CN109097843A - 一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，包括高压电源、溶液供给装置、喷丝装置以及接收板；所述溶液供给装置包括输送器以及溶液槽；所述喷丝装置包括多根针头；所述高压电源的正极与所述针头连接，负极与所述接收板连接，所述接收板位于所述喷丝口的下方；还包括与所述针头混合设置的辅助电极，该辅助电极为与高压电源的正极连接的正电极或接地电极；当所述辅助电极为正电极时，该正电极分布在所述针头的外围；当所述辅助电极接地电极时，该接地电极设置在针头内部的中间区域。本发明的多针头静电纺丝设备解决了静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不均匀的问题，进而提高纳米纤维制备效率和质量。

Description

一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝设备，具体涉及一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备。

背景技术

近年来，纳米材料发展迅速，应用非常广泛，是推动当代科技进步的重要力量。在纳米材料中，纳米纤维由于具有比图面积较高、孔隙率较高，同时具有纤维膜孔径小、图面能高、纤维连续性好等特性，已成为纺织工业及相关产业共同关注的重要课题。

静电纺丝技术是近年来用于制备纳米纤维及其应用领域中被研究最多、应用最广的技术之一。静电纺丝是一种通过在高压静电场下使聚合物溶液带电，随着电压的升高，电场力克服图面张力和粘滞力使得微小液体流从溶液图面高速喷出，并在电场作用下拉伸细化最终固化成直径从几十纳米到数百纳米不等的纳米纤维。

传统的静电纺丝装置中使用的喷丝头主要为针式毛细管，具有设备简单、操作方便等优点。用静电纺丝这种方法可以制备有机、无机/有机复合和无机纳米纤维等等，静电纺丝技术制备的纳米纤维材料已在组织工程、神经再生、催化、过滤、防护、能源、传感器、食品工程及化妆品等领域取得了成功应用，并成为国内外相关领域研究的重要热点问题，预计2020年全球纳米纤维的市场规模将达到400亿美元。但是，传统单针头静电纺丝法生产纳米纤维的产量较低约为0.02-0.3g/h,限制了静电纺纳米纤维的工业化生产，影响其产品的推广应用。因此探索提高静电纺纳米纤维效率的新方法，是未来静电纺丝技术研究的一个重要方向，国内外学者对静电纺丝装置和技术进行了改进研究，用来提高静电纺纳米纤维的产量。

目前，非针式静电纺丝技术和多针头静电纺丝技术是实现静电纺纳米纤维批量化生产的两个主要研究方向。非针式静电纺丝技术的研究主要是通过不同的介质使聚合物溶液的图面产生大量多股射流，从而提高纳米纤维制备效率。由于这些技术摒弃了传统的针式喷丝头，因而一般统称为非针式静电纺丝技术。在非针式静电纺丝领域中，捷克Elmarco公司的Nanospider技术(旋转滚筒技术)较为有名，可以取得商业化生产。但是，这些非针式静电纺丝技术还存在许多问题，首先是自由液面纺丝其溶剂挥发速度快，容易造成纺丝液性质发生变化而导致纤维直径离散较大，其次是能耗相对较大(需要电压较高，如传统静电纺丝电压一般为5-20kV，而非针式静电纺一般需30-120kV)、设备成本高等问题，这些问题使得非针式静电纺丝技术在工业化生产和推广时有一定难度。

此外，由多个喷丝头组合的多针头静电纺丝方法是制备纳米纤维的另一个重要途径。近年来，国内外也陆续出现了一些多喷头式静电纺丝商业化生产设备，如我国江西先材纳米纤维科技有限公司的静电纺丝设备、韩国Cluster公司的电喷射成型设备、西班牙Yflow公司的模块化多喷头静电纺丝设备等。这类技术的主要优点是利用多喷头实现多泰勒锥到多射流从而提高纳米纤维产量。增加喷头数量是提高传统静电纺丝产量最直接的方法，但增加针头数量以后，造成不同位置针头电场力差异的增加，多喷头之间的存在静电干扰问题，特别是当喷头数量增加到一定规模时，某些喷头无法纺丝或者以液滴形式滴落，容易造成纳米纤维膜结构不匀或穿孔等问题。为了克服这一缺陷，出现了改变多针头的排列方式、调整喷头间距、调整喷头长度等方法，并取得了一定进展，但问题仍未得到彻底解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，解决了静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不均匀的问题，进而提高纳米纤维制备效率和质量。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，包括高压电源、溶液供给装置、喷丝装置以及接收板，其中，所述溶液供给装置包括用于提供静电纺丝溶液的输送器以及用于存放静电纺丝溶液的溶液槽，其中，所述输送器与所述溶液槽连通；所述喷丝装置包括设置在所述溶液槽下端的多根针头，所述多根针头的上端竖直延伸至所述溶液槽内，下端设置有喷丝口；所述高压电源的正极与所述针头连接，负极与所述接收板连接，所述接收板位于所述喷丝口的下方；

还包括用于消除静电干扰的静电干扰消除装置，该静电干扰消除装置包括与所述针头混合设置的辅助电极，该辅助电极为正电极或接地电极，其中，当所述辅助电极为正电极时，该正电极分布在所述针头的外围，且与所述高压电源的正极连接；当所述辅助电极接地电极时，该接地电极设置在针头内部的中间区域，且与地面连接。

