CN105671658A - 一种盘状电极静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种盘状电极静电纺丝装置，包括纺丝系统、供液系统、收集系统和高压电源，所述收集系统位于所述纺丝系统的上方，所述纺丝系统包括纺丝电极，所述收集系统包括收集电极，所述纺丝电极为盘状结构，所述盘状结构的发射端为尖端结构，所述盘状结构中容纳有纺丝溶液；所述盘状结构的轴心位置设置有导柱，所述盘状结构的上方设置盘盖，所述盘盖活动安装在所述导柱上，所述盘盖在所述导柱上的上下移动可以调节所述盘盖与所述盘状结构间的距离，实现溶液溢出量的调节。本发明采用盘状电极进行静电纺丝，相比于其他无针静电纺丝装置，能够大幅度提高纤维产品的产量及质量。该装置的布液方式简单可靠，装置结构简单，加工容易，便于工业化应用。

Description

一种盘状电极静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种盘状电极静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是一种利用静电场力生产纳米纤维的技术，其原理是：在高压静电场中，带电聚合物溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，当电场力足够大，使得带电液滴克服表面张力形成带电射流，最后在收集机构上沉积固化成纳米纤维结构。

传统的喷头式静电纺丝装置容易出现的喷头阻塞、难清理，阵列喷头在纺丝过程中容易出现“边缘效应”现象等缺点影响了纤维质量和纺丝效率，导致产量较低。

相比于喷头式静电纺，无针式静电纺具有产量高，纺丝设备简单，生产成本较低等特点。专利WO2005/024101A1提出的一种无针静电纺丝技术，纤维产量大，但其纺丝溶液暴露在空气中，所生产的纤维直径粗细不均，此外，纺丝电极电场分布不均，纺丝临界电压高，能耗大，不适合批量纳米纤维制造。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种盘状电极静电纺丝装置，避免了纺丝溶液暴露在空气中，使产生的纺丝更加均匀，盘状电极的设计，实现了纺丝电极电场的均匀分布，电极的尖端结构增强了电荷的聚集，诱导纺丝的进行。本发明设计大幅度地提高了纤维产品的产量及质量，装置结构简单，易加工，便于工业化应用。

本发明是这样实现的，一种盘状电极静电纺丝装置，包括纺丝系统、供液系统、收集系统和高压电源，所述收集系统位于所述纺丝系统的上方，所述纺丝系统包括纺丝电极，所述收集系统包括收集电极，所述纺丝电极为盘状结构，所述盘状结构的发射端为尖端结构，所述盘状结构中容纳有纺丝溶液；所述盘状结构的轴心位置设置有导柱，所述盘状结构的上方设置盘盖，所述盘盖活动安装在所述导柱上，所述盘盖在所述导柱上的上下移动能调节所述盘盖与所述盘状结构间的距离，实现溶液溢出量的调节。

优选地，所述盘状结构的尖端厚度为0.05-20mm或0.1-5mm。

优选地，所述盘状结构包括盘翼，所述盘翼倾斜角度为90°-180°或135°-165°。

优选地，所述活动安装方式可以为齿轮齿条配合、内外螺纹配合或光杆轴与轴套配合的形式。

优选地，还包括气体辅助系统，所述气体辅助系统包括供气装置、环形气槽、将所述供气装置与所述环形气槽连接起来的气管以及设置在纺丝电极外侧的通气机构。

优选地，所述纺丝系统还包括上盖及下盖，所述通气机构为阵列气孔和/或气槽，所述阵列气孔和/或气槽设置在所述上盖上，所述环形气槽设置在所述下盖中，所述阵列气孔和/或气槽与所述环形气槽相连通。

优选地，所述气孔孔径为0.1-10mm或0.5-2mm和/或所述气槽宽度为0.1-10mm或0.5-2mm。

优选地，所述供液系统包括供液装置、输液管、回液箱、回液管和溢液槽，所述供液装置通过输液管将溶液输送到所述纺丝电极中，所述溢液槽设置在纺丝电极下方，用以回收溢出的多余溶液，并通过回液管将溶液回收到回液箱中。

优选地，所述溢液槽设置在所述纺丝电极和所述阵列气孔之间。

优选地，所述尖端结构为三角形结构、圆锥曲线形结构或曳物线形结构。所述尖端结构的尖端部分为连续结构或者锯齿状结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)采用盘状的结构作为纺丝电极，盘状结构容易产生均布电场，有助于提升纺丝纤维质量；

(2)纺丝电极圆盘的边缘为尖端结构，能够实现尖端处电荷聚集，有助于诱导纺丝；

(3)布液方式及结构简单可靠，纺丝电极里面储存纺丝溶液，通过溢出的方式将溶液涂覆在纺丝电极圆盘的边缘上，并进行纺丝；

(4)纺丝电极上方设置有可上下调节的盘盖，盘盖的结构与纺丝电极结构相匹配，通过调节盘盖与纺丝电极之间的缝隙，可以实现溶液溢出量的调节，并且在保证溶液溢出的同时，可以避免了纺丝电极里面的溶液暴露在空气中造成变质，进而影响纺丝质量；

