一種往復直線導軌式靜電紡絲方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種往復直線導軌式靜電紡絲方法，屬于紡織材料技術領域。
【背景技術】
[0002]納米纖維是一種一維的線性材料，其直徑為十幾至幾百納米之間，具有超大的比表面積和高長徑比特性，其相關產品可以廣泛的應用在生物、環保、建筑、能源、交通、航空航天等領域，能夠體現出國家科研能力和技術水平。
[0003]靜電紡絲是一種常用的生產納米纖維有效方法，從二十世紀30年代開始，科技人員在靜電紡絲裝備、納米纖維結構控制、功能納米纖維方面不斷的深入研究，已經取得一定的成果并有相關產品問世。但是，靜電紡絲無法大規模化生產嚴重制約著納米纖維的應用，導致納米纖維獨特的性能得不到最大化的使用，阻礙了相關領域的快速發展和技術進步。目前，針對靜電紡絲的產業化通常采用無針靜電紡絲方法，多采用金屬輥、金屬圓錐、金屬柱體、金屬螺旋線圈、金屬網、金屬板、金屬碗、金屬金字塔等噴絲頭誘導紡絲液泰勒錐的形成，或者采用磁、氣體、超聲波等手段激發紡絲液泰勒錐的形成。這些方法在靜電紡絲的效率、噴絲機理、纖維形態結構方面具有較大的進步，但仍然無法實現大規模化生產，主要問題有如下五個:1.噴絲電極尺寸過大后，加載其上的靜電場強度下降以及電勢分布不均勻，導致現有靜電紡技術無法適用于寬幅無紡布表面納米纖維復合改性或寬幅納米纖維膜的生產，目前最寬的靜電紡絲的寬幅為1.6m; 2.現有靜電紡技術紡絲效率仍然低下，目前單噴絲電極最快的靜電紡絲速度為155g/h;3.現有靜電紡技術紡絲過程中存在紡絲液結皮的現象，阻礙了靜電紡絲的噴絲速率和成型效果;4.無法規模化生產取向性靜電紡纖維膜;5.無法規模化進行熔融紡絲液靜電紡。由此可見，靜電紡絲的產業化技術的創新和突破具有重要的實際意義和應用價值。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的在于提供一種往復直線導軌式靜電紡絲方法。
[0005]為了實現上述目的，本發明的技術解決方案為，
一種往復直線導軌式靜電紡絲方法，包括靜電紡絲過程中由高壓靜電發生器、噴絲電極、纖維收集裝置、給液裝置和計量栗構成的靜電紡絲系統，所述的噴絲電極為直線條狀導軌，導軌的長度為0.5-2.8m，高度為l-3mm，導軌橫截面為等腰三角形，其上角的頂端為噴絲頭，上角的角度為20-58°，其兩個底角為圓角且弧度相同，圓角的弧度為1.06-1.40 rad，給液裝置為半封閉中空管，并固定安裝在步進電機上，在中空管封閉端處開有出液槽，出液槽垂直于導軌，導軌活動的嵌入在出液槽中，噴絲電極的噴絲頭與出液槽內壁面的距離為
0.2-0.5mm，中空管的開口端通過軟管連接在計量栗上，纖維收集裝置為直線圓柱體金屬輥且平行于導軌，其軸線與導軌的中心線位于同一垂直平面上，在靜電紡絲時，給液裝置在步進電機的橫動速率為0.1-2m/s和計量栗的注射速率為25-320g/h的條件下，給液裝置在噴絲電極上做往復橫動運動，同時紡絲液通過給液裝置的出液槽注射在噴絲電極的外表面上，在噴絲電極的噴絲頭和纖維收集裝置下端之間的18-65kV的高壓靜電場作用下，噴絲電極外表面上的紡絲液經噴絲電極的噴絲頭噴絲和牽伸后形成纖維，并最終收集在纖維收集裝置上。
[0006]所述的給液裝置的材質采用絕緣玻璃或絕緣陶瓷，其電阻率2108Ω.m0
[0007]所述的纖維收集裝置的長度為0.7_3m。
[0008]所述的噴絲電極的噴絲頭和和纖維收集裝置下端之間的垂直距離為8-26cm。
[0009]由于采用了以上技術方案，本發明的技術特點在于:
