CN101077474A

CN101077474A - 一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法及其应用

Info

Publication number: CN101077474A
Application number: CNA2007100192853A
Authority: CN
Inventors: 张爱华; 张继中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2007-11-28

Abstract

本发明涉及一种电流体力学制备超细材料的方法，特别是将被加工材料起始射流界面处离心力的作用及喷丝头与电流体力学方法结合，能够以低廉的成本、大规模地对材料进行加工并获得功能超细颗粒或者超细纤维。

Description

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法及其应用

技术领域：

本发明涉及一种新型电流体力学制备超细材料的方法，特别是将被加工材料起始射流界面处离心力的作用及喷丝头与电流体力学方法结合，能够以低廉的成本、大规模地对材料进行加工并获得超细颗粒或者超细纤维。

背景技术

电流体力学方法指的是被加工材料在荷电情况下利用静电作用力及准均衡(即施加在被加工材料上的压力除边缘效应外是相同的)的内部推动力而突破被加工流体态材料的表面张力及内部作用力从而以射流的方式形成以微小的流体态物质形式分散在不能完全相混的其它流体态介质中并固化而成包括颗粒、纤维的方法，包括静电喷雾法、静电喷涂法及静电纺丝法，目前电流体力学方法对材料的处理加工均通过喷丝头进行。电流体力学方法由于引入了静电作用力而能够以低廉的价格、方便且位置可控地获得细化材料，因此目前静电喷雾及静电喷涂技术已经广泛应用于工农业生产、生活中。而静电纺丝由于其产能低目前还处于研发阶段。

然而，目前电流体力学方法还有待进一步改善与提高以适应人们获得超细材料及产能提高的需要。这是由于超细材料具有很大优越的性能而产能提高则能够降低成本。然而当前的电流体力学方法除了以涂布而不是以制备超细材料为目的的静电喷涂采用了离心力外用于制备超细材料的电流体力学方法往往单纯利用静电作用力及准均衡的内部推动力(即施加在被加工材料上的压力除边缘效应外是相同的)结果难以满足人们的这些需要。人们在电流体力学加工处理被加工材料以取得超细材料的过程中发现对被加工材料施加的电压越高所获得的材料的尺寸越大，而如果施加较低的电压，静电作用力及准均衡的内部推动力又难以突破材料的界面张力及材料内部作用力，特别是对于粘度较高的材料，如静电纺丝所用原料往往粘度很大，单纯的通过压力推进被加工材料流动并施加高电压其所获得的加工后的材料不仅尺寸大而且加工难度大从而产能极低。

而非均衡作用力作用于被加工材料起始射流界面处则能够有效地解决目前电流体力学方法中所存在的问题。事实上人们在流体力学方法中已经成功引入了尚未意识到的非均衡作用力。例如人们利用闪蒸时，液体中有大量的汽泡生长、破碎，从而产生非均衡作用力而改善雾化效果的效应将其引入喷雾领域。目前，闪蒸技术已经成功地应用于无纺布及发电机燃油喷嘴领域。同样地，人们将超声波能够在液态材料中产生非均衡作用力的特点应用于喷雾领域，也取得了良好的效果。在电流体力学方法方面，人们通过引入气流而改善了电喷雾效果，但是由于未意识到其作用机制，目前的气助电喷雾所设计的气流在包括流速、气流方式方面尚未能充分利用气流所产生的非均衡作用力，因此尚可进一步改进、提高。所以将非均衡作用力引入电流体力学方法有望改善现有技术的效果、降低成本。

在众多可利用的非均衡作用力之中离心力是一种非常有效的进行流体力学及电流体力学辅助手段。由于其易于获得并能够有效控制作用力大小及方向，人们目前已经成功地将其应用于旋堞纺丝及旋杯静电喷涂等领域。然而，目前为止，尚无利用离心力与静电场结合以制备超细材料的报道，为此，本发明将离心力作用及喷丝头与电流体力学方法结合形成离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法，该方法适应于功能超细颗粒及超细纤维的制备。