优选的，所述多个针头呈矩阵排布，形成矩阵状针头组合。

优选的，当辅助电极为正电极时，所述辅助电极为两组，每组包括两个正电极，其中一组辅助电极位于矩阵状针头组合中沿着X轴方向的一侧，另外一组辅助电极位于另一侧；每个辅助电极与所述矩阵状针头组合中最接近该辅助电极的针头在X轴方向上的距离为1cm。

优选的，当辅助电极为正电极时，所述辅助电极为两个，两个辅助电极分别设置在所述矩阵状针头组合中沿着X轴方向的两侧的中部，每个辅助电极与该矩阵状针头组合中的最接近该辅助电极的针头在X轴方向上的距离为1cm。

优选的，当辅助电极为接地电极时，所述辅助电极为两个，两个辅助电极分别设置在所述矩阵状针头组合中沿着Y轴方向的两侧的中部，且每个辅助电极与所述矩阵状针头组合中的最接近该辅助电极的针头在Y轴方向上的距离为1cm。

优选的，当辅助电极为接地电极时，所述辅助电极为两组，每组包括两个接地电极，两组接地电极分别设置在所述矩阵状针头组合中沿着Y轴方向的两侧的中部，且每组辅助电极中的各个接地电极与所述矩阵状针头组合中的最接近该辅助电极的针头在Y轴方向上的距离为1cm。

优选的，所述针头的喷丝口与接收板之间的竖直距离为15cm。

优选的，所述矩阵状针头组合由22根针头组成，所述22根针头分成两行，每行为11根针头，其中，第一行针头与第二行针头之间的垂直距离为2cm，每行中相邻的两个针头之间的距离均为2cm。

优选的，所述第一行针头相对于第二行针头在X轴方向偏移1cm。

优选的，所述矩阵状针头组合由22根针头组成，所述22根针头分成两行，其中，第一行针头为8个，第二行针头为14个，所述第一行针头中相邻的两个针头之间的间距为2cm，所述第二行针头中相邻的两个针头之间的间距为3cm，所述第一行针头和第二行针头之间的垂直距离为2cm，所述第一行针头相对于第二行针头在X轴方向偏移0.5cm。

本发明的多针头静电纺丝设备的工作原理是：

工作时，输送器向溶液槽中注入静电纺丝溶液，在高压电源的作用下针头形成正电极，接收板形成负电极，针头与接收板之间形成静电场，使得针头中每个针头内的静电纺丝溶液带正电，并在电场力的作用下克服液体表面张力和粘滞力使得微小液体流从针头下端的喷丝口高速喷出，并在电场作用下拉伸细化最终固化成直径从几十纳米到数百纳米不等的纳米纤维。

由于所有针头均带正电，因此各个针头产生的电场相互干涉(同极相斥)，且不同位置的针头受到干涉的程度不一致，位于中间位置的针头受到(四周的针头)的电场干涉程度相对更大，而位于边缘位置的针头受到的干涉程度相对较小，使得所有针头组合在一起形成的整体电场不均匀；本发明通过设置辅助电极，该辅助电极本身不产生喷丝，而是用于平衡针头之间的电场干涉效应，促使针头整体电场分布更加均匀。具体地：一种方式是在针头的外围设置辅助正电极，该辅助电极与针头一样带正电，该辅助电极对针头原来的电场产生了影响，所有的针头都被包围在辅助电极的电场范围之下，从而缩小了原来处于边缘位置和处于中间位置的针头所受到干涉程度的差异，使得所有针头处的电场分布更加趋向于均匀。第二种方式是在针头内部的中间区域设置接地电极，位于中间区域的针头受到四周针头干涉的程度最大，针头与针头之间是同极相斥的效应，在中间区域设置接地电极后，该接地电极对针头产生的干涉效应与原来针头之间的干涉效应相反，从而削弱中间区域针头原来所受到的干涉效果，使得所有针头处的电场分布更加趋向于均匀。通过上述方式，改善多针头静电纺中的静电干扰导致电场不均匀的现象，使得每个喷丝头处于更加均匀电场中，这样每个喷丝头均能稳定的喷射射流，进而可以改善静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不均匀等问题，提高纳米纤维制备效率和质量。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明的多针头静电纺丝设备通过引入带正电或者接地的辅助电极来改善多针头静电纺中的静电干扰现象，从而克服非针式静电纺丝的自由液面容易导致纺丝液性质发生变化的不足，同时使得每个针头的电场分布均匀，这样每个针头均能稳定的喷射射流，进而可以改善静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不匀等问题，提高纳米纤维制备效率。

2、本发明的多针头静电纺丝设备通过在针头的四周设置多个带正电的辅助电极，从而削弱相邻针头之间的静电干扰，使得各个针头之间的电场分布均匀，并且能使两侧针头的喷丝口的射流往中间集中，使得接收板收集到的静电纺丝分布更加均匀。

3、本发明的多针头静电纺丝设备通过在针头的中部设置若干个接地的辅助电极，从而削弱相邻针头之间的静电干扰，使得各个针头之间的电场分布均匀，并且能使两侧针头的喷丝口的射流往中间集中，使得接收板收集到的静电纺丝分布更加均匀。

