CN107151824A - 一种基于实心针喷丝装置的静电喷丝系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实心针喷丝装置的静电喷丝系统，上述实心针喷丝装置包括实心针，实心针包括针体以及套设于针体一端的针尖；以及针套，针套内沿其轴向方向开设有与实心针相配合的中心孔，实心针通过中心孔套设于针套内，并且，实心针的外壁与中心孔的孔壁间隙配合，针套一端的侧壁上设有喂液通道，喂液通道贯穿针套的侧壁并与中心孔连通，喂液通道内设有进液阀，中心孔内相对靠近喂液通道的一端设有出液阀。本发明所设计的实心针喷丝装置中，利用针套包裹的实心针和电极环，可有效减弱针头间的静电斥力以及末端效应现象；同时，通过调整电极环的高度使每个电极环与接收电极处于合适的距离，可实现场强均匀，从而达到均匀纺丝的效果。
Description
技术领域
本发明涉及静电喷丝技术领域，尤其涉及一种实心针喷丝系统及其使用的静电喷丝系统。
背景技术
纳米纤维广义上是指直径在1000nm以下的纤维，具有比表面积大、孔隙率高等特点，被广泛应用于高效过滤材料、创伤敷料、组织工程、复合材料、电池电极及微纳米器件等领域。
静电纺丝是通过高压直流电源产生的电场力拉伸聚合物溶液或熔体来制备纳米纤维的方法，是目前制备纳米纤维的最有效技术之一。静电纺丝包括溶液静电纺丝和熔融静电纺丝两大类，其中溶液静电纺丝由于其设备及工艺简单而得到快速发展。
溶液静电纺丝装置主要包括高压电源发生器、喷丝头、供液系统和纤维接收装置四部分。溶液静电纺丝装置可以采用单个金属毛细针管作为喷丝头实现纺丝，如专利200420020596.3、200410025622.6等所公开的技术。但是，由于传统单个金属毛细针管静电纺丝产率较低，无法满足工业化需求，成为制约其发展的瓶颈问题。
目前，实现规模化静电纺丝的相关技术可以归纳为多针头式(带毛细孔针头)和无针头式两大类。Theron等将多个金属毛细针管按照直线排列或矩形排列的方式组成多针头静电纺丝装置[S.A.THERON，A.L.YARIN，E.ZUSSMAN，E.KROLL.Multiplejets inelectrospinning：experiment and modeling.Polymer，2005，46(9)：2889-2899.]，国内及国际上也出现了很多类似专利，如200420107832.5、201510278266.7、WO2007035011等所公开的技术。
多针头静电纺丝技术喷丝位置可控、喂液量可控、喷丝过程稳定，且在产量上有了大幅提高，但是多针头静电纺丝过程中会出现严重的“边缘效应(End effect)”现象，即由于同排多针头之间存在静电排斥，导致两边的针头出来的射流会向两侧严重倾斜，使接收装置只能接收到中间的部分纤维，导致静电纺丝效率和产量大打折扣，同时，由于各针头之间场强的相互干扰，使得场强分布不均匀，导致获取的纤维膜均匀度不好；除此之外，针头堵塞、不便清洗、注射泵容量有限以及针头所带电荷回流易导致电器元件损毁、输液管路易发生爆炸和着火等问题，都在很大程度上阻碍了多针头静电纺丝工业化的进程。
无针头静电纺设备不存在针头堵塞问题，产量比针头式静电纺提高了很多，但是由于发射极大多没有尖峰且面积较大，泰勒锥产生的临界场强大，能耗较高；同时，泰勒锥产生的位置和状态不可控，所得纤维粗细不匀、纤维偏粗、产品质量难以控制。另外，无针头静电纺往往采用开放式供液，会导致溶剂挥发、溶液浓度变大、喷丝过程不可控等问题，往往给工业化生产带来很大不便。
发明内容
针对现有的静电纺丝技术领域存在的上述问题，现提供一种基于实心针喷丝装置的静电喷丝系统，旨在解决传统针管式静电纺丝装置针头堵塞、不便清洗、单次纺丝溶液量有限、场强不均匀以及存在的“边缘效应”等问题和无针头静电纺丝中开放式供液导致的溶剂挥发、纺丝射流不可控及能耗过高等问题。
具体技术方案如下：
本发明的第一个方面是提供一种实心针喷丝装置，具有这样的特征，包括：