发明内容

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于通过在利用喷丝头进行电流体力学界面即荷电被加工材料起始射流界面处增加除静电作用力之外的与荷电流体运动方向相适应即作用力方向与电射流方向相同或者存在相同方向分量的离心作用力，以便帮助荷电流体突破电流体力学界面的表面张力及流体内部相互作用力从而加工、处理被加工材料而制备超细颗粒或者超细纤维。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于被加工材料的流体化包括溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎使被加工材料成为包括相态均一或者相态非均一的气态、液态、超临界流体、等离子态、作为载流体的流体中含有相对主流体成分高密度的成分包括固态颗粒包含于载流体、液态颗粒包含于载流体在内的流体形式及作为载流体的流体中含有相对主流体成分低密度的成分包括气态、等离子态物质包含于较气态、等离子态物质密度高的载流体。对于不能通过溶解、熔融、蒸发、升华、等离子体化、粉碎而流体化的被加工材料则通过使用可以流体化并且能够通过化学反应或者物理效应在离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法处理前或者过程中或者后生成被加工材料或者反应中间体的方法使被加工材料流体化。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于离心力可以和其它包括机械振动作用力、超声作用力、气流作用力、震荡波作用力进行结合即在采用离心力的同时可以采用机械振动作用力、超声作用力、气流作用力、震荡波作用力。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于该方法可以和无喷丝头的方法结合即其内部为喷丝头供料而其外部为无喷丝头供料进行电流体力学处理。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于喷丝头可以采用单管、超过单管的多管、当采用超过单管时管与管间可以进行时空组合；喷丝头可以采用一个也可以采用超过一个的四维时空排列的喷丝头阵列。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于电流体力学方法中的荷电包括电晕充电、感应充电、接触充电、荷电流体充电中的一种或者多种，而优选将电极置于被加工材料容器内的接触充电方法。荷电电场包括直流正电场、直流负电场或者交变电场，使流体荷电的电场介于0.1V/毫米～1000kV/毫米。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于所述的收集装置为收集鼓、收集传送带、收集板或收集池，可以是干的也可以包含有溶剂或者蒸汽的湿的收集装置。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于它至少由流体化被加工材料储运设备、离心力发生设备、荷电设备、喷丝头、收集设备组成。

一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于该方法适用于作为具有分离、防护、抗菌、防臭、催化、传感、装饰、结构支撑、生物相容、存储、可控释放、导电、修复、医疗、保健、智能响应、芳香、粘合功能中一种或者超过一种功能的超细材料的制备方法。所制备的超细材料以颗粒、纤维、薄膜、布块或块体结构得到应用，它在所用材料中占的比例介于1％～100％。本发明的有益效果：

通过将作为助力的离心力与静电作用力在有喷丝头的情况下结合并应用于制备超细材料的电射流领域从而可以廉价、高效、高产能地将被加工材料转化为相应的超细材料。该方法对于超细材料的廉价、大规模地生成应用具有一定的促进作用。

附图说明

图1是被加工材料滚轮喷丝头离心力辅助式电流体力学方法系统结构示意图。1高压电源1a对电极及收集装置；1b工作电极；2电射流；3盛放被加工材料的容器；3a被加工材料，3b注入滚轮喷丝头的被加工材料；4滚轮；4a滚轮转轴；4b是滚轮边缘喷丝头；5滚轮转动方向。

图2是被加工材料滚轮击打与滚轮喷丝头离心力辅助结合式电流体力学方法系统结构示意图。1高压电源1a对电极及收集装置；1b工作电极；2电射流；3a盛放被加工材料3a-a的容器；3a-a被加工材料，3a-b被加工材料3a-a的液面；3b盛放被加工材料3b-a的容器；3b-a被加工材料，3b-b注入滚轮喷丝头的被加工材料3b-a；4滚轮；4a滚轮转轴；4b是滚轮边缘尖锐突起(外)及喷丝头(内)；5滚轮转动方向。

图3转盘喷丝头离心力式电流体力学方法系统结构示意图。1高压电源；1a对电极及收集装置；1b工作电极；2电射流；3被加工材料；3a被加工材料液面；4转盘；4a转盘上引导管；4b转盘边缘喷丝头；5转盘转动方向