(5)装置在发射电极两侧设置有通气机构，能够对纺丝过程进行气体辅助保护，对纤维起到收拢拉伸的作用，加速纤维沉积固化，有助于提高纺丝效率及纺丝质量；

(6)装置设置有废液回收的结构，回收溢出的纺丝溶液，再次利用，节约资源。

附图说明

图1是本发明盘状电极静电纺丝装置的示意图。

图2是本发明盘状电极静电纺丝装置的主剖视图。

图3是本发明盘状电极静电纺丝装置的俯视图。

1-收集装置，2-上盖，3-气孔，4-纺丝电极，5-下盖，6-气管，7-供气装置，8-供液装置，9-输液管，10-回液箱，11-回液管，12-盘盖，13-高压电源，14-环形气槽，15-导柱，16-溢液槽。

具体实施方式

下面将借助附图中的实施例描述本发明一种盘状电极静电纺丝装置的结构构造。盘状电极静电纺丝装置包括纺丝系统、气体辅助系统、供液系统、收集系统、高压电源。

如图1、图2和图3所示，纺丝系统包括上盖2、纺丝电极4、下盖5、盘盖12和导柱15。纺丝电极4、盘盖12和导柱15设置在上盖2上，上盖2及下盖5通过紧固件连接起来形成一个整体或者上盖2与下盖5为一体形成的结构，共同作为纺丝系统的基座。纺丝电极4为导电材质，固定安装，纺丝电极4为盘状结构，可以是圆盘，也可以是其他形状的盘，盘状结构包括盘翼和盘底。盘状结构的发射端为为连续或者锯齿状的尖端结构，尖端结构具体可以为三角形结构、圆锥曲线形结构或曳物线形结构，也可为其他形式的尖端结构，只要能实现电荷聚集即可。盘状结构为导电材质，其厚度为0.05mm-20mm，优选0.1mm-5mm；盘翼倾斜角度90°-180°，优选135°-165°，盘状结构为圆盘时，圆盘盘底直径为5mm-5000mm，优选100mm-1000mm，圆盘的深度为1mm-100mm，优选5mm-50mm，在同样的圆盘底直径下，盘翼的倾斜角度越大，盘的圆周越长，圆盘深度越浅，更长的圆周长，提高了有效纺丝电极长度，浅的圆盘深度，使供液更新周期变短，有效的防止了溶液的变质，稳定了纺丝的质量。在高压电场的作用下，尖端结构具有电荷聚集效应，能够有效的诱导纺丝，当纺丝电极4里面的纺丝溶液开始从边缘溢出时，溶液突破表面张力，形成射流，而且电极电场分布的均匀，有助于提高纤维成形质量；纺丝电极4上方设置有可上下调节的盘盖12，盘盖12的结构与纺丝电极4的结构相匹配，盘盖12活动安装在导柱15上，通过调节盘盖12与纺丝电极4之间的缝隙，可以实现溶液溢出量的调节，同时避免了纺丝电极4里面的溶液与空气相接触，造成纺丝溶液变质。

盘盖12与导柱15的活动连接方式可以为齿轮齿条配合、内外螺纹配合或光杆轴与轴套配合的形式，也可以是其他的活动连接方式，能够实现盘盖在导柱上的上下移动即可。例如，齿轮齿条形式：导柱15上嵌有齿条，齿轮固定在盘盖12上，通过转动齿轮带动齿条(导柱15)进而实现盘盖12的上下调节，并设置一个挡块，通过卡住齿轮，进而实现盘盖12在导柱15上的相对固定；内外螺纹配合的形式：导柱15上设置外螺纹，而盘盖12与导柱15相配合的位置为内螺纹结构，导柱15固定不动，通过旋转盘盖12，实现上下调节；光杆轴及轴套形式：导柱15为光杆轴结构，盘盖12上设置轴轴套，轴套可在导柱15上上下滑动，通过轴套内的顶丝实现轴套在导柱15上的相对固定。

如图1、图2和图3所示，气体辅助系统包括供气装置7、环形气槽14、通气机构和气管6，通气机构可以为阵列气孔3和/或气槽，阵列气孔3为圆形时，孔径为0.1-10mm，优选0.5-2mm，阵列气孔3的间距为1-100mm，优选1-10mm；气槽的槽宽为0.1-10mm，优选0.5-2mm。环形阵列气孔3设置在纺丝电极4外侧，为纺丝过程提供0.35MPa-3.5MPa压力的气体辅助，气孔3所喷射出的气流能够对纺丝纤维起拉伸牵引作用，加速纤维上溶剂的挥发，提高纺丝效率及纺丝质量；通气机构下方设置有环形气槽14，通气机构及环形气槽14分别设置在上盖2及下盖5中，通过气管6将供气装置7与环形气槽14连接起来。

