CN109208090A - 一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法 - Google Patents

Abstract

一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，包括有纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元，所述纺丝形成单元包括有纺丝液容腔、带电电极、纺丝狭缝、中介电极及气流通道；所述收集单元包括有收集电极板；在所述的带电电极与收集电极板之间形成第一静电场；在所述的带电电极与中介电极之间形成第二静电场；所述纺丝液容腔中的纺丝液在第二静电场的作用下、经由纺丝狭缝喷出纺丝纤维，所述纺丝纤维在气流通道的引导及第一静电场的作用下，收集到收集电极板。本发明的一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，可提供一种均匀性高、产量更多、射程更远、纤维直径更细的静电纺丝。

Description

一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法

技术领域

本发明属于静电纺丝领域，具体涉及一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法。

背景技术

纳米纤维通常是指直径小于1000nm的超细纤维。相对于普通的纤维，纳米纤维具有比表面积大，孔隙率高等优点，在诸多领域具有广阔的应用前景。静电纺丝技术是一种制备纳米纤维常用的技术，适用范围广泛，操作简单，工艺可控。静电纺丝技术的基本原理是，置于高压静电场中的聚合物液滴会形成泰勒锥，当电场力足够大，液滴可克服表面张力从泰勒锥锥尖喷射并形成射流，射流在静电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下不断细化，最终落在纤维收集电极上形成纳米纤维。传统的静电纺丝技术主要是以空心针头作为喷丝头，其纺丝生产能力有限，每个喷丝针头只能产生一根聚合物喷丝，每个针每小时生产纤维量小于300毫克。低下的纳米纤维生产效率极大地限制了静电纺丝技术的工业化进程。

一种常用的提高静电纺丝纳米纤维产量的方法是运用多个针头。由于单个针头的纤维产量极低，导致要生产达到市场需求克重的纳米纤维，须排列大量的针头。然而不同的针头之间存在着电场干扰，限制了它们的最小间距，增大了设备空间成本。同时，聚合物的沉积物或者杂质容易堵塞针头，因此纺丝过程的持续运作需要频繁地清理针头，使纳米纤维产品的质量和产量都受到影响。为了增加静电纺丝的生产效率，多种无针式纺丝头被引入。Formhals(美国专利US1975504)使用锯齿状的转轮作为纳米纤维的发生器，制备得到了纤维素纤维以及醋酸纤维素纤维，并设计了干法和湿法纺丝的纤维收集电极。Reneker等(国际专利WO2000022207)使用一种特殊的环形柱状体作为纤维的发生器，在该装置中，聚合物纺丝液首先被挤压到环形柱状体末端，然后中心通过气流使纺丝液形成薄膜，薄膜进入电场被进一步拉伸形成纺丝射流。Lucas等(国际专利WO2005024101)使用一个导电的圆柱体作为纤维的发生器，在此装置中，导电圆柱体的一部分浸没在聚合物纺丝液中，通过旋转该圆柱体使纺丝液体进入到电场中，大量的射流在圆柱体表面形成，最后可在收集器上得到纳米纤维。在此基础上，PETRAS等(国际专利WO2006131081)将导电圆柱体替换为一系列复杂的导电旋转体，与Lucas等人的专利相似，纺丝液体也在其表面形成射流。Lin等(国际专利WO2010043002)公开了一种无针静电纺纱装置，包括局部浸没在聚合物溶液容器内的螺旋线形纺丝电极(或喷丝头)。对电极处于离螺旋电极一定距离的收集器上。容器中的聚合物溶液在螺旋线圈表面形成一层薄膜，进入纺丝电极和接收电极之间电场中。当电极之间的静电场强度足够大可以将溶液拉进泰勒锥时，在线圈表面一些点处形成纳米纤维。纳米纤维堆积在收集器表面，形成非织纳米纤维毡。

上述多种静电纺丝装置均采用开放式的体系，聚合物纺丝液的表面暴露在空气中，造成大量溶剂挥发。随着纺丝过程进行，溶液浓度会越来越大，纤维也随溶液浓度的增加越来越粗。因而影响纳米纤维生产的稳定性。同时，上述静电纺丝装置均需要较高的电压以保证较大的电场强度，但高电压容易引起放电，在实际生产过程中存在巨大的安全隐患。