实心针，实心针包括针体以及设于针体一端的针尖；以及针套，针套内沿其轴向方向开设有与实心针相配合的中心孔，针体设置针尖的一端从针套的一端伸入中心孔内，并且，实心针的外壁与中心孔的孔壁间隙配合，针套另一端的侧壁上设有喂液通道，喂液通道贯穿针套的侧壁并与中心孔连通，喂液通道内设有进液阀，中心孔内相对靠近喂液通道的一端设有出液阀，针套另一端的中心孔的孔壁上同轴套设有电极环，并且，电极环套设于出液阀的外周。
上述的实心针喷丝装置，还具有这样的特征，针体、针尖均为圆柱体状，并且，针尖通过与针体横截面面积相同的底面连接于针体上。
上述的实心针喷丝装置，还具有这样的特征，针体由金属材料制成，针尖由绝缘材料制成，上述绝缘材料包括聚酰亚胺、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、聚丙烯、高强聚乙烯或陶瓷等有机或无机绝缘材料。
上述的实心针喷丝装置，还具有这样的特征，针套由绝缘材料制成，上述绝缘材料包括聚酰亚胺、聚甲醛、酚醛树脂、高强聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或陶瓷等有机或无机绝缘材料。
上述的实心针喷丝装置，还具有这样的特征，进液阀和出液阀均为单向阀。
本发明的第二个方面是提供一种静电喷丝系统，包括静电发生器、接收装置、供液装置和升降系统，具有这样的特征，还包括若干上述的实心针喷丝装置，供液装置设有若干与实心针喷丝装置一一对应的微流管道，微流管道与进液阀一一对应连通，升降系统与实心针连接并驱动实心针做往复直线运动，接收装置位于出液阀的下方，电极环均与静电发生器中的正压电极电连接，接收装置中的接收电极与静电发生器中的负压电极电连接。
上述的静电喷丝系统，还具有这样的特征，供液装置设有衣架式供液流道，微流管道设于供液流道的底部且与供液流道内部连通。
上述的静电喷丝系统，还具有这样的特征，升降系统包括针板以及驱动针板做往复直线运动的驱动电机，各实心针中针体相对针尖另一端均与针板连接。
上述的静电喷丝系统，还具有这样的特征，接收装置还包括两幅平行设置的导辊以及缠绕于两幅导辊之间的基布，基布位于出液阀的下方。
上述的静电喷丝系统，还具有这样的特征，静电喷丝系统还包括控制器，控制器与驱动电机电连接。
上述方案的有益效果是：
本发明所设计的实心针喷丝装置中，利用针套包裹的实心针和电极环，可有效减弱针头间的静电斥力以及末端效应现象；同时，通过调整电极环的高度使每个电极环与接收电极处于合适的距离，可实现场强均匀，从而达到均匀纺丝的效果；实心针的上、下往复运动，可有效解决毛细管(针头)式静电纺丝更注重的针套堵塞现象；设置的单向进液阀和单向出液阀配合实心针的运动可防止电荷逆流，且带电溶液仅限于针尖和针套顶端之间很小区域，极大地降低了大量电荷在喂液通道积累引起的爆炸、着火概率，可实现安全喂液和连续生产。
附图说明
图1为本发明的实施例中提供的单个实心针喷丝装置的结构示意图；
图2为本发明的实施例中提供的基于多个实心针喷丝装置的静电喷丝系统的结构示意图。
附图中：1、实心针；11、针体；12、针尖；2、针套；21、中心孔；211、出液阀；22、喂液通道；221、进液阀；23、电极环；3、静电发生器；31、正压电极；32、负压电极；4、接收装置；41、导辊；42、基布；5、供液装置；51、微流管道；52、供液流道；6、升降系统；61、针板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图1为本发明的实施例中提供的实心针喷丝装置的结构示意图，图2为本发明的实施例中提供的静电喷丝系统的结构示意图。如图1和图2所示，本发明的实施例中提供的静电喷丝系统，包括：静电发生器3、接收装置4、供液装置5和升降系统6，还包括实心针喷丝装置，供液装置5设有若干与实心针喷丝装置一一对应的微流管道51，微流管道51与进液阀221一一对应连通，升降系统6与实心针1连接并驱动实心针1做往复直线运动，接收装置4位于出液阀211的下方，电极环23均与静电发生器3中的正压电极31电连接，接收装置4中的接收电极(图中未显示)与静电发生器3中的负压电极32电连接。