附图说明

图1和图2为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的第一个具体实施方式的结构简图。

图3-图5为矩阵状针头组合呈正方形排布的俯视图，其中，图3为不添加辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图4为添加两个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图5为添加四个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图。

图6为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备在不添加辅助电极、添加两个辅助电极和添加四个辅助电极中的电场强度变化折线图。

图7-图9为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的第二个具体实施方式中的矩阵状针头组合呈等腰三角形排布的俯视图，其中，图7为不添加辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图8为添加两个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图9为添加四个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图。

图10为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备在不添加辅助电极、添加两个辅助电极和添加四个辅助电极中的电场强度变化折线图。

图11-图13为为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的第三个具体实施方式中的矩阵状针头组合呈等腰梯形排布的俯视图，其中，图11为不添加辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图12为添加两个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图13为添加四个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图。

图14为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备在不添加辅助电极、添加两个辅助电极和添加四个辅助电极中的电场强度变化折线图。

图15和图16为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的第四个具体实施方式的结构简图。

图17-图19为矩阵状针头组合呈正方形排布的俯视图，其中，图17为不添加辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图18为添加两个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图19为添加四个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图。

图20为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备在不添加辅助电极、添加两个辅助电极和添加四个辅助电极中的电场强度变化折线图。

图21-图23为为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的第五个具体实施方式中的矩阵状针头组合呈等腰三角形排布的俯视图，其中，图21为不添加辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图22为添加两个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图23为添加四个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图。

图24为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备在不添加辅助电极、添加两个辅助电极和添加四个辅助电极中的电场强度变化折线图。

图25-图27为为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的第六个具体实施方式中的矩阵状针头组合呈等腰梯形排布的俯视图，其中，图25为不添加辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图26为添加两个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图；图27为添加四个辅助电极的矩阵状针头组合的俯视图。

图28为本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备在不添加辅助电极、添加两个辅助电极和添加四个辅助电极中的电场强度变化折线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1-图6，本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备包括高压电源3、溶液供给装置、喷丝装置以及接收板4，其中，所述溶液供给装置包括用于提供静电纺丝溶液的输送器1以及用于存放静电纺丝溶液的溶液槽2，其中，所述输送器1与所述溶液槽2连通；所述喷丝装置包括设置在所述溶液槽2下端的多根针头，所述多根针头呈矩阵排布，以此形成矩阵状针头组合5；所述矩阵状针头组合5中的每个针头的上端竖直延伸至所述溶液槽2内，下端设置有喷丝口；所述高压电源3的输出电压为15kv，该高压电源3的正极分别与所述矩阵状针头组合5中的各个针头连接，负极与所述接收板4连接，所述接收板4位于所述喷丝装置的正下方，所述矩阵状针头组合5中的各个针头的喷丝口与接收板4之间的竖直距离为15cm；该矩阵状针头组合5由22根针头组成，所述22根针头分成两行，每行为11根针头。为了方便统计每根针头处的电场强度，对每根针头进行编号，这样，第一行的针头的编号为：12号针头、13号针头、14号针头、15号针头、……、22号针头；而第二行针头的编号为：1号针头、2号针头、3号针头、4号针头、5号针头、……、11号针头；其中，第一行针头与第二行针头之间的垂直距离都是2cm，每行中相邻的两个针头之间的距离均为2cm；即第一行针头中相邻的两个针头和第二行针头中相对的两个针头之间的连线构成一个边长为2cm的正方形。例如第二行针头中的1号针头和2号针头与第一行针头中的12号针头和13号针头的连线组成一个正方形，所组成的正方形的边长为2cm。同理，第一行针头中的14号针头和15号针头与第二行针头中的3号针头和4号针头的连线也构成边长为2cm的正方形。

参见图1-图6，所述多针头静电纺丝设备还包括设置在所述矩阵状针头组合5四周的若干个辅助电极6，所述辅助电极6与所述高压电源3的正极连接，其中，所述辅助电极6的数量可以是两个，也可以是四个；当所述辅助电极6为两个时，两个辅助电极6分别设置在所述矩阵状针头组合5中沿着X轴方向的两侧的中部，每个辅助电极6与该矩阵状针头组合5中的最接近该辅助电极6的针头在X轴方向上的距离为1cm。当所述辅助电极6为四个时，四个辅助电极6分成两组，其中一组辅助电极6位于矩阵状针头组合5中沿着X轴方向的一侧，另外一组辅助电极6位于另一侧；每个辅助电极6与所述矩阵状针头组合5中最接近该辅助电极6的针头在X轴方向上的距离为1cm。

参见图1-图6，本发明的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备的具体工作过程为：

工作时，输送器1向溶液槽2中注入静电纺丝溶液，在高压电源3的作用下针头形成正电极，接收板4形成负电极，针头与接收板4之间形成静电场，使得针头中每个针头内的静电纺丝溶液带正电，并在电场力的作用下克服液体表面张力和粘滞力使得微小液体流从针头下端的喷丝口高速喷出，并在电场作用下拉伸细化最终固化成直径从几十纳米到数百纳米不等的纳米纤维。

