CN103422180A - 喷管电纺头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷管电纺头，属于静电纺丝领域，它包括电纺头本体，电纺头本体的尾部设置有溶液连接部，电纺头本体内由头至尾依次开有相连通的喇叭状纺丝喷口、极化喉孔和溶液腔孔，纺丝喷口的内壁面为逐渐向外增大的圆弧曲面，极化喉孔的孔径比溶液腔孔的孔径小，电纺头本体的头部的外壁呈直径逐渐向外缩小的圆锥状。本发明能够提高泰勒锥的形成速度，并且提高了溶液通过喷管电纺头的速率，电场方向性更好。

Description

喷管电纺头

技术领域

本发明涉及一种喷管电纺头，属于静电纺丝领域。

背景技术

目前，静电纺丝一项新的、用来生产连续直径在纳米级的纤维的高新技术。在传统的单喷头电纺装置中，一种或多种材料溶液在高强静电场的作用下，会在喷头位置形成泰勒圆锥，随着电压的增强，在泰勒圆锥处的流体表面张力和静电力的力平衡被打破，从而形成一束流体从泰勒圆锥顶部射出，该流束在其飞向收集装置的过程中，由于静电和流体粘弹性的作用，流束会被拉长，拉细几千倍，同时流束中溶剂的挥发，流束会固化，从而生成最终的固态纳米纤维，在电压条件不变的情况下，既要控制压力使溶液大量流出喷头，又要使溶液在电场力的作用下，全部的变为纳米纤维后喷到接收器上，整个工作过程要使喷头上的溶液在不溢出情况下，又要提高溶液的表面积，这些问题对于现在常用的针头来说，是相互矛盾和相互制约的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种能够提高泰勒锥的形成速度，并且提高了溶液通过喷管电纺头的速率，使电场方向性更好的喷管电纺头。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种喷管电纺头，它包括电纺头本体，电纺头本体的尾部设置有溶液连接部，电纺头本体内由头至尾依次开有相连通的喇叭状纺丝喷口、极化喉孔和溶液腔孔，极化喉孔的孔径比溶液腔孔的孔径小，电纺头本体的头部的外壁呈直径逐渐向外缩小的圆锥状。

进一步，所述的纺丝喷口2的内壁面2-1为逐渐向外增大的圆弧曲面。

进一步，所述的极化喉孔的直径为0.6～1.0毫米，其长度L3为1～3毫米。

进一步，所述的纺丝喷口的直径为2～3毫米，其长度L1为2～3毫米。

更进一步，所述的溶液腔孔的直径为2.5～3毫米，其长度L2为2～3毫米。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明提高了溶液通过喷管电纺头的速率，提高了对溶液的极化程度。本发明利用拉瓦尔喷管原理将溶液通过极化喉孔和溶液腔孔进行充分极化后，经纺丝喷口排出，由于溶液由大变小，又由小变大向外扩张，高压流体的速度随喷管电纺头的截面积的变化而变化，使流体加速，在高压静电纺丝过程中喷管电纺头起到了“流速增大器”使流出喷管电纺头的溶液在电场的作用下形成相对强大的射流，喷管电纺头提高了溶液流出的速率，为高压静电纺丝的高分子溶液射流，提供了充足的电纺推动力。

2、本发明提高了泰勒锥的形成速度，本发明的纺丝喷口的内壁面设计为逐渐向外增大的圆弧曲面，可以暂存足够多的溶液，在加速射流形成过程中，加大裸体溶液表画积，并增加库伦静电力，在电场力和溶液流出推力的作用下，提高了泰勒锥的形成速度。

3、本发明改善了喷管电纺头与接收器之间的电场，使电场更具有方向性，相对通常使用的针头来说，喷管电纺头头部的圆锥状结构加大了外部带电表面积，使喷管电纺头与接收器之间的高压静电场更均匀，锥状头部的目的是尖端放电，增加尖端放电的效果，使电场更具有方向性，同等电压下提高了高压电场的作用，扩大了电纺发散区域。

4、为了降低高质量供料系统的设计难度，溶液腔孔内的压力必须加大到40～65KPa，因其为开口系统，必须采用缩小极化喉孔的直径方法提高压力，但缩小极化喉孔的直径势必减少喷管电纺头溶液流量，如何在保证溶液流量的前提下，来加大溶液腔孔内的压力，缩小极化喉孔的直径后，一定要提高溶液通过极化喉孔的流速，溶液的流量、极化喉孔的直径、极化喉孔的长度、流速、压力的关系如下：

根据白努力方程：动能＝K2*V2≈静压能＝P*S；

Q＝K*D2*V(Q为体积流量，D为极化喉孔的直径，V为介质流速，K1为修正系数，取0.79，K2为动能系数，取0.5，△s为液体质点在△t时间内流动的距离)

根据上式可得出，当溶液腔孔内的压力为40～65KPa时，溶液通过直径为0.6～1.0毫米、长度为2～3毫米的极化喉孔，流量为0.2～1.0ml/min，在满足设备所需流量的同时将溶液质子的流速提高了一个数量级，在此流速下，溶液通过喇叭状纺丝喷口再次提速，使喷管电纺头出口的喷射力大大的提高。

