CN107142532A - 一种静电纺丝喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静电纺丝喷头，包括本体和喷针，喷针连接于本体上，并连通于本体内的溶液通道；喷针沿本体的长度方向成排分布且至少设置两排，相邻两排喷针之间具有夹角，纺丝时在喷针上施加电压，使喷针处产生电场，电场之间会发生相互影响，若两排喷针保持平行，则电场分布并不均匀，会产生垂直于喷针方向的电场力分量，纺丝所受到的电场力并不与喷针的长度方向相同，纺丝效果受到影响，而本发明使相邻两排的喷针形成一定的夹角，此结构分布可以抵消垂直于喷针方向的电场分量，纺丝喷射所受的电场力与喷针的延伸方向一致，喷针的针尖处的电场分布比较均匀，从而提高纺丝的质量。

Description

一种静电纺丝喷头

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，更进一步涉及一种静电纺丝喷头。

背景技术

静电纺丝是高分子流体静电雾化的特殊形式，静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体，在高压静电发生器的作用下，喷丝装置与接收装置之间形成高压静电场，聚合物溶液在喷嘴处形成液滴并被充电，带电液滴在电场力作用下在Taylor锥顶被加速，当电场力足够大时，带电液滴克服表面张力形成带电射流，可以运行相当长的距离，带电射流在静电纺丝空间运行时，伴随溶剂挥发、弯曲和拉伸，最终被接收装置收集，固化形成纤维材料。

随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。

工业生产过程中，需要设置多根喷针同时喷射多条纺丝，以满足大批量生产的要求。目前用于工业化生产的静电纺丝装置通常并排设置多组喷头，各喷头之间相互平行，但各喷头之间形成的电场之间发生相互干扰，电场线并非沿喷头的长度方向分布，因此喷头所喷出的纺丝就会受到其他方向的分力，影响最终成品的质量。

发明内容

本发明提供一种静电纺丝喷头，使电场更加均匀，提高了纺丝的喷射质量，具体方案如下：

一种静电纺丝喷头，包括本体和喷针，所述喷针连接于所述本体上，所述喷针连通于所述本体内的溶液通道，纺丝溶液从溶液通道中经所述喷针喷出并被电场引导；所述喷针沿所述本体的长度方向成排分布且至少设置两排，相邻两排所述喷针之间具有夹角，通过夹角抵消垂直于所述喷针方向的电场分量。

可选地，位于同一排的所述喷针相互平行。

可选地，所述本体为截面呈梯形的四棱柱，所述喷针设置为三排、分别位于所述本体的上表面及两个斜面，每个所述喷针与各自所在的平面垂直。

可选地，五个所述喷针能够构成一个喷针组，所述本体上沿长度方向至少设置两个所述喷针组；每个所述喷针组中的四个所述喷针在底面上的投影位于矩形的四个顶点，另一所述喷针位于矩形的形心。

可选地，所述本体的梯形截面为等腰梯形，所述本体梯形截面的底角角度为20～25度。

可选地，每个所述喷针组中构成矩形的四个所述喷针与所述本体的连接点位于同一圆周上。

可选地，每个所述喷针组中由四个所述喷针连线构成的矩形的长宽比为

可选地，各个所述喷针组沿所述本体的长度方向呈线性阵列分布；相邻的两个所述喷针组之间的间距大于或等于四个所述喷针构成的矩形的宽度。

可选地，所述喷针的直径为0.5～1.5mm，长度为10～20mm，每个所述喷针的尺寸相同；所述喷针组中由四个所述喷针构成的矩形的宽度为15～25mm；梯形截面的高为6～7mm；所述本体的上表面距离收集装置的间距为150～175mm。

可选地，所述本体、所述喷针和所述收集装置均由铜制成，所述喷针处施加的电压为20kV。本发明提供一种静电纺丝喷头，包括本体和喷针，喷针连接于本体上，并连通于本体内的溶液通道，本体中通入溶液，对喷针施加特定电压后，由电场引导拉丝，溶液可以从喷针中喷出，最终形成纺丝；喷针沿本体的长度方向成排分布且至少设置两排，相邻两排喷针之间具有夹角，纺丝时在喷针上施加电压，使喷针处产生电场，电场之间会发生相互影响，若两排喷针保持平行，则电场分布并不均匀，会产生垂直于喷针方向的电场力分量，纺丝所受到的电场力并不与喷针的长度方向相同，纺丝效果受到影响，而本发明使相邻两排的喷针形成一定的夹角，此结构分布可以抵消垂直于喷针方向的电场分量，纺丝喷射所受的电场力与喷针的延伸方向一致，喷针的针尖处的电场分布比较均匀，从而提高纺丝的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明静电纺丝喷头一种具体结构的正视图；