由于所有针头均带正电，因此各个针头产生的电场相互干涉(同极相斥)，且不同位置的针头受到干涉的程度不一致，位于中间位置的针头受到(四周的针头)的电场干涉程度相对更大，而位于边缘位置的针头受到的干涉程度相对较小，使得所有针头组合在一起形成的整体电场不均匀；本发明通过设置辅助电极6，该辅助电极6本身不产生喷丝，而是用于平衡针头之间的电场干涉效应，促使针头整体电场分布更加均匀。具体地：在针头的外围设置辅助正电极，该辅助电极6与针头一样带正电，该辅助电极6对针头原来的电场产生了影响，所有的针头都被包围在辅助电极6的电场范围之下，从而缩小了原来处于边缘位置和处于中间位置的针头所受到干涉程度的差异，使得所有针头处的电场分布更加趋向于均匀。

参见图3-图6，通过实验对比的方式，分别利用COMSOL软件收集传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的数据信息，(注：传统的多针式静电纺丝设备与本发明的多针式静电纺丝设备除了是否添加辅助电极6外，其他结构一致。)将这些数据信息制作成电场强度变化折线图(参见图6)，并计算平均值和标准差，其中，传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的平均值和标准差如下：

装置类型	平均电场强度E(v/m)	标准差ΔE(v/m)
			无辅助电极	2753318.98	255690.25
两侧2根辅助电极	2636168.29	163632.42
			两侧4根辅助电极	2551525.08	122240.72

结合图6，通过对比分析可知：

传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)的矩阵状针头组合5中的电场强度的变化曲线的变化波动较大，其中，1号针头与2号针头之间、9号针头与14号针头之间以及20号针头与22号针头之间均出现峰值。通过矩阵状针头组合5中的针头排布可知，上述出现峰值的区间均位于第一行针头和第二行针头的两侧，即位于矩阵状针头组合5中沿X轴方向的两侧，因此可以得出以下结论：矩阵状针头组合5中两侧的针头附近的电场强度大于中间的针头附近的电场强度。这种情况会导致在制备静电纺丝的过程中位于矩阵状针头组合5中部的针头的喷丝口无法正常纺丝，里面的纺丝溶液会以液滴的形式落下，从而破坏纤维毡形貌，而且还会使得矩阵状针头组合5两侧的针头在纺丝的过程中，射流会向两侧飘落，造成纤维分布不均匀。

而本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场强度的变化曲线的变化波动较为平稳，同样的，1号针头与2号针头之间、9号针头与14号针头之间以及20号针头与22号针头之间也出现峰值，但是其峰值大小均小于传统的多针式静电纺丝设备，因此可以得出以下结伦：本发明的多针式静电纺丝设备在矩阵状针头组合5的两侧添加带正电的辅助电极6后，可以降低矩阵状针头组合5两侧针头附近的电场强度，使得矩阵状针头组合5中各个针头之间的电场分布均匀，从而有利于改善多针头静电纺中的静电干扰现象。

参见图6，再结合上述表格，传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)中的平均电场强度E＝2753318.98(v/m)，标准差ΔE＝255690.25(v/m)；而本发明的多针式静电纺丝设备(添加两个辅助电极6)中的平均电场强度E＝2636168.29(v/m)，标准差ΔE＝163632.42(v/m)；本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的平均电场强E＝2551525.08(v/m)，标准差ΔE＝122240.72(v/m)。从上述数据可以得出，本发明的多针式静电纺丝设备由于添加了带正电的辅助电极6，使得本发明的多针式静电纺丝设备中的平均电场强度和标准差均小于传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场分布更加均匀。

此外，对比本发明的多针式静电纺丝设备中添加两个辅助电极6和添加四个辅助电极6的两种方式，从中可知：添加四个辅助电极6中的电场强度的标准差最小，即矩阵状针头组合5中各个针头附近的电场强度的均匀度更高，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的电场分布更加均匀。因此，采用四个辅助电极6的方式，也是本发明的多针式静电纺丝设备的最佳方式。

实施例2

参见图7-图10，本实施例与实施例1的不同之处在于：

所述第一行针头相对于第二行针头在X轴方向偏移1cm，使得第一行中的针头与第二行中最接近该针头的两个针头之间的连线为等腰三角形，所述等腰三角形的底边为2cm，高度也为2cm，例如第一行的13号针头与第二行的1号针头和2号针头之间的连线为等腰三角形。

通过实验对比的方式，分别利用COMSOL软件收集传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的数据信息，(注：传统的多针式静电纺丝设备与本发明的多针式静电纺丝设备除了是否添加辅助电极6外，其他结构一致。)将这些数据信息制作成电场强度变化折线图(参见图10)，并计算平均值和标准差，其中，传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的平均值和标准差如下：

装置类型	平均电场强度E(v/m)	标准差ΔE(v/m)
			无辅助电极	2698004.367	295822.22
两侧2根辅助电极	2564248.44	166753.84
			两侧4根辅助电极	2427966.35	76562.63

