CN107974718B - 以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法 - Google Patents

Abstract

以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，属于静电纺丝领域，为了解决静电纺丝温、湿度恒定控制，并能够使得纺丝空间紧凑并可调的问题，技术要点是：电纺纤维喷射装置喷射过程中，由恒温恒湿吹风机供应于吹风槽以恒湿恒温的气源，并在吹风槽中，气流通过中空层以被围成吹风槽的支撑架以向下导风，并于吹风槽下壁形成的尖端吹风口出风以形成风幕，该风幕被对应于吹风槽下方的吸风槽所接收，并在吸风槽连通的吸气风机导风作用下以排风。

Description

以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法

技术领域

本发明属于静电纺丝领域，涉及一种静电纺丝喷射环境温、湿度恒定控制装置及方法。

背景技术

静电纺丝技术广泛应用在纳米纤维材料制备领域。纳米纤维材料因其卓越的物理、化学 特性，拥有广泛的应用领域及无限的发展前景，各国都在加紧改进现有静电纺丝技术或是研 制新型的静电纺丝设备。在静电纺丝生产过程中，通过让带有电荷的高分子溶液在高压静电 场中喷射、拉伸、劈裂、挥发固化，最终形成纤维状特质。影响静电纺丝纤维形貌和性质的 参数有很多，例如高压电源所提供的电压大小、收集板与喷丝口之间的距离、收集板的形状、 面积、溶液的表面张力、电导率、溶液中有机溶剂的溶解度、溶液的黏弹力、溶液的重量、 流速、环境的温度、湿度、和周围磁场、电场等。静电纺丝环境参数对静电纺丝过程起着决 定性作用，尤其是电纺纤维喷射环境的温湿度，直接影响到电纺纤维的生产质量。国内大多 数的纺丝设备只是对纺丝的环境温度进行了测与控，偶尔会对湿度进行简单的人工干预，例 如增放干燥剂、除湿机等方法，基于此种方式对电纺纤维喷射环境温湿度的简单、随意控制 缺乏操作上的可靠性和环境参数的稳定性，极其不利于电纺纤维的高质量生产或研究。国外 的少数高端电纺纤维设备在喷射环境中安装了专用的温、湿度控制装置，但是设备结构复杂、 造价昂贵，不利于在国内进行大范围的推广使用。

发明内容

为了解决静电纺丝温、湿度恒定控制，并能够使得纺丝空间紧凑并可调的问题，本发明 提出如下技术方案：一种以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，步骤如下：

吹风槽的内侧壁固定的托架，其连接的内直径环将电纺纤维喷射装置固定，使内直径环 与电纺纤维喷射装置形成密封连接；吹风槽被悬挂安装以固定，使电纺纤维喷射装置位于水 平面的上方，收集板对应于电纺纤维喷射装置的下方放置；

电纺纤维喷射装置喷射过程中，由恒温恒湿吹风机供应于吹风槽以恒湿恒温的气源，并 在吹风槽中，气流通过中空层以被围成吹风槽的支撑架以向下导风，并于吹风槽下壁形成的 尖端吹风口出风以形成风幕，该风幕被对应于吹风槽下方的吸风槽所接收，并在吸风槽连通 的吸气风机导风作用下以排风。

有益效果：本发明所述的以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，，可利用简单 的工具非常方便地安装在电纺纤维喷射现场，适应单针头、多针头等多种喷射环境，通过吹 风槽吹气口形成可控气流的切面，外加底部的收集板，在电纺纤维喷射环境中形成一个相对 密闭的矩形空间。该空间的里的温、湿度可通过恒温恒湿气源进行线性控制；该空间的大小 可通过托架支臂长短进行调节；该空间不形成物理意义上的视线遮挡，便于操作人员实时进 行电纺纤维喷射观察；该空间可防止电纺纤维杂质喷出收集板以外的区域污染环境；该空间 扩展性强，不影响附属的电场、磁场等装置的安装与使用。该方法的使用可为生产出高质量 的电纺纤维打下坚实的环境基础。本发明以此为出发点设计的基于可控气流的组合式电纺纤 维喷射环境控制装置，实现了电纺纤维喷射环境温、湿度的准确控制，为提高电纺纤维材料 的制备质量打下坚实基础。该组合式装置还具有造价低、适用范围广、安装简单、观测效果 好、环境友好、系统运行稳定和便于维护等优点。非常适合在大中院校、研究院所及电纺纤 维生产厂家等单位进行推广。

