CN101460667A - 用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的装置，该装置包括纺纱腔室，在纺纱腔室内设置有聚合物溶液的容器，细长形形状的旋转纺纱电极的一部分周界延伸入到聚合物溶液内，纺纱电极连接到直流高压电源的一极，抵靠着纺纱电极设置在纺纱腔室内的集电极连接到直流高压电源的异性极，同时，纺纱电极的一部分周界延伸入容器里的聚合物溶液内，而且聚合物溶液的容器分成入口部分和出口部分，纺纱电极的一部分周界延伸入入口部分内，而在出口部分设有出口。

Description

用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的装置

技术领域

[0001]一种用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的装置，其包括纺纱腔室，在该腔室内设置有聚合物溶液容器，细长形形状的旋转纺纱电极的一部分周界延伸入聚合物溶液中，所述纺纱电极连接到直流高压电源的一极，在该纺纱电极的一部分周界延伸入容器里的聚合物溶液内的同时，抵靠该纺纱电极设置在该纺纱腔室内的集电极(collecting electrode)连接到该直流高压电源的异性极上。

背景技术

[0002]根据CZ294274的用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的已知装置包括纺纱腔室，该纺纱腔室内设置有具有开放液面的聚合物溶液容器。在聚合物溶液容器内，可旋转地安装有例如圆柱形形式的细长形形状的纺纱电极，该纺纱电极的一部分周界延伸入容器里的聚合物溶液内，并连接到直流高压电源的一极。而直流高压电源的异性极连接有集电极，该集电极抵靠着纺纱电极设置在该纺纱腔室内。该纺纱电极通过旋转运动在其表面上将一定数量的聚合物溶液从容器内带出到纺纱空间中，该纺纱空间处于纺纱电极与集电极之间。该容器底部具有与该纺纱电极的纵向轴线平行且与该纵向轴线同轴线地延伸的圆柱形表面。

[0003]由于在大多数应用中高压是直接或者通过纺纱电极引入聚合物溶液内的，因此，通过普通的电子设备和传感器不能调整或监视容器内溶液的液面。容器内的溶液液面不能保持恒定高度的情况相当频繁地出现，这导致了这样的事实，即：浸入聚合物溶液内的纺纱电极也不能保持不变，因此，不是太少或者就是太多数量的聚合物溶液被带出到纺纱空间内。在第一种情况下，不能最佳地发挥静电纺纱装置的生产能力，而在第二种情况下，会在该纺纱电极的表面上产生一层聚合物溶液膜，该溶液膜还未在纺纱空间内经过纺纱过程便凝固了，这会导致静电纺纱装置的效率逐渐降低。

[0004]现有技术状况的另一个缺点在于，由于通过开口带入容器内的聚合物溶液具有相对较高的粘性，大部分是在该容器底部进行的，因此，不能将聚合物溶液沿聚合物容器整个长度及时均匀地分散开，所以，液面高度沿容器长度是不同的，这在聚合物溶液溢出一部分纺纱电极时便可能发生，而另一部分纺纱电极完全没有浸入聚合物溶液内。此外，这还由于如下事实变得更加复杂，即：由于聚合物(尤其是在容器的远距离处)的物理和化学特性的影响，有些区域带有“用过的”聚合物溶液，因而在这些地方可能出现液面凝固。

[0005]本发明的目的在于消除现有技术的不足或至少将其减至最小。

发明内容

[0006]根据本发明，通过用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的装置，本发明的目的已经达到了，本发明的原理包括：将聚合物溶液的容器分成或分隔成入口部分和出口部分；至少一个用于供应聚合物溶液的入口通入该入口部分，并且纺纱电极的一部分周界延伸入该入口部分内；该出口部分设有用于排出聚合物溶液的出口。

[0007]根据权利要求2，在容器的入口部分和出口部分之间，设有包括聚合物溶液溢流口的分隔物，该溢流口决定了容器的入口部分内的液面高度，并确保了恒定高度值得以保持，同时，由于存在该溢流口，过多的聚合物溶液从容器的入口部分溢出并进入到该容器的出口部分内。

