CN105063774B - 静电纺丝装置及其静电纺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静电纺丝装置，包括：纺丝液供给单元，包括至少一出料口，所述纺丝液供给单元用于提供一待纺丝的溶液或熔融液；接收单元，与所述纺丝液供给单元正对设置；电源，电连接与所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间，并用于在所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间形成一电场；离子风供给单元，设置于所述出料口，用于提供与所述待纺丝的溶液或熔融液电性相反的离子风。本发明还提供一种使用上述装置的静电纺丝方法。

Description

静电纺丝装置及其静电纺丝方法

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置及其静电纺丝方法，特别涉及一种用于微米或纳米级纤维的静电纺丝装置及其静电纺丝方法。

背景技术

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中，喷头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。纤维细丝在空中固化后可产出纤维丝并且无序地沉积于收集板。

利用静电纺丝原理制造纤维丝过程中，液态射流/纤维丝在喷射过程时，会出现大幅度的螺旋不稳定鞭动，其原因是射流/纤维丝表面附带有电荷，电荷之间所产生的库伦斥力相互作用从而产生扰动，进而不断放大形成不稳定运动，从而在基底上形成大范围的纤维沉积。现有的传统静电纺丝技术并不能对纤维的螺旋不稳定鞭动范围和纤维沉积范围进行很好的控制。例如CN200880005819.X采用高压静电爆炸技术产生纤维，这种技术难以控制纤维的产生过程，包括纤维的沉积范围。CN 201310020810.9采用鞘层气体约束的方式，利用外部气体的高速运动作用于静电纺丝射流，引入气体流畅拉伸力提升射流运动的稳定性，但这种方法对射流本身的不稳定鞭动控制有限，难以完全克服射流鞭动，同时气流冲击到收集板后的反弹也会增大射流鞭动的不稳定性。CN201210564303.7采用真空环境产生纤维，利用真空环境降低射流内部自由电荷，从而提高射流稳定性，但这种方式所需的环境要求较高，装置较为复杂，同时真空环境对可使用的纺丝溶液具有更高的要求。

发明内容

本发明提供一种静电纺丝装置及其静电纺丝方法，可以有效解决上述问题。

一种静电纺丝装置，包括：纺丝液供给单元，包括至少一出料口，所述纺丝液供给单元用于提供一待纺丝的溶液或熔融液；

接收单元，与所述纺丝液供给单元正对设置；

电源，电连接于所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间，并用于在所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间形成一电场；

离子风供给单元，设置于所述出料口，用于提供与所述待纺丝的溶液或熔融液电性相反的离子风。

进一步的，所述静电纺丝装置为滚筒式，且所述纺丝液供给单元包括一滚筒，所述滚筒的侧壁包括至少一冲孔，所述冲孔为所述出料口。

进一步的，所述静电纺丝装置为针尖式，且所述纺丝液供给单元包括容器以及与所述容器连通的喷头，所述喷头为所述出料口。

进一步的，所述离子风供给单元的出气口与所述出料口的出料方向形成一大于等于0度小于等于45度的夹角。

进一步的，所述夹角为0度。

进一步的，所述出料口与所述接收单元的距离为 1 毫米到 1000 毫米。

进一步的，所述出料口与所述接收单元的距离为 100毫米到 500 毫米。

一种使用上述的静电纺丝装置的静电纺丝方法，包括：

接通所述电源，在所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间形成一电压；

打开所述离子风供给单元，以提供与所述待纺丝的溶液或熔融液电性相反的离子风；以及

通过所述接收单元接收纺丝形成的纤维。

进一步的，待开始纺丝后，再打开所述离子风供给单元，以提供与所述待纺丝的溶液或熔融液电性相反的离子风。

进一步的，所述离子风中带电粒子的浓度及风速可根据纺丝速度控制。

本发明提供的一种静电纺丝装置及静电纺丝方法，通过微弱离子风在出料口处溶液周围产生离子，这部分离子会中和射流表面的部分电荷，从而增强射流的稳定性和鞭动的可控性。这种方式不仅可实现避免射流不稳定鞭动，还可实现超远距离纤维丝的有序直写。此外，本发明中，由于离子风所需的装置成本较低，结构简单，对环境要求及设备要求较低，故还可以显著降低成本。