附图说明

图1是电纺纤维喷射工作示意图；

图2是恒温恒湿气源、吹风槽、与托架的组合图；

图3是吸风槽与吸气风机的组合图；

图4为基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置的组装图；

图5为一种实施例的横向风幕导风示意图；

图6为一种实施例的横向风幕导风示意图。

其中：1.恒温恒湿气源，2.吹风槽，3.托架，4.吸风槽，5.吸气风机，6.滤网，7.横向吹风口，8.电纺纤维，9.收集板，10.挡片，11.卷缩幕帘，12.内侧壁，13.外侧壁，14.上侧壁，15.下侧壁，16.分隔壁。

具体实施方式

实施例1：为了解决电纺纤维喷射环境温湿度的便捷、精准、可靠和低成本的控制，本 实施例提供一种基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置，该装置由恒温恒湿气源、 托架、吹风槽、吸风槽、滤网、吸气风机组成。

其中：所述恒温恒湿气源可向外输出温湿度可调的空气，且空气流量可控，恒温恒湿气 源为自动化控制领域常见的装置。

所述吹风槽，由上述恒温恒湿气源与四个吹风槽相连，吹风槽控制气流以一定角度向下 方吹，四个吹风槽通过卡槽安装在托架的四个支臂的二级支撑臂上，四个吹风槽首尾相连。 吹风槽可以按实际需要用矩形风槽安装，组成一个矩形的风幕；吹风槽的外部安有卷缩式幕 帘，可在四个方向向下拉动幕帘并将一头挂接在吸风槽上，形成物理意义上的密闭空间以使 吹风槽和吸风槽的密闭效果更好。四个吹风槽其中的一个设有横向吹风口用来在空间的顶端 形成风幕，其中横向出风口出来的风只会被细小的针头阻挡，不会对整体风向产生明显干扰。 在横向出风口对面的吹风槽靠内层较低位置黏贴轻质可折叠的90角线型合页，以使横向风 幕的大部分风从装置上方导出，只有少量的横向风会流入喷射空间内，但不会对电纺纤维的 喷射轨迹产生干扰。五个方向的吹风槽的出气口宽度可手动调节；气源流量不变时，出风口 宽度越小，风速越大，形成的风幕变形越小。所述托架，其为铝合金材料制成，由内直径环、 一级支撑臂和二级支撑臂组成。托架可以调节内直径的长短从而可固定在不同规格的电纺溶 液容器上；托架的四个方向支撑臂的长度可以通过调节二级支撑臂的伸出长度来调节，适应 不同长度的吹风槽。

所述吸风槽是为了形成稳定的空间风场，在电纺纤维收集板的四周安装的矩形吸风槽； 电纺纤维喷射时受多种参数影响，会有少部分纤维喷出控制区域，因此在吸风槽的内侧安有 可调节角度的挡片，收集喷飞的电纺纤维，以便收集板上形成规整、可控的电纺纤维形状。

所述滤网属于可更换的耗材，滤网安装在吸气风机和吸风槽中间，用来滤除喷射到吸风 槽里的电纺纤维杂质。所述吸气风机为吸风槽提供吸气动力。

由上述，本实施例所述的基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置，由恒温恒 湿气源、托架、吹风槽、吸风槽、滤网、吸气风机组成。该装置作为电纺纤维生产的附属装 置应用时不受空间限制、不受电纺材料影响，经过简单的安装即可为多种型号的电纺设备提 供可靠、便捷的温湿度环境控制。

该实施例中，提供该基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置的使用方法：

首先根据电纺纤维喷射需求调节托架支撑臂的长度，即二级支撑臂伸出一级支撑臂的长 度，根据支撑臂的长度选择对应的吹风槽，从而确定矩形空间的长、宽；二级支撑臂的正向 和侧向设有卡槽，用来固定吹风槽；然后将风槽固定到二级支撑臂的卡槽中，确定各个吹风 槽收尾相接；然后根据电纺溶液容器外部的外部直径调节托架的内直径，根据电纺喷射需求 确定托架的高度，然后将托架连同吹风槽一同固定在容器外部的对应位置。手动调节吹风槽 下方和横向出风口大小和角度；在吹风槽的外侧设有卷缩幕帘，当对电纺纤维的空间密闭性 要求较严时，可将幕帘拉下，挂在吸风槽的外部卡扣上，即通过吹风槽风幕和卷帘形成了两 道密封面。

