靜電紡絲噴頭疏通技術(shù)的研究進(jìn)展

谷潤(rùn)潤(rùn) 李利芳* 吳業(yè)北 武華文 李守柱

（新疆理工學(xué)院，新疆 阿克蘇843000）

納米纖維具有很大的比表面積、韌性和過濾性更好、機(jī)械穩(wěn)定性好、纖維膜孔徑小、纖維連續(xù)性好等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料、過濾材料、能源、電子、航空航天等各方面應(yīng)用領(lǐng)域[1]。目前制備納米纖維的方法很多，但是最理想的制備納米纖維的方法是靜電紡絲法。由于靜電紡絲噴頭在使用時(shí)容易堵塞，影響生產(chǎn)納米纖維的產(chǎn)量，因此阻礙了工業(yè)化生產(chǎn)與推廣。由此科研人員開始對(duì)靜電紡絲的噴頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出解決噴頭堵塞的幾種方法，為了進(jìn)一步提高納米纖維產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔噴頭

最早出現(xiàn)在市場(chǎng)上的自組裝單噴頭靜電紡絲裝置，該裝置的噴頭制造比較簡(jiǎn)單,但是容易出現(xiàn)堵塞，因此出現(xiàn)產(chǎn)量低。為了提高紡絲產(chǎn)量，科研工作者對(duì)靜電紡絲噴頭堵塞的問題進(jìn)行研究。蔣國(guó)軍等[2]設(shè)計(jì)了一種自清洗靜電紡絲噴頭，這種噴頭采用可拆分設(shè)計(jì)并有清洗管線，當(dāng)噴管堵塞嚴(yán)重時(shí)，可以把噴管卸下來單獨(dú)清洗，有時(shí)出現(xiàn)一般堵塞可以在不拆卸噴頭就能實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭進(jìn)行清洗，這樣可以靈活使用。朱自明等[3]設(shè)計(jì)了一種靜電紡絲裝置及其靜電紡絲噴頭的清洗，該靜電紡絲噴頭的清洗原理是：當(dāng)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置檢測(cè)到電流保持預(yù)定值時(shí)，噴頭出現(xiàn)堵塞，紡絲暫停，系統(tǒng)自動(dòng)為噴頭噴灑清洗劑，噴頭潤(rùn)濕，接著系統(tǒng)自動(dòng)將噴頭運(yùn)動(dòng)到刷子處進(jìn)行刷洗噴頭處的堵塞殘留物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗的目的。丁彬等[4]設(shè)計(jì)了一種靜電紡絲用組合式針頭，這種組合式針頭由空心不銹鋼針頭和帶放電尖端的不銹鋼針頭底座組成，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、拆卸方便且容易清洗，也不會(huì)出現(xiàn)噴頭出液端堵塞和多射流穩(wěn)定性差的不足的現(xiàn)象，提高了紡絲的出液量，同時(shí)提高纖維膜的均勻性及成膜質(zhì)量高。趙肖娟[5]設(shè)計(jì)了靜電紡絲噴頭的清理裝置，通過在電機(jī)輸出軸上固定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)并對(duì)靜電紡絲噴頭進(jìn)行定位，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)并與相接的毛刷配合，在噴灑清洗劑的作用下清理靜電紡絲噴頭噴孔外的固化物，清理效果很好，這樣有效解決噴頭堵塞導(dǎo)致的納米纖維產(chǎn)量和性能下降的問題。陸振乾[6]設(shè)計(jì)了靜電紡絲頭清堵結(jié)構(gòu)及靜電紡絲機(jī)，該紡絲頭在橫移裝置的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)盛裝溶劑的容器以及疏通針。第一驅(qū)動(dòng)裝置可帶動(dòng)容器以及疏通針靠近或遠(yuǎn)離紡絲頭，并對(duì)紡絲頭針頭內(nèi)的凝固塊進(jìn)行溶解以及疏通，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)、快速且高效地完成對(duì)紡絲頭的清堵工作，提高工作效率。

2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剪切噴頭殘留凝固物

通過對(duì)靜電紡絲噴頭附近的殘留凝固物進(jìn)行剪切，防止在下一階段紡絲時(shí)噴頭出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，同時(shí)為提高制備納米纖維的產(chǎn)量奠定了良好的基礎(chǔ)。劉耀文[7]等設(shè)計(jì)了一種用于靜電紡絲的多噴頭同步清理裝置，通過實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置和復(fù)位裝置交替，使活動(dòng)板在多個(gè)噴頭的前方作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)板上的多個(gè)過料孔與對(duì)應(yīng)的噴頭交錯(cuò)瞬間，刮掉噴頭上的凝結(jié)物，達(dá)到清理噴頭的目的，保證下一次紡絲順利進(jìn)行，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。卓少木[8]等設(shè)計(jì)了一種靜電紡絲裝置及其靜電紡絲噴頭清理，該裝置主要包括視覺檢測(cè)部與切削部并且都與控制器連接，視覺檢測(cè)部主要判斷正常出絲以及堵塞造成的出絲過慢和不能出絲等狀態(tài)，切削部的設(shè)置位置與噴頭位置相匹配，移動(dòng)切削噴頭處凝固堵塞的凝固物。當(dāng)視覺檢測(cè)部檢測(cè)到紡絲噴射部的噴頭堵塞時(shí)，控制器自動(dòng)控制切削部切削清除噴頭上的凝固物，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭的清理，解決噴頭堵塞問題。

