CN103628150A - 一种多喷头静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种多喷头静电纺丝装置，涉及一种静电纺丝装置。设有可控注射装置、液体导管、分液装置、高压电源、上层气罩、下层气罩、曲面电极板、纺丝喷头、转接头、下层气体导管、辅助调压阀、辅助气泵、上层气体导管、调压阀、气泵以及接收装置。通过喷头进行批量连续纺丝，通过引入双层辅助气流，上层辅助气流的拉伸力加快静电纺丝速度，提高静电纺丝效率，细化纳米纤维，减小电纺纳米纤维直径。下层辅助气流促进电纺纳米纤维在收集板上均匀分布，提高纳米纤维膜厚度均匀性，改善静电纺丝纳米纤维质量，可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小射流间的静电干扰。可降低电场集中现象和静电干扰，喷头方便拆卸清理、更换，容易操控。

Description

一种多喷头静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，特别是涉及具有双层辅助气体的大面积、多射流的一种多喷头静电纺丝装置。

背景技术

近几年来，高压静电纺丝技术以其简单、通用、容易操控、成本低等优点已经成为制备纳米纤维材料的主流技术，而且可以实现纳米结构的尺寸形貌可调可控。静电纺丝技术制备的纳米纤维材料已经被广泛的研究，并应用在纺织、过滤器、增强材料、光电器件、催化剂、传感器以及生物医学领域。目前，传统静电纺丝采用单根纺丝喷头仅能产生一束射流，产量只有0.02g/h（O.O.Dosunmu,G.G.Chase,W.Kataphinan and D.H.Reneker.Electrospinningof Polymer Nanofibers from Multiple Jets on a Porous Tubular Surface[J].Nanotechnology,2006,17:1123-1127），效率非常低，无法进行批量制造纳米纤维，因此静电纺丝纳米纤维批量装置也就成为了这项技术工业应用的关键。目前提高静电纺丝纳米纤维效率的方法有采用多纺丝喷头进行静电纺丝（F.L.Zhou,R.H.Gong,et al.Polymericnanofiber via flat spinneret electrospinning[J].Polymer Engineering&Science,2009,49(12),2475-2481）。目前大多数采用的是使用标准注射纺丝喷头作为喷嘴，但这种方式下给各个纺丝喷头提供高压电源难度比较高，常见的是采用导线缠绕各个纺丝喷头的方式进行统一提供高压电源，这种方式比较繁琐，不方便，应对纺丝喷头数量较多的时候尤其不实用。并且采用多纺丝喷头体系，每个射流均存在类似单根纺丝喷头体系静电纺丝的鞭动不稳定性，射流之间还会发生静电排斥作用，使射流产生倾斜现象，增加了射流不稳定性，纺出的纳米纤维不均匀，影响了所制备纳米纤维的质量。

发明内容

本发明的目的旨在提供可提高静电纺丝效率，减小纺丝射流之间静电干扰，促进电纺纳米纤维在收集板上均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性，改善静电纺丝纳米纤维质量，确保多喷射流的稳定快速喷射，实现绝缘基底的纳米纤维收集，具有双层辅助气流的一种多喷头静电纺丝装置。

本发明设有可控注射装置、液体导管、分液装置、高压电源、上层气罩、下层气罩、曲面电极板、纺丝喷头、转接头、下层气体导管、辅助调压阀、辅助气泵、上层气体导管、调压阀、气泵以及接收装置；