用导气管将四个吹风槽与恒温恒湿气源相连。恒温恒湿气源可自由设定导向吹风槽的空 气的温湿度和流量。在下方的收集板四周安有吸风槽，各个吸风槽收尾相连，且与吹风槽上 下形成对应关系。电纺纤维喷射时会有少部分纤维喷出控制区域，所以在吸风槽的内侧安有 角度可调的挡片，收集喷飞的电纺纤维，同时还可在收集板上形成规整、可控的电纺纤维形 状；吸气电机通过可更换的滤网与四个吸风槽连接，通过调节吸气电机的转速，可使吸风槽 产生不同的吸气量。在实验室条件下测试，进气电机的出气量比吸气电机的吸气量多20％时， 能形成更为有效的密闭空间效果。

实施例2：一种基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置，包括吹风槽、吸风 槽，所述的吹风槽为围闭的且中空的支撑架，所述的吹风槽的中空层连通于恒温恒湿吹风机 以对吹风槽的中空层进风，支撑架的侧壁作为进风而形成风幕的导向装置，所述的吹风槽对 应设置吸风槽，所述吸风槽为围闭的且中空的支撑架，其中空层连通于吸气风机，所述吹风 槽形成的风幕通过吸风槽由吸气风机外排。由上述，形成吹风槽与吸风槽之间空气流动的风 幕，使得喷射环境以形成接近密闭空间，并且风幕形成为恒温、恒湿，使得该密闭环境为恒 温、恒湿环境，从而构造了协同的密闭恒温、湿度空间。

如图4所示，在一种实施例中，所述的吹风槽的内侧壁由托架连接内直径环以固定电纺 纤维喷射装置，使内直径环与电纺纤维喷射装置形成密封连接，且，吹风槽的部分内侧壁开 出横向吹风口，所述横向吹风口释放出基本能覆盖于支撑架围闭平面的风幕。在该实施例中， 为了进一步完善该密闭空间的封闭性，以横向吹风口在喷射针头附近形成横向风幕，极大保 证了恒湿、恒温环境的稳定性。

在另一个实施例中，为了解决横向风幕导风的问题，使得横向吹风口相对的支撑架的内 壁的较低位置黏贴可折叠的90度角线型合页，使得线型合页形成的倾斜面与所述平面的风 幕相交，并由该倾斜面向横向风幕的上方导风，从而使得风幕可以不产生干扰气流，使用倾 斜面向上导风，值得说明书的是，该所述上方导风，并非仅指代竖直方向导风，无论竖直或 斜向上导风即可以完成导风的功能。

然而，单纯靠倾斜面改变横向风幕方向使得向上方导风，可能还是会出现扰动气流，使 得内部空间存在不稳定的可能，为了解决该问题，在一个实施例中，如图5，与该横向吹风 口相对的吸风槽的内侧壁开出与横向吹风口相适配的吸风口，分隔壁将开有横向吸风口的内 侧壁与该内侧壁相对的外侧壁隔离，并由带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者 带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成的空间向对应的上侧壁导风。

而同样解决该技术问题，并对横向风幕不局限于导出，考虑其应用，所述的由带有横向 吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成的 空间对应的上侧壁安装有吸风机，如图6，或者由带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁或者带 有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成的空间对应上侧壁为封闭壁，该下侧壁开出吹 风口，该吹风口对应于吸风槽。由吸风机对横向风幕吸收或者直接由下方的吸风槽吸收，可 以使得该部分风能可以被再利用，特别是第二种方案，被下方吸风槽吸收，相对于第一种方 案在结构上更为简单。

而作为优选向上侧壁或下侧壁导风的优选方案，在横向吸风口内壁较低位置黏贴可折叠 的90度角线型合页，使得线型合页形成的倾斜面的一端连接于分隔板，倾斜面具有部分置 于所述空间中的部分，置于在所述空间中的倾斜面能与横向出风口形成的风幕所在平面相交。 通过该构造，使得倾斜面作为风向改变结构，能够更为准确的送风向上或向下。

在一种实施例中，用于滤除喷射到吸风槽里的电纺纤维杂质的滤网安装在吸气风机和吸 风槽之间。

在一种方案中，为了能够使得风幕更为稳定，考虑到气流恒定下，吹风口宽度越小，风 幕越强，隔离效果越好，因而所述中空层是由相互平行的支撑板围闭出，在支撑架其形成风 幕的方向，相对并形成中空层的支撑板在端部附近呈现出相互向内倾斜的形状，并以趋于封 闭连接，至底端部开出尖端吹风口，吹风口的开口宽度在0.05-0.08mm之间为优选方案。