结合图10，对比分析可知：

传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)的矩阵状针头组合5中的电场强度的变化曲线的变化波动较大，其中，1号针头与3号针头之间、6号针头与14号针头之间以及20号针头与22号针头之间均出现峰值。通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，上述出现峰值的区间均位于第一行针头和第二行针头的两侧，即位于矩阵状针头组合5中沿X轴方向的两侧。从而可以得出以下结论：矩阵状针头组合5中两侧的针头附近的电场强度大于中间的针头附近的电场强度，这会导致在制备静电纺丝的过程中位于矩阵状针头组合5中部的针头的喷丝口无法正常纺丝，里面的纺丝溶液会以液滴的形式落下，从而破坏纤维毡形貌，而且还会使得矩阵状针头组合5两侧的针头在纺丝的过程中，射流会向两侧飘落，造成纤维分布不均匀。

而本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5中的电场强度的变化曲线的变化波动较为平稳，同样的，1号针头与3号针头之间、6号针头与14号针头之间以及20号针头与22号针头之间也出现峰值，但是由于峰值大小均小于传统的多针式静电纺丝设备，因此可知：本发明的多针式静电纺丝设备在矩阵状针头组合5的两侧添加带正电的辅助电极6后，可以降低矩阵状针头组合5两侧针头附近的电场强度，使得矩阵状针头组合5中各个针头之间的电场强分布均匀，从而有利于改善多针头静电纺中的静电干扰现象。

参见图10，再结合上述表格，传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)中的平均电场强度E＝2698004.367(v/m)，标准差ΔE＝295822.22(v/m)。而本发明的多针式静电纺丝设备(添加两个辅助电极6)中的平均电场强度E＝2564248.44(v/m)，标准差ΔE＝166753.84(v/m)，本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的平均电场强E＝2427966.35(v/m)，标准差ΔE＝76562.63(v/m)。

从上述数据可以得出，本发明的多针式静电纺丝设备由于添加了辅助电极6，使得本发明的多针式静电纺丝设备中的平均电场强度和标准差均小于传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场分布更加均匀。

此外，通过对比本发明的多针式静电纺丝设备中添加两个辅助电极6和添加四个辅助电极6的两种方式可知：添加四个辅助电极6中的电场强度的标准差最小，即矩阵状针头组合5中各个针头附近的电场强度的均匀度更高，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的电场分布更加均匀。

实施例3

参见图11-图14，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述矩阵状针头组合5由22根针头组成，所述22根针头分成两行，其中，第一行针头为8个，第二行针头为14个，因此，所述第一行针头的编号为15号针头、16号针头、17号针头、……、22号针头，而第二行针头的编号为1号针头、2号针头、3号针头、……、14号针头；所述第一行针头中相邻的两个针头之间的间距为2cm，所述第二行针头中相邻的两个针头之间的间距为3cm，所述第一行针头和第二行针头之间的垂直距离都是2cm，所述第一行针头相对于第二行针头在X轴偏移0.5cm，即第一行针头中的相邻的两个针头与第二行针头中与所述两个针头距离最近的两个针头的连线为等腰梯形，所述等腰梯形的上底边为2cm，下底边为3cm，高度为2cm。例如第一行针头中的15号针头和16号针头与第二行针头中的1号针头和2号针头之间的连线为等腰梯形。

通过实验对比的方式，分别利用COMSOL软件收集传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的数据信息，(注：传统的多针式静电纺丝设备与本发明的多针式静电纺丝设备除了是否添加辅助电极6外，其他结构一致。)将这些数据信息制作成电场强度变化折线图(参见图14)，并计算平均值和标准差，其中，传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的平均值和标准差如下：

结合图14.通过对比分析可知：

传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)的矩阵状针头组合5中的电场强度的变化曲线的变化波动较大，其中，1号针头与2号针头之间、7号针头与11号针头之间以及20号针头与22号针头之间均出现峰值。通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，上述出现峰值的区间均位于第一行针头和第二行针头的两侧，即位于矩阵状针头组合5中沿X轴方向的两侧。从而可以得出：矩阵状针头组合5中两侧的针头附近的电场强度大于中间的针头附近的电场强度，这会导致在制备静电纺丝的过程中位于矩阵状针头组合5中部的针头的喷丝口无法正常纺丝，里面的纺丝溶液会以液滴的形式落下，从而破坏纤维毡形貌，而且还会使得矩阵状针头组合5两侧的针头在纺丝的过程中，射流会向两侧飘落，造成纤维分布不均匀。

而本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场强度的变化曲线的变化波动较为平稳，同样的，1号针头与2号针头之间、7号针头与11号针头之间以及20号针头与22号针头之间也出现峰值，但是由于峰值大小均小于传统的多针式静电纺丝设备，因此可以得出：本发明的多针式静电纺丝设备在矩阵状针头组合5的两侧添加带正电的辅助电极6后，可以降低矩阵状针头组合5两侧针头附近的电场强度，使得矩阵状针头组合5中各个针头之间的电场强度分布均匀，从而有利于改善多针头静电纺中的静电干扰现象。

参见图10，再结合上述表格，传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)中的平均电场强度E＝2786817.76(v/m)，标准差ΔE＝358010.59(v/m)；而本发明的多针式静电纺丝设备(添加两个辅助电极6)中的平均电场强度E＝2708149.13(v/m)，标准差ΔE＝254665.19(v/m)；本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的平均电场强E＝2543169.76(v/m)，标准差ΔE＝177907.64(v/m)。