所述可控注射装置连接液体导管一端，液体导管另一端与分液装置输液口连接；转接头分别与分液装置上的阵列螺纹孔螺纹连接；转接头上锥形凸台与纺丝喷头的锥形内孔连接；纺丝喷头穿过曲面电极板上的通孔，曲面电极板上表面与纺丝喷头球面段接触，曲面电极板对纺丝喷头施加向上的预紧力并固定在分液装置上；各个转接头上螺纹段端面设有直槽，通过直槽向下调节各个转接头与分液装置的螺纹连接，消除纺丝喷头球面段与曲面电极板上表面存在的间隙，各个纺丝喷头与曲面电极板上表面可靠接触；纺丝喷头穿过上层气罩底部圆柱凸台上的同轴弧形通孔，上层气罩底部圆柱凸台底面位于纺丝喷头针尖上方并接近纺丝喷头的针尖，上层气罩底部圆柱凸台底面与分液装置连接，下层气罩的通孔阵列分别穿过上层气罩底部的每组圆柱凸台，下层气罩的底面位于上层气罩底部圆柱凸台底面的上方，接近上层气罩底部圆柱凸台底面并与分液装置连接；上层气罩与曲面电极板中间形成上层储气室，下层气罩与上层气罩之间形成下层储气室；气泵连接调压阀，调压阀连接上层气体导管，上层气体导管分成三路分别与分液装置侧边上方均匀圆周阵列的三个气孔通道连接，均匀供气至上层储气室；辅助气泵连接辅助调压阀，辅助调压阀连接下层气体导管，下层气体导管分成三路分别与分液装置侧边下方均匀圆周阵列的三个气孔通道连接，均匀供气至下层储气室；接收装置位于纺丝喷头正下方并垂直于纺丝喷头轴向；高压电源的正负极分别连接曲面电极板和接收装置。

所述每组圆柱凸台数量可为3～10个。

所述纺丝喷头可采用不锈钢纺丝喷头，不锈钢纺丝喷头上设有锥形内孔，锥形内孔与转接头下端锥形凸台配合连接。

所述曲面电极板的上表面和下表面均为曲面形状，曲面形状由多段圆弧光滑连接而成，圆弧曲率半径为0.1～1m，各段圆弧弧高为0.05～0.2m，曲面电极板上设有通孔阵列，每个通孔分别与纺丝喷头连接；纺丝喷头穿过曲面电极板上的通孔阵列并与曲面电极电接触，且曲面电极板对纺丝喷头有向上的预紧力，使锥形孔与转接头锥形凸台配合更紧密。

本发明通过多纺丝喷头进行批量连续纺丝，显著提高静电纺丝的效率，通过引入双层辅助气流，上层辅助气流的拉伸力加快静电纺丝速度，进一步提高静电纺丝效率，并且进一步细化纳米纤维，减小电纺纳米纤维直径，下层辅助气流分别作用于每组邻近射流，在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流树形作用，促进电纺纳米纤维在收集板上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性，改善静电纺丝纳米纤维的质量，借助气流还可以在绝缘基底上的收集喷印。同时气流可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小射流间的静电干扰。通过引入曲面电极板供电，可以降低电场集中现象，降低纺丝喷头之间的静电干扰，简单实用地对所有纺丝喷头统一提供高压电源，且各个纺丝喷头方便拆卸清理、方便更换，容易操控。

附图说明

图1是本发明实施例的结构组成示意图。

图2是本发明实施例的纺丝喷头、上层气罩、下层气罩的结构示意图。

图中，各标记为：1.可控注射装置，2.液体导管，3.分液装置，4.高压电源，5.上层气罩，6.下层气罩，7.曲面电极板，8.纺丝喷头，9.转接头阵列，10.下层气体导管，11.辅助调压阀，12.辅助气泵，13.上层气体导管，14.调压阀，15.气泵，16.接收装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和2，本发明实施例设有可控注射装置1、液体导管2、分液装置3、高压电源4、上层气罩5、下层气罩6、曲面电极板7、纺丝喷头8、转接头9、下层气体导管10、辅助调压阀11、辅助气泵12、上层气体导管13、调压阀14、气泵15以及接收装置16。