具体的，供液装置5设有衣架式供液流道52，微流管道51设于供液流道52的底部且与供液流道52内部连通，本实施例中，微流管道51通过微流管道与进液阀221一一对应连通，以便为各实心针1均匀供液。
具体的，升降系统6包括针板61以及驱动针板61做往复直线运动的偏心轮或凸轮机构、直线滑轨、驱动电机，各实心针1中针体11相对针尖12的另一端均与针板61连接。
具体的，接收装置4包括两幅平行设置的导辊41以及缠绕于两幅导辊41之间的基布42，基布42位于出液阀211的下方，在此基础上采用基布退绕和卷绕装置可替代本发明实施例图示的定长循环卷绕机构，实现工业化连续静电纺。
此外，本发明的实施例提供的静电喷丝系统中，静电喷丝系统还包括控制器(图中为显示)，控制器与驱动电机电连接，本实施例中控制器用于控制升降系统6以及实心针1上下往复运动的频率、动程以及起始平衡点。
具体的，如图1所示，本发明的实施例中提供的实心针喷丝装置，包括：实心针1，实心针1包括针体11以及设于针体11一端的针尖12；以及针套2，针套2内沿其轴向方向开设有与针体11相配合的中心孔21，针体11设置针尖12的一端从针套2的一端伸入中心孔21内，并且，实心针1的外壁与中心孔21的孔壁间隙配合，针套2另一端的侧壁上设有喂液通道22，喂液通道22贯穿针套2的侧壁并与中心孔21连通，喂液通道22内设有进液阀221，中心孔21内相对靠近喂液通道22的一端设有出液阀211，针套2另一端的中心孔21的孔壁上同轴套设有电极环23，并且，电极环23套设于出液阀211的外周，本实施例中，电极环23由金属材料制成，其外径与中心孔21的直径相等。
具体的，本发明的实施例中，针体11和针尖12均为圆柱体状，针尖12通过与针体11的横截面相同的底面连接于针体11的一端，具体的，针体11由金属材料制成，本实施例中针体11由不锈钢制成；针尖12由绝缘材料制成，本实施例中针尖12由聚四氟乙烯制成，针套2由绝缘材料制成，本实施例中针套2由热固性酚醛树脂制成。
具体的，本发明的实施例中，进液阀221和出液阀211均为单向阀，本实施例中通过设置进液单向阀221和出液单向阀211，使得纺丝液只可以由外部进入绝缘针套2的中心孔21，无法反向流动，且纺丝液可以被针体11推出，但是空气不会被吸入。
本发明的实施例中，实心针1与中心孔21紧密配合，当升降系统6驱动实心针1向上运动时，负压吸附作用迫使出液单向阀211关闭、进液单向阀221打开，纺丝液由供液装置5通过进液单向阀221被吸入到中心孔21，顺利实现纺丝液的喂入，并有效防止来自针尖12或电极环23位置的纺丝液携带的电荷逆流而上进入喂液通道22而带来的安全隐患；当升降系统6驱动实心针1向下运动时，正压力将纺丝液向下推出，出液单向阀211打开、进液单向阀221关闭，实心针1将纺丝液向下推出，并在到达电极环23处时被电场激发而产生泰勒锥，并进一步有效地防止来自针尖12或电极环23位置的纺丝液携带的电荷逆流而上进入喂液通道22而带来的安全隐患，同时，由于实心针1可以上、下往复运动，相对于气体式供液动力而言，可以为规模化生产提供足量、不间断的纺丝液供给(单位时间内的供液次数即供液频率由升降系统6中的偏心轮或凸轮主轴的转速决定)，可有效解决毛细管针式静电纺丝堵塞现象，在有效地防止来自针尖12或电极环23位置的纺丝液携带的电荷逆流而上进入喂液通道22而带来的安全隐患的同时，可实现连续、安全的喂液，有效防止由于电荷积累引起的着火、爆炸等隐患的发生。