从上述数据可以得出：本发明的多针式静电纺丝设备由于添加了带正电的辅助电极6，使得本发明的多针式静电纺丝设备中的平均电场强度和标准差均小于传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场强度更加均匀。

此外，通过对比本发明的多针式静电纺丝设备中添加两个辅助电极6和添加四个辅助电极6的两种方式可，从而得出以下结论：添加四个辅助电极6中的电场强度的标准差最小，即矩阵状针头组合5中各个针头附近的电场强度分布更加均匀，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的电场强度更加均匀。

实施例4

参见图15-图20，本实施例与实施例1的不同之处在于：

所述多针头静电纺丝设备还包括设置在所述矩阵状针头组合5四周的多个辅助电极6，所述辅助电极6与地面连接，其中，所述辅助电极6的数量可以是两个，也可以是两组，每组为两个；当所述辅助电极6为两个时，两个辅助电极6分别设置在所述矩阵状针头组合5中沿着Y轴方向的两侧的中部，且每个辅助电极6与所述矩阵状针头组合5中的最接近该辅助电极6的针头在Y轴方向上的距离为1cm。当辅助电极6为接地电极时，所述辅助电极6为两组，每组包括两个接地电极，两组接地电极分别设置在所述矩阵状针头组合5中沿着Y轴方向的两侧的中部，且每组辅助电极6中的各个接地电极与所述矩阵状针头组合5中的最接近该辅助电极6的针头在Y轴方向上的距离为1cm。

通过在针头内部的中间区域设置接地电极，位于中间区域的针头受到四周针头干涉的程度最大，针头与针头之间是同极相斥的效应，在中间区域设置接地电极后，该接地电极对针头产生的干涉效应与原来针头之间的干涉效应相反，从而削弱中间区域针头原来所受到的干涉效果，使得所有针头处的电场分布更加趋向于均匀。通过上述方式，改善多针头静电纺中的静电干扰导致电场不均匀的现象，使得每个喷丝头处于更加均匀电场中，这样每个喷丝头均能稳定的喷射射流，进而可以改善静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不均匀等问题，提高纳米纤维制备效率和质量。

通过实验对比的方式，分别利用COMSOL软件收集传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的数据信息，(注：传统的多针式静电纺丝设备与本发明的多针式静电纺丝设备除了是否添加辅助电极6外，其他结构一致。)将这些数据信息制作成电场强度变化折线图(参见图20)，并计算平均值和标准差，其中，传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的平均值和标准差如下：

装置类型	平均电场强度E(v/m)	标准差ΔE(v/m)
			无辅助电极	2753318.98	255690.25
两侧2根辅助电极	3119750.53	205198.71
			两侧4根辅助电极	3158635.38	228271.01

结合图20，通过对比分析可知：

传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)的矩阵状针头组合5中的2号针头与8号针头之间、14号针头与20号针头之间均出现低谷，而1号针头和2号针头之间，8号针头和14号针头之间以及20号针头与22号针头之间出现峰值，通过矩阵状针头组合5的排布可知，上述出现峰值的区间均位于第一行针头和第二行针头的两侧，即位于矩阵状针头组合5中沿X轴方向的两侧；而出现低谷的区间位于第一行针头和第二行针头的中部，即位于矩阵状针头组合5中沿Y轴方向的两侧的中部，因此可以得出：矩阵状针头组合5中两侧的针头附近的电场强度大于中间的针头附近的电场强度，这会导致在制备静电纺丝的过程中位于矩阵状针头组合5中部的针头的喷丝口无法正常纺丝，里面的纺丝溶液会以液滴的形式落下，从而破坏纤维毡形貌，而且还会使得矩阵状针头组合5两侧的针头在纺丝的过程中，射流会向两侧飘落，造成纤维分布不均匀。

而本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5中的4号针头与8号针头之间以及16号针头与20号针头之间出现波动，且这两个区间中的电场强度的大小明显增大，且通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，这两个区间位于第一行针头和第二行针头的中部，即位于矩阵状针头组合5中沿Y轴方向的两侧的中部。因此可以得出：本发明的多针式静电纺丝设备在矩阵状针头组合5的中部添加接地的辅助电极6后，可以增强矩阵状针头组合5中部的针头附近的电场强度，使得矩阵状针头组合5中各个针头之间的电场分布均匀，从而有利于改善多针头静电纺中的静电干扰现象。

结合图20，再结合上述表格，传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)中的平均电场强度E＝2753318.98(v/m)，标准差ΔE＝255690.25(v/m)；而本发明的多针式静电纺丝设备(添加两个辅助电极6)中的平均电场强度E＝3119750.53(v/m)，标准差ΔE＝205198.71(v/m)；本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的平均电场强E＝3158635.38(v/m)，标准差ΔE＝228271.01(v/m)。

从上述数据可以得出，由于本发明的多针式静电纺丝设备由于添加了接地的辅助电极6，使得本发明的多针式静电纺丝设备中的平均电场强度增大，且标准差减小，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5附近的电场强度增大的同时，该矩阵状针头组合5的电场分布更加均匀。

实施例5

参见图20-图24，本实施例与实施例4的不同之处在于所述第一行针头相对于第二行针头在X轴方向偏移1cm，使得第一行中的针头与第二行中最接近该针头的两个针头之间的连线为等腰三角形，所述等腰三角形的底边为2cm，高度也为2cm，例如第一行的13号针头与第二行的1号针头和2号针头之间的连线为等腰三角形。