所述可控注射装置1连接液体导管2一端，液体导管2另一端与分液装置3输液口连接；转接头9分别与分液装置3上的阵列螺纹孔螺纹连接；转接头9上锥形凸台与纺丝喷头8的锥形内孔连接；纺丝喷头8穿过曲面电极板7上的通孔，曲面电极板7上表面与纺丝喷头8球面段接触，曲面电极板7对纺丝喷头8施加向上的预紧力并固定在分液装置3上；各个转接头9上螺纹段端面设有直槽，通过直槽向下调节各个转接头9与分液装置3的螺纹连接，消除纺丝喷头8球面段与曲面电极板7上表面存在的间隙，各个纺丝喷头8与曲面电极板7上表面可靠接触；纺丝喷头8穿过上层气罩5底部圆柱凸台上的同轴弧形通孔，上层气罩5底部圆柱凸台底面位于纺丝喷头8针尖上方并接近纺丝喷头8的针尖，上层气罩5底部圆柱凸台底面与分液装置3连接，下层气罩6的通孔阵列分别穿过上层气罩5底部的每组圆柱凸台，下层气罩6的底面位于上层气罩5底部圆柱凸台底面的上方，接近上层气罩5底部圆柱凸台底面并与分液装置3连接；上层气罩5与曲面电极板7中间形成上层储气室，下层气罩6与上层气罩之5间形成下层储气室；气泵15连接调压阀14，调压阀14连接上层气体导管13，上层气体导管13分成三路分别与分液装置3侧边上方均匀圆周阵列的三个气孔通道连接，均匀供气至上层储气室；辅助气泵12连接辅助调压阀11，辅助调压阀11连接下层气体导管10，下层气体导管10分成三路分别与分液装置3侧边下方均匀圆周阵列的三个气孔通道连接，均匀供气至下层储气室；接收装置3位于纺丝喷头8正下方并垂直于纺丝喷头轴向；高压电源4的正负极分别连接曲面电极板7和接收装置16。

所述每组圆柱凸台数量可为3～10个。

所述纺丝喷头采用不锈钢纺丝喷头，不锈钢纺丝喷头上设有锥形内孔，锥形内孔与转接头下端锥形凸台配合连接。

所述曲面电极板的上表面和下表面均为曲面形状，曲面形状由多段圆弧光滑连接而成，圆弧曲率半径为0.1～1m，各段圆弧弧高为0.05～0.2m，曲面电极板上设有通孔阵列，每个通孔分别与纺丝喷头连接；纺丝喷头穿过曲面电极板上的通孔阵列并与曲面电极电接触，且曲面电极板对纺丝喷头有向上的预紧力，使锥形孔与转接头锥形凸台配合更紧密。

本发明设有调节机构，各个转接头螺纹凸台端面开有直槽，通过直槽向下调节各个转接头与分液装置的螺纹连接，使转接头与纺丝喷头一同朝下运动，消除各个纺丝喷头球面段与曲面电极板上表面之间存在的间隙，使纺丝喷头均与曲面电极板可靠接触；通过高压电源正极连接曲面电极板，可同时向所有纺丝喷头统一提供高压电源，所引入的曲面供电可以降低电场集中现象，减小纺丝喷头之间的静电干扰，且各个纺丝喷头方便拆卸清理、方便更换，容易操控。

