
优选地，直线往复系统包括直线往复移动装置和直线往复导向装置，喷头本体通过喷头基座固定在直线往复移动装置上，直线往复移动装置连接有第二电机，直线往复移动装置与直线往复导向装置连接，第二电机与自动控制系统连接。
优选地，喷头的材质为铜，金属辊筒的材质为铝。
优选地，纺丝液供料系统包括贮液罐和耐高压绝缘输液管，耐高压绝缘输液管与纺丝液通道连接，蠕动泵设在耐高压绝缘输液管上。
优选地，出液孔设在喷头本体的圆心处。
本发明公开的上述圆盘形无针式静电纺丝装置的工作方法，包括以下步骤：
1)在自动控制系统内输入圆盘形无针式静电纺丝装置的工作参数；
2)开启蠕动泵，纺丝液供料系统将纺丝液依次经纺丝液通道和出液孔输送至喷头本体，当纺丝液充满喷头本体而不溢出碟形边时关闭蠕动泵；
3)打开第一电机，待金属辊筒达到预定转速时打开直线往复系统，使喷头达到预定速度做直线往复运动后打开高压电源，达到预定电压后打开蠕动泵，纺丝液在碟形边边缘形成多根射流飞向金属辊筒，形成纳米纤维沉积在金属辊筒上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种圆盘形无针式静电纺丝装置，包括纺丝液供料系统、喷头、直线往复系统、金属辊筒、高压电源和自动控制系统；圆盘形无针式的喷头能够盛装高聚物纺丝溶液，由于纺丝溶液具有一定的表面张力，当纺丝溶液溢满于圆盘形无针式喷头时，喷头的碟形边能够使纺丝溶液边缘处呈现一定液面弧度，喷头与高压静电发生器相连接，施加电压后喷头的碟形边处的电场强度最大，因此喷头碟形边处的弧形液面逐渐变的不稳定，当施加电压进一步增加，纺丝溶液受到的电场力克服溶液表面张力和粘滞阻力，碟形边处不稳定溶液就会形成许多微小的“泰勒锥”，从而在喷头碟形边缘处形成多根射流。同时喷头通过喷头基座固定在直线往复移动装置上，当喷头形成多射流时，喷头的直线往复移动能够使制备的纳米纤维均匀的沉积在旋转的金属辊筒上，这样制备出的纳米纤维膜具有很好的均匀性。该装置结构设计合理，能够通过空间对称的电场形成均匀、稳定的多射流，制备出产量高、直径小、分布窄、孔隙均匀和结构可控的纳米纤维；自动化程度高，能够实现纳米纤维的批量生产。
进一步地，碟形边与喷头本体具有一定夹角，能够使纺丝溶液边缘形成一定的溶液弧度，这样更有利于多射流的形成。
进一步地，碟形边的高度可以控制喷头本体贮存纺丝溶液的液量，碟形边的厚度与其电场强度密切相关，碟形边厚度大则其电场强度较低，碟形边厚度小则其电场强度较高。
进一步地，合理的出液孔直径，便于控制出液量和出液速度，使制得的纳米纤维膜具有良好的均匀性。
进一步地，纺丝液供料系统中设置蠕动泵，能够有效调节纺丝液的流量，从而实现不同直径纳米纤维的可控化制备。
进一步地，出液孔设在喷头本体的圆心处，能够使纺丝液出来后均匀的充满喷头本体。
本发明公开的上述圆盘形无针式静电纺丝装置的工作方法，操作简便，自动化程度高。
附图说明
图1为本发明的圆盘形无针式静电纺丝装置的整体结构示意图；
图2为本发明的圆盘形无针式静电纺丝装置的圆盘形喷头的俯视示意图；
图3为本发明的圆盘形无针式静电纺丝装置的圆盘形喷头的正视示意图。
图中：1为贮液罐，2为纺丝液，3为绝缘输液管，4为蠕动泵，5为射流，6为喷头，6-1为出液孔，6-2为纺丝液通道，6-3为碟形边，6-4为喷头本体，7为喷头基座，8为直线往复移动装置，9为直线往复导向装置，10为第二电机，11为导线，12为高压电源，13为第一电机，14为金属辊筒。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：
图1为圆盘形无针式静电纺丝装置整体结构示意图，包括纺丝液供料系统、喷头6、直线往复系统、金属辊筒14、高压电源12和自动控制系统；
如图2、图3，喷头6包括圆盘形的喷头本体6-4，喷头本体6-4上设有出液孔6-1，优选地，出液孔6-1设在喷头本体6-4的圆心处；出液孔6-1直径为喷头本体6-4直径的7％～10％。出液孔6-1连接有纺丝液通道6-2，喷头本体6-4具有碟形边6-3，优选地，碟形边6-3与喷头本体6-4的夹角α为120°～150°，碟形边6-3的高度为喷头本体6-4直径的8％～12％，碟形边6-3的厚度为喷头本体6-4直径的0.1％～5％。