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

被加工材料滚轮喷丝头离心力辅助式电流体力学方法如图1所示。流体化被加工材料3a通过管道注入位于滚轮上的喷丝头内。在滚轮4转动时，注入滚轮喷丝头的被加工材料3b在滚轮边缘喷丝头4b处受到离心作用力。滚轮连接至高压电源1作为工作电极1b，对电极与收集装置1a合并。在施加了高压电场及滚轮转动的情况下注入滚轮喷丝头的被加工材料3b同时受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料进行加工。

实施例2：

被加工材料滚轮击打与滚轮喷丝头离心力辅助结合式电流体力学方法如图2所示。流体化被加工材料3a-a位于滚轮下方容器3a内并在滚轮4转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4b处受到离心作用力。流体化被加工材料3b-a通过管道注入位于滚轮上的喷丝头内。在滚轮4转动时，注入滚轮喷丝头的被加工材料3b-b在滚轮边缘喷丝头4b处受到离心作用力。滚轮连接至高压电源1作为工作电极1b，对电极与收集装置1a合并。在施加了高压电场及滚轮转动的情况下注入滚轮喷丝头的被加工材料3a-a及3b-b同时受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料进行加工。

实施例3：

转盘喷丝头离心力式电流体力学方法如图3所示。被加工材料3被引导至转盘4上，当转盘转动时被加工材料沿转盘上引导管4a而至转盘边缘喷丝头4b处从而获得离心力。将转盘连接至高压电源1作为工作电极1b，对电极与收集装置1a合并。在施加了高压电场及转盘转动的情况下被加工材料3同时受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料进行加工。

Claims

1、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于通过在利用喷丝头进行电流体力学界面即荷电被加工材料起始射流界面处增加除静电作用力之外的与荷电流体运动方向相适应即作用力方向与电射流方向相同或者存在相同方向分量的离心作用力，以便帮助荷电流体突破电流体力学界面的表面张力及流体内部相互作用力从而加工、处理流体化被加工材料而制备超细颗粒或者超细纤维。

2、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于被加工材料的流体化包括溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎使被加工材料成为包括相态均一或者相态非均一的气态、液态、超临界流体、等离子态、作为载流体的流体中含有相对主流体成分高密度的成分包括固态颗粒包含于载流体、液态颗粒包含于载流体在内的流体形式及作为载流体的流体中含有相对主流体成分低密度的成分包括气态、等离子态物质包含于较气态、等离子态物质密度高的载流体。对于不能通过溶解、熔融、蒸发、升华、等离子体化、粉碎而流体化的被加工材料则通过使用可以流体化并且能够通过化学反应或者物理效应在离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法处理前或者过程中或者后生成被加工材料或者反应中间体的方法使被加工材料流体化。

3、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于离心力可以和其它包括机械振动作用力、超声作用力、气流作用力、震荡波作用力进行结合即在采用离心力的同时可以采用机械振动作用力、超声作用力、气流作用力、震荡波作用力。

4、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于该方法可以和无喷丝头的方法结合即其内部为喷丝头供料而其外部为无喷丝头供料进行电流体力学处理。

5、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于喷丝头可以采用单管、超过单管的多管、当采用超过单管时管与管间可以进行时空组合；喷丝头可以采用一个也可以采用超过一个的四维时空排列的喷丝头阵列。

6、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于电流体力学方法中的荷电包括电晕充电、感应充电、接触充电、荷电流体充电中的一种或者多种，而优选将电极置于被加工材料容器内的接触充电方法。荷电电场包括直流正电场、直流负电场或者交变电场，使流体荷电的电场介于0.1V/毫米～1000kV/毫米。

7、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于所述的收集装置为收集鼓、收集传送带、收集板或收集池，可以是干的也可以包含有溶剂或者蒸汽的湿的收集装置。

8、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于它至少由流体化被加工材料储运设备、离心力发生设备、荷电设备、喷丝头、收集设备组成。

9、一种离心力辅助利用喷丝头的电流体力学方法其特征在于该方法适用于作为具有分离、防护、抗菌、防臭、催化、传感、装饰、结构支撑、生物相容、存储、可控释放、导电、修复、医疗、保健、智能响应、芳香、粘合功能中一种或者超过一种功能的超细材料的制备方法。所制备的超细材料以颗粒、纤维、薄膜、布块或块体结构得到应用，它在所用材料中占的比例介于1％～100％。