CN104928768B - 一种内外双环气流辅助静电纺丝喷头装置 - Google Patents

Abstract

一种内外双环气流纺丝喷头装置，属于静电纺丝领域，其由喷头主体和正电极组成；喷头主体由4个相互嵌套且可拆卸的由内而外的第一组件、第二组件、第三组件和第四组件组成；喷头主体的4个组件构成内环气体流道、外环气体流道、中环料液流道和内环进气口；外环出气口、外环出气口和料液出口为同心环状；中环料液流道内设导流板；正电极伸入中环料液流道与料液接触；本喷头装置内、外均有气流辅助，结构简单，可控性强，密封性好，可避免纺丝过程中料液中的溶剂挥发问题，产量较针式、辊式、螺旋式静电纺丝装置提高数倍至十倍以上，可用于纳米纤维连续的产业化制备。

Description

一种内外双环气流辅助静电纺丝喷头装置

技术领域

本发明属于静电纺丝领域的静电纺丝喷头装置，特别涉及一种内外双环气流辅助静电纺丝喷头装置。

背景技术

静电纺丝技术最早在1930年美国专利US1975504中被提出，是一种利用静电场力制备纳米纤维的纺丝技术，在1993年被正式定义为静电纺丝技术；其工作原理是：将聚合物溶液或熔体通过针头或者喷头挤出并置于高压静电场中，在电场力的拉伸作用下形成泰勒锥，进而产生射流，细流在达到接收装置前产生高度拉伸，溶液中的溶剂蒸发或熔体固化，最后在接收装置上形成超细纤维。由于静电纺丝法具有许多其它纤维制备方法所不具备的独特的优势，近年来与静电纺丝产业化设备的开发和应用吸引了大批的专业人士。

提及产业化，首先就是要提高生产效率，而传统的静电纺丝方法制备纳米纤维的效率不理想，为提高静电纺丝的效率，多喷头静电纺丝装置被发明，如Tomaszewski【1】分别采用直线、椭圆和圆形分布的喷头进行纺丝实验；Theron【2】则试验了单针、七针和9针方型排布的方式。在多针头的方式下，当每个针的输液量大小分布不均导致某些针头的输液量大于纺丝所需的量时，喷头末端的纺丝料液会形成液滴滴下，为了保证纺丝料液以恒定的压力或流量输送到每个喷头上，电子化控制的多泵多喷头静电纺丝机被研制【3】，但设备的可操作性差，成本高。故此，多喷头的方式对喷涂效率有一定的提高，但无法避免喷头间的静电排斥干扰和堵针的问题。近年来，又出现了辊式无针头或者是其它的旋转式静电纺丝方式，但此类设备在电极旋转的过程中敞开式的料液槽导致溶剂的快速挥发，从而纺丝过程中料液的粘度变化对纺丝状态的稳定性和纳米纤维的质量造成了不良影响，或者是由于非连续性的供液方式导致生产被迫中断，不利于产业化的应用。

针对这一问题，本发明提出一种内外双环气流辅助纺丝喷头装置，该装置是由可拆卸的四大组件构成的纺丝喷头，结构简单，可控性强，纺丝的过程中供料系统是密封的，可避免纺丝过程中料液中的溶剂挥发问题，在内外高速环切气流的辅助下使得纤维得到了充分拉伸的同时，提高了纤维中溶剂的挥发速度，可制备出更细的纳米纤维，纺丝效率高，适用于纳米纤维的规模化的连续生产。

发明内容

本发明目的是提出一种内外双环气流辅助静电纺丝喷头装置，通过内、外双环形气流辅助的牵伸作用促使中间环形料液出口的料液在高压静电场中纺丝成纳米纤维，相比单针纺丝的形式，不仅解决了毛细管易堵塞的问题，同时纤维直径及纤维产率上均有很大的提高。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的内外双环气流纺丝喷头装置，其由喷头主体和正电极15组成；所述喷头主体由4个相互嵌套且可拆卸的由内而外的第一组件、第二组件、第三组件和第四组件组成；

所述第一组件为一上部带有外螺纹的圆柱形螺杆结构，第一组件的中上部设有一横向通孔，上部设有一与所述横向通孔相通的垂向中心孔1；

所述第二组件为一带等直径中心孔和上部外螺纹的圆柱形螺杆结构，等直径中心孔上部带有上部内螺纹，所述第二组件的上部内螺纹与所述第一组件的上部外螺纹相连接，二者之间形成内环气体流道4；所述第二组件的上部圆柱面上对称地设有第一垂向孔和第二垂向孔，所述第一垂向孔内装有正电极15；