在一种实施例中，在内侧壁上横向延伸两个具有一定距离的支撑板，并在支撑板端部附 近呈现出相互向内倾斜的形状，并以趋于封闭连接，至接近封闭处开出横向尖端吹风口。并 且该吹风口的开口宽度在0.05-0.08mm之间为优选方案，使得横向吹风口形成的风幕也较为 稳定。

在一种实施例中，在吸风槽与出风槽的外壁之间安装卷缩幕帘，吸风槽的内壁相向并向 内倾斜以成型挡片，以巩固风幕的隔离作用。

在一种实施例中，所述的支撑架、中空层、吹风口、出风口、托架、内直径环的长度和 /或宽度可调节。这种伸缩结构属于本领域的常规手段，然而利用该手段，可以对于风幕形 成的空间规模进行调整，从而，结合于吹风槽、吸风槽的结构，能够更为便捷使用，如根据 实验环境进行改变空间等。

在本实施例中的各个实施例方案中，记载一种以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的 方法，吹风槽的内侧壁固定的托架，其连接的内直径环将电纺纤维喷射装置固定，使内直径 环与电纺纤维喷射装置形成密封连接；吹风槽被悬挂安装以固定，使电纺纤维喷射装置位于 水平面的上方，收集板对应于电纺纤维喷射装置的下方放置；电纺纤维喷射装置喷射过程中， 由恒温恒湿吹风机供应于吹风槽以恒湿恒温的气源，并在吹风槽中，气流通过中空层以被围 成吹风槽的支撑架以向下导风，并于吹风槽下壁形成的尖端吹风口出风以形成风幕，该风幕 被对应于吹风槽下方的吸风槽所接收，并在吸风槽连通的吸气风机导风作用下以排风。

在部分吹风槽的内壁开出的横向吹风口，在恒温恒湿吹风机供风下，形成横向风幕以覆盖电 纺纤维喷射装置所在上方的一个水平面。

在一个方案中，该横向风幕横向移动至横向吹风口相对的矩形支撑架的内壁处，其内壁 的较低位置黏贴的可折叠的90度角线型合页形成的倾斜面与所述横向风幕相交，并由该倾 斜面向横向风幕的上方导风(该上方不仅包括垂直上方，还包括倾斜上方)。

在一个方案中，该横向风幕被施放并由带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或 者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成的空间所接收，并在该所述的空间对应的 上侧壁安装有吸风机以排风。

在一个方案中，在吹风槽与吸风槽的外壁之间的卷缩幕帘展开，并将以形成风幕的保护 装置。

实施例3：一种基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置，作为一种独立的实 施例或者作为实施例2中方案的具体化，所述的吹风槽为由四个矩形支撑架组成，其为四个 矩形支撑架通过左、右侧壁的连接方式以形成一体式或分离式连接，每个矩形支撑架的上侧 壁与吹风槽连通，所述的内侧壁与外侧壁为封闭壁，然而在四个矩形支撑架的至少一个内侧 壁开出横向吹风口，所述的下侧壁具有吹风口，由所述出吹风口发出风幕，其中，吹风槽的 一个矩形支架的内侧壁开出横向吹风口。

在一种方案中，横向吹风口相对的矩形支撑架的内壁的较低位置黏贴可折叠的90度角 线型合页，使得线型合页形成的倾斜面与所述平面的风幕相交，并由该倾斜面向横向风幕的 上方导风。

在一种方案中，与该横向吹风口相对的吸风槽的矩形支架的内侧壁开出与横向吹风口相 适配的吸风口，分隔壁将开有横向吸风口的内侧壁与该内侧壁相对的外侧壁隔离，并由带有 横向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形 成的空间向该空间对应的上壁导风。

在一种方案中，与该横向吹风口相对的吸风槽的矩形支架的内侧壁开出与横向吹风口相 适配的吸风口，分隔壁将开有横向吸风口的内侧壁与该内侧壁相对的外侧壁隔离，所述的由 带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧 壁形成的空间对应的上侧壁安装有吸风机。

