CN104060333A - 一种莲蓬电纺喷头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电纺丝技术领域，一种莲蓬电纺喷头包括外壳体，外壳体底面为一弧面，外壳体顶面开设有溶液入口，外壳体内部设有溶液通道，溶液通道的底面为弧面，溶液通道的底面均匀设置有数个导体喷嘴，导体喷嘴伸出外壳体外部，形成喷射通道，溶液通道的底面还设有高压电极，高压电极与导电喷嘴电性连接，外壳体内位于溶液通道下方区域设有导气管，导气管与外部辅助气流发生器连通，导气管上面和下面均设有供导体喷嘴穿过的上通孔和下通孔，导气管下通孔孔径大于导体喷嘴的外径，该下通孔边沿设有围绕导体喷嘴周围的引流筒，外壳体底面设有与引流筒底部配合的开孔。本发明显著提高了静电纺丝射流密度和纳米纤维喷射效率。

Description

一种莲蓬电纺喷头

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，具体涉及一种莲蓬电纺喷头。

背景技术

纳米纤维在空气过滤、水体污染物去除和生物医学等方面都有着很好的应用前景，并开始商业化运用。静电纺丝作为一种新兴的纳米纤维喷射制造技术，因其设备简单、操作方便、成本低，而且原料来源广泛，在众多的纳米纤维制造技术中显现出很多优点，已经成为纳米纤维的主流制备技术，得到大范围的推广。

如何提高纳米纤维的生产效率且增强纤维的均匀性是静电纺丝制造技术领域的重点和难点。目前，传统静电纺丝所采用的单根纺丝喷嘴仅能产生一束射流，产量只有0.02g/h左右，生产效率非常低，难以满足纳米纤维工业化、商业化生产应用的需求。因此批量化进行电纺纳米纤维的高效喷射制造，已经成为了静电纺丝技术和电纺纳米纤维产业化应用的关键。多纺丝喷嘴进行静电纺丝喷射是提高纳米纤维喷射效率最常采用的方法。但是，静电纺丝喷射过程需要在导体纺丝喷嘴上施加高压电场，各个带电喷嘴或射流之间将产生相互的电荷排斥和电场抑制，无法保证多射流的正常稳定喷射，多数喷嘴受电场抑制而无法产生射流喷射；喷嘴无法正常稳定喷射，容易产生液滴滴落，破坏了纳米纤维膜的均匀性；同时射流相互排斥，也容易引导射流产生波动而影响了射流喷射的稳定性和纳米纤维的均匀性。再者，从喷嘴处产生的纺丝射流携带有大量的自由电荷，射流间排斥力大射流密度难以增大，射流密度小于0.5根每平方厘米。

受电场抑制干扰的作用，多喷嘴静电纺丝喷射无法实现稳定高效的喷射，并且纳米纤维膜的均匀性也不容易保持，难以在批量化纳米纤维喷射制造中进行推广应用。增大纺丝喷嘴间的距离，有利于降低电荷排斥和电场抑制的影响，以促证多个纺丝喷嘴的长时间、稳定喷射；但经验和理论计算表明，纺丝喷嘴间的距离需要大于5cm才能保证多纺丝射流的稳定喷射；但随着喷嘴间距的增大，纺丝射流密度将随之减小，从而降低了电纺纳米纤维喷射效率，严重影响了静电纺丝批量化产量的提高，难以推广应用。

