CN101512052B - 回转式纺丝电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种细长形状的回转式纺丝电极(1)，所述纺丝电极(1)加到用于通过聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置中，同时包括一对端面(2，3)，在所述一对端面(2，3)之间，设置了若干由金属丝形成的纺丝构件，这些纺丝构件沿着圆周同等地分布，且与回转式纺丝电极(1)的旋转轴线(41)平行，而端面(2，3)用不导电材料制成，及所有纺丝构件都以导电方式相互连接。

Description

回转式纺丝电极
技术领域
本发明涉及一种细长形状的回转式纺丝电极，所述纺丝电极用于通过聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置，包括一对端面，在所述一对端面之间设置了若干由金属丝形成的纺丝构件，这些纺丝构件沿着圆周同等地分布，并与回转式纺丝电极的旋转轴线平行。
背景技术
迄今已知的用于通过静电纺丝从聚合物溶液生产纳米纤维的装置例如在W02005/024101A1中公开，上述装置包含长方形的枢转式纺丝电极。装置包括取圆筒体形状的纺丝电极，所述电极绕它的主轴线旋转，并通过其表面的下面部分浸入到聚合物溶液中。聚合物溶液被圆筒体的表面输出到纺丝电极和收集电极之间的电场中，在这里形成纳米纤维，所述纳米纤维被带走朝向收集电极，且在收集电极之前它们沉积在衬底材料上。这种装置很好的能从水溶性聚合物溶液生产纳米纤维，不过施加在衬底材料上的纳米纤维层不是沿着纺丝电极的整个长度均匀地分布。
所生产的纳米纤维层的更大均匀度通过按照CZ PV 2005-360所述的装置达到，所述CZ PV 2005-360说明一种纺丝电极，该纺丝电极包括径向排列并在纵向上围绕纺丝电极的旋转轴线的薄片系统，而纺丝电极的部分面积的涂层表面用来将聚合物溶液输出到一个平面的电场中，所述平面穿过纺丝电极的轴线，并垂直于衬底材料的平面，上述涂层表面具有由最大强度的纺丝电极和收集电极之间电场的等位线所形成的形状。这种纺丝电极能将足够量的聚合物溶液输出到在纺丝电极和收集电极之间电场的最合适地方，而同时还能使非水聚合物溶液纺丝并产生均匀的纳米纤维层。不过，这种纺丝电极的需要生产，并因此还有它的价格是缺点。
DE 10136255B4公开了一种用于从聚合物溶液或者聚合物熔体生产纤维的装置，所述装置包括至少两个纺丝电极机构，每个纺丝电极机构都由平行金属丝系统形成，所述平行金属丝安装在一对围绕两个导筒的连续带上，上述两个导筒一个位于另一个上方，而同时下面导筒伸入聚合物溶液或熔融聚合物中。在这些两个纺丝电极机构之间，织物作为反电极通过，而纺丝电极机构同时在织物的面侧和背侧二者上形成涂层。
纺丝电极与反电极一起连接到高压电源上，所述纺丝电极由导电的循环带形成。聚合物溶液或者聚合物熔体通过金属丝输出到纺丝电极和反电极之间的电场中，在这里从聚合物溶液或聚合物熔体产生纤维，所述纤维被输送到反电极上并冲击位于反电极上的织物。聚合物溶液或聚合物熔体长时间停留在电场中是个缺点，因为聚合物溶液及聚合物熔体经受十分快速地老化，且在纺线过程期间它改变其性能，这也造成所生产的纤维的参数，尤其是它们直径的改变。另一个缺点是纺丝电极的金属丝安装在一对环形带上，所述一对环形带或者导电且它们很负面地影响在纺丝电极和反电极之间所形成的电场，或者它们是不导电的且高压是通过滑动触点供应到纺丝电极的金属丝上，上述滑动触点比1-3个金属丝好，这使纺丝装置无用地变复杂。
本发明的目的是创造一种简单而可靠的纺丝电极，所述纺丝电极用于通过在收集电极和纺丝电极之间所形成的电场中静电纺丝从聚合物溶液生产纳米纤维的装置。
发明原理
本发明的目的通过回转式纺丝电极达到，所述纺丝电极用于通过聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置，同时包含一对端面，在所述一对端面之间设置了由金属丝形成的纺丝构件，纺丝构件沿着端面的圆周同等地分布，而发明原理在于各端面用不导电材料制成，且所有纺丝构件都用导电方式相互连接。用这种方式形成的纺丝电极能将水及非水聚合物溶液纺丝，并沿着它的整个长度达到十分均匀的纺丝效果，而同时用于纺丝的电场是在各个纺丝构件脱离(Step off)聚合物溶液和随后接近收集电极之后，在上述各个纺丝构件之间形成。
所有纺丝构件的相互电连接如此达到，以使它们用一个金属绳制成，所述金属绳在沿着端面的圆周所完成的槽或开口中交替式从一个端面伸展到另一个端面。
