CN103668482A - 一种电场均布的多射流静电纺丝喷头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，包括溶液注入管、喷丝板和电极，所述喷丝板为空心的多级的圆台上叠加小圆台的阶梯形喷丝板，每级的圆台的上底面上布有喷丝孔；所述电极与所述喷丝板的空心内腔形状一致，且与所述喷丝板的空心内腔保持间隙形成溶液腔；所述喷丝板的材质为绝缘疏水材料。本发明的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，用绝缘疏水材料上打孔代替了传统的金属针头，消除了针头间电场排斥，使得从喷丝板板喷出的射流排斥作用减弱，有利于纳米纤维的收集；并且，利用台阶形的电极和与之相配的喷丝板有效的增加了中间孔位置的电场，使中间位置孔能形成稳定的射流，并且得到细度均匀的纳米纤维。

Description

一种电场均布的多射流静电纺丝喷头

技术领域

本发明涉及一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，特别是涉及一种无针头多射流静电纺丝的电场均布的喷头。

背景技术

静电纺丝技术是一种能利用高压静电场控制纤维的形态和规格制造纳米纤维网或者取向排列的连续纤维的工艺。该技术是将聚合物溶液或熔体在几千伏至几万伏的高压静电场下克服表面张力而产生带电喷射流，溶液或熔体在喷射过程中干燥、固化，最终落在接收装置上形成纤维毡或其它形状的纤维集合体。静电纺丝技术的核心是使带电流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质。随着近年来纳米科技的发展，这一技术因能制备具有纳米直径的超细纤维而引起人们的极大关注，对它的研究也进入了高速发展期。迄今为止，已经在纺丝机理、纤维的收集方法、同轴静电纺及静电纺纳米纤维的应用等方面取得很大进展。

另外，静电纺丝技术除了其制备的纳米纤维具有很高比表面积和能够形成独特的网状结构和高孔隙等独特结构和优越性能外，与其它方法相比生产效率相对较高，生产工艺和设备相对简单，成本低廉也是其获得研究人员青睐的主要优势之一。而且几乎现在已知的具有一定分子量的且可溶（熔）的高聚物如天然聚合物化合聚合物、纳米颗粒或载药聚合物以及陶瓷等均可以利用静电纺丝技术制成纳米纤维。另外，静电纺丝技术产品除纳米纤维外，还有诸如纳米颗粒、珠状物、带状物、杯状物、纳米孔纤维以及芯皮结构纳米纤维、负载药物纳米纤维等，因而具有其它方法无可比拟的优点。

传统的单针头静电纺丝机由于设备简单、成本较低、容易操作，易于改造，而且基本可以满足实验室对纳米纤维的需求，因而受到研究人员的广泛青睐。但随着静电纺丝技术的发展和纳米纤维应用范围的日益扩大，人们发现，传统静电纺丝机产率低的问题已经成为制约纳米纤维应用的瓶颈问题，只有0.0g-1g/h，这就限制了静电纺丝的工业应用。

多针头多射流静电纺丝装置是一种最直接提高静电纺丝纳米纤维产量的方法。多针头多射流法是将一定数量了的针头按照相应阵列排布以达到批量化制造纳米纤维的目的。这种设计是提高静电纺纤维产率的有效方法，其中针头的排布、数量以及所占的空间是影响纤维膜产率和品质的三个关键因素。但是由于针头与针头之间的电场分布不均匀，使边缘针头电场强，中间针头电场弱，易使纤维质量不稳定；同时，由于针头施加的相同极性的电压使得针头之间相互排斥从而引起射流的排斥，使膜纤维不均匀的且收集困难；多针头静电纺丝技术还存在易堵塞的现象，难以清洗。

无针头多射流静电纺丝技术的出现，在一定程度上避免了上述问题，它摒弃了通过针头形成射流这一基本思路，而是通过不同方式使溶液在某一区域内从其液面上尽可能多地形成射流，从而达到增加纤维产率的目的。这种方法是使射流从自由液面在高压电场的作用下喷射而出到达接收板，与多针头多射流技术相比，无针头多射流方法的每根射流的喷射的流量是不可控的，因此该方法生产的纳米纤维不匀率较高，且溶液形成疵点。