[0008]溢流口可以几种不同的方式实现——根据权利要求3，溢流口由分隔物内的至少一个开口实现，在根据权利要求4的实施例中，溢流口由该分隔物的上边缘形成，而根据权利要求5的有利的实施例，溢出口是通过在该分隔物的边界(borders)上降低该分隔物的上边缘来实现的。

[0009]在提供了几个聚合物溶液入口通入容器入口部分的情况下，考虑到为了使得聚合物溶液沿容器入口部分的整个长度保持液面不变，如果不仅通过在其边界上降低分隔物的上边缘实现溢流，而且还通过降低相邻入口之间分隔物的上边缘实现溢流，那么这是有利的。

[0010]一重要的因素是对底部成形，通过该底部成形，聚合物溶液进入容器入口部分后的行为和运动可受到相当大的影响，根据权利要求7，该容器入口部分的底部是朝入口倾斜的，因此，使得聚合物溶液能够沿该容器入口部分整个长度分布。

[0011]至于通常所用的聚合物溶液的物理特性，根据权利要求8如果在该容器入口部分内设置有至少一个活动元件，通过该活动元件的运动促使聚合物溶液运动是有利的，以有利于聚合物溶液沿从入口运动到该容器各面的方向运动。然后，该活动元件的运动不仅导致聚合物溶液沿容器入口部分整个长度相对均匀地分配，还防止了在容器入口部分内的溶液变干。如果根据权利要求9，即至少一部分该活动元件在容器入口部分内聚合物溶液的液面之上延伸，甚至获得了更好的效果。

[0012]从活动元件在容器入口部分内设置的观点来看，如果该活动元件通过其运动延伸入该容器入口部分的最大可能区域内，那么这是有利的，而根据权利要求10，该活动元件是蜗杆，其纵向轴线与纺纱电极的旋转轴线平行。

[0013]在入口的某种设置中，如果该蜗杆至少一部分的螺线(screwline)与该蜗杆其余部分的螺线设置相反，那么更为有利，通过这样的设置可以实现，在整个蜗杆沿一个方向旋转时，将聚合物溶液沿着从入口往该容器两个相反面的方向分散开。

[0014]根据权利要求12，该容器出口部分的底部成形方式，与该容器入口部分的底部成形方式相同，即朝至少一个出口倾斜，聚合物溶液通过出口排出容器，这对于用过的聚合物溶液从容器面运动到出口是有利的。

[0015]在根据权利要求13的有利的实施例中，在容器出口部分内安装有至少一个活动元件，该活动元件通过其运动促使聚合物溶液运动，这样防止了溶液变干并且有助于溶液沿从容器各面朝出口的方向运动，而根据权利要求14，该活动元件的至少一部分延伸到聚合物溶液的液面上方。

[0016]在根据权利要求15的实施例中，容器出口部分内的活动元件是蜗杆。

[0017]根据权利要求16，如果蜗杆至少一部分的螺线与蜗杆其余部分的螺线相比设置相反，那么这是有利的，通过这样的设置可以实现，在蜗杆沿一个方向旋转时，聚合物溶液可从整个容器出口部分朝出口输送，从而通过出口进一步排出聚合物溶液容器外。

[0018]至于聚合物溶液在纺纱电极表面变干的问题，根据权利要求17，在分隔物的上边缘上设置有梳子，其结合纺纱电极的旋转运动去除掉纺纱电极表面的聚合物溶液。

附图说明

[0019]附图中，图1示意性地示出了静电纺纱装置的纺纱腔室的横截面；图2a示意性地示出了聚合物溶液的容器入口部分的纵向横截面；图2b示意性地示出了在一个替代性实施例中的聚合物溶液容器入口部分的纵向横截面；图3示意性地示出了在另一替代性实施例中聚合物溶液容器入口部分的纵向横截面，以及图4示意性地示出了具有分开间隔物的替代性实施例的、用于生产纳米纤维的装置的聚合物溶液容器的横截面。

具体实施方式

[0020]下面将在图1示意性地示出的实施例中对本发明的装置进行描述，该装置用于在至少一个纺纱电极与集电极之间的电场中通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维，其中所述至少一个纺纱电极被可转动地安装且为细长形形状，纺纱电极的周界的一部分延伸入聚合物溶液容器内的聚合物溶液中，而所述集电极抵靠着纺纱电极设置，其中，在用于通过静电纺纱生产纳米纤维的装置的纺纱腔室1的下部内设置有容纳聚合物溶液21的容器2，细长形形状的纺纱电极3可转动地安装在该容器2内，纺纱电极表面的一部分延伸入容纳在所述容器2里的聚合物溶液21内。该纺纱电极3以未示出的已知方式与未示出的直流高压电源相连，并且与未示出的使其进行旋转运动的驱动装置相连。

