CN108893786A - 一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，属于纳米纤维制备技术领域，由圆柱管和顶部具有微分矩形叶片的放射状喷丝口构成。放射状喷丝口由沿圆周均匀分布的多个结构相同的放射状叶片组合而成，每个放射状叶片的顶部等间距排布多个微分矩形叶片，放射状喷丝口位于圆柱管的上部或下部，连接处内径相等且连接紧密、顺畅，可实现电纺流体的无障碍输运。本发明涉及的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴内径大，有利于避免堵塞问题，可对高浓度纺丝溶液进行电纺；放射状喷丝口有稳定液滴的作用，可产生多个纺丝射流，纺丝产量大；其管式结构可实现密闭可控供液，溶剂不易挥发；微分矩形叶片具有尖端能够产生更高场强，可降低能耗。

Description

一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴

技术领域

本发明涉及一种电纺喷嘴，特别是一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，属于纳米纤维制备技术领域。

背景技术

静电纺丝是通过高压直流电源产生的电场力拉伸聚合物溶液或熔体来制备纳米纤维的方法，是目前制备纳米纤维的最有效技术之一。溶液静电纺丝装置可以采用单个金属毛细针管作为纺丝头实现纺丝，如专利200420020596.3、200410025622.6等所公开的技术。但是，由于传统单个金属毛细针管静电纺丝产率较低，无法满足工业化需求，成为制约其发展的瓶颈问题，因此，Theron等将多个金属毛细针管按照直线排列或矩形排列的方式组成多针头静电纺丝装置[S.A.THERON，A.L.YARIN，E.ZUSSMAN，E.KROLL.Multiple jetsin electrospinning：experiment and modeling.Polymer，2005，46(9)：2889-2899.]，国内及国际上也出现了很多类似专利，如200420107832.5、201510278266.7、WO2007035011等所公开的技术。多针头静电纺丝技术喷丝位置可控、喂液量可控、喷丝过程稳定，在产量上相比于单针头静电纺丝有了大幅提高，但是由于各针头之间存在库仑斥力，造成中间场强小、两端场强大并且两侧针头的纺丝射流向外侧偏移的End effect(边缘效应)现象，导致纤维网从中间到两边厚度不匀等问题，另外，传统金属毛细针管内径小，针头易堵塞，且不方便清洗，这从根本上阻碍了多针头静电纺丝工业化的进程。

随后，研究人员提出了大量无针头静电纺丝的技术与设备，比如：WO2005024101公开的第一代“纳米蜘蛛”、Lin Tong等人的螺旋线圈静电纺丝装置[WANG X,NIU H,WANG X,LIN T.Needleless electrospinning of uniform nanofibers using spiral coilspinnerets[J].Journal of Nanomaterials,2012,2012(10):3-9.]、何吉欢等人的气泡静电纺丝技术[HE J H，LIU Y，XU L，et al.Biomimic fabrication of electrospunnanofibers with high-throughput[J].Chaos，Solitons and Fractals，2008，37：643-651.]等。与多针头静电纺丝技术相比，上述无针头静电纺丝技术具有无堵塞、易清理且生产效率大幅提高等优势。但是，该类无针头静电纺丝方法仍存在众多共性问题：纺丝发射极大多为无尖端型面，且加压面积大，要激发泰勒锥需要更高的电压，从而导致能耗高；其次，由于是液体表面自由重组形成喷射流，所以泰勒锥产生的位置和状态不可控，所得纤维粗细不匀、产品质量难以控制；另外，无针头静电纺丝的发射极大都浸没在开放式的纺丝液容器中(第二代纳米蜘蛛除外，但其供液器的橫动影响正常纺丝)，溶剂易挥发，溶液浓度发生改变，从而导致纺丝质量不稳定。针对无针头静电纺丝能耗高的问题，有研究人员提出了基于实心针[ZL201220297190.4]、尖端式[ZL201310186515.0]、锯齿式[ZL201210347514.5]等静电纺丝技术，此类纺丝头具有尖端，纺丝临界电压以及生产能耗得到大幅度降低，但是仍然存在开放式供液造成的纤维质量难以控制的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，解决传统毛细针管式静电纺丝装置针头堵塞、不便清洗以及无针头静电纺丝技术能耗高、开放式供液导致的纤维质量难以控制等问题。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，由圆柱管和顶部具有微分矩形叶片的放射状喷丝口构成。所述放射状喷丝口由沿圆周均匀分布的多个结构相同的放射状叶片组合而成，放射状叶片的展开形状可以是矩形、梯形、多边形等，每个放射状叶片的顶部等间距排布多个微分矩形叶片，所述放射状喷丝口位于所述圆柱管的上部(向上喷丝时)或下部(向下喷丝时)，连接处内径相等且连接紧密、顺畅，可实现电纺流体的无障碍输运；所述放射状喷丝口的若干个放射状叶片整体为金属或局部为金属材质，放射状叶片数量为大于等于2的正整数；每个放射状叶片顶部等间距排布着数量相同的微分矩形叶片，顶部的微分矩形叶片数量为大于等于2的正整数；放射状叶片的厚度为0.1～10mm(包括0.1mm和10mm)，顶部的微分矩形叶片厚度不大于放射状叶片的厚度；放射状叶片沿长度方向呈平面形或曲面形，且沿长度方向的展开长度为1～50mm(包括1mm和50mm)，顶部的微分矩形叶片沿长度方向呈平面形或曲面形，且沿长度方向的展开长度为1～50mm(包括1mm和50mm)；每个放射状叶片及顶部的微分矩形叶片均向外侧张开成一定角度，与竖直方向的夹角范围为0°～90°(包括0°和90°)；所述圆柱管整体或局部为金属材质的空心圆管构成，圆管内径为1～30mm(包括1mm和30mm)，长度和壁厚不限；根据所用聚合物纺丝溶液体系的特征，可对所述圆柱管内表面进行PTFE、Teflon TFE、TeflonPFA、Teflon FEP的喷涂/磁控溅射处理，适合不同聚合物纺丝液体系的要求，以达到降低表面张力、纺丝液不易和纺丝头表面粘附、防止纺丝头堵塞的目的；在所述放射状叶片和所述圆柱管的界面处，放射状叶片之间可以存在一定间隙或无间隙；所述基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴内径大，不易堵塞，适合于对高浓度的聚合物纺丝溶液体系进行静电纺丝，浓度范围视具体聚合物纺丝液体系不同而有变化，范围可在20～80％。