附图说明

图1为本发明的喷管电纺头的结构示意图；

图2为图1的右视图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2所示，一种喷管电纺头，它包括电纺头本体，电纺头本体的尾部设置有溶液连接部1，电纺头本体内由头至尾依次开有相连通的喇叭状纺丝喷口2、极化喉孔3和溶液腔孔4，极化喉孔3的孔径比溶液腔孔4的孔径小，电纺头本体的头部的外壁呈直径逐渐向外缩小的圆锥状。这样的结构，就提高了溶液通过喷管电纺头的速率，提高了对溶液的极化程度，同时提高了泰勒锥的形成速度以及改善了喷管电纺头与接收器之间的电场。

为了提高了泰勒锥的形成速度，如图1所示，纺丝喷口2的内壁面2-1设计为逐渐向外增大的圆弧曲面。

极化喉孔3的直径为0.6～1.0毫米，其长度L3为2～3毫米。

喇叭状纺丝喷口2的直径为2～3毫米，其长度L1为2～3毫米。

溶液腔孔4的直径为2.5～3毫米，其长度L2为2～3毫米。

本发明的工作原理如下：

本发明利用拉瓦尔喷管原理将溶液通过极化喉孔3和溶液腔孔4进行充分极化后，经纺丝喷口2排出，由于溶液由大变小，又由小变大向外扩张，高压流体的速度随喷管电纺头的截面积的变化而变化，使流体加速，在高压静电纺丝过程中喷管电纺头起到了“流速增大器”使流出喷管电纺头的溶液在电场的作用下形成相对强大的射流，喷管电纺头提高了溶液流出的速率，为高压静电纺丝的高分子溶液射流，提供了充足的电纺推动力；本发明的纺丝喷口2的内壁画2-1设计为逐渐向外增大的圆弧曲面，可以暂存足够多的溶液，在加速射流形成过程中，加大裸体溶液表面积，并增加库伦静电力，在电场力和溶液流出推力的作用下，提高了泰勒锥的形成速度；相对通常使用的针头来说，喷管电纺头头部的圆锥状结构加大了外部带电表面积，使喷管电纺头与接收器之间的高压静电场更均匀，锥状头部的目的是尖端放电，增加尖端放电的效果，使电场更具有方向性，同等电压下提高了高压电场的作用，扩大了电纺发散区域。

为了降低高质量供料系统的设计难度，溶液腔孔4内的压力必须加大到40～65KPa，因其为开口系统，必须采用缩小极化喉孔3的直径方法提高压力，但缩小极化喉孔3的直径势必减少喷管电纺头溶液流量，如何在保证溶液流量的前提下，来加大溶液腔孔4内的压力，缩小极化喉孔3的直径后，一定要提高溶液通过极化喉孔3的流速，溶液的流量、极化喉孔的直径、极化喉孔的长度、流速、压力的关系如下：根据白努力方程：动能＝K2*V2≈静压能＝P*S；V＝lim△t→0△s△t＝dsdt；Q＝K*D2*V(Q为体积流量，D为极化喉孔的直径，V为介质流速，K1为修正系数，取0.79，K2为动能系数，取0.5，△s为液体质点在△t时间内流动的距离)，根掘上式可得出，当溶液腔孔4内的压力为40～65KPa时，溶液通过直径为0.6～1.0毫米、长度为2～3毫米的极化喉孔3，流量为0.2～1.0ml/min，在满足设备所需流量的同时将溶液质子的流速提高了一个数量级，在此流速下，溶液通过喇叭状纺丝喷口2再次提速，使喷管电纺头出口的喷射力大大的提高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明所涉及的技术发明要点之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种喷管电纺头，它包括电纺头本体，电纺头本体的尾部设置有溶液连接部(1)，电纺头本体内由头至尾依次开有相连通的喇叭状纺丝喷口(2)、极化喉孔(3)和溶液腔孔(4)，其特征在于：极化喉孔(3)的孔径比溶液腔孔(4)的孔径小，电纺头本体的头部的外壁呈直径逐渐向外缩小的圆锥状。

2.根据权利要求1所述的喷管电纺头，其特征在于：所述的纺丝喷口(2)的内壁面(2-1)为逐渐向外增大的圆弧曲面。

3.根掘权利要求1所述的喷管电纺头，其特征在于：所述的极化喉孔(3)的直径为0.6～1.0毫米，其长度L3为1～3毫米。

4.根据权利要求2所述的喷管电纺头，其特征在于：所述的极化喉孔(3)的直径为0.6～1.0毫米，其长度L3为1～3毫米。

5.根据权利要求1至4任一项所述的喷管电纺头，其特征在于：所述的纺丝喷口(2)的直径为2～3毫米，其长度L1为2～3毫米。

6.根据权利要求1至4任一项所述的喷管电纺头，其特征在于：所述的溶液腔孔(4)的直径为2.5～3毫米，其长度L2为2～3毫米。

7.根据权利要求5所述的喷管电纺头，其特征在于：所述的溶液腔孔(4)的直径为2.5～3毫米，其长度L2为2～3毫米。

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