本发明提供的静电喷丝系统的工作原理和过程为：各实心针1对应的电极环23通过金属导线串联并与静电发生器3的正压电极31相连，并通上指定电压值，接收装置4中的接收电极与静电发生器3的负压电极32相连，并通上指定电压值；根据所需供液量计算实心针1的上升距离，控制器控制驱动电机启动并驱动提升实心针1，此时进液阀221关闭，随着实心针1的上升，针套2内出现真空区域，当实心针1被提升到喂液通道22以上区域时，进液阀221打开，供液装置5中的纺丝液通过喂液通道22被吸入到针套2底部的真空区域中，且实心针1被提升到指定高度后，驱动电机开始推动实心针1往下运动，此时进液阀221关闭，出液阀211打开，纺丝液通过出液阀211流出，并在到达电极环23处时被电场激发而产生泰勒锥，进一步调节电压/电场的大小可获得纺丝射流，射流在电场力的作用下向接收装置飞行的过程中，纺丝溶剂挥发、聚合物固化、沉积在接收装置上形成纳米纤维，实心针1按照上述工作过程持续运动，不断吸液、喷液以进行持续纺丝。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种实心针喷丝装置，其特征在于，包括：
实心针(1)，所述实心针(1)包括针体(11)以及设于所述针体(11)一端的针尖(12)；以及
针套(2)，所述针套(2)内沿其轴向方向开设有与所述针体(11)相配合的中心孔(21)，所述针体(11)设置针尖(12)的一端从所述针套(2)的一端伸入所述中心孔(21)内，并且，所述实心针(1)的外壁与所述中心孔(21)的孔壁间隙配合，所述针套(2)另一端的侧壁上设有喂液通道(22)，所述喂液通道(22)贯穿所述针套(2)的侧壁并与所述中心孔(21)连通，所述喂液通道(22)内设有进液阀(221)，所述中心孔(21)内相对靠近所述喂液通道(22)的一端设有出液阀(211)，所述针套(2)另一端的所述中心孔(21)的孔壁上同轴套设有电极环(23)，并且，所述电极环(23)套设于所述出液阀(211)的外周。
2.根据权利要求1所述的实心针喷丝装置，其特征在于，所述针体(11)和所述针尖(12)均为圆柱体，并且，所述针尖(12)通过与所述针体(11)横截面面积相同的底面连接于所述针体(11)上。
3.根据权利要求1或2所述的实心针喷丝装置，其特征在于，所述针体(11)由金属材料制成，所述针尖(12)由绝缘材料制成。
4.根据权利要求3所述的实心针喷丝装置，其特征在于，所述针套(2)由绝缘材料制成。
5.根据权利要求4所述的实心针喷丝装置，其特征在于，所述进液阀(221)和所述出液阀(211)均为单向阀。
6.一种静电喷丝系统，包括静电发生器(3)、接收装置(4)、供液装置(5)和升降系统(6)，其特征在于，还包括若干如权利要求1-5任一项所述的实心针喷丝装置，所述供液装置(5)设有若干与所述实心针喷丝装置一一对应的微流管道(51)，所述微流管道(51)与所述进液阀(221)一一对应连通，所述升降系统(6)与所述实心针(1)连接并驱动所述实心针(1)做往复直线运动，所述接收装置(4)位于所述出液阀(211)的下方，所述电极环(23)均与所述静电发生器(3)中的正压电极(31)电连接，所述接收装置(4)中的接收电极与所述静电发生器(3)中的负压电极(32)电连接。
7.根据权利要求6所述的静电喷丝系统，其特征在于，所述供液装置(5)设有衣架式供液流道(52)，所述微流管道(51)设于所述供液流道(52)的底部且与所述供液流道(52)内部连通。
8.根据权利要求6或7所述的静电喷丝系统，其特征在于，所述升降系统(6)包括针板(61)以及驱动所述针板(61)做往复直线运动的驱动电机，各所述实心针(1)的所述针体(11)相对所述针尖(12)的另一端均与所述针板(61)连接。
9.根据权利要求8所述的静电喷丝系统，其特征在于，所述接收装置(4)包括两幅平行设置的导辊(41)以及缠绕于两幅所述导辊(41)之间的基布(42)，所述基布(42)位于所述出液阀(211)的下方。
10.根据权利要求9所述的静电喷丝系统，其特征在于，所述静电喷丝系统还包括控制器，所述控制器与所述驱动电机相连接。
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- 2017-06-30 CN CN201710521467.4A patent/CN107151824A/zh active Pending
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