CN102586903A - 一种电纺机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电纺机，具有多辊式接收装置、纺丝喷头和真空箱体三个部分。多辊式接收装置包括可转动的平面多辊和立体多辊；电纺液喷丝装置包括喷头和电纺丝供液装置，喷头包括针和带有通孔的储液容器；电纺液从针和通孔之间的空隙流出，电纺液经喷头形成泰勒锥后出丝，到达接收辊；接收辊有两个以上，每个接收辊对应至少一个喷头，喷头沿着相应的接收辊的轴向往复运动；真空箱将电纺液喷丝装置和接收装置容纳在内，气体经真空箱抽气口离开真空箱被处理后，从真空箱进气口回到真空箱，再进行下一次的循环。本发明具有结构简单，有效提高生产效率的优点，适用于静电纺丝领域。

Description

一种电纺机

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术，具体的说，涉及一种静电纺丝设备，适用于纳米纤维材料的制备。

背景技术

在纳米纤维材料的制备方法中，静电纺丝技术具有独特的优点。首先，常规纺丝工业制备的超细纤维最高只能达到微米级别，无法达到精细过滤、多孔支架等许多领域应用中的要求，如在组织工程支架领域，需要细小直径的纤维以便于机体的降解吸收。应用中的静电纺丝制备的纤维直径为100至500nm，可较好的满足应用方面的需求。其次，静电纺丝已被公认为最为简单有效制备纳米纤维的方法并已成功用于多种材料的纳米纤维制备。最后，电纺材料具有的高孔隙性、高比表面、高渗性等特性，在组织工程、膜工程、传感器、生物芯片等领域得到了广泛的研究与应用。

自1930年Formhals发明静电纺丝技术以来，人们已成功制备各种聚合物纳米纤维并对其性能作了详细研究。其基本原理如下：在高压静电场中，聚合物溶液进入并在高场强下充电。带电液滴受到的库仑力、表面张力及溶液间的粘力。当力处于平衡状态时，液滴外观表现为泰勒锥；当库仑力继续加大，平衡被打破，纤维从液滴上抽出并在向收集端运动中不断地分裂为纳米纤维。溶液在运动中挥发，形成纳米纤维丝。

实际应用中的一些技术细节问题，阻碍了静电纺丝技术的工业化应用。如喷射型的电纺丝设备的纺丝效率为0.1至1g/h。而且现有的纺丝设备大多采用单根毛细管/针头，主要通过毛细管/针头的叠加来提高效率，为了达到高通量的电纺丝产品的制备，现有采用的技术有多喷头，通过增加纺丝喷头的数量以达到高通量的目的，如中国专利ZL200610028790.X，ZL200720103321.X，ZL200910031948.2；但毛细管/针头的加工和清洗存在一定的难度，严重阻碍静电纺丝的生产效率，而且喷头之间的干扰往往造成纺丝效果的降低。多喷头的管路设计存在的缺陷，往往会造成每个喷头出液速度的不均匀及成膜质量的降低。

现有的阵列多喷头静电纺丝设备，包括电纺液供液装置、电纺液喷丝装置、接收电极板、电纺纤维传送装置和高压静电发生器。电纺液喷丝装置包括喷管和喷头，喷头采用毛细管，呈阵列排布；电纺纤维传送装置包括进料滚筒装置和出料滚筒装置。喷管沿电纺纤维传送方向并列设置；喷头沿喷管轴向并列设置，喷管间距为1至100厘米，喷头间距为1至50厘米，电纺丝喷液装置采用阵列多喷头装置。

这种结构的设备，毛细管容易堵塞，同时，阵列的喷管和喷头加工困难。这种多管平行排列的结构，在加工具有较大粘性的材料时容易造成各毛细管管口处的压力不均，出液速度不稳定，进而可能造成针头挂丝等问题，影响生产的长期稳定性。