[0021]在纺纱腔室1的上部，在纺纱电极3自由表面上方的空间内，设置有集电极4，其形状通常为一表面或平面(如所示实施例中的)或者可为圆柱形。集电极4以未示出的已知方式与未示出的直流高压电源的异性极连接。在某些情况下，将纺纱电极3或集电极4接地是有利的。

[0022]在纺纱电极3与集电极4之间的空间内，平行于集电极4的表面形成有用于基质材料5的路径，基质材料通过未示出的用于促使基质材料5沿箭头A所示方向运动的已知装置连接。在多数情况下，该基质材料5由纺织品形成物制成，用作聚合物纳米纤维沉积的装置。

[0023]在聚合物溶液21的容器2内，平行于纺纱电极3的旋转轴设置有由平壁形成的间隔物6，该间隔物6将容器3沿其整个长度方向分成或分隔成入口部分7和出口部分8，纺纱电极3延伸入入口部分7。分隔物6设置在容器2底部上，其高度小于容器2的深度。此外，分隔物6设置有溢出口，以便聚合物溶液21从容器2的入口部分7溢出到容器2的出口部分8。溢出口例如可通过分隔物6上边缘的下降60实现，或着通过分隔物6中的开口实现，或直接由分隔物6的上边缘实现。

[0024]图2a示意性地示出了容器2入口部分7一种可能的实施例变型的纵向横截面，在容器2的表面12和121内可转动地安装有纺纱电极3的具有水平旋转轴线的轴。两个对称的平面11和111从容器2的表面12和121处倾斜，形成入口部分7的底部。然后，在对称平面11和111的相交处(即在入口部分7底部的最低坡度处)设有入口9，用于将聚合物溶液21从未示出的溶液源引入容器2的入口部分7。在某些实施例中，针对聚合物溶液21的特性，有利的是，可用对称的凸面及可能的凹面代替平面11和111。

[0025]容器2的出口部分8的结构与入口部分7的类似，区别在于纺纱电极3没有延伸到出口部分8中。出口部分8的底部由两个朝出口10倾斜的对称平面11和111形成，出口10用来将聚合物溶液21从容器2的出口部分8排出。在一些没有示出的实施例中，对称平面11和111可由对称的凸面或凹面替代。

[0026]入口部分7和出口部分8由分隔物6相互分开，聚合物溶液21的溢出口是分隔物6的整体式部分，这种溢出口是通过降低分隔物6边界上的分隔物6的上边缘实现的。

[0027]在图2b中示出的根据本发明的实施例中，在应用中，首先，纺纱电极3的长度比前面实施例中的明显地高，容器2的入口部分7和出口部分8的长度也比前面实施例中的要明显地高。在纺纱电极3下方，与纺纱电极3不接触之处，蜗杆13可转动地安装在容器2的表面12和121内，该蜗杆13与纺纱电极3的旋转轴线平行。蜗杆13由一对蜗杆段131和132形成，该蜗杆段之间相互有区别，尤其是螺线的设置相反。在示出的实施例中，整个蜗杆13设置在入口部分7内的聚合物溶液21的液面以下，因此，在一些情况下，如果该蜗杆13的一部分延伸到液面之上，那么这是有利的。与前面的实施例类似，入口部分7底部由两个对称的平面11和111形成，这两个平面从容器2的面12和121处倾斜，并且在它们交汇处形成入口9。

[0028]然后，在一个实施例中，容器2的出口部分8的形成与前面所描述的出口部分的形成方式相同。

[0029]在另一个实施例变型中，容器2的出口部分8的结构与入口部分7相同，区别之处在于纺纱电极3并不延伸到出口部分8内。

[0030]在一个实施例中，安装在入口部分7内的蜗杆13与安装在出口部分8内的蜗杆13皆与共同的驱动装置相连；至于蜗杆13的蜗杆段131和132的螺线设置，安装在出口部分8内的与安装在出口部分7内的相同。