喷头本体6-4固定在直线往复系统上，纺丝液通道6-2通过蠕动泵4与纺丝液供料系统连接，出液孔6-1正对金属辊筒14；金属辊筒14连接有第一电机13；高压电源12的正极与喷头本体6-4，高压电源12的的接地线与金属辊筒14连接；蠕动泵4、直线往复系统、高压电源12和第一电机13均分别与自动控制系统连接。优选地，喷头6的材质为铜，金属辊筒14的材质为铝。
直线往复系统包括直线往复移动装置8和直线往复导向装置9，喷头本体6-4通过喷头基座7固定在直线往复移动装置8上，直线往复移动装置8连接有第二电机10，直线往复移动装置8与直线往复导向装置9连接，第二电机10与自动控制系统连接。
直线往复系统可以采用如下方案：
方案一：直线往复导向装置9采用在平面上固定的两条平行的直线倒V形凸槽导轨，直线往复移动装置8采用具有4个轮子的小车，每个轮子上均有与凸槽导轨适配的倒V形凹槽。
方案二：直线往复导向装置9采用在平面上开设的两条平行的直线凹槽滑轨，直线往复移动装置8采用具有4个轮子的小车，小车的轮子与直线凹槽滑轨适配。
纺丝液供料系统包括贮液罐1和耐高压绝缘输液管3，耐高压绝缘输液管3与纺丝液通道6-2连接，蠕动泵4设在耐高压绝缘输液管3上。
下面给出一部分装置的设计参数：
蠕动泵4供液流量为1～1000ml/l；绝缘输液管3的材质为聚四氟乙烯，直径为2～4mm，长度为200～500mm；贮液罐1材质为聚四氟乙烯，形状为圆柱体，直径为50～100mm，高度为60mm～120mm。喷头6材质为铜，直径为40～90mm，高度为10～30mm；碟形边6-3的厚度为0.1～1mm，高度为5～10mm；出液孔直径为2～4mm。喷头基座7材质为聚四氟乙烯，形状为圆柱体，直径为50～100mm，高度为30～60mm，纺丝液通道6-2的直径为2～4mm。直线往复移动装置8的速度为500～1000mm/min。高压电源施加电压为0～10kV。金属辊筒14形状为圆柱体，直径为300～700mm，长度为800～1000mm，转速为10～1000r/min，金属辊筒14与喷头6之间的距离为100～500mm。
本发明的圆盘形无针式静电纺丝装置的工作方法，包括以下步骤：
1)在自动控制系统内输入圆盘形无针式静电纺丝装置的工作参数；
2)开启蠕动泵4，纺丝液供料系统将纺丝液2依次经纺丝液通道6-2和出液孔6-1输送至喷头本体6-4，当纺丝液2充满喷头本体6-4而不溢出碟形边6-3时关闭蠕动泵4；
3)打开第一电机13，待金属辊筒14达到预定转速时打开直线往复系统，使喷头6达到预定速度做直线往复运动后打开高压电源12，达到预定电压后打开蠕动泵4，纺丝液2在碟形边6-3边缘形成多根射流5飞向金属辊筒14，形成纳米纤维沉积在金属辊筒14上。
下面为一个具体实施例：
利用聚丙烯腈(PAN)作为溶质，用N,N二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，配置PAN高聚物纺丝液采用圆盘形无针式静电纺丝装置制备纳米纤维膜。将5g PAN粉末溶解在45g DMF中配置出质量分数为10％(w/w)的纺丝液。在贮液罐1中装入适量纺丝液2，耐高压的绝缘输液管3穿过蠕动泵4，绝缘输液管3的一端插入贮液罐1中，另一端通过喷头基座7与喷头6的纺丝液通道6-2和出液孔6-1连接；打开蠕动泵4的开关，调整供液流量到12ml/h，纺丝液2被缓缓输送到喷头6内，当纺丝液2充满喷头6而不外溢的时候关闭蠕动泵4开关；调节喷头6表面到旋转金属辊筒14最低点的垂直距离为150mm；打开连接第一电机13的开关，调节第一电机13的速度控制器使金属辊筒14按照65r/min的速度正常旋转；打开连接直线往复移动装置8的第二电机10的开关，直线往复移动装置8可以按照1000mm/min的速度在直线往复导向装置9上往复移动；打开蠕动泵4开关，打开高压电源12开关，缓慢增加施加电压到60kV，在喷头6的碟形边6-3边缘就会出现多根射流5，射流5在飞向旋转金属辊筒14的过程中，溶剂挥发，高聚物固化，形成纳米纤维沉积在旋转的金属辊筒14上。
需要说明的是，实施例中所述仅是本发明的部分实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