传统静电纺丝设备由于小范围排布喷管会造成各个喷丝口处场强的分布极不均匀，常常无法正常的全部喷射。与此同时较大的相邻射流静电排斥，致使接收极上获得独立的多个圆形膜，没有达到小范围内提高单位面积喷丝速率。

现有的回转式纺丝电极，包括一对绝缘端面，端面间若干金属丝形成的纺丝构件，纺丝构件沿圆周同等分布，且与回转式纺丝电极的旋转轴线平行。这种结构，纺丝纤维的连续性不如毛细管式电纺丝设备；溶液处于一个相对较为开放的环境中，溶液易挥发。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种结构简单，有效提高生产效率的同时保证产品的质量更稳定的电纺机。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电纺机，包括：电纺液喷丝装置和接收装置；电纺液喷丝装置包括喷头，接收装置包括可转动的接收辊；电纺液经喷头形成泰勒锥后出丝，到达接收辊；接收辊有两个以上，每个接收辊对应至少一个喷头，喷头沿着相应的接收辊的轴向往复运动。

采用这种结构后，即采用两个以上的接收辊，且接收辊和喷头成对设置，各接收辊和喷头同时作业，采用接收辊的个数即为产量提高的倍数。喷头各自独立设置，较阵列式的喷头来说，喷头之间只要相隔一定距离，将不会受其他喷头的静电场的影响。同时，只要将接收辊之间相隔一定距离，接收辊之间的相互影响也会较小，尤其当接收辊之间的距离设置在60厘米以上时，相互干扰已经维持在一个很小的水平，甚至可以忽略不计。喷头沿着相应的接收辊的轴向往复运动，可使接收辊在轴向上接收的丝厚度均匀。

对于采用多个接收辊的结构，有如下四种优选的方式：各接收辊排列在同一水平面上；接收辊沿着轴向方向依次排列成行，沿着平行方向依次排列成列；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。各接收辊排列在同一水平面上，并围成圈；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。排列成两层以上；同一水平面上的接收辊沿着轴向方向依次排列成行，沿着平行方向依次排列成列；不同水平面的接收辊对应平行排列；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。排列成两层以上；同一水平面的接收辊围成圈；不同水平面的接收辊对应平行排列；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。

这四种优选的结构，可在接收辊保持避免相互影响距离的前提下，使接收辊的排列更为紧凑，尤其对于多层的接收辊结构，便于操作者在一个位置上同时实现对多个接收辊的操作。接收装置采用多辊式结构，单组辊单元可以较独立的调节接收时所需的转速，如有需要也可对接收装置的接收电压作适当的调节。接收辊与支撑接收辊的固定装置间通过无油轴承或其他工业上常见的连接方式，实现接收辊在支撑架上的转动。接收辊的驱动方式为电机驱动，相邻结构间可采用皮带、齿轮和链条等常见的传动方式。每个接收辊采用一套单独的喷头，可单独制备纳米电纺膜。这里所说的单组辊单元，例如对于平面的行列式结构来说，可将一行接收辊设为一组；对于多层圈式结构来说，可将平行的垂直竖列作为一组；当然也可根据需要，将任意若干个接收辊设为一组，只要同组的接收辊通过传动结构关联后，可同时调整转速即可。对于平面结构的接收辊，喷头可设置在对应接收辊的上方；对于多层结构的接收辊，喷头可设置在对应接收辊的外侧。每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反，调整接收辊负电压值以优化电纺膜性能。

电纺机还包括将电纺液喷丝装置和接收装置容纳在内的真空箱。

采用这种结构后，即电纺液喷丝装置与接收装置位于真空的条件下工作，可带来如下的优点：1、由于喷头喷出电纺液采用常压方式，而喷头外处于真空状态，两者产生的压差可作为喷头喷出电纺液的驱动力；2、真空条件下，电纺液中溶剂的沸点进一步降低，加快了溶剂挥发速度，避免了高通量静电纺丝中电纺膜透明现象的出现；3、在真空密闭的环境中，易于对电纺丝氛围进行精确的控制，避免环境因素的影响，如温度、湿度、灰尘杂质的影响；4、真空抽气可便于溶剂的回收，利于保护环境，重复利用资源。

