一种批量制造纳米纤维的静电纺丝装置、方法及系统技术领域
本发明涉及微纳加工领域，特别是涉及一种批量制造纳米纤维的静电纺丝装置、方法及系统。
背景技术
静电纺丝技术已经成功实现包括聚合物、金属、陶瓷等材料制备成3纳米到5微米范围的电纺纤维。其原理是：在高压静电发生器作用下，纺丝液喷射装置和纳米纤维接收装置之间形成高压静电场；聚合物溶液在高压电场作用下电荷聚集而受电场力拉伸，变形产生Taylor锥；当电场力足够大时，带点液滴克服表面张力形成带电射流，朝收集器加速运动；伴随溶剂挥发发生弯曲和拉伸，带电射流被拉伸变细、固化形成纳米纤维结构。
近几年来，静电纺丝技术以其连续、方便、快速、工艺简单、成本低廉的特点逐渐成为纳米纤维制造的主流技术；静电纺丝纳米纤维具有形貌可控、比表积大、透气性好等诸多优势，己在过滤材料、防护材料、酶载体、传感器膜等领域获得了广泛应用。但是，传统的静电纺丝装置只能进行单射流纺丝，产量只有0.1～1g/h，效率非常低，难以适应静电纺丝技术产业化的需要。因此，改变纺丝喷射电极结构实现多射流喷射是目前静电纺丝技术批量生产研究的重点。目前，提高静电纺丝效率的方法主要是采用多针头静电纺丝装置（J.C.AlmekindersandC.Jones.Multiplejetelectrohydrodynamicsprayingandapplications[J].J.Aerosol.Sci.,1999,17:969-971）来进行批量制造，从而提高纳米纤维生产效率。但是，多纺丝喷头的阵列排布易产生不均匀电场，喷头之间相互电导播抑制影响，各个喷头的喷射状态不一致，难以保证各个喷嘴同时进行持续稳定射流喷射；并且，射流之间的静电排斥作用也增加了射流的不稳定性，从而导致各个喷头所喷射获得的纳米纤维形态尺寸差异很大，影响了所制备纳米纤维薄膜的质量。此外，传统静电纺丝装置大多采用标准注射纺丝喷头作为喷嘴，具有易于堵塞、清洗困难等缺点，阻碍了其工业化推广。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种批量制造纳米纤维的静电纺丝装置，其纺丝均匀。
本发明所采用的技术方案是：
一种批量制造纳米纤维的静电纺丝装置，包括：
气室，所述气室的一个面上设有平板电极，所述平板电极上开设若干微孔；
供气单元，对所述气室供气；
与平板电极相对设置的导电收集器，所述导电收集器在气室外；
电源，所述电源的两极分别连接平板电极和导电收集器。
作为本发明的进一步改进，还包括在导电收集器与平板电极之间的刮板，所述刮板具有在平面上往复运动的行程，所述的平面为平行于平板电极的平面。
作为本发明的进一步改进，所述刮板与平板电极之间的距离可调。
作为本发明的进一步改进，所述气室由平板电极及连接平板电极的箱体围成。
作为本发明的进一步改进，所述箱体与平板电极之间设有密封圈。
作为本发明的进一步改进，所述供气单元包括气源，所述气源与气室之间通过管路连接。
作为本发明的进一步改进，所述气源的出口位置设有调压阀。
本发明还公开上述装置的纺丝方法，其采用的技术方案是，包括以下步骤：
a.将纺丝溶液平铺在平板电极上；
b.从微孔喷出的气流带动溶液凸起，凸起的溶液在电场作用下产生电荷聚集；
c.电荷聚集到射流浓度时，凸起的溶液在电场中形成射流并蒸发；
d.溶液蒸发后沉积在导电收集器上形成均匀的纳米纤维。
作为本发明的进一步改进，使用刮板往复运动刮磨溶液表面，来保证溶液厚度的均匀性。
作为本发明的进一步改进，调整刮板的高度来调节溶液的厚度。
本发明还公开一种批量制造纳米纤维的静电纺丝系统，包括：
两个以上的气室，各所述气室同一方向的面上设有平板电极，所述平板电极上开设若干微孔；
供气单元，对各所述气室供气；