针对批量化静电纺丝纳米纤维，已经有了多种无针尖静电纺丝技术，如滚筒电极、线电极、边缘效应、气泡式和诱导式等方法。但无针尖静电纺丝喷射过程，溶液液面皆处于自由波动状态，射流处于无约束可以在表面进行自由移动。射流从溶液自由表面的喷射产生，射流初始直径变化很大、射流均匀性差别大；并且，纺丝射流不受约束易产生波动，射流直径变化范围大，严重影响了电纺纳米纤维膜的均匀性和品质。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种集成化、带鞘气约束的高密度静电纺丝导体喷嘴，显著提高了静电纺丝射流密度和纳米纤维喷射效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种莲蓬电纺喷头，包括外壳体，所述外壳体底面为一弧面，所述外壳体顶面开设有溶液入口，所述外壳体内部设有溶液通道，所述溶液通道的底面为弧面，所述溶液通道的底面均匀设置有数个导体喷嘴，所述导体喷嘴伸出外壳体外部，形成喷射通道，溶液通道的底面还设有高压电极，所述高压电极与导电喷嘴电性连接，所述外壳体内位于溶液通道下方区域设有导气管，所述导气管与外部辅助气流发生器连通，所述导气管上面和下面均设有供所述导体喷嘴穿过的上通孔和下通孔，所述导气管下通孔孔径大于导体喷嘴的外径，该下通孔边沿设有围绕所述导体喷嘴周围的引流筒，所述外壳体底面设有与引流筒底部配合的开孔。

进一步的，所述外壳体横截面上小下大呈扇形，所述外壳体顶面为一平面，所述外壳体底面为一弧面，所述外壳体顶面开设有溶液入口，所述溶液入口与外部溶液供给装置相连通。

进一步的，该溶液通道的内壁为光滑过渡的双曲线弧面，光滑过渡双曲线弧面能够减少溶液流动阻力，以保证溶液能顺利流向导体喷嘴。

更进一步的，所述溶液通道的底面为弧面，所述导体喷嘴呈向外发射状态均匀分布在溶液通道底面上，这种设计使得所述导体喷嘴的喷口大致沿弧面分布，而非处于同一个水平面，从而避免了或降弱了多个纺丝导体喷嘴之间的电场干扰与抑制。

进一步的，所述导气管的上表面和下表面均为弧面，所述上通孔与导体喷嘴紧密配合，以免气流从该通孔内向外泄露。

进一步的，所述开孔边沿与引流筒边沿密封配合连接。这能够保证辅助气流能够最大化地被引流筒引流至导体喷嘴周围，保证鞘层气流通道的形成。

进一步的，所述溶液通道中心区域从左至右沿一水平位置设有左溶液挡块、中心溶液挡块和右溶液挡块，所述右溶液挡块与左溶液挡块相对所述中心溶液挡块两侧对称排列设置。所述左溶液挡块、中心溶液挡块和右溶液挡块将溶液通道中的纺丝溶液分隔成多股流体，分别引导多股流体流向不同区域的导体喷嘴，保证供液的均匀，提高静电纺丝的均匀性。

进一步的，所述外壳体介于所述溶液通道底面和导气管下底面之间的侧面上开设有气体入口，所述气体入口包括位于所述外壳体左侧的左气体入口和位于所述外壳体右侧的右气体入口，所述左气体入口和右气体入口均与所述导气管内部连通。所述外部辅助气流发生器通过左气体入口和右气体入口向所述导气管内部输送辅助气流。

更进一步的，所述导气管的中部区域的截面高度低于所述导气管的两侧区域的横截面高度，通过这种设计，使得辅助气流从左气体入口和右气体入口进入后，首先进入到较为宽阔的导气管两侧区域，进而向较为狭窄的导气管中部区域流动，这有利于控制辅助气流速度与压力，保证流向各个导流筒内的辅助气流压强与流速的一致性，以保证纺丝射流的均匀性。

进一步的，所述导气管下表面、导气管上表面、溶液通道底面均为具有相同圆心的同心弧面。

进一步的，所述引流筒直径为导体喷嘴外径的1.05~2倍。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明通过设计弧形喷头，且在弧形喷头底部设有数个静电纺丝导体喷嘴，再沿所述弧形喷头底部设置一层弧形导气管，所述弧形导气管中设置有复数个围绕于静电纺丝喷嘴四周的导流筒，气流进导气管流进导流筒内在导体喷嘴周围形成鞘层气流通道，保证纺丝溶液的流向均匀，提高纺丝射流喷射的均匀性和稳定性。