真空箱的进气口高于抽气口；抽气口接真空泵；气体经抽气口离开真空箱被处理后，从进气口回到真空箱，再进行下一次的循环。

采用这种结构后，进气口高于抽气口，尤其当进气口与抽气口尽量远离，即进气口位于靠上的位置，抽气口位于靠下的位置，风路的方向为由上往下，与电纺丝的出丝方向相一致。抽气口抽出的气体通过一系列的处理，如：溶剂蒸汽收集、除湿、温度调节后从进气口重新进入真空箱中或直接回收。可在真空箱的内部设有溶剂蒸汽监测器、温度监测器、湿度监测器等实现对纺丝环境的实时检测，并通过设置控制系统的反馈调节系统，实现设备全自动化。气体循环利用，可在规模化生产中实现零排放，减少对环境的污染。

喷头包括针和带有通孔的储液容器，针穿过通孔；电纺液从针和通孔之间的空隙流出，在针头处形成泰勒锥。针孔式结构的喷头易于加工。当带有通孔的储液容器受到一定的压力，电纺液即可在通孔和针之间的间隙流出，在针的引导和静电力的作用下，电纺液即可在针头形成泰勒锥并进行静电纺丝。

喷头包括与储液容器相对固定的针板；多根针分布在针板的同一面上；储液容器的通孔数量与针的数量相同、位置对应；针头伸出储液容器的长度为1至10毫米。

采用这种结构后，一个喷头上可密集的排布多个通孔，形成多个泰勒锥，提高生产效率。同时，这种结构的喷头容易加工，喷液时不易堵塞、不滴液，维护时便于清洗。通过调整合适的针长度及针分布，减弱了针之间的电场干扰，避免个别通孔产生阻塞现象，进一步提高了纺丝效率及纺丝质量的稳定性。

所述的针的横截面可以是圆形、椭圆形、三角形、正方形等形状或为其他的形状，针头处可形成尖端或不形成尖端，只要针的形状能引导电纺液形成泰勒锥即可。针的横截面的面积可以为0.01至4平方毫米，优选为0.01至0.25平方毫米。通孔的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、正方形、星形、弯月形或为其他的形状，只要能使针通过其中并与针之间留有间隙即可，优选通孔的宽度略大于针0.1毫米。针伸出通孔的尺寸可以为1至10毫米，优选2至5毫米。针可以垂直于通孔所在的平板面从通孔中伸出，也可以倾斜于通孔所在的平板面从通孔中伸出，整个喷头在安装时，只要满足针垂直于对应接收辊外曲面的切线方向即可。

电纺机还包括电纺液供液装置，包括：气泵、缓冲配气室、储液室；装有电纺液的储液室的数量与喷头相同，且与喷头一一对应；气泵与缓冲配气室气路连通，缓冲配气室通过分气管与每个储液室气路连通，每个储液室与对应的喷头液路连通。

现有技术方案中，压力式电纺液驱动往往采用的是气泵直接加压于储液室，电纺液从储液室中进入喷头。这种方案在仅有一个喷头可完成生产，当喷头的数量很多时，尤其喷头分层排列，即依据分层排列的接收辊排列在不同的高度时，现有的结构具有以下不足：1、不同高度的喷头之间所受压力会有不同，影响生产稳定性；2、管路中有大量的原料，生产时不可能保证所有管路中的原料同时出料结束，在多管路系统中，易造成管路中原料浪费及管路清洁维护困难；3、由于静电纺丝使用的原料多为具有一定黏度的液体，液体在管路中传递时受流体力学影响，会有压力阻滞作用，该不稳定因素进一步影响了生产的稳定性。采用缓冲配气室后，每组储液室和喷头均由缓冲配气室单独供气，气路分别独立，因此避免了前述提及的重力、液路残留及管壁黏滞等现象。通过调整缓冲配气室的体积，可进一步提高气体压力的缓冲稳定性。总的说来，缓冲配气室的设置可保证各喷头所受的压力恒定、简化结构、降低成本并且易于操控。