与各平板电极相对设置的导电收集器，所述导电收集器在任一气室外；
电源，所述电源的两极分别连接各平板电极和各导电收集器。
本发明的有益效果是：本发明在气室上采用带微孔的平板电极作为纺丝电极，微孔的分布可以使得纺丝的射流更加均匀，纺丝过程中气室中的气流从微孔中喷出，使得诱发纺丝更容易，并且射流在沉积前在气流作用下得到进一步的拉伸，导电收集器中沉积纤维也更均匀。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明气室及刮板的状态示意图；
图3是图2的左视图；
图4是图2的俯视图。
具体实施方式
如图1至图4所示的批量制造纳米纤维的静电纺丝装置，包括气室13、供气单元、刮板7、导电收集器11和电源9。
气室13由箱体4和平板电极6围成。箱体4的上端开口，平板电极6覆盖在所述的开口上，在箱体4与平板电极6的连接面上设置密封圈12，以保证两者的连接面不漏气。
在平板电极6上均布开设若干微孔5，这些微孔5垂直于平板电极6所在的平面而且连通气室13与外界，当气室13充满气体后，气流能够从微孔5中流出。
所述的供气单元在气室13外部，对气室13进行供气，具体由气源1、气管3和调压阀2构成。箱体4的一端设有气管接头14，气管3将气管接头14和气源1连接起来，将气源1的供气通过气管接头14内的气流通道15输送至气室13内。调压阀2安装在气管3上靠近气源1的出口位置，用于保持气室13内气流的稳定以及调节气量。
导电收集器11位于平板电极6上方，并与平板电极6相对设置。电源9为高压电源，其两极分别通过导线8和导线10连接到平板电极6和导电收集器11上，因此平板电极6与导电收集器11之间在高压电源9的作用下形成一个电场。
本实施例的刮板7设置在平板电极6上方，同时位于导电收集器11与平板电极6之间。刮板7由运动平台驱动（运动平台并未图示），使其能够沿平板电极6的平面方向往复运动。进一步，该运动平台同时能带动刮板7上下移动，使得刮板7与平板电极6之间的距离可调。
以下描述使用上述静电纺丝装置进行静电纺丝的方法。
首先，通过并未图示的加料设备将纺丝溶液平铺在平板电极6上；在此过程中从微孔5喷射出来的气流阻止了溶液从微孔5流入到气室13内。
刮板7设定一个高度后，在运动平台的带动下往复运动，将平板电极6上的溶液刮平，保证了平板电极6上的溶液厚度以及其厚度的均匀性。用户还能根据溶液的厚度需要来调整刮板7的高度。
之后平铺在平板电极6上的溶液，在从微孔5喷出的气流带动下会凸起，凸起的溶液在电场作用下会产生电荷聚集，当电荷聚集到一定浓度时，凸起的溶液会突破表面张力，在电场中形成射流，射流在电场以及从微孔5喷射出来的气流双重拉作用下，进一步拉伸和劈裂，在气流的带动下，蒸发更快，最后在导电收集器11上沉积成均匀的纳米纤维。
实施例的方法和装置与现有技术相比还具有以下的优点：
1.由于装置中不许采用针头，可以避免因多喷头针纺带来的电场干涉导致的纤维沉积不均匀；
2.带微孔的平板电极作为纺丝电极，在气流的辅助下，使得诱发纺丝更容易，微孔的分布使得纺丝的射流更加均匀；
3.射流在沉积前在微孔喷射出的气流作用下得到进一步的拉伸，使得沉积纤维更均匀；
4.采用刮刀去刮平溶液，使得溶液的厚度可控且均匀，对纤维的质量有很大的提升。
5.实施例中的纺丝工艺及装置更简洁、高效、方便拆卸以及清洗。
另外，以单个箱体4及单个配套的平板电极6作为一个整体，用户可以将两个或多个这些整体组合使用，采用供气单元对其分别供气，并使用一个或多个导电收集器沉积纳米纤维，从而可以大批量织造纳米纤维的纺丝过程中，不会受到电场的互相干涉而影响纤维的均匀性。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。