技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种一种多级螺旋结构纳米纤维发生器。
背景技术
[0002] 静电纺纳米纤维通常直径在50-1000nm之间，具有
比表面积大，孔隙率高，孔径小，通透性好等优点，在过滤、
生物医疗、
能源、服装、增强
复合材料等诸多领域具有广阔的应用前景。传统的
静电纺丝技术主要是以空心针头作为喷丝头，其纺丝生产能
力有限，每个喷丝针头只能产生一根
聚合物喷丝，每个针每小时生产纤维量小于0.3克。低下的纳米纤维生产效率极大地限制了静电纺丝技术的工业化
进程。仅仅通过增加针头个数来提高静电纺丝产量，会造成设备体积庞大，而且针头也容易发生堵塞不易清洗。
[0003] 无针静电纺丝技术是目前最有发展前景和应用潜力的纳米纺丝技术。Formhals (US1975504)使用锯齿状的
转轮作为纳米纤维的发生器，制备得到了
纤维素纤维以及
醋酸纤维素纤维，并设计了干法和
湿法纺丝的收集装置。Lucas等(WO2005024101)使用一个导电的圆筒作为纤维的发生器，在此装置中，导电圆筒的一部分浸没在聚合物黏性液体中，通过旋转使圆筒
覆盖黏性液体并进入到
电场中，当电场强度足够强时，圆筒表面的液体形成
泰勒锥并生成大量的溶液射流，最后可在收集器上得到纳米纤维。该装置通过提高液面面积使静电纺丝的生产能力大大提高。在这种静电纺丝系统，静电纺丝过程很大程度上取决于喷丝头及附近区域的电场分布以及电场强度。由于圆筒中间区域的电场强度远远小于圆筒两端，在较
低电压的时候只有圆筒两端能进行纺丝，圆筒中间区域由于电场力太小无法进行纺丝。只有在电压升高到圆筒中间区域的电场强度高于纺丝临界值，圆筒中间区域才能纺丝。但是在圆筒两端和中间区域由于电场强度的差异产生的纳米纤维的直径、产量也会有很大的不同。很有必要通过改进喷丝头来提高纳米纤维的
质量。
[0004] 通过设计使用金属丝(WO2011015161)、薄板(WO2006131081)、螺杆(CN103774250)、阶梯边缘(CN 103572388)等形状具有小
曲率半径的喷丝头来进行纺丝可以明显增加电场强度提高纤维产量。PETRAS等(WO2006131081)将导电圆筒替换为一系列复杂的导电旋转体，如凸面圆筒、圆筒形锯齿、圆筒形波状薄板，用作纤维发生器进行静电纺丝。Lin 等(WO2010043002)公开了一种无针静电
纺纱装置，包括局部浸没在聚合物溶液容器内的螺旋线形纺丝
电极(或喷丝头)，
对电极处于离螺旋电极一定距离的收集器上。容器中的聚合物溶液在螺旋结构表面形成一层
薄膜，进入纺丝电极和接收电极之间电场中。当电极之间的静电场强度足够大可以将溶液拉进泰勒锥时，在螺旋结构表面一些点处形成纳米纤维。纳米纤维堆积在收集器表面，形成非织纳米纤维膜。该设计中的螺旋金属丝可以产生连续分布的大强度电场，有效降低了启动电压、增加纺丝效率。目前使用的喷丝头表面都是光滑设计、只有一级结构，还没有一种喷丝头通过对电极表面形貌进行精确控制来提高纺丝效率。
实用新型内容
[0005] 本实用新型提供了一种由多级螺旋结构组成的静电纺纳米纤维发生装置，用于将各种黏性液体在静电场作用下加工成纳米纤维。
[0006] 一种多级螺旋结构纳米纤维发生器，其特征在于，多级螺旋静电纺丝装置包括：带电电极，包括至少一个多级螺旋结构喷丝头；所述多级螺旋结构喷丝头包括至少一个沿轴向并行排列的多级螺旋结构；与所述多级螺旋结构喷丝头相隔一定距离的纤维收集装置，所述纤维收集装置接地；盛装黏性液体的溶液槽，一部分多级螺旋结构喷丝头浸没在溶液槽中的液体中，所述多级螺旋结构喷丝头通过绕其中
心轴旋转使一部分黏性液体覆盖到多级螺旋结构喷丝头的整个表面；高压电源，所述高压电源与带电电极链接，可对带电电极充电，使带电电极和纤维收集装置之间产生电位差。