本发明还在溶液通道设有数个溶液挡块，均匀地将溶液分成多股引导其均匀地流向各个区域的导体喷嘴。

本发明由于将导体喷嘴设置在弧形喷头底部，因此各个导体喷嘴出口处沿弧形分布而非处于同一个水平面，从而避免了或降弱了多个纺丝导体喷嘴之间的电场干扰与抑制作用。

本发明的导体喷嘴分别单独设置于独立导流筒之中，静电纺丝喷射过程气孔中通有辅助气流环绕形成鞘层气流。为溶液的喷射提供额外的拉伸作用，促进纺丝射流的快速喷射，并且鞘层气流围绕于纺丝射流四周，可以对纺丝射流的喷射过程提供屏蔽作用，以减纺丝射流相互之间的电荷排斥与抑制作用，避免了射流间的相互干扰，以保证的各个射流的稳定喷射。

附图说明

图1是本发明的实施例的结构示意图；

图2是图1的A处局部放大图。

【符号说明】

溶液入口1；喷嘴外壳2；右溶液挡块3；高压电极4；右气体入口5；导流筒6；导体喷嘴7；导气管下表面8；导气管9；左气体入口10；导气管上表面11；左溶液挡块12；中心溶液挡块13；内壁14；溶液通道15；接收板20。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1所示，本发明的一种莲蓬电纺喷头，包括外壳体2，所述外壳体2横截面上小下大呈扇形，所述外壳体2顶面为一平面，所述外壳体2底面为一弧面，所述外壳体2顶面开设有溶液入口1，所述溶液入口1与外部溶液供给装置相连通，所述外壳体2内部设有形状与外壳体2匹配的溶液通道15，所述溶液通道15的底面为弧面，溶液通道15的底部弧面上铺设有高压电极4，所述高压电极4是以面的形式敷设在弧面上，高压电极4为导体材料，如铜等。所述高压电极4与溶液通道15底部紧密接触，所述高压电极4连接外部高压电源，所述溶液通道15底部均匀设置有数个导体喷嘴7，所述导体喷嘴伸出外壳体2外部，形成喷射通道，且该溶液通道15的内壁14为光滑过渡的双曲线弧面，光滑过渡双曲线弧面能够减少溶液流动阻力，以保证溶液能顺利流向导体喷嘴7。

由于溶液通道15底面为弧面，因此导体喷嘴7也是呈向外发散排列在溶液通道15底面上，导体喷嘴7的长度可以设计成一致，这就使得各个的导体喷嘴7的喷口也沿弧面分布，而非处于同一个水平面，从而避免了或降弱了多个纺丝导体喷嘴之间的电场干扰与抑制。

所述溶液通道15中心区域从左至右沿一水平位置设有左溶液挡块12、中心溶液挡块13和右溶液挡块3，所述右溶液挡块3与左溶液挡块12相对所述中心溶液挡块13两侧对称排列设置。为了使得液流流畅，所述中心溶液挡块13横截面可为光滑的类椭圆形，其与左溶液挡块12、右溶液挡块3相对的一面设置成大致呈镜面，而相应的，所述左溶液挡块12、右溶液挡块3相对所述中心溶液挡块13一侧面也可以设置成相匹配的镜面，保证液流的快速通过，而所述左溶液挡块12、右溶液挡块3远离中心溶液挡块13的一侧则可以根据需要设计成凸起的弧面，这样可以有效地将液流引导至两侧的导体喷嘴上。

所述左溶液挡块12、中心溶液挡块13和右溶液挡块3将溶液通道15中的纺丝溶液分隔成多股流体，分别引导多股流体流向不同区域的导体喷嘴7，保证供液的均匀，提高静电纺丝的均匀性。