本发明提供的气泵与调压阀连接，控制输出气流的气压；调压阀与上层气体导管连接，上层气体导管分成三路，分别与分液装置侧边上方的三个均匀圆周阵列的气孔连接，将从调压阀输出的气流均匀输入曲面电极板与上层气罩之间构成的上层储气室；上层气罩底部有阵列圆柱凸台，圆柱凸台上均有同轴弧形通孔，通孔的内表面为低曲率弧形面，弧形面末端与竖直面相切，通孔数量与纺丝喷头数量相同；上层气罩的上下表面呈曲面，与曲面电极板的表面相同；通过各个纺丝喷头穿过上层气罩上的弧形通孔，使上层气罩底部的圆柱凸台底面位于纺丝喷头针尖上方，且接近纺丝喷头针尖；输入上层储气室内具有一定气压的气流在上层气罩的弧形通孔的引导聚焦作用下，产生与静电纺丝射流方向相同的辅助气流，辅助气流的拉伸力加快静电纺丝速度，进一步提高静电纺丝的效率，并且进一步细化纳米纤维。同时气流可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小射流间的静电干扰，确保各个喷头都能同时产生稳定的纺丝射流喷射；通过调节调压阀可以控制输入上层储气室的气流气压大小，进而控制上层辅助静电纺丝气流的压强大小，同时上层气罩与分液装置的连接处设置有上下的高度调节，可调节上层气罩的高度，从而调节上层气罩底部圆柱凸台底面与纺丝喷头针尖的距离，综合调节使上层气流辅助静电纺丝的效果达到最佳；

本发明所提供的辅助气泵与辅助调压阀连接，控制输出气流的气压；辅助调压阀与下层气体导管连接，下层气体导管分成三路，分别与分液装置侧边下方的三个均匀圆周阵列的气孔连接，将从辅助调压阀输出的气流均匀输入上层气罩与下层气罩之间构成的下层储气室；下层气罩的上下表面呈曲面，与曲面电极板的表面相同；下层气罩上有通孔阵列，通孔直径能囊括一组邻近的纺丝喷头，每一组邻近的纺丝喷头的数量可为3～10个，通孔数量能囊括所有纺丝喷头；通过一组与一组纺丝喷头同轴的上层气罩底部圆柱凸台穿过下层气罩上的通孔，使下层气罩位于上层气罩底部圆柱凸台底面上方，且下层气罩下表面接近上层气罩底部圆柱凸台底面；各个纺丝喷头、转接头、曲面电极板通孔、上层气罩弧形通孔保持同轴心；输入下层储气室内具有一定气压的气流在下层气罩的通孔的引导作用下，产生与静电纺丝射流方向相同的辅助气流，通过各个通孔分别作用于各组纺丝喷头，辅助气流使每各组纺丝喷头所喷射的射流得到充分的拉伸细化，减小电纺纳米纤维直径，促进电纺纳米纤维在收集板上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性，每一组纺丝喷头数量可为3～10；通过调控辅助调压阀可以控制输入下层储气室的气流气压大小，进而控制下层辅助静电纺丝气流的压强大小，同时下层气罩与分液装置的连接处设置有上下的高度调节，可调节下层气罩的高度，从而调节上层气罩底部圆柱凸台底面与下层气罩底面的距离，综合调节使下层气流辅助静电纺丝的效果达到最佳。

本发明所提供接收装置位于纺丝喷头正下方，其底面垂直于纺丝喷头轴向；高压电源负极连接接收装置，使纺丝喷头与接收装置之间形成高压电场；可控注射装置和分液装置连接使纺丝液均匀通过转接头内孔供应至各个纺丝喷头，使各个纺丝喷头同时喷射纺丝；所述的纺丝喷头、转接头、曲面电极板通孔以及上层气罩底部弧形通孔阵列方式一致；通过更改所设计曲面电极板的通孔、上层气罩的弧形通孔数量以及位置可以应用于不同纺丝喷头数量、不同纺丝喷头排列方式的多纺丝喷头喷头，更改下层气罩的通孔阵列方式以适应不同分组的纺丝喷头，故本发明所述的多纺丝喷头喷头可以是任何纺丝喷头数量、任何纺丝喷头排列方式。

本发明通过多纺丝喷头进行批量连续纺丝，显著提高静电纺丝的效率，通过引入双层辅助气流，上层辅助气流的拉伸力加快静电纺丝速度，进一步提高静电纺丝的效率，并且进一步细化纳米纤维，减小电纺纳米纤维直径，下层辅助气流分别作用于每组的纺丝射流，在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流束形作用，促进电纺纳米纤维在收集板上的均匀分布。各纺丝喷头喷嘴出口高度不相同，纺丝喷头喷嘴出口与下层气罩通孔出口平齐，或纺丝喷头喷嘴伸出下层气罩通孔出口0～5mm，或纺丝喷头喷嘴缩进下层气罩通孔出口0～5mm。