[0031]此外，在该例中，容器2的入口部分7和出口部分8相互间由分隔物6分开，其结构与前面实施例中所描述的分隔物6的结构相同。

[0032]在图3示意性地示出了一个替代性实施例中的容器2的入口部分7的纵截面，由图2b示出的两个入口部分7沿纺纱电极3的旋转轴线一个设置在另一个之后构成，同时通过去除这些入口部分7的封闭连接面121和12将入口部分7的内部空间相互连接。沿着图3示出的入口部分7的整个长度，在纺纱电极3之下，蜗杆13与纺纱电极3的旋转轴线平行地、可转动地设置，该蜗杆13由两对上述蜗杆段131和132形成。

[0033]然后，容器2的出口部分8的结构与所述入口部分7的相同，但在另一些未示出的实施例中，其结构与上述实施例的任一形式的出口部分8的结构相同。

[0034]入口部分7与出口部分8由分隔物6分开，其实质部分是聚合物溶液21的溢出口，该溢出口是通过降低边界上的和相邻入口9之间的分隔物6的上边缘来形成的。

[0035]在其它没有示出的实施例中，容器2的入口部分7和出口部分8的形成与前面实施例中的相同，但是蜗杆13并不安装在入口部分7和/或出口部分8内。

[0036]在另一些没有示出的实施例中，容器2的入口部分7可由图2a中容器2的实际上无限数量的入口部分7的组成，和/或图2b中容器2的理论上无限数量的出口部分8的组成而形成。

[0037]在图4示意性地示出的实施例中，不管容器2的入口部分7和出口部分8的结构如何，该分隔物6的上边缘均为梳子形状，以将聚合物溶液21从纺纱电极3表面去除。

[0038]在一个没有示出的实施例中，聚合物21的容器2的入口部分7由独立导管形成，其结构与容器2的入口部分7的上述结构近似，容器2的出口部分8也由独立导管形成，其结构与容器2的出口部分8的上述结构接近。因而，在一些侧壁上，两个导管都设有至少一个开口，通过连接这些开口，聚合物溶液21的溢出口得以形成在容器2的入口部分7与出口部分8之间。通过设置两个导管相互间的位置，并且可能通过管道、槽或软管的连接来实现这些开口的连接。

[0039]在上述本发明的实施例中，在容器2的入口部分7和/或出口部分8内，蜗杆13与纺纱电极3平行安装，然而，在其它未示出的实施例中，可通过另一活动元件取代蜗杆13，该活动元件位于容器2的入口部分7和/或入口部分8内，将实现与蜗杆13相同的上述功能。该活动元件可以是，例如形成入口部分7和/或出口部分8的整个或部分底部的环形带、小型螺旋桨、小型螺旋桨系统等以及它们可能的组合，其中该环形带位于聚合物溶液21的容积内，。

[0040]将聚合物溶液21从化学物分配系统中传送来之后(该化学物分配系统原则上是该聚合物溶液21的源)，通过入口9进入聚合物溶液21的容器2的入口部分7内，在一些实施例中，当没有任何活动元件设置在该入口部分7内时，由于底部的形状，聚合物溶液21将沿着容器2的入口部分7的整个长度分散开。聚合物溶液21在入口部分7内的液面升高，当该液面到达分隔物6的上边缘的最低点时，或者到达分隔物6内的某个开口时，聚合物溶液21从容器2的入口部分7溢流到容器2的出口部分8内，藉此，可以在容器2入口部分内使聚合物溶液21的液面高度保持不变。然后，聚合物溶液不变的液面将使得纺纱电极3在聚合物溶液21内的浸入深度也保持不变，因此，纺纱电极3的旋转运动在其表面不变地将最理想的聚合物溶液的量运送到纺纱电极3与集电极4之间的纺纱空间内，聚合物溶液21可在这里进行纺纱。