通过实验对比的方式，分别利用COMSOL软件收集传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的数据信息，(注：传统的多针式静电纺丝设备与本发明的多针式静电纺丝设备除了是否添加辅助电极6外，其他结构一致。)将这些数据信息制作成电场强度变化折线图(参见图24)，并计算平均值和标准差，其中，传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的平均值和标准差如下：

装置类型	平均电场强度F(v/m)	标准差ΔE(v/m)
			无辅助电极	2698004.37	295822.22
两侧2根轴助电极	3052515.93	236519.88
			两侧4根辅助电极|	3119507.78	250730.77

结合图24，通过对比分析可知：

传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)的矩阵状针头组合5中的2号针头与6号针头之间以及16号针头与18号针头之间均出现低谷，而1号针头与2号针头、6号针头与16号针头以及18号针头与22号针头之间出现波动，并产生峰值。通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，上述出现峰值的区间均位于第一行针头和第二行针头的两侧，即位于矩阵状针头组合5中沿X轴的两侧，而出现低谷的区间则位于第一行针头和第二行针头的中部，即位于矩阵状针头组合5的中部。从而可以得出：矩阵状针头组合5中两侧的针头附近的电场强度大于中间的针头附近的电场强度，这会导致在制备静电纺丝的过程中位于矩阵状针头组合5中部的针头的喷丝口无法正常纺丝，里面的纺丝溶液会以液滴的形式落下，从而破坏纤维毡形貌，而且还会使得矩阵状针头组合5两侧的针头在纺丝的过程中，射流会向两侧飘落，造成纤维分布不均匀。

而本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5中3号针头与9号针头之间以及13号针头与20号针头之间均出现波动，且这两个区间中的电场强度的大小明显增大，且通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，这两个区间位于第一行针头和第二行针头的中部，即位于矩阵状针头组合5沿Y轴方向的两侧的中部。因此可以得出：本发明的多针式静电纺丝设备在矩阵状针头组合5的中部添加接地的辅助电极6后，可以增强矩阵状针头组合5中部的针头附近的电场强度，使得矩阵状针头组合5中各个针头之间的电场强分布均匀，从而有利于改善多针头静电纺中的静电干扰现象。

结合图24，再结合上述表格，传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)中的平均电场强度E＝2698004.37(v/m)，标准差ΔE＝295822.22(v/m)。而本发明的多针式静电纺丝设备(添加两个辅助电极6)中的平均电场强度E＝3052515.93(v/m)，标准差ΔE＝236519.88(v/m)，本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的平均电场强E＝3119507.78(v/m)，标准差ΔE＝250730.77(v/m)。

从上述数据可以得出，本发明的多针式静电纺丝设备由于添加了辅助电极6，使得本发明的多针式静电纺丝设备中的平均电场强度增大，而标准差减小，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场分布更加均匀。

实施例6

参见图25-图28，本实施例与实施例3的不同之处在于，所述矩阵状针头组合5由22根针头组成，所述22根针头分成两行，其中，第一行针头为8个，第二行针头为14个，因此，所述第一行针头的编号为15号针头、16号针头、17号针头、……、22号针头，而第二行针头的编号为1号针头、2号针头、3号针头、……、14号针头；所述第一行针头中相邻的两个针头之间的间距为2cm，所述第二行针头中相邻的两个针头之间的间距为3cm，所述第一行针头和第二行针头之间的垂直距离都是2cm，所述第一行针头相对于第二行针头在X轴偏移0.5cm，即第一行针头中的相邻的两个针头与第二行针头中与所述两个针头距离最近的两个针头的连线为等腰梯形，所述等腰梯形的上底边为2cm，下底边为3cm，高度为2cm。例如第一行针头中的15号针头和16号针头与第二行针头中的1号针头和2号针头之间的连线为等腰梯形。

通过实验对比的方式，分别利用COMSOL软件收集传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的数据信息，(注：传统的多针式静电纺丝设备与本发明的多针式静电纺丝设备除了是否添加辅助电极6外，其他结构一致。)将这些数据信息制作成电场强度变化折线图(参见,28)，并计算平均值和标准差，其中，传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)以和添加两个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备以及添加四个辅助电极6的本发明的多针式静电纺丝设备中的电场强度的平均值和标准差如下：

装置类型	平均电场强度E(v/m)	标准差ΔE(v/m)
			无辅助电极	2786817.76	358010.59
两侧2根辅助电极	3267980.39	309116.11
			两侧4根辅助电极	3417737.57	347378.74

结合图28，通过对比分析可知：

传统的多针式静电纺丝设备(即不添加辅助电极6)的矩阵状针头组合5中的4号针头与8号针头之间以及13号针头与20号针头之间均出现低谷，而1号针头与3号针头之间、8号针头与13号针头之间以及20号针头与22号针头之间出现峰值，并产生峰值。通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，上述出现峰值的区间均位于第一行针头和第二行针头的两侧，即位于矩阵状针头组合5沿X轴方向的两侧，而出现低谷的区间则位于第一行针头和第二行针头的中部，即位于矩阵状针头组合5中沿Y轴方向的两侧的中部。从而可以得出：矩阵状针头组合5中两侧的针头附近的电场强度大于中间的针头附近的电场强度，这会导致在制备静电纺丝的过程中位于矩阵状针头组合5中部的针头的喷丝口无法正常纺丝，里面的纺丝溶液会以液滴的形式落下，从而破坏纤维毡形貌，而且还会使得矩阵状针头组合5两侧的针头在纺丝的过程中，射流会向两侧飘落，造成纤维分布不均匀。