3 實(shí)現(xiàn)噴頭中溶液或熔體自動(dòng)恒溫

通過對(duì)靜電紡絲噴頭進(jìn)行局部控溫，防止紡絲時(shí)溶液揮發(fā)過快出現(xiàn)噴頭堵塞現(xiàn)象。林曉峰等[9]設(shè)計(jì)了一種局部控溫靜電紡絲系統(tǒng)，該系統(tǒng)在針頭區(qū)和紡絲區(qū)設(shè)置了噴絲控溫裝置和紡絲控溫裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)局部控溫。當(dāng)針頭區(qū)的溫度過高造成溶劑揮發(fā)過快，噴絲控溫裝置可以根據(jù)反饋的溫度信息實(shí)現(xiàn)制冷，避免針頭堵塞。當(dāng)紡絲區(qū)內(nèi)溫度不能保持恒定時(shí)，紡絲控溫裝置可以根據(jù)反饋的溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使紡絲腔內(nèi)部溫度達(dá)到均勻，從而進(jìn)一步使纖維達(dá)到穩(wěn)定成形，提高纖維膜的質(zhì)量。王晗[10]設(shè)計(jì)了一種熔體靜電紡絲裝置及其清堵裝置，該裝置在紡絲結(jié)束后，將噴嘴插入插孔內(nèi)，加熱體對(duì)噴嘴進(jìn)行加熱，溫度傳感器反饋溫度，使噴嘴內(nèi)的廢料由固態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)，啟動(dòng)真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，將噴嘴內(nèi)的熔融態(tài)的殘留廢料吸出，能夠達(dá)到使噴嘴內(nèi)徹底自動(dòng)清除干凈。

4 改善靜電紡絲噴頭的形式與結(jié)構(gòu)

由于靜電紡絲噴頭在紡絲的過程中容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此科研工作者就從改進(jìn)噴頭的形式與結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，市場(chǎng)上相繼出現(xiàn)了多噴頭、同軸噴頭、并肩/并列噴頭、無針噴頭等等。多噴頭是單噴頭特定方式下數(shù)量的擴(kuò)展，雖然多噴頭紡絲可以批量化制備納米纖維，但是存在射流間電場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾的想象以及噴頭清潔與堵塞問題難以解決。雖然通過增加電場(chǎng)輔助裝置和改變噴頭的布置形式，可以減小噴頭之間電場(chǎng)的相互影響，但是不能徹底解決，因此人們逐漸由多針頭向無針頭靜電紡絲技術(shù)轉(zhuǎn)移并得到更廣泛的關(guān)注，現(xiàn)階段[11]我國(guó)科研人員對(duì)無針噴頭進(jìn)行研究，可以提高納米纖維產(chǎn)量，同時(shí)也可以解決帶針式噴頭易容易堵塞問題。其工作原理是: 通過把紡絲電極放入聚合物溶液中，在旋轉(zhuǎn)電極的表面形成溶液層，在高壓的作用下調(diào)節(jié)電壓達(dá)到定值，這樣在旋轉(zhuǎn)電極表面的溶液層上出現(xiàn)許多類似泰勒錐的突起，再經(jīng)過拉伸形成射流，最后在收集電極表面獲得納米纖維。張浩等[12]設(shè)計(jì)了一種無針式靜電紡絲裝置，該裝置通過高壓電源通電，在溶液槽注入溶液，電機(jī)帶動(dòng)電極絲浸入溶液槽，在其表面形成不連續(xù)的液滴，液滴表面形成泰勒錐并發(fā)射紡絲，紡絲在向接收電極板運(yùn)動(dòng)過程中被接收帶截獲并聚集，從而在接收帶表面形成紡絲布。接收帶上的紡絲布被玻璃板剝離，經(jīng)過張緊輥?zhàn)罱K收集于卷筒上。該裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，紡絲效果好，同時(shí)解決了針頭容易堵塞問題，生產(chǎn)效率高，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。在2012 年Lin T教授課題組報(bào)道了“螺旋線圈”紡絲法[13]。線圈在紡絲液中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值時(shí)，線圈表面會(huì)產(chǎn)生多個(gè)射流，從而得到的納米纖維更加均勻及提高產(chǎn)量。

5 總結(jié)與展望

本文以靜電紡絲噴頭存在堵塞的問題進(jìn)行研究，通過對(duì)靜電紡絲噴頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剪切噴頭殘留凝固物、實(shí)現(xiàn)噴頭中溶液或熔體自動(dòng)恒溫、改善靜電紡絲噴頭的形式與結(jié)構(gòu)等各種方式進(jìn)行分析，可以得出通過這幾種方式能夠提高解決噴頭堵塞的問題及生產(chǎn)率有一定程度的提高，但是各有方式都有不足之處，有待需今后應(yīng)該把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗噴頭、剪切噴頭殘留物、恒溫噴頭中的溶液三種方式有效的結(jié)合起來以及進(jìn)一步研究無針式靜電紡絲，能夠有效的解決噴頭堵塞，從而進(jìn)一步提高制備納米纖維的產(chǎn)量。相信在各國(guó)科研人員的共同努力下，靜電紡絲噴頭及技術(shù)將會(huì)發(fā)生質(zhì)的飛躍。