与现有多针头和无针头静电纺丝装置相比，本发明涉及的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴内径大，有利于避免堵塞问题，可对高浓度纺丝溶液进行电纺；放射状喷丝口增大了喷丝口与纺丝溶液之间的界面张力，能够长时间握持住液滴，有稳定液滴的作用；同时，放射状的喷丝口增大了喷丝液面面积，形成自由液体表面，能够激发多个泰勒锥从而产生多个纺丝射流，有利于增大纺丝产量；基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴具有管式结构，可实现密闭可控供液，溶剂不易挥发；基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴的微分矩形叶片具有尖端，能够在相同电压下产生更高的静电场力、降低静电纺丝能耗；另外，基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴可施加直流高压或交流高压。

附图说明

图1为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有2个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为36、放射状叶片展开形状为矩形、向外张开角度均为0°的电纺喷嘴结构示意图；

图2为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为5、放射状叶片展开形状为梯形、向外张开角度为30°的电纺喷嘴结构示意图；

图3为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为5、放射状叶片展开形状为梯形、向外张开角度为30°电纺喷嘴的主视图和俯视图；

图4为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为3、放射状叶片展开形状为多边形、向外张开角度为30°电纺喷嘴的主视图和俯视图；

图5为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴用于规模化纳米纤维生产时的一种实施例——7个基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴直线阵列排布的静电纺丝头。

具体实施方式

本发明提供了一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴(参见图1～5)，由圆柱管11和顶部具有微分矩形叶片的放射状喷丝口12组合而成。下面结合具体实施例及其附图进一步叙述本发明，具体实施例仅用于进一步说明本发明，不构成对本发明申请权利要求的限制。

实施例一：图1所示，为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴的一种实施例——具有2个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为36、放射状叶片展开形状为矩形、向外张开角度均为0°的电纺喷嘴，具体为：所述放射状喷丝口12位于所述圆柱管11的上部(向上喷丝)，所述放射状喷丝口内径和所述圆柱管内径相等且连接紧密、顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运；所述放射状喷丝口12由沿圆周均匀分布的2个放射状叶片组成，放射状叶片展开形状为矩形，2个放射状叶片之间存在0.2mm的间隙，每个放射状叶片顶部等间距排布36个微分矩形叶片；放射状叶片和顶部微分矩形叶片的厚度均为0.1mm，且均沿长度方向呈圆弧曲面，放射状叶片展开长度为10mm，顶部微分矩形叶片展开长度为50mm，每个放射状叶片及顶部的微分矩形叶片均向外张开0°，放射状叶片及顶部的微分矩形叶片的材料为不锈钢；所述圆柱管11材料为不锈钢，内径30mm，长度50mm；圆柱管内表面未作喷涂/磁控溅射处理。