附图说明

图1是第一种实施方式中接收辊的示意图。

图2是第一种实施方式中喷头的结构示意图。

图3是第二种实施方式接收辊的多层圈式结构示意图，且其位于真空箱内。

图4是第二种实施方式中带有倾斜式针的针板。

图5是电纺液供液装置与电纺液喷丝装置的供液原理图。

下面是附图中的标记和对应的名称：

1	接收辊	2	支撑架	3	喷头
						4	支架	5	储液容器	6	针板
7	盖板	8	针	9	出液口
						10	皮带	11	真空箱	12	进气口
13	抽气口	14	通孔	15	液管
						16	分气管	17	储液室	18	缓冲配气室
19	气泵

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

电纺机包括电纺液供液装置、电纺液喷丝装置、接收装置和高压静电发生器。如图1所示，接收装置包括四个接收辊1，接收辊1均安装在支撑架2上。沿着接收辊1的轴向方向，两接收辊1排列成行；沿着接收辊1的平行方向，接收辊1排列成两列。一行接收辊1为一组，同组的接收辊1间通过齿轮传动，且由电机带动转动；同组的两接收辊1以相同的速率转动，并可同时调节转速。接收辊1的正上方设有喷头3，四个接收辊1对应四个喷头3，喷头3安装于支架4上。喷头3在水平面上沿着接收辊1的轴向来回运动，从而保证接收辊1可均匀接收电纺丝。每个接收辊1可通过电刷、导线等类似部件连接与喷头极性相反的静电产生装置，静电产生装置分别对各个接收辊1的电压进行调节，调节电压值改变静电纺丝喷头与接收辊1的电场分布，以达到调节产品性能的目的。

电纺液喷丝装置主要包括喷头3、用于安装喷头3的支架4、以及驱动支架4水平往复运动的驱动装置。如图2所示的喷头3除可采用针管式结构外，还可设计主要包括储液容器5、针板6以及盖板7组成的针孔式结构。储液容器5的底部设有通孔14。针板6固定于储液容器5底板的凸台上。针板6的下部平面均布多根针8，针板6上均布若干出液口9。针8与针板6的平面垂直，针8的数量与位置与通孔14对应。盖板7上设有接液管15的安装头。安装时，针板6置入储液容器5和盖板7中，从而针8的针头可穿过通孔14并从储液容器5中伸出4毫米。

图5所示的电纺液供液装置与电纺液喷丝装置，其中电纺液供液装置包括：气泵19、缓冲配气室18以及储液室17。气泵19供气至缓冲配气室18，缓冲配气室18通过分气管16分成多条气路。每条分气管16与该支路的储液室17气路连通，储液室17与喷头3通过液管15液路连通。气泵19供气给缓冲配气室18，缓冲配气室18对各储液室17分别进行压力调节。当缓冲配气室18对储液室17施加压力时，储液室17内的电纺液经液管15输送至盖板7和针板6之间的容腔内，再经针板6上的出液口9进入针板6和储液容器5之间的容腔内，最后从针8与储液容器5底部的通孔14之间的间隙流出，在针8的导向和静电的作用下，在针头处形成泰勒锥。