当绳在端面上到达后面的槽或开口，且穿过所述槽或开口转到第二端面，或者是在端面上绳被交叉式导入在端面的圆周上的相对侧上的槽或开口中时，这可以通过形成按照权利要求3或4所述的回转式纺丝电极达到。在按照权利要求3所述的实施例处，有较小的绳的消耗，而在按照权利要求4所述的实施例处，所有纺丝构件的相互连接不仅通过它们用整体构件制成达到，而且还通过它们在端面上的交叉达到。
在按照权利要求5所述的实施例中，纺丝构件分成若干对，其中每对都由一个金属绳形成，且这些绳在端面上交叉。
为了保证一个或多个绳在端面之间交替伸展的端面的相互位置形成纺丝电极的纺丝构件，按照权利要求6所述将这些端面设置在一个轴上。
因而当使用按照权利要求7或8所述实施例中纺丝电极时，当导电轴被替换或者它的端面之间的部分被不导电的间隔管覆盖时，得到纺丝过程的更有利的条件。
通过从端面之间的空间中取出导电的轴，及通过将每个端面安装在独立的铰链上，也就是说与纺丝电极的驱动装置耦合，也可以得到类似效果。通过将端面与驱动装置耦合，得到各端面将朝同一方向和用相同速度旋转，及还保证不改变这些端面的相互位置，因此也保证安装在端面的槽或孔中的纺丝机构与端面的旋转轴线平行的位置。
附图说明
回转式纺丝电极在附图中示意示出，此处图1示出按照本发明所述的电极的立体投影图，图2示出在具有由一个绳在各端面上交叉所形成的纺丝构件的实施例中电极的立体投影图，图3示出在具有分成若干对的纺丝构件，其中每个纺丝构件都由一个绳在各端面上交叉形成的实施例中电极的视图，及图4示出在聚合物溶液储存器中没有轴的可供选择实施例的纺丝电极的安装。
实施例
在按照本发明所述的回转式纺丝电极1的一个实施例中，回转式纺丝电极1包括两个端面2和3，所述端面2和3中，每个都由不导电材料例如塑料的圆盘形成，圆盘同心式安装在轴4上与其纵向轴线41垂直，所述纵向轴线41同时是轴4和纺丝电极1的旋转轴线。沿着端面2的整个圆周，有均匀完成的径向槽21，22，23，24，25和26，而沿着端面3的整个圆周，其直径与端面2的直径相同，有均匀实施的径向槽31，32，33，34，35和36。在端面2和3的圆周上的各径向槽彼此相对排列。在端面2的圆周上的径向槽中和端面3的圆周上的径向槽中，安装了导电材料制成的绳5，所述绳5封闭成无接头的环。
绳5从端面2的圆周上的径向槽——比如槽21——出来并与轴4的纵向轴线41平行，所述绳5到达端面3的圆周上相对的槽31中，而绳5在槽21和相对的槽31之间的部分形成纺丝电极1的纺丝元件的其中之一。
穿过槽31，将绳5转到与端面2相反的端面3的外侧上，并穿过该槽31，绳5到达相邻的槽32中，从所述槽32，绳5与轴4的轴线41平行，在外部到达端2的圆周上的相对的槽22中。绳5在槽32和相对的槽22之间的部分因此形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。
通过槽22，绳5转到与端面3相反的端面2的外侧，在所述端面2上，绳5到达相邻的槽23中。从槽23，绳5与轴4的轴线41平行到达端面3的圆周上的相对的槽33中，而绳5在槽23和33之间的部分形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。
同样，绳5还穿过端面3的圆周上的后面的径向槽34，35和36及穿过端面2的圆周上的后面的径向槽24，25和26，而同时绳5在端面2和3之间的部分与轴线41平行形成纺丝电极1的各个纺丝元件，及绳5在端面2和3的外侧上运行的部分用导电方式使各纺丝元件互连。
绳5可以用若干另外不同的方式安装的在端面2和3的圆周上的径向槽中，其中一种方式在图2中示出。在这个实施例中，绳5与上述实施例相同，闭合成无接头的环，而在这种情况下，由于它的安装的方式，所以在端面2的圆周上和端面3的圆周上的径向槽中，绳5在端面2和3的外侧上交叉。
穿过端面2的圆周上的径向槽——比如槽21，绳5与轴4的轴线41平行转入端面3的圆周上的相对槽31中，而绳5在槽21和31之间的部分形成纺丝电极1的纺丝元件的其中之一。通过槽31，绳5转到与端面2相反的端面3的外侧上，穿过所述外侧绳5达到槽34中，所述槽34在端面3的圆周的相反段中完成。
在通过槽34之后，绳5与轴4的轴线41平行到达端面2的圆周上的相对槽24中，而绳5在槽34和24之间的部分形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。穿过槽24，将绳5引导到端面2的外侧上，在所述外侧上绳5到达槽26，该槽26在端面2的圆周的相对段中完成。
若离开槽26，则绳5与轴4的轴线41平行进入在端面3的圆周上的相对槽36中，且在槽26和36之间，绳5形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。穿过槽36，绳5再引导到端面3的外侧，在所述端面3的外侧上，绳5到达槽33，所述槽33在端面3的圆周的相对部分中完成，而同时绳5在端面3上交叉。