所述第三组件为一带中心孔的圆柱形螺杆结构，所述中心孔依次由带内螺纹的上段内螺纹段、等直径中段、变直经下段及等直径最下段组成，所述等直径中段的直径大于等直径最下段的直径；所述第三组件外周依次由带外螺纹的上段外螺纹段、等直径中段、变直径下段及等直径最下段组成；所述第三组件的带内螺纹上段内螺纹段与所述第二组件的上部内螺纹连接，二者之间形成中环料液流道5；所述中环料液流道5的上部流道内装有呈水平态的带有等间距导流孔14的上导流板12与下导流板13，二导流板之间间距不小于1cm，上导流板上的导流孔与下导流板上的导流孔错位分布；所述第三组件的中心孔的最下段与所述第二组件之间的间隙为0.05-2mm；中环料液流道5的下端口为料液出口8，所述第二组件的第二垂向孔为料液入口2；

所述第四组件为一带中心孔的螺帽结构，所述第四组件上段为带内螺纹的上段内螺纹段，所述第四组件的上段内螺纹段与所述第三组件的上部外螺纹相连接，二者之间形成外环气体流道6；所述外环气体流道6依次由等直径上部流道、变直径中部流道和等直径下部流道组成；所述等直径上部流道侧壁上设有与所述外环气体流道6相通的外环进气口3，所述等直径下部流道端部为外环出气口9；

所述正电极15伸入中环料液流道5与料液接触。

所述的内环气体流道4、中环料液流道5与外环气体流道6同心；所述的内环气体流道4的内环出气口7、中环料液流道5的料液出口8与外环气体流道6的外环出气口9为同心的环状。

所述第二组件下端部比所述第三组件下端部长，且为末端锥面结构；或所述第三组件下端部比所述第二组件下端部长，且为末端锥面结构。

所述内环气体流道4的内环进气口与外环气体流道6的外环进气口3分别装有气流调节阀，以调节内环气流与外环气流的流速；

所述中环料液流道5的料液入口2连接精密计量的供料装置，以控制料液流量。

所述内环气体流道4和外环气体流道6内通入热气流。

所述喷头主体的各部件材质为在纺丝液中不被溶解或降解的导电材料或绝缘材料。所述不被溶解或降解的导电材料为不锈钢，铜，铁或铝；所述不被溶解或降解的绝缘材料为陶瓷，木材或高分子复合材料。所述高分子复合材料为工程塑料或树脂。

使用时，所述正电极15与一直流电源16正极接触连接，所述直流电源16负极与位于喷头主体料液出口正下方的接收电极17接触连接。

本发明在中环料液流道5内设双层导流板结构，有助于流道中的料液的沿中环料液流道径向的分布均匀，利于料液出口处泰勒锥的数量最大化和沿径向的均匀分布。

第二组件的上端装有一个正电极，正电极伸入料液流道中，当料液流道中充满料液时，正电极与料液接触，使得料液带电，保证纺丝的顺利进行。

中环料液流道5的内、外均有气流辅助，结构简单，可控性强，纺丝的过程中供料系统是密封的，可避免纺丝过程中料液中的溶剂挥发，在内外高速环切气流的辅助下使得纤维得到了充分拉伸的同时，提高纤维中溶剂的挥发速度，可制备出更细的纳米纤维，纺丝效率高，适用于纳米纤维的规模化的连续生产。

本发明的增益效果：

本发明采用内、外双环为气流流道，中间环为料液流道的三环同心结构；喷头主体由4个相互嵌套且可拆卸的由内而外的第一组件、第二组件、第三组件和第四组件组成；其结构简单，易于拆装和清洗维护；

中环料液流道较宽的上段中的上、下双导流板设计，上下导流板的导流孔错位布局，利于料液沿料液流道的径向分布均匀；料液出口为环形，出口的内外壁长短不一的结构设计，长壁的末端为锥面结构，在高压电场的作用下，利于最大最优数目的泰勒锥的形成，同时降低纺丝的临界电压值；

料液出口的内、外两侧都有出气口，料液所形成的纤维在内外两束高速环切气流的辅助下得到了更充分的拉伸的同时，也提高了纤维中溶剂的挥发速度，可制备出更细的纳米纤维，纺丝效率高，适用于纳米纤维的规模化的连续生产；