附图说明

图 1 为本发明一实施例提供的针尖式静电纺丝装置的结构示意图。

图 2 为本发明一实施例提供的针尖式静电纺丝装置中的喷头的局部放大结构示意图。

图 3 为本发明一实施例提供的针尖式静电纺丝装置通过控制不同离子风浓度所获得的不同稳定射流纤维的结构示意图。

图 4 为本发明另一实施例提供的滚筒式静电纺丝装置的结构示意图。

图 5 为本发明一实施例提供的滚筒式静电纺丝方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

请参照图 1，一种针尖式静电纺丝装置 100，包括：纺丝液供给单元 10，接收单元20，电源 30 以及离子风供给单元 40。所述纺丝液供给单元10 用于提供一待纺丝的溶液或熔融液13。所述溶液或熔融液13可以为聚合物溶液或预聚物溶液。所述接收单元 20 与所述纺丝液供给单元正 10 对设置。所述电源 30 连接于所述纺丝液供给单元10 与所述接收单元20 之间，用于在所述纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间形成一电场。所述离子风供给单元 40，用于提供与所述待纺丝的溶液或熔融液13 电性相反的离子风41。

所述纺丝液供给单元10 包括容器 11 以及与所述容器 11 连通的喷头 12，所述喷头 12 为所述聚合物溶液或熔融液 13 的出料口。所述聚合物溶液或熔融液13 会在所述出料口上形成一垂悬液滴，该垂悬液滴会通过表面张力维持在出料口的末端。所述出料口与所述接收单元 20 之间可以具有较大的距离，所述出料口与所述接收单元 20 之间的距离为 1毫米到 1000毫米。更优选的，所述出料口与所述接收单元 20 之间的距离为 100毫米到 500毫米。进一步，所述纺丝液供给单元10 可进一步包括一加热装置（图中未标示），设置于所述容器 11 的周围，用于加热所述容器 11 中的聚合物溶液或熔融液 13。

请参照图 2，所述离子风供给单元 40，设置于所述出料口。具体的，所述离子风供给单元 40 的出气口与所述出料口间隔一预定距离设置。所述离子风供给单元 40 的出气口设置在所述出料口靠近所述接收单元 20 的一侧设置，且距离 1 毫米到 5 毫米之间。优选的，所述距离 2 毫米到 3 毫米之间。这样设置的好处是：使所述离子风供给单元 40中的离子不会影响到垂悬液滴中的电荷，而只作用在拉出的纤维丝上。所述离子风供给单元 40 的出气口与所述出料口的出料方向形成一大于等于0度的交叉角。所述离子风供给单元的出气口与所述出料口的出料方向形成一大于等于0度小于等于45度的夹角。优选的，所述离子风供给单元 40 的出气口与所述出料口的出料方向平行，即，夹角为0度，从而使所述离子风 41 不会对所述聚合物溶液或熔融液13 产生额外的作用力。所述离子风 41的流速可以根据需要选择，但是以不对所述垂悬液滴产生额外扰动为限。优选的，所述离子风的流速和带电离子的浓度可以根据实际需要调整。

可以理解，当所述纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间的电压增加时，纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间的静电场强度也增加，此时，该静电场作用于所述垂悬液滴，使所述垂悬液滴中的离子运动，从而使垂悬液滴表面带电，当表面集聚的静电力足以克服液滴的表面张力和粘力时，射流产生喷射，形成微米级或纳米级纤维，最后收集于所述接收单元 20 上。与此同时，在出料口处吹出所述离子风 41，利用离子风 41 中的离子中和出料口处溶液中的自由电荷，减少静电纺丝过程中电荷之间的作用，降低扰动，从而可以实现纤维不稳定鞭动和沉积范围的控制。

另外，本发明提供的装置能够实现静电纺丝过程中纤维不稳定鞭动行为的调控，甚至可完全抑制射流鞭动，实现长距离，约 10 毫米到 500 毫米，的单根纤维丝的有序直写。请参照图 3，图 3 为通过控制不同浓度离子风 41 以实现不同稳定射流纤维的结构示意图，从 a 到 d 离子风中带电离子浓度递增，从而使稳定射流纤维距离增加。