绳5从槽33出来再与轴4的轴线41平行到达在端面2的圆周上的相对槽23中，因而绳5在槽33和23之间的部分形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。通过槽23，绳5转到端面2的外侧，在所述端面2的外侧上，绳5再到达槽25中，所述槽25在端面2的圆周的相对部分中完成，而同时绳5在端面2的外侧上交叉。
在通过槽25之后，绳5与轴4的轴线41平行到达在端面3的圆周上的相对槽35中，且绳5在槽25和35之间的部分形成另一个纺丝元件。通过槽35，将绳5引导到端面3的外侧，在所述端面3的外侧上，绳5到达槽32，该槽32在端面3的圆周的相对部分中完成，以便绳5再次在端面3上交叉。
从槽32出来，绳5再与轴4的轴线41平行到达在端面2的圆周上的相对槽22中，因而它形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。穿过槽22，将绳5引导到端面2的外侧上，在所述端面2的外侧上，将绳5引导到槽21中。
上述图1和图2所示的实施例中另一些未示出的实施例可能尤其是绳5安装在端面2和3的圆周上的径向槽中不同，而绳5总是无接头，由一个部件制成，且它的端部连接在端面2和3的其中之一上。
根据通过聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的技术，在生产纳米纤维的装置中的绳5是通过已知的方式与未示出的高压电源的一个极连接，也许它是接地，以便在纺丝电极的所有纺丝元件上都有相同的电压。
纺丝电极1的实施例，从维护和可能更换损坏的或不合格的纺丝元件的观点来看，最合适的是在图3上示出。纺丝电极1用与上述图1和2的实施例相同的方式制成，唯一差别是绳5中的无接头的环在图3所示的实施例中由三个独立的无接头的环514，525和536形成，所述三个环514，525和536在各端面上相互彼此交叉。
绳514从在端面2的圆周上的径向槽21出来，并与轴4的轴线41平行进入在端面3的圆周上的相对的槽31，且它在槽21和31之间的部分形成纺丝电极1的纺丝元件的其中之一。穿过槽31，将绳514引导到端面3的外侧，在所述端面3的外侧上，绳514到达端面3的圆周的相对部分内的槽34中，穿过所述槽34与轴4的轴线41平行转到在端面2的圆周上相对的槽24中，并因此在槽34和24之间形成纺丝电极1的另一个纺丝元件。穿过槽24，将绳514引导到端面2的外侧，在所述端面2的外侧上，绳514到达相邻的槽21中。
同样地，在径向槽22，32，25和35中安装了其闭合成无接头的环的绳525，及在径向槽23，33，26和36中安装了其闭合成无限环的绳536，而同时在端面2和3的外侧上，所有三个绳514，525和536都交叉，因而保证它们的导电连接。
在从图3中的实施例所得到的另一些实施例中，可以形成绳514，525和536的另一些不同的未示出的配置，同时形成纺丝电极1的一对纺丝元件，而如果所有这些绳都用导电方式——比如通过它们的相互接触相互连接，则是有利的。在当各绳不交叉时的情况下，它们的导电连接是通过另一些已知的方法或手段在端面2和3的其中任一个或二者的外侧上实施。
因此绳514和/或525和/或536与用已知方式同未示出的高压电源的一个极连接的纳米纤维的生产技术无关，也许上述绳接地。
若考虑在纺丝电极1的旋转期间(见下面)随后在纺丝电极1和未示出的收集电极之间产生静电场，所述收集电极安装在纺丝室内纺丝电极1上方的空间中，如果在端面2和3之间的空间中的轴4用不导电材料制成的间隔管代替，则它是有利的。因此间隔管不仅对屏蔽纺丝电极1的相对纺丝元件的电场，因此使纺丝过程稳定有相当大影响，而且对纺丝电极1的更高刚度有相当大影响。
轴4，可能按照某些所示实施例所述纺丝电极1的间隔管是在用于生产纳米纤维的装置中，所述装置水平而旋转式安装在未示出的聚合物溶液的储存器中，而在纺丝电极1的下侧上与收集电极相反的某些纺丝元件插入聚合物溶液中，所述聚合物溶液装在聚合物溶液的储存器中，而在当轴4被间隔管代替的情况下，在间隔管和聚合物溶液之间没有不希望的接触。轴4，可能是间隔管或者纺丝电极的其它部分也用已知方式与未示出的驱动装置耦合，所述驱动装置用于纺丝电极1的旋转运动。