通过改变内、外环的气流的流速可控制纤维的分布面积大小和产率；同时纺丝的过程中供料系统密封，可避免纺丝过程中料液中的溶剂挥发问题，利于长时间连续稳定的纺丝。

附图说明

图1为本发明内外双环气流纺丝喷头装置的结构示意图；

图2和图3分别为中环料液流道末端锥面结构示意图；

图4和图5分别为使用本发明的内外双环气流纺丝喷头装置制备的纺丝样品的SEM图片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明，但实施例仅用于进一步阐释本发明，但本发明的保护范围不受所述实施例的限制。

实施例1

实施例1的示意图如图1所示，首先，通过将PVDF的粉末加入丙酮和DMF的混合溶剂中制得浓度为13％w/v的PVDF纺丝料液，PVdF的分子量50万，纺丝料液的粘度范围为1200±50cP。

此实施例中，第三组件下端部比所述第二组件下端部长，且为末端锥面结构，即纺丝喷头装置的料液出口外壁11比料液出口内壁10长1.5mm，且为末端锥面结构，如图2所示，形成放电尖端；接收电极17为不锈钢板，不锈钢板表面包裹铝箔纸，便于样品收集，首先将高压电源V的正极与正电极15接通，负极与接收电极17接通，接收电极17放在料液出口8的垂直距离为15cm处，高压电源V的输出电压为28kV；

第一路压缩气体经过流量控制后通过内环进气口1进入内环气体流道4并由内环出气口排出；第二路压缩气体经过流量控制后通过外环进气口3进入外环气体流道6并由外环出气口排出；将以上所制得的纺丝料液通过料液入口2进入中环料液流道5较宽的上段，纺丝料液依次通过上导流板12和下导流板13的分配后在中环料液流道的径向上的流速均匀一致，接着纺丝料液通过中环料液流道5较窄的下段并由料液出口8排出，此时打开高压电源V，排出的料液在高压静电场和内、外高速气流的共同作用下在料液出口外壁11末端形成大量的泰勒锥，这些泰勒锥劈裂后被进一步拉伸形成纳米纤维，并被收集在接收电极17的铝箔之上。

纺丝开始后的初期，观察纺丝的状态并对内、外气流的流量和纺丝料液的流量进行调节优化，最终内环进气口的气流量为4L/min，外环进气口的气流量为9L/min，单个纺丝喷头的纺丝效率可达200g/h(以纺丝料液的消耗速率计算)，是普通单针纺丝效率的50倍以上，且纺丝纤维的直径离散度较小，所得样品的SEM图片如图4所示。

内外双环气流辅助纺丝喷头可以是任何材质，导电或绝缘材料均可。可以是金属铜，铁或铝等，也可以是高分子复合材料，如工程塑料或树脂，还可以是陶瓷，木材。对内外双环气流辅助纺丝喷头材料的要求是不能在纺丝液中被溶解或降解。

喷头装置中所有的棱与角都要进行圆角钝化处理。

实施例2

本实施例的示意图如图1所示，首先，通过将PVDF的粉末加入丙酮和DMF的混合溶剂中制得浓度为13％w/v的PVDF纺丝料液，PVdF的分子量50万，纺丝料液的粘度范围为1200±50cP。

此实施例中，如图3所示，第二组件下端部比所述第三组件下端部长，且为末端锥面结构，即纺丝喷头装置的种情况是料液出口内壁10比料液出口外壁11长2mm，料液出口内壁厚2mm，且为末端锥面结构，形成放电尖端。接收电极17为不锈钢板，不锈钢板表面包裹铝箔纸，便于样品收集，首先将高压电源的正极与正电极接通，负极与接收电极接通，接收电极17至料液出口8的垂直距离为15cm，高压电源的输出电压为33kV；

第一路压缩气体经过流量控制后分别通过内环进气口1进入内环气体流道并由内环出气口排出；第二路压缩气体经过流量控制后分别通过外环进气口3进入外环气体流道并由外环出气口排出；将以上所制得的纺丝料液通过料液入口2进入中环料液流道5较宽的上段，纺丝料液依次通过上导流板12和下导流板13的分配后在中环料液流道的径向上的流速均匀一致，接着纺丝料液通过中环料液流道5较窄的下段并由料液出口8排出，此时打开高压电源，排出的料液在高压静电场和内、外高速气流的共同作用下在料液出口外壁11末端形成大量的泰勒锥，这些泰勒锥劈裂后被进一步拉伸形成纳米纤维，并被收集在接收电极17的铝箔之上。