在高压静电发生器的作用下，由于喷头3带有高压，而接收辊1为金属辊，因此喷头3与接收辊1间存在压差，电纺丝形成并被接收辊1接收。

实施例二

电纺机包括电纺液供液装置、电纺液喷丝装置、接收装置、真空箱11和高压静电发生器。图3所示，其中接收装置的接收辊1为多层圈式结构。十二个接收辊1排成三层，每层四个围成一圈，不同水平面间的相应竖列的接收辊1相互平行。竖列的三个平行接收辊1为一组，由电机驱动，相邻接收辊1通过皮带10传动，从而同组接收辊1以同样的转速转动接收，并可同时调整转速。

每个接收辊1的外侧均设有一个喷头3(图3中未全示出十二个喷头)。喷头3沿着接收辊1的轴向往复运动。

接收装置与电纺液喷丝装置容纳在真空箱11内，真空箱11靠近上方设有进气口12，靠近下方有抽气口13。抽气口13接真空泵，气体经抽气口13离开真空箱11被处理后，如：溶剂蒸汽收集、除湿、温度调节等，从进气口12回到真空箱11，再进行下一次循环。

图4所示的喷头3，其针板6上的针8与针板6的平面倾斜，相应的，储液容器5中的通孔14也是倾斜的通孔。针板6固定于盖板7上。该喷头3只要在安装时，满足针8垂直于对应接收辊1外曲面的切线方向即可。该针板6上没有设有出液口，针板6的尺寸小于储液容器5内腔的尺寸，从而电纺液可通过针板6的外围间隙，从针板6上方流至针板6下方。

本实施例未提及部分同实施例一。

Claims (10)

1.一种电纺机，包括：电纺液喷丝装置和接收装置；电纺液喷丝装置包括喷头，接收装置包括可转动的接收辊；电纺液经喷头形成泰勒锥后出丝，到达接收辊，其特征在于：所述接收辊有两个以上，每个接收辊对应至少一个喷头，喷头沿着相应的接收辊的轴向往复运动。

2.按照权利要求1所述的一种电纺机，其特征在于：所述的接收辊有多个，各接收辊排列在同一水平面上；接收辊沿着轴向方向依次排列成行，沿着平行方向依次排列成列；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。

3.按照权利要求1所述的一种电纺机，其特征在于：所述的接收辊有多个，各接收辊排列在同一水平面上，并围成圈；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。

4.按照权利要求1所述的一种电纺机，其特征在于：所述的接收辊有多个，排列成两层以上；同一水平面上的接收辊沿着轴向方向依次排列成行，沿着平行方向依次排列成列；不同水平面的接收辊对应平行排列；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。

5.按照权利要求1所述的一种电纺机，其特征在于：所述的接收辊有多个，排列成两层以上；同一水平面的接收辊围成圈；不同水平面的接收辊对应平行排列；每个接收辊分别与静电产生装置相接，接收辊电压与喷头处电压极性相反。

6.按照权利要求1所述的一种电纺机，其特征在于：所述的电纺机还包括将电纺液喷丝装置和接收装置容纳在内的真空箱。

7.按照权利要求6所述的一种电纺机，其特征在于：所述的真空箱的进气口高于抽气口；抽气口接真空泵；气体经抽气口离开真空箱被处理后，从进气口回到真空箱，再进行下一次的循环。

8.按照权利要求1所述的一种电纺机，其特征在于：所述的喷头包括针和带有通孔的储液容器，针穿过通孔；电纺液从针和通孔之间的空隙流出，在针头处形成泰勒锥。

9.按照权利要求8所述的一种电纺机，其特征在于：所述的喷头包括与储液容器相对固定的针板；多根针分布在针板的同一面上；储液容器的通孔数量与针的数量相同、位置对应；针头伸出储液容器的长度为1至10毫米。

10.按照权利要求1至9中任一项所述的一种电纺机，其特征在于：所述的电纺机还包括电纺液供液装置，包括：气泵、缓冲配气室、储液室；装有电纺液的储液室的数量与喷头相同，且与喷头一一对应；气泵与缓冲配气室气路连通，缓冲配气室通过分气管与每个储液室气路连通，每个储液室与对应的喷头液路连通。

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