实施例二：图2和图3所示，为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为5、放射状叶片展开形状为梯形、向外张开角度为30°的电纺喷嘴，具体为：所述放射状喷丝口12位于所述圆柱管11的下部(向下喷丝)，所述放射状喷丝口内径和所述圆柱管内径完全一致且连接紧密顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运；所述放射状喷丝口12由沿圆周均匀分布的4个放射状叶片组成，放射状叶片展开形状为梯形，每个放射状叶片顶部等间距排布5个微分矩形叶片；放射状叶片和顶部微分矩形叶片的厚度均为0.2mm，且均沿长度方向呈平面形，展开长度为4mm，每个放射状叶片及顶部的微分矩形叶片均向外张开30°，放射状叶片及顶部的微分矩形叶片的材料为不锈钢；所述圆柱管11材料为不锈钢，内径1.6mm，长度5mm；圆柱管内表面喷涂PTFE；在放射状叶片和圆柱管的界面处，放射状叶片之间存在0.2mm间隙。

实施例三：图4所示，为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个放射状叶片、顶部微分矩形叶片数量为3、放射状叶片展开形状为多边形、向外张开角度为30°的电纺喷嘴，具体为：所述放射状喷丝口12位于所述圆柱管11的下部(向下喷丝)，所述放射状喷丝口内径和所述圆柱管内径完全一致且连接紧密顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运；所述放射状喷丝口12由沿圆周均匀分布的4个放射状叶片组成，放射状叶片展开形状为多边形，每个放射状叶片顶部等间距排布3个微分矩形叶片；放射状叶片和顶部微分矩形叶片的厚度均为0.2mm，且均沿长度方向呈平面形，展开长度为4mm，每个放射状叶片及顶部的微分矩形叶片均向外张开30°，放射状叶片及顶部的微分矩形叶片的材料为不锈钢；所述圆柱管11材料为不锈钢，内径1.6mm，长度5mm；圆柱管内表面喷涂PTFE；在放射状叶片和圆柱管的界面处，放射状叶片之间存在0.2mm间隙。

实施例四：图5所示，为本发明基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴用于规模化纳米纤维生产时的一种实施例——7个基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴直线阵列排布的静电纺丝头，其中包含7个基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，放射状电纺喷嘴的间距为20mm。

Claims (8)

1.一种基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，由圆柱管和顶部具有微分矩形叶片的放射状喷丝口构成。所述顶部具有微分矩形叶片的放射状喷丝口位于所述圆柱管的上部(向上喷丝时)或下部(向下喷丝时)，连接处内径相等且连接紧密、顺畅，可实现电纺流体的无障碍输运。

2.根据权利要求1所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述放射状喷丝口由沿圆周均匀分布的多个结构相同的放射状叶片组合而成，放射状叶片的展开形状可以是矩形、梯形、多边形等，每个放射状叶片的顶部等间距排布多个微分矩形叶片，所述的放射状叶片整体为金属或局部为金属材质，顶部的微分矩形叶片整体为金属材质或局部为金属材质。

3.根据权利要求1-2所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述的放射状叶片数量为大于等于2的正整数，每个所述放射状叶片顶部微分矩形叶片的数量为大于等于2的正整数，所述的放射状叶片及顶部的微分矩形叶片均向外侧张开成一定角度，与竖直方向的夹角范围为0°～90°(包括0°和90°)。

4.根据权利要求1-3所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述的放射状叶片的厚度为0.1～10mm(包括0.1mm和10mm)，顶部的微分矩形叶片厚度不大于放射状叶片的厚度。

5.根据权利要求1-4所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述的放射状叶片沿长度方向呈平面形或曲面形，且沿长度方向的展开长度为1～50mm(包括1mm和50mm)，顶部的微分矩形叶片沿长度方向呈平面形或曲面形，且沿长度方向的展开长度不大于放射状叶片沿长度方向的展开长度。

6.根据权利要求1-5所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述的圆柱管整体或局部为金属材质的空心圆管构成，圆管内径为1～30mm(包括1mm和30mm)，长度和壁厚不限。

7.根据权利要求1-6所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：可根据所用聚合物纺丝溶液体系的特征，对所述圆柱管内表面进行PTFE、Teflon TFE、TeflonPFA、Teflon FEP的喷涂/磁控溅射处理，适合不同聚合物纺丝液体系的要求，以达到降低表面张力、纺丝液不易和纺丝头表面粘附、防止纺丝头堵塞的目的。

8.根据权利要求1-7所述的基于微分矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述的放射状叶片和圆柱管的界面处，放射状叶片之间可以存在一定间隙或无间隙。