[0041]在实施例中，当在入口部分7内设有活动元件时，聚合物溶液21将沿着容器2的入口部分7的整个长度进行分配，这不只是由于容器2的入口部分7底部的形状造成的，尤其也是由于活动元件(例如安装在容器2的入口部分7内的蜗杆13)的运动造成的。由于蜗杆13的独立蜗杆段131和312的螺线设置相反，因而在一个方向上旋转整个蜗杆13时可使由入口9传送来的聚合物溶液21在从入口9到容器2的面12和121方向上都被分配。接下来，该蜗杆13的旋转运动导致容器2的出口部分7和/或入口部分8内的聚合物溶液21的颗粒运动，这显著抑制了聚合物溶液21的液面出现凝固，而且在一些实施例中，甚至消除聚合物溶液21液面的凝固。在一些情况下，还可通过将活动元件的一部分延伸到聚合物溶液21液面之上来加强该功能。

[0042]当入口部分7内的聚合物溶液21的液面达到溢出口时，聚合物溶液21从容器2的入口部分7溢流到容器2的出口部分8内，聚合物溶液21在这里通过出口10排出。在容器2的出口部分8内，有利的是，也将那些由梳子从纺纱电极3的表面上去除掉的聚合物溶液21排出。

[0043]容器2的出口部分8内的聚合物溶液21在重力作用下(在一些实施例中，还受到活动元件运动的作用)向出口10运动，通过出口10从聚合物溶液21的容器2排出。

[0044]实施例中，在容器2的入口部分7和/或出口部分8内，设置至少一个活动元件是较为有用的，尤其是在如下应用中尤为有用，即：当聚合物溶液的浓度并不允许足够的运动时，以及必须帮助或促使其进行运动时。

附图标记列表

1    纺纱腔室

2    聚合物溶液容器

21   聚合物溶液

3    纺纱电极

4    集电极

5    基质材料

6    分隔物

60   分隔物上边缘的下降

7    容器入口部分

8    容器出口部分

9    入口

10   出口

11   倾斜平面

111  倾斜平面

12   容器面

121  容器面

13   蜗杆

131  蜗杆段

132  蜗杆段

14   梳子

Claims (17)

1.一种用于通过聚合物溶液的静电纺纱生产纳米纤维的装置，该装置包括纺纱腔室(1)，在纺纱腔室(1)内设置有聚合物溶液(21)的容器(2)，细长形形状的旋转纺纱电极(3)的一部分周界延伸入到聚合物溶液(21)内，纺纱电极(3)连接到直流高压电源的一极，，抵靠着纺纱电极(3)设置在纺纱腔室(1)内的集电极(4)连接到直流高压电源的异性极，同时，纺纱电极(3)一部分周界延伸入容器(2)里的聚合物溶液(21)内，其特征在于：聚合物溶液容器(2)被分成入口部分(7)和出口部分(8)，至少一个入口(9)通入入口部分内，并且纺纱电极(3)的一部分周界也延伸入入口部分内，而在出口部分则设有出口(10)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：在容器入口部分(7)与容器出口部分(8)之间设置有分隔物(6)，该分隔物(6)设置有溢出口。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述溢出口由分隔物(6)中的至少一个开口形成。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述溢出口由分隔物(6)的上边缘形成。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述溢出口是通过降低(60)分隔物(6)边界上的上边缘形成的。

6.如权利要求2或5所述的装置，其特征在于：所述溢出口是通过降低(60)相邻的聚合物溶液(21)入口之间的分隔物(6)的上边缘形成的。

7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于：所述容器(2)的入口部分(7)具有朝聚合物溶液(21)的至少一个入口(9)倾斜的底部。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于：在所述容器(2)的入口部分(7)内，设有至少一个用于促使聚合物溶液(21)运动的活动元件。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：活动元件的至少一部分延伸到聚合物溶液(21)的液面上方。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于：所述活动元件是蜗杆(13)。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：蜗杆(13)至少一部分的螺线与蜗杆(13)其余部分的螺线设置相反。

12.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述容器(2)的出口部分(8)具有朝至少一个出口(10)倾斜的底部。

13.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：在所述容器(2)的出口部分(8)内设有至少一个活动元件，以促使聚合物溶液(21)运动。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于：活动元件的至少一部分延伸到聚合物溶液(21)的液面上方。

15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于：所述活动元件是蜗杆(13)。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于：蜗杆(13)至少一部分的螺线与蜗杆(13)其余部分的螺线设置相反。

17.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：在分隔物(6)的上边缘上设置有用于将聚合物溶液(21)从纺纱电极(3)的表面去除的梳子(14)。

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