发明内容

本发明的目的是提供一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，特别是提供一种无针头多射流静电纺丝的电场均布的喷头。本发明是一种能够有效提高内部射流位置电场，使每层射流形成处与接收板之间形成均匀电场的多射流静电纺丝喷头，有效的解决了多针头纺丝技术中内层电场强度不足而形成的射流疵点；用聚四氟乙烯喷丝板取代金属针头从而消除了针头间电场相互排斥作用，能够有效的控制射流的排斥易于收集，且能够控制每根射流喷射的流量使得生产的纳米纤维细度均匀，并且能够实现连续稳定生产纳米纤维膜，操作简单方便。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种能有效提高内部射流处电场强度，使得多层射流具有均匀的电场强度从而能够生产细度均匀的纳米纤维，并且能够有效的控制多射流之间的排斥作用。其特征在于：利用一个台阶形的金属电极和一个与之相吻合的多孔的聚四氟乙烯多台阶板组合而成的多射流静电纺丝喷头，台阶形的电极能够有效的提高中间位置的电场，从而使得整体电场均匀。电极的中心插入一个空心管用来导入高聚物纺丝溶液，然后溶液进入电极与喷丝板之间形成的一个溶液腔里，溶液在微量注射泵的作用下通过喷丝板上的小孔在板的表面形成液滴。由于聚四氟乙烯的拒水性，高聚物溶液能在喷丝板上形成稳定的液滴，该液滴能在高压静电的作用下形成稳定的射流。

本发明的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，包括溶液注入管、喷丝板和电极，所述喷丝板为空心的多级的圆台上叠加小圆台的阶梯形喷丝板，每级的圆台的上底面上布有喷丝孔；所述电极与所述喷丝板的空心内腔形状一致，且与所述喷丝板的空心内腔保持间隙形成溶液腔；所述喷丝板的材质为绝缘疏水材料。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述多级为2～4级，且圆台的半径从底层到顶层依次减小。本技术方案通过增加圆台的级数来增加喷头上喷丝孔的数目，从而达到提高产量的目的。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述圆台或小圆台的母线与其下底面的夹角为60～90°。当圆台的级数增多时，高度足够小，该多级圆台形喷丝头可以拓展成半球体。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述喷丝孔位于所在圆台上底面的边缘，所述喷丝孔与所在圆台上底面的中心线距离比所在圆台上底面的半径小2～5mm。喷丝孔位于圆台边缘是为了利用在电场中边缘位置电场强度较大来提高喷丝孔位置的电场强度。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，当最上一级圆台的上底面只布一个喷丝孔时，该喷丝孔位于该上底面的中心；下级圆台上的喷丝孔在每级圆台上以喷丝板中心为圆心呈圆形分布。在相同面积内，相同孔距情况下，圆形分布时能容纳更多数目的喷丝孔；与线性分布相比，当喷丝孔呈圆形分布时，射流之间的影响会更小。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述电极与所述喷丝板所形成的溶液腔的高度为1～3mm。溶液腔高度较低时，腔内的溶液较少，溶液被极化的程度较高，更容易形成射流。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述电极与所述喷丝板所形成的溶液腔的高度均一。电极与喷丝板间的溶液腔的高度均一可保证溶液腔内的溶液带电程度均一，且与接收板之间形成的电场较为均匀。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述喷丝板的材质为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有优良的拒水性，有利于喷丝板表面形成稳定的聚合物液滴，从而更容易形成稳定射流。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，所述电极的材质为导电性良好的金属，为铝、铁或锌，或其合金，有利于溶液带电而形成射流。

理论基础：

1.均匀的电场能形成细度均匀的纳米纤维，在非均匀电场中，电场强度较弱处射流收到的电场力较小，聚合物射流所受的电场力拉伸较小，使得所纺纤维的细度不匀或者更容易形成溶液疵点；