申请号为201410022675.6的中国发明申请，公开了一种“无针头式静电纺丝装置”，由喷丝头、接收电极、高压电源、储存聚合物溶液的溶液罐、废液槽、基材及其卷绕系统等组成，或者由喷丝头、接收电极、高压电源、储存聚合物熔融体的储液罐、废液槽、基材及其卷绕系统，以及加热装置及其电加热控制装置等组成。其喷丝头采用狭缝型喷丝头；由左、右半片喷丝头紧密贴合通过螺纹联接件紧固一体构成；或者由左、右两片喷丝头构件与夹在二者之间的均流栅栅板夹片构成。

申请号为2015107405751的中国发明申请，公开了一种气流辅助静电纺丝环形喷嘴和静电纺丝装置，所述喷嘴包括环状喷嘴和包围环状喷孔的气流喷孔，环状喷嘴包括上端开口部分收窄的环状孔和位于下端的纺丝溶液进口，纺丝溶液进口穿过环状喷孔伸向外界，气流喷孔为一封闭的环形腔体，在环形腔体的下端具有一个气体入口，从气体入口引入常温气体或加热气体，加上静电场后，在气体气流或热气体气流的辅助拉伸下，在环状喷嘴周围形成多股喷射流；静电纺丝装置包括水平安装在其上且位于接收板的正下方的气流辅助静电纺丝环形喷嘴。

申请号为2009801346540的发明申请，公开了一种纳米纤维制造方法及制造装置，该方法使在外周壁上形成有多个细孔的容器旋转，利用离心力将含有高分子材料且带电的原料液从容器内的空间经由与该空间连通的多个细孔向外部放出。由此从带电的原料液生成纤维状物质。此时，通过原料液泵以规定的压力向填充有原料液的空间供给原料液，以将原料液从细孔以规定的压力退出。

申请号为201310156299.5的发明申请，公开了一种气流辅助混合静电纺丝装置，设有机架、供液装置、左喷头、右喷头、喷头位置调整机构、左电场集中板、右电场集中板、高压电源、辅助气体供给装置和收集装置，供液装置设有左溶液室、右溶液室，左供液管和右供液管；喷头位置调整机构设有左分度机构、右风度机构、左喷头夹紧头、右喷头夹紧头和喷头支架，左喷头的喷嘴外部设有左电场集中板、右喷头的喷嘴外部设有右电场集中板，左喷头的喷嘴、右喷头的喷嘴、左电场集中板和右电场集中板均通过导线接高压电源；辅助气体供给装置设有气瓶、气管和气体喷头；收集装置设有收集基带、收集电极板、电机和2个滚筒。

发明内容

为解决以上问题，形成一种均匀性高、产量更多、射程更远、纤维直径更细的静电纺丝，本发明提供了一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，其技术方案具体如下：

一种新型无针静电纺丝装置，包括有纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元，其特征在于：

所述纺丝形成单元包括有纺丝液容腔(1)、带电电极(2)、纺丝狭缝(3)、中介电极(4)及气流通道(5)；

所述收集单元包括有收集电极板(6)；

在所述的带电电极(2)与收集电极板(6)之间形成第一静电场；

在所述的带电电极(2)与中介电极(4)之间形成第二静电场；

所述纺丝液容腔中的纺丝液在第二静电场的作用下、经由纺丝狭缝喷出纺丝纤维，所述纺丝纤维在气流通道的引导及第一静电场的作用下，收集到收集电极板。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述中介电极垂直于水平面地、设置于纺丝液容腔的中轴线上，

所述带电电极设置于纺丝液容腔的底平面内，

在所述中介电极的外周设置有第一层外壁(7)及第二层外壁(8)，

所述第一层外壁沿纺丝液容腔的径向贯穿纺丝液容腔设置；

所述第二层外壁以纺丝液容腔的上端面为起始端面、垂直向上设置；

在中介电极与第一层外壁之间形成气流通道；

在第一层外壁与第二层外壁之间形成纺丝狭缝，

所述纺丝狭缝与纺丝液容腔连通；

所述收集电极板设置于纺丝液容腔的正方上。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述纺丝狭缝呈闭合状或不闭合状设置。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述的中介电极为设置的1个、2个或等距设置的多个。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述中介电极的端面为矩形、圆环形、菱形、弧线形或双弧线形中的任意一种设置。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