[0007] 进一步地，所述多级螺旋结构喷丝头的多级螺旋结构，包括二级或二级以上的螺旋结构。
[0008] 进一步地，所述多级螺旋结构的第一级螺旋结构的平均直径在10mm至1000mm之间；第一级螺旋结构长度大于35mm；第一级螺旋结构金属丝直径在0.5mm至200mm之间，相邻螺旋结构的间距至少为5mm；第一级螺旋结构的旋转速度大于1rpm。
[0009] 进一步地，所述多级螺旋结构在第一级螺旋结构上形成第二级螺旋结构，第二级螺旋结构均匀分布于第一级螺旋结构表面或是表面沟槽；当第二级螺旋结构分布于第一级螺旋结构表面时，第二级螺旋结构底部的直径等于第一级螺旋结构所使用金属丝的直径；当第二级螺旋结构分布于第一级螺旋结构表面沟槽时，第二级螺旋结构顶部的直径等于第一级螺旋结构所使用金属丝的直径；第二级螺旋结构沿螺旋方向横截面可以为圆形，三
角形，梯形，长方形，正方形中一种，相邻螺旋结构的间距至少为1mm。
[0010] 进一步地，所述螺旋结构喷丝头由一排或多排的多级螺旋结构组成，多级螺旋结构的轴向平行，排与排之间的距离大于20毫米。
[0011] 进一步地，所述纤维收集装置和所述多级螺旋结构喷丝头的轴向平行。
[0012] 进一步地，纤维收集装置可以为滚筒，平板，平板带传动，可转动滚筒中的一种形式，所述纤维收集装置的基布为编织布，机织布，
无纺布，纸，塑料薄膜中一种。
[0013] 进一步地，所述多级螺旋结构喷丝头和所述纤维收集装置之间的距离在100mm到 1000mm。
[0014] 进一步地，在纺丝过程中所述多级螺旋结构喷丝头和纤维收集装置之间产生高于30kV 的电势差。
[0015] 进一步地，所述黏性液体为聚合物溶液，聚合物熔体，溶胶-凝胶，或原生质颗粒悬浮液，所述黏性液体的
粘度为1mPa·s至100000mPa·s。
[0016] 本实用新型采用的技术方案是一种生产纳米纤维的多级螺旋结构静电纺丝装置,包括一个带电电极，一个接地纤维收集装置，一个盛装黏性液体的溶液槽，和一个高压电源。使用时，高压电源的两个输出电极分别与螺旋发生器和接收器相连，以产生高压电场；黏性液体置于储液槽中，旋转电极通过旋转把黏性液体覆盖到整个电极表面。
[0017] 本实用新型装置在生产纳米纤维时，通过旋转使多级螺旋结构表面加载纺丝溶液，并利用所述电源在纺丝区产生的高电场将溶液拉入泰勒锥，由此形成大量纳米纤维，生成的纳米纤维为收集器所收集。
[0018] 多级螺旋具有规整排列，比表面积大，表面高曲率点分布均匀等特性。这不仅增加了纺丝面积，而且提高了纺丝面的储液能力。在高速连续纺丝时，无间断，因而提高了产量。由大曲率诱导的局部高电场加强了对纤维的牵伸力，有利于生成更细的纤维。
[0019] 所述的纺丝头以螺旋结构为
基础，其螺旋结构可以是螺旋
叶片，也可以是螺旋线圈。优选的，第一级螺旋结构的平均直径在10mm至1000mm之间；第一级螺旋结构长度大于 35mm；第一级螺旋结构金属丝的直径在0.5mm至200mm之间，相邻螺旋结构的间距至少为
5mm；第一级螺旋结构的旋转速度大于1rpm。
[0020] 螺旋结构的表面带有二级螺旋结构。二级螺旋结构可以分布在第一级螺旋结构表面或者是第一级螺旋结构表面沟槽。当第二级螺旋结构分布在第一级螺旋结构表面时，第二级螺旋结构底部的直径等于第一级螺旋结构所使用金属丝的直径；当第二级螺旋结构为第一级螺旋结构表面沟槽时，第二级螺旋结构顶部的直径等于第一级螺旋结构所使用金属丝的直径；
[0021] 第二级螺旋结构沿螺旋方向横截面可以为圆形，三角形，梯形，长方形，正方形，以及其他形状，第二级螺旋结构中相邻螺旋结构之间的间距至少为1mm。
[0022] 所述多级螺旋结构也可以是三级或三级以上螺旋结构。