在一种方案中，与该横向吹风口相对的吸风槽的矩形支架的内侧壁开出与横向吹风口相 适配的吸风口，分隔壁将开有横向吸风口的内侧壁与该内侧壁相对的外侧壁隔离，由带有横 向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成 的空间对应上侧壁为封闭壁，该下侧壁开出吹风口，该吹风口对应于吸风槽。

在一种方案中，所述的吸风槽由四个矩形支撑架组成，其为四个矩形支撑架通过左、右 侧壁的连接方式以形成一体式或分离式连接，每个矩形支撑架的上侧壁具有对出风槽形成的 风幕以对应并进风的进风口，所述的内侧壁与外侧壁为封闭壁，所述的下侧壁具有出风口， 该出风口与所述吸气风机连通。

在一种方案中，在横向吸风口内壁较低位置黏贴可折叠的90度角线型合页，使得线型 合页形成的倾斜面的一端连接于分隔板，倾斜面具有部分置于所述空间中的部分，置于在所 述空间中的倾斜面能与横向出风口形成的风幕所在平面相交。

在一种方案中，所述中空层是由相互平行的支撑板围闭出，在支撑架其形成风幕的方向， 相对并形成中空层的支撑板在端部附近呈现出相互向内倾斜的形状，并以趋于封闭连接，至 底端部开出尖端吹风口。

在一种方案中，在内侧壁上横向延伸两个具有一定距离的支撑板，并在支撑板端部附近 呈现出相互向内倾斜的形状，并以趋于封闭连接，至接近封闭处开出横向尖端吹风口。

在一种方案中，所述的支撑架、中空层、吹风口、出风口、托架、内直径环的长度和/或宽度可调节。

在一种方案中，用于滤除喷射到吸风槽里的电纺纤维杂质的滤网安装在吸气风机和吸风 槽之间。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技 术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，其特征在于，步骤如下：

吹风槽的内侧壁固定的托架，其连接的内直径环将电纺纤维喷射装置固定，使内直径环与电纺纤维喷射装置形成密封连接；吹风槽被悬挂安装以固定，使电纺纤维喷射装置位于水平面的上方，收集板对应于电纺纤维喷射装置的下方放置；电纺纤维喷射装置喷射过程中，由恒温恒湿吹风机供应于吹风槽以恒湿恒温的气源，并在吹风槽中，气流通过中空层以被围成吹风槽的支撑架向下导风，并于吹风槽下壁形成的尖端吹风口出风以形成风幕，该风幕被对应于吹风槽下方的吸风槽所接收，并在吸风槽连通的吸气风机导风作用下以排风；

由基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置实施该方法，所述的基于可控气流的组合式电纺纤维喷射环境控制装置，包括吹风槽、吸风槽，所述的吹风槽为围闭的且中空的支撑架，所述的吹风槽的中空层连通于恒温恒湿吹风机以对吹风槽的中空层进风，支撑架的侧壁作为进风而形成风幕的导向装置，所述的吹风槽对应设置吸风槽，所述吸风槽为围闭的且中空的支撑架，其中空层连通于吸气风机，所述吹风槽形成的风幕通过吸风槽由吸气风机外排；所述的吹风槽的内侧壁由托架连接内直径环以固定电纺纤维喷射装置，使内直径环与电纺纤维喷射装置形成密封连接，且吹风槽的部分内侧壁开出横向吹风口，所述横向吹风口释放出能覆盖于支撑架围闭平面的风幕；与该横向吹风口相对的吹风槽的内侧壁开出与横向吹风口相适配的横向吸风口，分隔壁将开有横向吸风口的内侧壁和与该内侧壁相对的外侧壁隔离，在由带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成的空间对应的上侧壁或下侧壁上安装有吸风机。

2.如权利要求1中所述的以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，其特征在于，在部分吹风槽的内侧壁开出的横向吹风口，在恒温恒湿吹风机供风下，形成横向风幕以覆盖电纺纤维喷射装置所在上方的一个水平面。

3.如权利要求2中所述的以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，其特征在于，该横向风幕被施放并被带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁形成的空间或者带有横向吸风口的内侧壁、分隔壁和下侧壁形成的空间所接收，并在该所述的空间对应的上侧壁或下侧壁上安装有吸风机以排风。

4.如权利要求1中所述的以可控气流形成电纺纤维喷射稳定环境的方法，其特征在于，在吹风槽与吸风槽的外壁之间的卷缩幕帘展开，以形成风幕的保护装置。