本发明引入双层辅助气体有助提高纺丝喷射速度、提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性，改善静电纺丝纳米纤维的质量，借助气流还可以在绝缘基底上的收集喷印。同时气流可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小射流间的静电干扰。通过引入曲面电极板供电，可以降低电场集中现象，降低纺丝喷头之间的静电干扰，简单实用地对所有纺丝喷头统一提供高压电源，且各个纺丝喷头方便拆卸清理、方便更换，容易操控。

Claims (5)

1.一种多喷头静电纺丝装置，其特征在于设有可控注射装置、液体导管、分液装置、高压电源、上层气罩、下层气罩、曲面电极板、纺丝喷头、转接头、下层气体导管、辅助调压阀、辅助气泵、上层气体导管、调压阀、气泵以及接收装置；

所述可控注射装置连接液体导管一端，液体导管另一端与分液装置输液口连接；转接头分别与分液装置上的阵列螺纹孔螺纹连接；转接头上锥形凸台与纺丝喷头的锥形内孔连接；纺丝喷头穿过曲面电极板上的通孔，曲面电极板上表面与纺丝喷头球面段接触，曲面电极板对纺丝喷头施加向上的预紧力并固定在分液装置上；各个转接头上螺纹段端面设有直槽，通过直槽向下调节各个转接头与分液装置的螺纹连接，消除纺丝喷头球面段与曲面电极板上表面存在的间隙，各个纺丝喷头与曲面电极板上表面可靠接触；纺丝喷头穿过上层气罩底部圆柱凸台上的同轴弧形通孔，上层气罩底部圆柱凸台底面位于纺丝喷头针尖上方并接近纺丝喷头的针尖，上层气罩底部圆柱凸台底面与分液装置连接，下层气罩的通孔阵列分别穿过上层气罩底部的每组圆柱凸台，下层气罩的底面位于上层气罩底部圆柱凸台底面的上方，接近上层气罩底部圆柱凸台底面并与分液装置连接；上层气罩与曲面电极板中间形成上层储气室，下层气罩与上层气罩之间形成下层储气室；气泵连接调压阀，调压阀连接上层气体导管，上层气体导管分成三路分别与分液装置侧边上方均匀圆周阵列的三个气孔通道连接，均匀供气至上层储气室；辅助气泵连接辅助调压阀，辅助调压阀连接下层气体导管，下层气体导管分成三路分别与分液装置侧边下方均匀圆周阵列的三个气孔通道连接，均匀供气至下层储气室；接收装置位于纺丝喷头正下方并垂直于纺丝喷头轴向；高压电源的正负极分别连接曲面电极板和接收装置。

2.如权利要求1所述一种多喷头静电纺丝装置，其特征在于所述每组圆柱凸台数量为3～10个。

3.如权利要求1所述一种多喷头静电纺丝装置，其特征在于所述纺丝喷头采用不锈钢纺丝喷头，不锈钢纺丝喷头上设有锥形内孔，锥形内孔与转接头下端锥形凸台配合连接。

4.如权利要求1所述一种多喷头静电纺丝装置，其特征在于所述曲面电极板的上表面和下表面均为曲面形状，曲面形状由多段圆弧光滑连接而成，圆弧曲率半径为0.1～1m，各段圆弧弧高为0.05～0.2m，曲面电极板上设有通孔阵列，每个通孔分别与纺丝喷头连接。

5.如权利要求1所述一种多喷头静电纺丝装置，其特征在于纺丝喷头穿过曲面电极板上的通孔阵列并与曲面电极电接触。

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