图2为本发明静电纺丝喷头一种具体结构的侧视图；

图3为本发明静电纺丝喷头一种具体结构的俯视图；

图4为本发明静电纺丝喷头所得到的一种具体的电场图；

图5A为平板上横纵均匀布置喷针的结构图；

图5B为平板上横纵均匀布置喷针所对应的电场图；

图6A为平面中按照矩形布置喷针的俯视图；

图6B为平面中按照矩形布置喷针所对应的电场图。

其中包括：

本体1、喷针2。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种静电纺丝喷头，使电场更加均匀，提高了纺丝的喷射质量。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的静电纺丝喷头进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明静电纺丝喷头一种具体结构的正视图，图2为侧视图，图3为俯视图。该静电纺丝喷头包括本体1和喷针2，喷针2固定安装于本体1上，并连通于本体1内的溶液通道，溶液通道中流通纺丝溶液，纺丝溶液在电场力的引导下经喷针2向外喷出；本发明中的喷针2成排分布于本体1的外表面，喷针2沿本体1的长度方向成排分布，并且至少设置两排，这里指的喷针2成排分布并不仅限于喷针2呈一条直线排列，只要大致沿本体1的长度方向分布，都应包含在本发明的保护范围之内。

相邻两排喷针2之间具有夹角，纺丝时在喷针2上施加电压，使喷针处产生电场，电场之间会发生相互影响，若两排喷针保持平行，则电场之间的干扰造成分布不均，会产生垂直于喷针方向的电场力分量，纺丝所受到的电场力并不与喷针的长度方向相同，纺丝受电场力的引导方向出现偏差，降低了纺丝成型的质量；本发明使相邻两排的喷针2形成一定的夹角，此结构分布可以抵消垂直于喷针2方向的电场分量，纺丝喷射所受的电场力与喷针2的延伸方向一致，喷针的针尖处的电场分布比较均匀，从而提高纺丝的质量。

优选地，本发明中位于同一排的喷针2相互平行，以方便生产加工，但上述方案中所指的两排喷针2间具有夹角并非仅限于两排平行，在同一排中的各个喷针也可以呈一定的夹角交错设置，这些方案也包含在本发明的设计构思之中。

本发明中本体1为截面呈梯形的四棱柱，喷针2设置为三排，分别设置于本体1的上表面及两个斜面，也即喷针2设置在梯形截面的上底与两个腰所在的表面上，设有喷针2的表面共有三个，这三个表面之间相互具有一定的夹角，在第四个的表面，也就是梯形下底所在的表面不设置喷针，因此其还可设置为其他的形状，例如圆弧面等，因此用四棱柱面是一种优选的方案，使本体1的体积最小，至于其他的形状也应包含在本发明的保护范围之内。

每个喷针2的轴向分别与各自所在的平面垂直，因三个表面呈一定的夹角，即在不同表面的喷针2之间呈一定的夹角，当喷针2施加电压后，每个喷针2与其他喷针2所形成的电场会发生相互干涉，垂直于喷针轴向的电场力分量会被部分抵消，从而使电场力的合力沿喷针长度方向，使电场的分布更为均匀，从喷针中滴出的溶液能够沿喷针的延伸方向喷射，提高了纺丝的成品质量。

每五个喷针2能够构成一个喷针组，本体1上沿长度方向至少设置两个喷针组，设置多组喷针能够实现工业化生产，有助于提高生产效率。每个喷针组其中的四个喷针2在底面上的投影位于矩形的四个顶点，也即从俯视方向上看，四个喷针2位于矩形的四位顶点处，另一所述喷针2位于矩形的形心，更加密集地布置喷针2，使本体1上的空间得到充分利用，避免了空间浪费。

优选地，本体1的梯形截面为等腰梯形，处于两斜面上的喷针2与上表面的喷针之间的夹角保持相同；为了使电场的分布更为均匀，应将本体1梯形截面的底角角度为20～25度。

更进一步，本发明中每个喷针组中构成矩形的四个喷针2与本体1的连接点位于同一圆周上，四个喷针2的底端位于同一外接圆上，圆形的喷针分布能够达到最佳的效果，但圆形的分布会占用较多的空间，因此采用矩形加形心的布局。每个斜面上设置两个喷针2，顶面上设置一个喷针2。

作为优选，每个喷针组中由四个喷针2构成的矩形的长宽比为对角线与两边的夹角为30度和60度，宽边的两个喷针2与形心处的喷针2可构成等边三角形，使各喷针的位置分布更加合理，密度更大。此布置形式仅为一种优选方案，更加有效利用空间，其他的位于同一圆周的布置方式均包含在本发明的设计构思之中，无论是否能够形成矩形，都应受到本发明的保护。

各个喷针组沿本体1的长度方向呈线性阵列分布，每组的布置形式相同，各组之间的相对位置保持相同；相邻的两个喷针组之间的间距大于或等于四个喷针2构成的矩形的宽度，矩形的宽度根据最小击穿距离设定，距离过小会导致溶液无法喷出；最优方案应是两个喷针组之间的间距等于矩形的宽度，以充分利用空间。