纺丝开始后的初期，观察纺丝的状态并对内、外气流的流量和纺丝料液的流量进行调节优化，最终内环进气口的气流量为5L/min，外环进气口的气流量为10L/min，单个纺丝喷头的纺丝效率可达200g/h(以纺丝料液的消耗速率计算)，是普通单针纺丝效率的50倍以上，且纺丝纤维的直径离散度较小，所得样品的SEM图片如图5所示。

本发明的内外双环气流纺丝喷头可以是任何材质，导电或绝缘材料均可；即可以是金属铜，铁或铝等，也可以是工程塑料，树脂，陶瓷，木材或高分子复合材料。其要求是不能在纺丝液中被溶解或降解；本发明的内外双环气流纺丝喷头中所有的棱与角都要进行圆角钝化处理。

Claims (8)

1.一种内外双环气流纺丝喷头装置，其由喷头主体和正电极(15)组成；所述喷头主体由4个相互嵌套且可拆卸的由内而外的第一组件、第二组件、第三组件和第四组件组成；

所述第一组件为一上部带有外螺纹的圆柱形螺杆结构，第一组件的中上部设有一横向通孔，上部设有一与所述横向通孔相通的垂向中心孔(1)；

所述第二组件为一带等直径中心孔和上部外螺纹的圆柱形螺杆结构，等直径中心孔上部带有上部内螺纹，所述第二组件的上部内螺纹与所述第一组件的上部外螺纹相连接，二者之间形成内环气体流道(4)；所述第二组件的上部圆柱面上对称地设有第一垂向孔和第二垂向孔，所述第一垂向孔内装有正电极(15)；

所述第三组件为一带中心孔的圆柱形螺杆结构，所述中心孔依次由带内螺纹的上段内螺纹段、等直径中段、变直经下段及等直径最下段组成，所述等直径中段的直径大于等直径最下段的直径；所述第三组件外周依次由带外螺纹的上段外螺纹段、等直径中段、变直径下段及等直径最下段组成；所述第三组件的带内螺纹上段内螺纹段与所述第二组件的上部内螺纹连接，二者之间形成中环料液流道(5)；所述中环料液流道(5)的上部流道内装有呈水平态的带有等间距导流孔(14)的上导流板(12)与下导流板(13)，二导流板之间间距不小于1cm，上导流板上的导流孔与下导流板上的导流孔错位分布；所述第三组件的中心孔的最下段与所述第二组件之间的间隙为0.05-2mm；中环料液流道(5)的下端口为料液出口(8)，所述第二组件的第二垂向孔为料液入口(2)；

所述第四组件为一带中心孔的螺帽结构，所述第四组件上段为带内螺纹的上段内螺纹段，所述第四组件的上段内螺纹段与所述第三组件的上部外螺纹相连接，二者之间形成外环气体流道(6)；所述外环气体流道(6)依次由等直径上部流道、变直径中部流道和等直径下部流道组成；所述等直径上部流道侧壁上设有与所述外环气体流道(6)相通的外环进气口(3)，所述等直径下部流道端部为外环出气口(9)；

所述正电极(15)伸入中环料液流道(5)与料液接触。

2.按权利要求1所述的内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于，所述的内环气体流道(4)、中环料液流道(5)与外环气体流道(6)同心；所述的内环气体流道(4)的内环出气口(7)、中环料液流道(5)的料液出口(8)与外环气体流道(6)的外环出气口(9)为同心的环状。

3.按权利要求1所述的内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于，所述第二组件下端部比所述第三组件下端部长，且为末端锥面结构；或所述第三组件下端部比所述第二组件下端部长，且为末端锥面结构。

4.按权利要求1所述的一种内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于：所述内环气体流道(4)的内环进气口与外环气体流道(6)的外环进气口(3)分别装有气流调节阀，以调节内环气流与外环气流的流速；

所述中环料液流道(5)的料液入口(2)连接精密计量的供料装置，以控制料液流量。

5.按权利要求1所述的内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于：所述内环气体流道(4)和外环气体流道(6)内通入热气流。

6.按权利要求1的所述的内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于：所述喷头主体的各部件材质为在纺丝液中不被溶解或降解的导电材料或绝缘材料。

7.按权利要求6的所述的内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于：所述不被溶解或降解的导电材料为不锈钢，铜，铁或铝；所述不被溶解或降解的绝缘材料为陶瓷，木材或高分子复合材料。

8.按权利要求7的所述的内外双环气流纺丝喷头装置，其特征在于：所述高分子复合材料为工程塑料或树脂。