在用于通过聚合物溶液静电纺丝生产纳米纤维的装置运行期间，纺丝电极1由于驱动装置绕其纵向轴线旋转及其沿着端面2和3的圆周均匀定位的纺丝元件随后插入聚合物溶液的储存器中聚合物溶液液位下方，及由于它的物理性能，所以它们在被聚合物溶液覆盖的液位上方露出。若纺丝元件露出，则带有聚合物溶液的纺丝元件随后接近收集电极，所述收集电极同纺丝电极1的纺丝元件相比，与接地或者连接到高压电源的相对极上的静电纺丝技术无关。在当纺丝元件足够地接近接收电极的时刻，由于它们电位差的结果，在纺丝元件和接收电极之间形成了足够强的电场，所述电场沿着纺丝元件的整个长度开始纺丝过程。在纺丝过程期间，聚合物纳米纤维是从纺丝元件的表面上的聚合物溶液形成，上述聚合物纳米纤维通过静电场的力的作用移向接收电极。
纺丝元件保持在一位置，所述位置适合于只在纺丝元件表面上将聚合物溶液纺丝一定的时间间隔，其时间长度充分满足纺丝电极1绕轴线41旋转的速度，且在结束这个时间间隔之后，纺丝元件移动远离接收电极附近，和随后再插入聚合物溶液储存器内的聚合物溶液中。到接收电极的附近中，其间随后再使纺丝元件含有聚合物溶液，用于在它们的表面上纺丝。因此，具有上述纺丝元件配置的纺丝电极能连续生产纳米纤维。
尽管如此，纺丝电极1的构造不是仅限于上述实施例及它们的修改部分。纺丝电极的各个元件的配置的另一些可能性还由用于生产纳米纤维的装置的其它部分的配置和结构产生。这些实施例的其中之一在图4中示出。在这种情况下，纺丝电极1包括两个端面2和3，所述端面2和3各都通过一圆盘形成，所述圆盘用不导电材料制成。
端面2和3在外侧上装备有铰链20和30，所述铰链20和30旋转式和在轴向上安装在聚合物溶液7的储存器6的相对的壁中。在它们的端部处，铰链装备有齿轮201，301，且在安装时，它们的相互轴向位置用某种已知的方式固定，在所示的实施例中是通过定距环202，302固定，所述定距环202，302安装在铰链20和30的颈部中，并紧靠在聚合物溶液储存器6的外壁上。齿轮201，301与驱动齿轮82，83耦合，所述驱动齿轮82，83与驱动装置8耦合。齿轮201，301和驱动齿轮82，83的连接不仅用于朝同一方向和用同一速度驱动端面2和3，而且还保证端面2和3的恒定相互位置，其中两个端面2和3中对应的槽彼此相对排列，以便穿过这些槽的纺丝机构与端面2和3的旋转轴线平行。沿着端面2的整个周边，均匀地设置了径向槽21，22，23，24，25和26，而围绕端面3的整个周边，均匀地设置了径向槽31，32，33，34，35和36，而同时按照上述实施例的某些实施例，穿过端面2的圆周上的径向槽和穿过端面3的圆周上的径向槽，达到绳5闭合成无接头的环或者若干绳5封闭成若干无接头的环。
基于所有上述实施例，可以形成几乎无限量的各种或多或少不同的纺丝电极1的变体，所述变形尤其是通过在端面2和3的圆周上的许多径向槽，因此通过纺丝电极1的许多纺丝元件而与上述实施例不同，可能通过所述不同一个或多个绳5不闭合成无接头的环，但它们在某个端面2，3的外侧上开始和完成。另一些不同也可以通过端面2和3的各种不同实施例达到，所述端面2和3原则上可以形成为任何三维体，不过端面2和3的最合适的解决方案似乎是不导电材料制成的圆盘，圆盘的边缘根据一个或多个绳5的耐久性和安全性，及这些端面2和3对纺丝过程的影响最小来弄圆。
按照本发明所述的纺丝电极1的实施例的另一个可能的变体是当端面2和3中完成了开口而不是径向槽的变体，在上述开口中设置一个或多个绳5。不过在使用这种结构的纺丝电极1时，产生一些困难，所述困难尤其是由聚合物溶液的影响引起，上述聚合物溶液进入端面2和3的表面上所附有的接收电极和纺丝电极1之间的静电场中。在端面上开始纺丝过程的危险通过合适的部署在端面上的纺丝溶液的擦除机构防止。
工业适用性
按照本发明所述的纺丝电极可在用于通过水及非水聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置中应用。
标号明细表
标号  原文                             说明
1     spinning electrode               纺丝电极
2     end face                         端面
20    hinge                            铰链
201   tooth wheel                      齿轮
202   distance ring                    定距环
21    radial groove                    径向槽
22    radial groove                    径向槽
23    radial groove                    径向槽
24    radial groove                    径向槽
25    radial groove                    径向槽