[0023] 所述多级螺旋结构喷丝头由一排或多排多级螺旋结构组成，多级螺旋结构的轴向平行，排与排之间的距离大于20毫米。
[0024] 多级螺旋结构喷丝头可以由导电或不导电材料制成，作为其中的一种优选模式，多级螺旋结构喷丝头由金属制成(不被聚合物溶液
腐蚀)。液槽部分由不导电材料制备。不导电的材料可选用丙烯腈-丁二烯丙烯-苯乙烯共聚物、聚
碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二
甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯醚、聚砜、聚醚、聚醚醚
酮、聚酰亚胺、陶瓷、或木材等。无论采用哪种材料最好对于静电纺丝的液体呈惰性，例如不溶解于聚合物溶液。
[0025] 所述多级螺旋结构静电纺丝装置，一部分喷丝头浸没在溶液槽中的液体中，所述多级螺旋结构喷丝头通过绕其中心轴旋转使一部分黏性液体覆盖到喷丝头的整个表面。高压电源与带电电极链接，可对带电电极充电，使带电电极和纤维收集装置之间产生电位差，产生的纤维收集到纤维收集装置上。
[0026] 所述纤维收集装置和所述喷丝头的轴向平行。接收距离或带电极与对电极之间的间距可影响其间产生的电场、由此装置生产的纳米纤维的尺寸以及产生临界电场强度的电压。此外，所述间距还受多个方面因素的影响，包括喷丝头与对电极的尺寸、电位差和黏性液体的成分。纳米纤维发生器和所述对电极纳米纤维收集装置之间的距离在在100mm到 1000mm之间，优选的，接收距离在200mm以上。纤维收集装置可以为各种不同形式，包括滚筒，平板，平板带传动，可转动滚筒，或基布包括编织布，机织布，无纺布，纸，塑料薄膜。
[0027] 可产生临界电场强度或高于临界电场强度的电位差取决于多种因素，包括多级螺旋结构喷丝头和对电极的间距(接收距离)以及黏性液体的物理性质。在纺丝过程中所述喷丝头和纤维收集装置之间产生高于30kV的电势差。优选高于40kV。
[0028] 黏性液体是在可以电场中进行静电纺丝的任何液体，包括聚合物溶液、溶胶-凝胶、颗粒悬液和/或熔体。黏性液体的粘度为1mPa s至100000mPa s。黏性液体优选的形式为聚合物溶液，通常包括至少一种聚合物和至少一种挥发
溶剂。
[0029] 本实用新型具有以下有益效果：
[0030] 本实用新型制备具有多级螺旋结构喷丝头的纳米纤维发生装置，可以通过对电极表面形貌进行精确控制来提高纺丝效率，并且通过结构设计使得电场强度对纳米纤维作用均匀，从而提高纳米纤维的质量。
附图说明
[0031] 图1为本实用新型一个优选
实施例的制备装置示意图。
[0032] 图2为图1所示的制备装置中的多级螺旋结构喷丝头的详细示意图。
[0033] 图3为图1所示的多级螺旋结构喷丝头中一种多级螺旋结构示意图。
[0034] 图4为采用图1所示的装置制备得到的PVA纳米纤维的扫描电镜图像。
[0035] 图5为图1所示的多级螺旋结构喷丝头中一种多级螺旋结构示意图。
[0036] 图6为图1所示的多级螺旋结构喷丝头中一种多级螺旋结构示意图。
[0037] 图7为图1所示的多级螺旋结构喷丝头中一种多级螺旋结构一部分的示意图。
[0038] 图8为图1所示的多级螺旋结构喷丝头中一种多级螺旋结构一部分的示意图。
具体实施方式
[0039] 下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。
[0040] 一种多级螺旋结构纳米纤维发生器，其特征在于，多级螺旋静电纺丝装置包括：带电电极，包括至少一个多级螺旋结构喷丝头1；所述多级螺旋结构喷丝头1包括至少一个沿轴向并行排列的多级螺旋结构；与所述多级螺旋结构喷丝头1相隔一定距离的纤维收集装置3，所述纤维收集装置3接地；盛装黏性液体的溶液槽2，一部分多级螺旋结构喷丝头1 浸没在溶液槽2中的液体中，所述多级螺旋结构喷丝头1通过绕其中心轴旋转使一部分黏性液体覆盖到多级螺旋结构喷丝头1的整个表面；高压电源4，所述高压电源4与带电电极链接，可对带电电极充电，使带电电极和纤维收集装置3之间产生电位差。