喷针2的直径为0.5～1.5mm，长度为10～20mm，每个喷针2的尺寸相同；喷针组中由四个所述喷针2构成的矩形的宽度为15～25mm；梯形截面的高为6～7mm，本体1的上表面距离收集装置的间距为150～175mm；本文所提供的数值范围均包含端点值。本体1、喷针2和收集装置均由铜制成，喷针2处施加的电压为20kV。

生产时按以下过程操作，本体1相对于收集装置固定不动，喷针2朝向收集装置，将纺丝液通过溶液通道注入出液腔内并到达喷针2顶端，纺丝液在喷针2、收集装置所形成的诱导电场下产生诱导射流，诱导射流被诱导至收集装置形成纤维，能够持续而不间断地进行纺丝。

本发明在此提供一种具体的尺寸结构，并设置另外两组对照方案，以表明本发明所能达到的优点：

喷针2直径1mm，长度15mm，俯视图中相邻喷针投影点的间距为20mm，四棱柱梯形截面的上底为18mm，下底为52mm，高为6.28mm，四棱柱长度为200mm。四棱柱面顶线距离收集装置距离为165mm，收集装置宽为60mm，长为240mm，厚为2mm，材料为铜。施加电压为20kV，所取电场均为喷嘴尖端0.5mm处电场。图4为此方案所得到的电场图。

如图5A所示，为平板上横纵均匀布置喷针的结构图，图5B为其所对应的电场图，所取电场均为喷嘴尖端0.5mm电场。喷针的直径为1mm，高度为15mm，相邻喷嘴间距为20mm，喷针的顶端离收集装置的距离为150mm，收集装置宽为60mm，长为240mm，厚为2mm，施加电压为20kV。

如图6A所示，为平面中按照矩形布置喷针的俯视图，图6B为其所对应的电场图，所取电场均为喷嘴尖端0.5mm电场。喷针的直径为1mm，长度为20mm，相邻喷针间距为20mm，喷针的顶端离并未图示的收集装置距离为150mm，收集装置宽为60mm，长为240mm，厚为2mm，施加电压为20kV。

对比图4、图5B和图6B的电场图，采用本发明设计方案的图4中相邻喷针的电场强度相差较小，并且每个区域(每两或四个波峰为一组所形成的曲线)的电场强度相差较小；而图5B和图6B中相邻喷嘴的电场强度差距明显比图4中的大。因此采用本静电纺丝喷头所获得的电场更均匀，且单位面积上的针头数目增加一倍。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种静电纺丝喷头，包括本体(1)和喷针(2)，其特征在于，所述喷针(2)连接于所述本体(1)上，所述喷针(2)连通于所述本体(1)内的溶液通道，纺丝溶液从溶液通道中经所述喷针(2)喷出并被电场引导；所述喷针(2)沿所述本体(1)的长度方向成排分布且至少设置两排，相邻两排所述喷针(2)之间具有夹角，通过夹角抵消垂直于所述喷针(2)方向的电场分量。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝喷头，其特征在于，位于同一排的所述喷针(2)相互平行。

3.根据权利要求2所述的静电纺丝喷头，其特征在于，所述本体(1)为截面呈梯形的四棱柱，所述喷针(2)设置为三排、分别位于所述本体(1)的上表面及两个斜面，每个所述喷针(2)与各自所在的平面垂直。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝喷头，其特征在于，五个所述喷针(2)能够构成一个喷针组，所述本体(1)上沿长度方向至少设置两个所述喷针组；每个所述喷针组中的四个所述喷针(2)在底面上的投影位于矩形的四个顶点，另一所述喷针(2)位于矩形的形心。

5.根据权利要求4所述的静电纺丝喷头，其特征在于，所述本体(1)的梯形截面为等腰梯形，所述本体(1)梯形截面的底角角度为20～25度。

6.根据权利要求5所述的静电纺丝喷头，其特征在于，每个所述喷针组中构成矩形的四个所述喷针(2)与所述本体(1)的连接点位于同一圆周上。

7.根据权利要求6所述的静电纺丝喷头，其特征在于，每个所述喷针组中由四个所述喷针(2)连线构成的矩形的长宽比为

8.根据权利要求7所述的静电纺丝喷头，其特征在于，各个所述喷针组沿所述本体(1)的长度方向呈线性阵列分布；相邻的两个所述喷针组之间的间距大于或等于四个所述喷针(2)构成的矩形的宽度。

9.根据权利要求7所述的静电纺丝喷头，其特征在于，所述喷针(2)的直径为0.5～1.5mm，长度为10～20mm，每个所述喷针(2)的尺寸相同；所述喷针组中由四个所述喷针(2)构成的矩形的宽度为15～25mm；梯形截面的高为6～7mm；所述本体(1)的上表面距离收集装置的间距为150～175mm。

10.根据权利要求9所述的静电纺丝喷头，其特征在于，所述本体(1)、所述喷针(2)和所述收集装置均由铜制成，所述喷针(2)处施加的电压为20kV。