26    radial groove                    径向槽
3     end face                         端面
30    hinge                            铰链
301   tooth wheel                      齿轮
302   distance ring                    定距环
31    radial groove                    径向槽
32    radial groove                    径向槽
33    radial groove                    径向槽
34    radial groove                    径向槽
35    radial groove                    径向槽
36    radial groove                    径向槽
4     shaft                            轴
41    shaft axis                       轴的轴线
5     cord                             绳
514   cord                             绳
525   cord                             绳
536   cord                             绳
6     reservoir of polymer solution    聚合物溶液的储存器
7     polymer solution                 聚合物溶液
8     drive                  驱动装置
81    driving tooth wheel    驱动齿轮
82    driving tooth wheel    驱动齿轮

Claims (9)

1.一种细长形状的回转式纺丝电极(1)，用于通过聚合物溶液的静电纺丝生产纳米纤维的装置，上述纺丝电极(1)包括一对端面(2，3)，在所述一对端面(2，3)之间，设置了若干由金属丝形成的纺丝构件，所述纺丝构件沿着周边均匀地分布，并与回转式纺丝电极(1)的旋转轴线(41)平行，所述纺丝构件使得聚合物溶液从聚合物溶液储存器进入电场中用于纺丝，其特征在于，端面(2，3)用不导电材料制成，且所有纺丝构件都用导电方式相互连接。
2.按照权利要求1所述的回转式纺丝电极(1)，其特征在于，各纺丝构件由一金属绳(5)形成，所述金属绳(5)在槽(21，22，23，24，25，26，31，32，33，34，35，36)或开口中交替式从所述一对端面(2，3)中的一个端面伸展到所述一对端面(2，3)中的另一个端面，所述槽或开口沿着所述一对端面(2，3)的周边。
3.按照权利要求2所述的回转式纺丝电极，其特征在于，绳(5)在端面(2，3)上伸展到接下来的槽(21，22，23，24，25，26，31，32，33，34，35，36)或开口，由此它伸展到所述一对端面(2，3)中的另一个端面。
4.按照权利要求2所述的回转式纺丝电极，其特征在于，绳(5)在端面(2，3)上交叉式伸展到在端面(2，3)的周边的相对侧上的槽(21，22，23，24，25，26，31，32，33，34，35，36)或者开口。
5.按照权利要求1所述的回转式纺丝电极，其特征在于，纺丝构件分成若干对，所述若干对由一金属绳(5)形成，而这些绳在端面(2，3)上交叉。
6.按照上述权利要求其中之一所述的回转式纺丝电极，其特征在于，端面(2，3)安装在轴(4)上。
7.按照权利要求1-5其中之一所述的回转式纺丝电极，其特征在于，端面(2，3)安装在不导电的间隔管上。
8.按照权利要求6所述的回转式纺丝电极，其特征在于，轴(4)在端面之间的部分被不导电的间隔管覆盖。
9.按照权利要求1-5其中之一所述的回转式纺丝电极，其特征在于，端面(2，3)在外侧上与铰链(20，30)在轴向上连接，所述铰链(20，30)旋转式安装，并在聚合物溶液(7)的储存器(6)的相对壁中轴向上对准，而在所述一对端面(2，3)中的一个端面中的径向槽(21，22，23，24，25，26)或开口相对于所述一对端面(2，3)中的另一个端面中的径向槽(31，32，33，34，35，36)或开口排列，及铰链(20，30)与纺丝电极(1)的驱动装置(8)耦联。
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