当中介电极为等距设置的多个时，所述的纺丝狭缝之间的距离为2mm—200mm。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述中介电极与纺丝狭缝之间的距离为10mm—1500mm。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述纺丝狭缝的上端面与收集电极板之间的距离为10mm—2000mm。

一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

通过纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元的相互协作完成无针静电纺丝作业，包括如下步骤：

S1：按工艺要求的进液速率向纺丝液储存单元的纺丝液容腔注入纺丝液；

S2：在纺丝形成单元中的带电电极与纺丝收集单元中的收集电极板之间施加第一电压，用以形成第一静电场，

在纺丝形成单元中的带电电极与中介电极之间施加第二电压，用以形成第二静电场，

向纺丝形成单元中的气流通道注入气流，所述气流的流速及温度按工艺要求设定；

S3：进入纺丝液容腔的纺丝液在第二静电场的作用下，形成纺丝纤维、由纺丝形成单元中的纺丝狭缝射向中介电极；

S4：射向中介电极的纺丝纤维在气流的引导及第一静电场的双重作用下射落于收集电极板。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

所述的收集电极板为静止式、传动网链式或滚筒式设置。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

步骤S1中，所述纺丝液的进液速率为0.1mL/h—1000mL/h。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

步骤S2中，向纺丝形成单元中的气流通道注入气流的流速为0.1m/s—100m/s；所述气流的温度为0℃—200℃。

根据本发明的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

步骤S1中，所述纺丝液容腔中的纺丝液粘度为1mpas—100000mpas。

本发明的一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，可提供一种均匀性高、产量更多、射程更远、纤维直径更细的静电纺丝。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为图1所示的制备装置中的纺丝头沿x-z方向的截面示意图。

图3为图1所示的制备装置中的纺丝头沿y-z方向的截面示意图。

图4为本发明的方法步骤流程图；

图5为直线喷丝狭缝，环形喷丝狭缝，以及诱导环形喷丝狭缝的电场分布的对比图。

图6为直线喷丝狭缝和诱导环形喷丝狭缝的电场强度沿长度方向的变化图。

图7为在诱导环形喷丝狭缝中气流的流动示意图。

图8为单针，直线狭缝以及诱导环形狭缝生产的纤维产量和直径对比的柱状图。

图9A为使用图1所示制备装置得到的聚乙烯醇纳米纤维的电镜图片；

图9B为图9A的放大电镜图片。

图10为圆柱形中介诱导电极的示意图。

图11为圆锥形中介诱导电极的示意图。

图12为圆台形中介诱导电极的示意图。

图13为星形中介诱导电极的示意图。

图14为菱形喷丝狭缝示意图。

图15为矩形喷丝狭缝示意图。

图16为弧线形喷丝狭缝示意图。

图17为双弧线形喷丝狭缝示意图。

图中，1为纺丝液容腔；2为带电电极；3为纺丝狭缝；4为中介电极；5为气流通道；6为收集电极板；7为第一层外壁；8为第二层外壁。

具体实施方式

下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法作进一步具体说明。

如图1、2、3所示的一种新型无针静电纺丝装置，包括有纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元，其特征在于：