如图1、图2和图3所示，供液系统包括供液装置8、输液管9、回液箱10、回液管11和溢液槽16。供液装置8通过输液管9将溶液源源不断输送到纺丝电极4中，当溶液增加到一定程度时，溶液开始从纺丝电极4四周的边缘溢出，溢液槽16设置在纺丝电极4下方，用以回收溢出的多余溶液，并通过回液管11将溶液回收到回液箱10中，回液箱10可以设置在纺丝电极下方，通过重力作用将纺丝电极溢出的溶液进行回收，也可以设置在其他地方，通过外加动力源的形式，将纺丝系统溢出的溶液回收到回液箱10，通过回液箱10实现了废液回收利用，节约资源。

如图1和图2所示，收集系统包括收集装置1，收集装置1上设置与纺丝电极4相匹配的收集电极，收集电极上设置接收端，进行纺丝的收集；收集装置1位于纺丝电极4的上方，并且收集装置1与纺丝电极4间的距离可调，实现纤维生产的可控性。

如图1、图2和图3所示，高压电源13的两个输出口分别与纺丝电极4及收集装置1连通，在纺丝电极4与收集装置1之间产生高压静电场。纺丝电极4的边缘高压电场作用下产生尖端电荷聚集效应，均布在盘边缘上的溶液表面也随之电荷聚集越多，最终突破表面张力，形成射流，最终在收集装置1上沉积固化，从而收集到均匀的纳米纤维。

使用本装置进行静电纺丝时，高压电源13在纺丝电极4与收集装置之间产生一个高压静电场，供液装置8通过输液管9将溶液输送到纺丝电极4中并达到一定量时，溶液从纺丝电极的边缘溢出，在高压电场的作用下开始纺丝，并通过收集装置1进行纺丝的收集，同时溢出的溶液通过供液系统的回收装置10进行回收，气体辅助装置在纺丝过程中，可以拉伸牵引和收拢纺丝纤维，加速溶液中溶剂的挥发和纤维的固化，提高了纺丝的效率和质量。

本发明采用盘状电极进行静电纺丝，相比于其他无针静电纺丝装置，能够大幅度提高纤维产品的产量及质量。该装置的布液方式简单可靠，装置结构简单，加工容易，便于工业化应用。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种盘状电极静电纺丝装置，包括纺丝系统、供液系统、收集系统和高压电源，所述收集系统位于所述纺丝系统的上方，所述纺丝系统包括纺丝电极，所述收集系统包括收集电极，其特征在于：

所述纺丝电极为盘状结构，所述盘状结构的发射端为尖端结构，所述盘状结构中容纳有纺丝溶液；

所述盘状结构的轴心位置设置有导柱，所述盘状结构的上方设置盘盖，所述盘盖活动安装在所述导柱上，所述盘盖在所述导柱上的上下移动能调节所述盘盖与所述盘状结构间的距离，实现溶液溢出量的调节。

2.根据权利要求1所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述盘状结构的尖端厚度为0.05-20mm或0.1-5mm。

3.根据权利要求1所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述盘状结构包括盘翼，所述盘翼倾斜角度为90°-180°或135°-165°。

4.根据权利要求1所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述活动安装方式可以为齿轮齿条配合、内外螺纹配合或光杆轴与轴套配合的形式。

5.根据权利要求1所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：还包括气体辅助系统，所述气体辅助系统包括供气装置、环形气槽、将所述供气装置与所述环形气槽连接起来的气管以及设置在纺丝电极外侧的通气机构。

6.根据权利要求5所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝系统还包括上盖及下盖，所述通气机构为阵列气孔和/或气槽，所述阵列气孔和/或气槽设置在所述上盖上，所述环形气槽设置在所述下盖中，所述阵列气孔和/或气槽与所述环形气槽相连通。

7.根据权利要求6所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述气孔孔径为0.1-10mm或0.5-2mm和/或所述气槽宽度为0.1-10mm或0.5-2mm。

8.根据权利要求5所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述供液系统包括供液装置、输液管、回液箱、回液管和溢液槽，所述供液装置通过输液管将溶液输送到所述纺丝电极中，所述溢液槽设置在纺丝电极下方，用以回收溢出的多余溶液，并通过回液管将溶液回收到回液箱中。

9.根据权利要求8所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述溢液槽设置在所述纺丝电极和所述通气机构之间。

10.根据权利要求1所述的盘状电极静电纺丝装置，其特征在于：所述尖端结构为三角形结构、圆锥曲线形结构或曳物线形结构，所述尖端部分为连续结构或者锯齿状结构。