所述高压电极4与导电喷嘴7电性连接，保证静电纺丝喷射过程可以对各个导体喷嘴7施加高压电场。所述外壳体2内位于溶液通道15底面位置处设有导气管9，所述导气管9位于所述溶液通道15底面和外壳体底面之间的区域，所述导气管9为罩状导气管9，所述罩状导气管9的上表面为弧面，并且与溶液通道15底面紧密配合连接，所述罩状导气管9的上表面上设有供所述导体喷嘴7穿过的上通孔，所述上通孔与导体喷嘴7紧密配合，以免气流从该通孔内向外泄露，所述罩状导气管9的下表面为弧面，其上设有供所述导体喷嘴7穿过的下通孔，所述下通孔的孔径大于所述导体喷嘴7的外径，且该下通孔边沿设有围绕所述导体喷嘴7周围的引流筒6，所述外壳体2底面设有与引流筒6底部配合的开孔，所述开孔边沿与引流筒6边沿密封配合连接。所述导体喷嘴7与所述引流筒6同轴配合设置。所述外壳体2介于所述溶液通道15底面和导气管9下底面之间的侧面上开设有气体入口，所述气体入口包括位于所述外壳体2左侧的左气体入口10和位于所述外壳体2右侧的右气体入口5，所述左气体入口10和右气体入口2均与所述导气管9内部连通。外部辅助气流发生器通过左气体入口10和右气体入口5向所述导气管内部输送辅助气流。为了保证气体的密封性和节约能源，所述左气体入口10和右气体入口5与导气管衔接处采用密封连接。所述导气管9的中部区域的截面高度低于所述导气管的两侧区域的横截面高度，通过这种设计，使得辅助气流从左气体入口10和右气体入口2进入后，首先进入到较为宽阔的导气管9两侧区域，进而向较为狭窄的导气管9中部区域流动，这有利于控制辅助气流速度与压力，保证流向各个导流筒6内的辅助气流压强与流速的一致性，以保证纺丝射流的均匀性。

所述导气管9下弧面8、导气管9上弧面11、溶液通道15底部弧面三个弧面具有相同圆心，属同同心弧面。为保证气体流向流向各个引流筒6，经过流体计算分析导气管下弧面8所对应的曲率半径大于导气管上弧面11所对应的曲率半径，而导气管上弧面11所对应的曲率半径大于溶液通道15底部弧面所对应的曲率半径。经计算与实验分析，较优的曲率半径范围如下：导气管下弧面8所对应的曲率半径5~50cm；导气管上弧面11所对应的曲率半径为导气管下弧面8所对应的曲率半径的0.95~0.6；溶液通道15底部弧面所对应的曲率半径为导气管上弧面11所对应的曲率半径的0.8~0.99。引流筒6直径为导体喷嘴7外径的1.05~2倍。

