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高压静电纺丝机采用了哪些技术?

点击次数:214  发布时间:2019-12-06
     目前,世界许多国家和地区正从事静电纺丝法制纳米纤维的研究,用静电纺丝法制得的纤维比传统的复合纺丝制得的纤维细得多,直径一般在几十纳米至1μm之间,最小直径可达1nm。随着近年来纳米技术的不断发展,静电纺丝已成为制备纳米纤维的重要方法而备受关注。高压静电纺丝机应用广泛,从工业用的合成聚合物到纤维素、骨胶原、蛋白质、DNA复合体等各种原料都能进行纺丝,并可以在纺丝过程中加入抗生物质、纳米粒子等,制备出各种功能性纤维。
 
    国外对高压静电纺丝机的研究主要集中在以下几个方面:
 
    (1)研究多种合成聚合物和天然聚合物的静电纺丝工艺,分析影响纺丝的因素及其纤维表征。
 
    (2)研究电压、喷丝口与接收屏之间的距离、纺丝液的浓度和流量等静电纺丝工艺参数对静电纺纤维的直径及表面形态的影响,分析纺丝工艺的规律,以建立各工艺参数关系的理论模型。
 
    (3)高压静电纺丝机所得制品在生物医学领域中的应用研究。
 
    (4)静电纺丝装置和方法上的创新,是近来静电纺丝研究中的一个热点。
 
    与国外相比,国内的研究大约从2002年开始,东华大学研究了静电纺丝的工艺参数对聚丙烯腈纤维直径的影响,同济大学进行了导电聚合物纳米纤维静电纺丝工艺的研究,北京化工大学用静电纺丝法制得聚乳酸纳米纤维无纺毡。总之国内的静电纺丝起步较晚,对静电纺丝的研究主要是通过选择适当的聚合物溶液纺制纳米级纤维,目前还着重于工艺参数对纤维形貌和直径的影响及其纤维形貌的分析。
 
    高压静电纺丝机的原理
 
    高压静电纺丝机是在加入高分子溶液的喷嘴前端施加高电压或直接对高分子溶液施加高电压,在喷嘴前端的液滴表面,电荷集中而互相排斥时,从喷嘴流出的液滴逐渐变成被称为泰勒锥的圆锥状。电荷的排斥力逐渐增强,当排斥力超过表面张力时 ,液体从圆锥的前端正直喷射。因为喷出的溶液流变细,表面电荷密度变大,电荷的排斥力增强,进一步拉伸溶液流。这时,由于溶液流的表面积急速增大,溶剂挥发,就在捕集电极上形成纳米纤维。
 
    高压静电纺丝机主要由高压静电发生器、挤压机的注射器、注射针 (可替代喷丝板喷嘴)和接收装置。聚合物溶液装在注射器中,其前端接上金属电极与高压电源相连作为阳极。接地的接收装置作为阴极。
 
    1、静电纺丝接收装置
 
    采用传统的静电纺丝接收装置,由于纺丝过程中不稳定状态的存在,在接收装置上得到的纤维往往是无序排列的。因此,制取具有独特的电学、光学、机械性能的取向纤维引起了研究者的极大兴趣。获得高度取向的静电纺丝纤维的主要方法是通过改进接收装置和控制电场等方法来实现的。
 
    尝试了一种新的方法排列纤维,他们将两个电极平行放置(如图 2),纤维在下落过程中受到静电力的作用,并在垂直于平行电极的方向被拉直沉积,最终搭载在两个电极之间。他们认为两个电极产生的静电力是纤维取向排列的主要原因。这种方法所得的纤维取向排列程度有很大提高,排列纤维面积也有很大增加,是一种简单而行之有效的方法。
 
    2、制备螺旋状纤维的接收装置
 
    设计了一种新型的接收装置(如图4),用来收集定向排列的螺旋状纤维(如图 5)。与传统的静电纺丝装置不同,接地的接收电极是一个固定在木板中心的直径为2mm的金属电线。接地电极与喷丝头之间存在一定的角距离,且在两者之间放置一块倾斜的载玻片,用来接收螺旋状的纤维。在纺丝过程中,当射流到达收集板表面时被挤压产生机械不稳定性,从而产生弯曲折叠、曲折褶皱或者螺旋结构的纤维。
 
    3、动态水浴接收装置
 
    设计了一种新型的动态水浴接收装置,如图 6 所示。该装置主要是通过水流由上水槽底部直径为5mm的洞流出时形成的漩涡,对纤维进行拉伸。用水泵连接上下两个水槽形成一个循环,使水能重复循环使用并且保持上水槽的水位不变。在上水槽中插入一根导线,将水面上多余的电荷导出。在不拉断纤维的前提下,旋转的离心力和水流牵引作用下,对纤维进行很好的拉伸牵引。纤维在漩涡底部汇聚成纱线,从槽底的洞中流出,并用旋转的滚筒接收纤维纱线。
 
    在静电纺丝过程中加入电场。在磁场的作用下,射流中的电流所产生的安培力的方向始终指向初始平衡点,从而导致鞭动范围减小,射流的稳定性控制得到提高。
 
    且与旋转的圆筒接收装置呈90 ℃角处放置一个辅助电极(如图8)。该电极提供与喷丝头上大小相等方向相反的电压。该装置产生一个可控的电场以消除电纺过程中的弯曲不稳定和鞭动,从而使电纺射流沿一个稳定的轨迹喷射。
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