而本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5中3号针头与7号针头之间以及13号针头与29号针头之间均出现波动，且这两个区间中的电场强度的大小明显增大，且通过矩阵状针头组合5中的针头的排布可知，这两个区间位于第一行针头和第二行针头的中部，即位于矩阵状针头组合5中沿Y轴方向的两侧的中部。因此可以得出：本发明的多针式静电纺丝设备在矩阵状针头组合5的中部添加接地的辅助电极6后，可以增强矩阵状针头组合5中部的针头附近的电场强度，使得矩阵状针头组合5中各个针头之间的电场强分布均匀，从而有利于改善多针头静电纺中的静电干扰现象。

结合图28，再结合上述表格，传统的多针式静电纺丝设备(不添加辅助电极6)中的平均电场强度E＝2786817.76(v/m)，标准差ΔE＝358010.59(v/m)。而本发明的多针式静电纺丝设备(添加两个辅助电极6)中的平均电场强度E＝3267980.39(v/m)，标准差ΔE＝309116.11(v/m)，本发明的多针式静电纺丝设备(添加四个辅助电极6)中的平均电场强E＝3417737.57(v/m)，标准差ΔE＝347378.74(v/m)。

从上述数据可以得出，本发明的多针式静电纺丝设备由于添加了辅助电极6，使得本发明的多针式静电纺丝设备中的平均电场强度增大，而标准差减小，从而使得本发明的多针式静电纺丝设备中的矩阵状针头组合5的电场分布更加均匀。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，包括高压电源、溶液供给装置、喷丝装置以及接收板，其中，所述溶液供给装置包括用于提供静电纺丝溶液的输送器以及用于存放静电纺丝溶液的溶液槽，其中，所述输送器与所述溶液槽连通；所述喷丝装置包括设置在所述溶液槽下端的多根针头，所述多根针头的上端竖直延伸至所述溶液槽内，下端设置有喷丝口；所述高压电源的正极与所述针头连接，负极与所述接收板连接，所述接收板位于所述喷丝口的下方；

其特征在于，还包括用于消除静电干扰的静电干扰消除装置，该静电干扰消除装置包括与所述针头混合设置的辅助电极，该辅助电极为正电极或接地电极，其中，当所述辅助电极为正电极时，该正电极分布在所述针头的外围，且与所述高压电源的正极连接；当所述辅助电极接地电极时，该接地电极设置在针头内部的中间区域，且与地面连接。

2.根据权利要求1所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，所述多个针头呈矩阵排布，形成矩阵状针头组合。

3.根据权利要求2所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，当辅助电极为正电极时，所述辅助电极为两组，每组包括两个正电极，其中一组辅助电极位于矩阵状针头组合中沿着X轴方向的一侧，另外一组辅助电极位于另一侧；每个辅助电极与所述矩阵状针头组合中最接近该辅助电极的针头在X轴方向上的距离为1cm。

4.根据权利要求2所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，当辅助电极为正电极时，所述辅助电极为两个，两个辅助电极分别设置在所述矩阵状针头组合中沿着X轴方向的两侧的中部，每个辅助电极与该矩阵状针头组合中的最接近该辅助电极的针头在X轴方向上的距离为1cm。

5.根据权利要求2所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，当辅助电极为接地电极时，所述辅助电极为两个，两个辅助电极分别设置在所述矩阵状针头组合中沿着Y轴方向的两侧的中部，且每个辅助电极与所述矩阵状针头组合中的最接近该辅助电极的针头在Y轴方向上的距离为1cm。

6.根据权利要求2所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，当辅助电极为接地电极时，所述辅助电极为两组，每组包括两个接地电极，两组接地电极分别设置在所述矩阵状针头组合中沿着Y轴方向的两侧的中部，且每组辅助电极中的各个接地电极与所述矩阵状针头组合中的最接近该辅助电极的针头在Y轴方向上的距离为1cm。

7.根据权利要求1所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，所述针头的喷丝口与接收板之间的竖直距离为15cm。

8.根据权利要求2所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，所述矩阵状针头组合由22根针头组成，所述22根针头分成两行，每行为11根针头，其中，第一行针头与第二行针头之间的垂直距离为2cm，每行中相邻的两个针头之间的距离均为2cm。

9.根据权利要求8所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，所述第一行针头相对于第二行针头在X轴方向偏移1cm。

10.根据权利要求2所述的具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，其特征在于，所述矩阵状针头组合由22根针头组成，所述22根针头分成两行，其中，第一行针头为8个，第二行针头为14个，所述第一行针头中相邻的两个针头之间的间距为2cm，所述第二行针头中相邻的两个针头之间的间距为3cm，所述第一行针头和第二行针头之间的垂直距离为2cm，所述第一行针头相对于第二行针头在X轴方向偏移0.5cm。