请参照图 4，一种滚筒式静电纺丝装置 200，其结构与针尖式静电纺丝装置100基本相同，不同之处在于，包括一纺丝液供给单元50，所述静电纺丝装置为滚筒式，且所述纺丝液供给单元10 包括一滚筒 15，且所述滚筒 15 的侧壁包括至少一冲孔 16，所述冲孔16 为所述出料口。本实施例中包括 3 个冲孔 16。

请参照图 5，一种使用上述静电纺丝装置的静电纺丝方法，其中，包括：

S1，接通所述电源 30，在所述纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间形成一电压；

S2，打开所述离子风供给单元 40，以提供与所述待纺丝的溶液或熔融液13 电性相反的离子风 41；以及

S3，通过所述接收单元接 20 收纺丝形成的纤维丝14。

在步骤 S2 中，优选的，在待开始纺丝后，打开所述离子风供给单元 40，以提供与所述待纺丝的溶液或熔融液13 电性相反的离子风 41。之所以要在待开始纺丝后打开离子风供给单元 40，是为了防止离子风 41 对所述垂悬液滴中的电荷产生影响。优选的，当出现 2 毫米到10 毫米的纤维丝14 后，打开所述离子风供给单元 40。更优选的，当出现2 毫米到 5 毫米的纤维丝14 后，打开所述离子风供给单元 40。所述纤维丝14可以为聚合物的纤维丝。

进一步，可以根据静电纺丝过程中的实际需要，控制所述离子风供给单元 40 中离子风 41 的浓度。可以理解，当所述纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间所形成电压越大，静电场强度越大，从而使作用于垂悬液滴的作用力越大，因此，射流鞭动越强烈，故，可以根据所述纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间所形成电压情况控制所述离子风供给单元 40 中离子风 41 的浓度，从而达到稳定射流鞭动的目的。或者，当所述纺丝液供给单元10 和所述接收单元 20 之间所形成电压一定，增大离子风供给单元 40 中离子风 41 的浓度，可减少射流所携带的电荷，因此，射流不稳定鞭动将减小，同时射流沉积范围也变小。可以理解，上述步骤S1和S2的顺序不限。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种静电纺丝装置，其特征在于，包括：

纺丝液供给单元，包括至少一出料口，所述纺丝液供给单元用于提供一待纺丝的溶液或熔融液；

接收单元，与所述纺丝液供给单元正对设置；

电源，电连接于所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间，并用于在所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间形成一电场；

离子风供给单元，设置于所述出料口，用于提供与所述待纺丝的溶液或熔融液电性相反的离子风；所述离子风供给单元的出气口设置在所述出料口靠近所述接收单元的一侧，且所述出气口与所述出料口的距离为1~5毫米。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述静电纺丝装置为滚筒式，且所述纺丝液供给单元包括一滚筒，所述滚筒的侧壁包括至少一冲孔，所述冲孔为所述出料口。

3.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述静电纺丝装置为针尖式，且所述纺丝液供给单元包括容器以及与所述容器连通的喷头，所述喷头为所述出料口。

4.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述离子风供给单元的出气口与所述出料口的出料方向形成一大于等于0度小于等于45度的夹角。

5.根据权利要求4所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述夹角为0度。

6.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述出料口与所述接收单元的距离为1毫米到1000毫米。

7.根据权利要求6所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述出料口与所述接收单元的距离为100毫米到500毫米。

8.一种使用如权利要求1-7任一项所述的静电纺丝装置的静电纺丝方法，其特征在于，包括：

接通所述电源，在所述纺丝液供给单元和所述接收单元之间形成一电压；

待开始纺丝，出现2毫米到10毫米的纤维丝后，再打开所述离子风供给单元，以提供与所述待纺丝的溶液或熔融液电性相反的离子风；

以及通过所述接收单元接收纺丝形成的纤维。

9.一种根据如权利要求8所述的静电纺丝方法，其特征在于，所述离子风中带电粒子的浓度及风速可根据纺丝速度进行控制。