與以往針式靜電紡和無針靜電紡采用的噴絲電機相對比，本發明專利的噴絲電極采用直線條狀導軌，導軌的橫截面采用了等腰三角形，其上角的頂端為噴絲頭，上角的角度為20-58°，其兩個底角為1.06-1.40 rad的圓角。導軌的長度可以最大達到2.8m，可以生產高寬幅納米纖維膜或為高寬幅無紡布提供表面改性。與導軌配合的給液裝置為半封閉中空管，在中空管封閉端開有出液槽，導軌能夠活動的嵌入在該出液槽中，噴絲電極的噴絲頭與出液槽內壁面的距離為0.2-0.5mm。在靜電紡絲過程中，給液裝置隨步進電機做往復橫動運動，同時噴絲電極的噴絲頭與出液槽內壁面之間的距離可以將紡絲液高效且均勻的注射在導軌的外表面上。又由于本發明的噴絲頭為線性尖端，其極易集聚靜電荷，噴絲頭與纖維收集裝置下端之間形成直線帶狀且分布均勻的高壓靜電場。因此，靜電紡絲時，本發明中的噴絲電極上加載的靜電壓遠低于目前大尺寸噴絲電極進行靜電紡時所加載的電壓，這將有利于節約能源和操作人員的人體靜電防護。同時，直線帶狀且分布均勻的高壓靜電場誘導了噴絲電極外表面的紡絲液經噴絲頭不斷的連續噴絲和牽伸，呈現出直線帶狀瀑布倒掛式的噴絲狀態，且噴絲電極外表面上的紡絲液發生向上爬升并從噴絲頭噴絲和牽伸的現象，最終形成纖維并收集在纖維收集裝置上，值得注意的是注射在噴絲電極上的紡絲液被全部靜電紡絲制備成纖維，靜電紡絲結束時，沒有紡絲液殘留在噴絲電極上，也沒有紡絲液從噴絲電極上掉落，這是一種靜電紡中紡絲液自發性噴絲的方法和技術。另外，靜電紡絲時，本發明專利的噴絲電極上呈現出直線帶狀瀑布倒掛式的噴絲狀態，這種噴絲技術及其現象非常方便制備出取向性納米纖維材料。
[0010]本發明提出的一種往復直線導軌式靜電紡絲方法實現了高效率規模化大批量生產納米或亞微米纖維的目的。該方法解決了突破了現有無針靜電紡存在的五大技術困境，解決了大尺寸噴絲電極靜電場強度低和靜電場分布不均勻的難題，避免了規模化靜電紡過程中存在的紡絲液易結皮的問題，實現了高速率靜電紡絲，可適用于寬幅無紡布表面納米纖維復合改性或寬幅納米纖維膜的生產，能夠規模化生產無取向性或取向性靜電紡纖維膜，可以規模化進行溶液或熔融紡絲液靜電紡絲。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明的靜電紡絲系統的結構示意圖。
[0012]圖2是噴絲電極的結構示意圖。
[0013]圖3是給液裝置的結構示意圖。
[0014]圖4是噴絲電極靈活嵌入給液裝置的出液槽中的剖面圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例對本發明進行具體詳細描述。
[0016]見附圖1、2、3、4。
[0017]—種往復直線導軌式靜電紡絲方法，靜電紡絲過程中的紡絲系統由高壓靜電發生器1、噴絲電極2、纖維收集裝置3、給液裝置4、步進電機5、軟管6、計量栗7組成:噴絲電極2和纖維收集裝置3通過導線分別連接在高壓靜電發生器I的靜電輸出端和接地端上，噴絲電極2為直線條狀導軌，噴絲電極2的長度為0.5-2.8m，高度為l-3mm，導軌橫截面為等腰三角形，其上角的頂端為噴絲頭，上角的角度為20-58°，其兩個底角為圓角且弧度相同，圓角的弧度為1.06-1.40 rad，當上角的角度在20-58°之間變化時，噴絲電極2的噴絲頭和纖維收集裝置3下端之間可以形成尖端高壓靜電場，這種方式下減弱了超長噴絲電極帶來的靜電場強度下降和分布不均勻的問題。兩個底腳為圓角的結構可以增強噴絲頭上的靜電場強度，避免靜電電荷集中在兩個底角上。纖維收集裝置3為直線圓柱體金屬輥且平行于導軌，其軸線與導軌的中心線位于同一垂直平面上，纖維收集裝置3的長度為0.7-3m，噴絲電極2的噴絲頭和和纖維收集裝置3下端之間的垂直距離為8-26cm，并形成直線帶狀且分布均勻的高壓靜電場。給液裝置4為半封閉中空管，并固定安裝在步進電機5上，步進電機5外接電源后，給液裝置4和步進電機5構成了往復橫動運動系統，給液裝置4的材質采用絕緣玻璃或絕緣陶瓷，其電阻率2 108Ω.πι，在中空管封閉端處開有出液槽8，出液槽8垂直于導軌，導軌活動的嵌入在出液槽8中，噴絲電極2的噴絲頭與出液槽8內壁面的距離為0.2-0.5mm，這個距離保證了給液裝置4可以在噴絲電極2的噴絲頭上注射厚度為0.2-0.5mm的紡絲液，為靜電紡絲提供了原