本发明的工作原理如下：

启动静电纺丝装置，并接通高压电源，将高压电源正极/负极与接收板20连接，高压电源负极/正极与高压电极4连接，外部溶液供给装置将溶液经溶液入口1输入至本发明的喷头的外壳体2中的溶液通道15内，参考图1中的虚线箭头所示，所述溶液通道15中的所述左溶液挡块12、中心溶液挡块13和右溶液挡块3将溶液通道15中的纺丝溶液分隔成多股流体，分别引导多股流体流向不同区域的导体喷嘴7，启动静电纺丝的同时，将辅助气流经左气体入口10和右气体入口5进入导气管9内，参考图1中的实线箭头所示，所述辅助气流首先进入到较为宽阔的导气管9两侧区域，进而向较为狭窄的导气管9中部区域流动，而较窄的导气管9中部为辅助气流流向各个导流筒6内提供了一定的压力，保证了流向各个导流筒6内的辅助气流压强与流速的一致性，以保证纺丝射流的均匀性，所述辅助气流进入到各个导流筒6后，在有界的纺丝射流体边缘存在着约束带电粒子的电势。这能使到导流筒6壁的纺丝射流的正电流和负电流平衡。在通常情况下，纺丝射流是由数量相等的正离子和电子组成，其中电子比离子更易移动得多，因而纺丝射流相对导流筒壁呈正电性。在纺丝射流和导流筒6壁之间的非电中性区域称作鞘层，因此，辅助气流就围绕于各个导体喷嘴7的周围形成鞘层气流。而由于导体喷嘴7和接收板20两个电极之间加上电压，导体喷嘴7与接收板20之间的强电场诱使空气产生电晕，而电晕表层电荷密度较高，可在纺丝射流与鞘层气流之间形成双电层结构，获得带电鞘层气流。带电鞘层气流环绕于纺丝射流四周形成封闭的包裹结构，对纺丝射流起到了屏蔽保护作用，可克服或减弱外界电荷对射流的排斥干扰，以保证纺丝射流的稳定持续喷射。同时，双电层结构增强了射流表面的局部电场强度，提高了纺丝射流所受的拉伸作用力有利于克服纺丝射流上的溶液表面张力防止纺丝射流表面珠状结构的形成。因此，该鞘层气流可以为溶液的喷射提供额外的拉伸作用，促进纺丝射流的快速喷射。并且由于鞘层气流围绕于纺丝射流四周，可以对纺丝射流的喷射过程提供屏蔽作用，以减纺丝射流相互之间的电荷排斥与抑制作用，避免了射流间的相互干扰，以保证各个射流的稳定喷射。在鞘层气流的作用下，导体喷嘴7之间的最小距离可减小至0.5~1cm并且能保持长时间稳定喷射，有效地提高了静电纺丝喷射射流密度和纳米纤维制造的效率。鞘层气流对于静电纺丝射流的额外拉伸作用，有助于促进射流得到充分的拉伸，有利于减小纳米纤维的直径并提高纳米纤维的均匀性。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：包括外壳体，所述外壳体底面为一弧面，所述外壳体顶面开设有溶液入口，所述外壳体内部设有溶液通道，所述溶液通道的底面为弧面，所述溶液通道的底面均匀设置有数个导体喷嘴，所述导体喷嘴伸出外壳体外部，形成喷射通道，溶液通道的底面还设有高压电极，所述高压电极与导电喷嘴电性连接，所述外壳体内位于溶液通道下方区域设有导气管，所述导气管与外部辅助气流发生器连通，所述导气管上面和下面均设有供所述导体喷嘴穿过的上通孔和下通孔，所述导气管下通孔孔径大于导体喷嘴的外径，该下通孔边沿设有围绕所述导体喷嘴周围的引流筒，所述外壳体底面设有与引流筒底部配合的开孔。

2.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述外壳体横截面上小下大呈扇形，所述外壳体顶面为一平面，所述外壳体底面为一弧面，所述外壳体顶面开设有溶液入口，所述溶液入口与外部溶液供给装置相连通。

3.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：该溶液通道的内壁为光滑过渡的双曲线弧面。

4.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述溶液通道的底面为弧面，所述导体喷嘴呈向外发射状态均匀分布在溶液通道底面上。

5.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述导气管的上表面和下表面均为弧面。

6.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述开孔边沿与引流筒边沿密封配合连接。

7.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述溶液通道中心区域从左至右沿一水平位置设有左溶液挡块、中心溶液挡块和右溶液挡块，所述右溶液挡块与左溶液挡块相对所述中心溶液挡块两侧对称排列设置。

8.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述外壳体介于所述溶液通道底面和导气管下底面之间的侧面上开设有气体入口，所述气体入口包括位于所述外壳体左侧的左气体入口和位于所述外壳体右侧的右气体入口，所述左气体入口和右气体入口均与所述导气管内部连通。

9.根据权利要求8所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述导气管的中部区域的截面高度低于所述导气管的两侧区域的横截面高度。

10.根据权利要求1所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述导气管下表面、导气管上表面、溶液通道底面均为具有相同圆心的同心弧面。

11.根据权利要求5至10任一所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述引流筒直径为导体喷嘴外径的1.05-2倍。

12.根据权利要求5至10任一所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：所述导气管下表面所对应的曲率半径5-50cm。

13.根据权利要求5至10任一所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：导气管上表面所对应的曲率半径为导气管下表面所对应的曲率半径的0.95-0.6倍。

14.根据权利要求5至10任一所述的一种莲蓬电纺喷头，其特征在于：溶液通道底面所对应的曲率半径为导气管上表面所对应的曲率半径的0.8-0.99倍。