[0041] 所述多级螺旋结构喷丝头1的多级螺旋结构，包括二级或二级以上的螺旋结构。所述多级螺旋结构的第一级螺旋结构的平均直径在10mm至1000mm之间；第一级螺旋结构长度大于35mm；第一级螺旋结构金属丝直径在0.5mm至200mm之间，相邻螺旋结构的间距至少为5mm；第一级螺旋结构的旋转速度大于1rpm。
[0042] 所述多级螺旋结构在第一级螺旋结构上形成第二级螺旋结构，第二级螺旋结构均匀分布于第一级螺旋结构表面或是表面沟槽；当第二级螺旋结构分布于第一级螺旋结构表面时，第二级螺旋结构底部的直径等于第一级螺旋结构所使用金属丝的直径；当第二级螺旋结构分布于第一级螺旋结构表面沟槽时，第二级螺旋结构顶部的直径等于第一级螺旋结构所使用金属丝的直径；第二级螺旋结构沿螺旋方向横截面可以为圆形，三角形，梯形，长方形，正方形中一种，相邻螺旋结构的间距至少为1mm。
[0043] 所述螺旋结构喷丝头1由一排或多排的多级螺旋结构组成，多级螺旋结构的轴向平行，排与排之间的距离大于20毫米。
[0044] 所述纤维收集装置3和所述多级螺旋结构喷丝头1的轴向平行。
[0045] 所述纤维收集装置3可以为滚筒，平板，平板带传动，可转动滚筒中的一种形式，所述纤维收集装置3的基布为编织布，机织布，无纺布，纸，塑料薄膜中一种。
[0046] 所述多级螺旋结构喷丝头1和所述纤维收集装置3之间的距离在100mm到1000mm。
[0047] 在纺丝过程中所述多级螺旋结构喷丝头1和纤维收集装置3之间产生高于30kV的电势差。
[0048] 所述黏性液体为聚合物溶液，聚合物熔体，溶胶-凝胶，或原生质颗粒悬浮液，所述黏性液体的粘度为1mPa·s至100000mPa·s。
[0049] 实施例1
[0050] 本
发明的多级螺旋结构纳米纤维发生器如图1所示。所述多级螺旋结构纳米纤维发生器包括多级螺旋结构喷丝头1、溶液槽2、纤维收集装置3、高压电源4。多级螺旋结构喷丝头1在
电机驱动下以2转/分钟的速度转动，纤维收集装置3在电机驱动下40转/分钟的速度转动，纤维收集装置3和多级螺旋结构喷丝头1之间的垂直距离为24厘米。
[0051] 图2所示为图1中喷丝头更为详细的视图。多级螺旋结构喷丝头1的总长度为160厘米，第一级螺旋的直径为8厘米，
螺距为4厘米，使用金属丝直径为2毫米；第二级螺旋为螺旋叶片，螺距为5毫米，叶片顶端厚度为1毫米。
[0052] 在静电纺丝过程中，电场力是促使聚合物溶液开始纺丝的主要驱动力。制备纳米纤维所使用的是西格玛奥德里奇PVA(聚乙烯醇，平均分子量为146,000至186,000，96％被
水解)配制的8％PVA水溶液，图中所示装置也可以使用其他聚合物溶液生产纳米纤维。当溶液槽2加上纺丝液，多级螺旋结构喷丝头1的转动使纺丝液覆盖到整个喷丝头的表面。当直流高压电源4施加80kV的电压，多级螺旋结构喷丝头1上就会产生纳米纤维5，并被收集到收集装置3上。本实施例制备得到的PVA纳米纤维经过扫描电镜分析，如图4所示。多级螺旋结构喷丝头1同只有第一级螺旋结构的多级螺旋结构喷丝头相比，纳米纤维产量可以提高30％。
[0053] 最后需要说明的是，以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本
说明书的内容，可作很多的
修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受
权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