2.当射流为一维线性排布情况下，两端射流对中间位置射流有一定的影响，两端射流更位稳定；当射流为二维n×n方阵排列或者多层同心圆排布情况下，外围射流会对中间射流形成一个屏蔽作用，使得内部的射流处的电场强度变弱，形成稳定的射流较为困难，外部射流更加稳定。

有益效果

1.与多针头多射流静电纺丝设备相比，本发明用绝缘拒水材料上打孔代替了传统的金属针头，消除了针头间电场排斥，使得从喷丝孔喷出的射流排斥作用减弱，有利于纳米纤维的收集。

2.利用台阶形的电极和与之相配的喷丝板有效的增加了中间孔位置的电场，使中间位置孔能形成稳定的射流，并且得到细度均匀的纳米纤维。

3.本发明的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，可以通过增加喷头的台阶的数目来增加喷丝板上的孔的数目，方便的提高多射流静电纺丝的产量。

附图说明

图1为电场均布多射流纺丝喷头示意图

图2为喷丝板剖面示意图

图3为喷丝板俯视示意图

图4是电极与中空管的装配示意图

图5是电极与中空管的俯视装配示意图

图6为喷丝板上孔位置的分布示意图

图7为电场均布喷头与平面喷头各个孔位置电场强度对比示意图

其中1是溶液注入管  2是电极  3是喷丝板  4是溶液腔

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，如图1所示，包括溶液注入管1、电极2和喷丝板3，所述喷丝板3为空心的多级的圆台上叠加小圆台的阶梯形喷丝板，见图2和图3，每级的圆台的上底面上布有喷丝孔；所述电极2与所述喷丝板3的空心内腔形状一致，见图4和图5，且与所述喷丝板3的空心内腔保持间隙形成溶液腔4；所述喷丝板3的材质为绝缘疏水材料。

所述多级为2～4级；所述圆台或小圆台的母线与其下底面的夹角为60～90°。

所述喷丝孔位于所在圆台上底面的边缘，所述喷丝孔与所在圆台上底面的中心线距离比所在圆台上底面的半径小2～5mm。

如上所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，当最上一级圆台的上底面只布一个喷丝孔时，该喷丝孔位于该上底面的中心；下级圆台上的喷丝孔在每级圆台上以喷丝板中心为圆心呈圆形分布，所图6所示。

所述电极2与所述喷丝板3所形成的溶液腔的高度为1～3mm。

所述电极2与所述喷丝板3所形成的溶液腔的高度均一。

所述喷丝板3的材质为聚四氟乙烯。

所述电极2的材质为导电性良好的金属，为铝、铁或锌，或其合金。

图7为电场均布喷头与平面喷头各个孔位置电场强度对比示意图，从图中可以看出，利用台阶形的电极和与之相配的喷丝板有效的增加了中间孔位置的电场，使中间位置孔能形成稳定的射流，能够得到细度均匀的纳米纤维。

Claims (9)

1.一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，包括溶液注入管、喷丝板和电极，其特征是：所述喷丝板为空心的多级的圆台上叠加小圆台的阶梯形喷丝板，每级的圆台的上底面上布有喷丝孔；所述电极与所述喷丝板的空心内腔形状一致，且与所述喷丝板的空心内腔保持间隙形成溶液腔；所述喷丝板的材质为绝缘疏水材料。

2.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述多级为2～4级。

3.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述圆台或小圆台的母线与其下底面的夹角为60～90°。

4.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述喷丝孔位于所在圆台上底面的边缘，所述喷丝孔与所在圆台上底面的中心线距离比所在圆台上底面的半径小2～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，当最上一级圆台的上底面只布一个喷丝孔时，该喷丝孔位于该上底面的中心；下级圆台上的喷丝孔在每级圆台上以喷丝板中心为圆心呈圆形分布。

6.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述电极与所述喷丝板所形成的溶液腔的高度为1～3mm。

7.根据权利要求1或6所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述电极与所述喷丝板所形成的溶液腔的高度均一。

8.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述喷丝板的材质为聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的一种电场均布的多射流静电纺丝喷头，其特征在于，所述电极的材质为导电性良好的金属，为铝、铁或锌，或其合金。

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