所述纺丝形成单元包括有纺丝液容腔(1)、带电电极(2)、纺丝狭缝(3)、中介电极(4)及气流通道(5)；

所述收集单元包括有收集电极板(6)；

在所述的带电电极(2)与收集电极板(6)之间形成第一静电场(即：远场)；

在所述的带电电极(2)与中介电极(4)之间形成第二静电场(即：近场)；

所述纺丝液容腔中的纺丝液在第二静电场的作用下、经由纺丝狭缝喷出纺丝纤维，所述纺丝纤维在气流通道的引导及第一静电场的作用下，射落于收集电极板。

其中，

所述中介电极垂直于水平面地、设置于纺丝液容腔的中轴线上，

所述带电电极设置于纺丝液容腔的底平面内，

在所述中介电极的外周设置有第一层外壁(7)及第二层外壁(8)，

所述第一层外壁沿纺丝液容腔的径向贯穿纺丝液容腔设置；

所述第二层外壁以纺丝液容腔的上端面为起始端面、垂直向上设置；

在中介电极与第一层外壁之间形成气流通道；

在第一层外壁与第二层外壁之间形成纺丝狭缝，

所述纺丝狭缝与纺丝液容腔连通；

所述收集电极板设置于纺丝液容腔的正方上。

其中，

所述纺丝狭缝呈闭合状或不闭合状设置。

其中，

所述的中介电极为设置的1个、2个或等距设置的多个。

其中，

所述中介电极的端面为矩形、圆环形、菱形、弧线形或双弧线形中的任意一种设置。

其中，

当中介电极为等距设置的多个时，所述的纺丝狭缝之间的距离为2mm—200mm。

其中，

所述中介电极与纺丝狭缝之间的距离为10mm—1500mm。

其中，

所述纺丝狭缝的上端面与收集电极板之间的距离为10mm—2000mm。

如图4所示的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

通过纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元的相互协作完成无针静电纺丝作业，包括如下步骤：

S1：按工艺要求的进液速率向纺丝液储存单元的纺丝液容腔注入纺丝液；

S2：在纺丝形成单元中的带电电极与纺丝收集单元中的收集电极板之间施加第一电压，用以形成第一静电场，

在纺丝形成单元中的带电电极与中介电极之间施加第二电压，用以形成第二静电场，

向纺丝形成单元中的气流通道注入气流，所述气流的流速及温度按工艺要求设定；

S3：进入纺丝液容腔的纺丝液在第二静电场的作用下，形成纺丝纤维、由纺丝形成单元中的纺丝狭缝射向中介电极；

S4：射向中介电极的纺丝纤维在气流的引导及第一静电场的双重作用下射落于收集电极板。

其中，

所述的收集电极板为静止式、传动网链式或滚筒式设置。

其中，

步骤S1中，所述纺丝液的进液速率为0.1mL/h—1000mL/h。

其中，

步骤S2中，向纺丝形成单元中的气流通道注入气流的流速为0.1m/s—100m/s；所述气流的温度为0℃—200℃。

其中，

步骤S1中，所述纺丝液容腔中的纺丝液粘度为1mpas—100000mpas。

原理及工作过程阐述：

本发明的一种新型无针静电纺丝装置具体包括无针喷丝狭缝，中介电极，气流通道，储液槽，与纤维收集电极。在静电纺丝时，纺丝液由储液槽推入到喷丝狭缝中，在喷丝头和中介电极之间形成的强电场作用下，形成射流。射流首先喷向中介电极，由于气流通道中喷出的高速空气在中介电极周围形成强气流场，射流无法沉积到中介电极上，而是随气流流动。在距离较远的收集电极上有吸风装置，纳米纤维在静电吸附力和排风吸力的共同作用下沉积到收集电极上形成均匀的纤维膜。整个纺丝过程，射流受到电场力与切向强气流的共同作用，因而形成较细的纳米纤维，同时，纤维在向收集电极迁移时，由于距离较长，气流逐渐减弱而趋于均匀化，在收集器上均匀沉积，形成大面积、均匀的纳米纤维膜。由于中介电极与纺丝狭缝之间的距离很短，纺丝时需要的启动电压低、耗能低；但纤维细、产量高；狭缝装置能有效地防止溶剂挥发，因而生产过程稳定。

在本发明中，所述的一种新型无针静电纺丝装置中的喷丝狭缝，可由一个或者多个凸出的狭缝构成，狭缝的宽度在0.5mm至10mm之间，狭缝的长度大于10mm，高度大于0.1mm。并且所述的无针静电纺丝装置可包括两个或多个纺丝头，相邻纺丝头的间距至少为2mm。

所述一种新型无针静电纺丝装置中的喷丝狭缝可为各种形状，包括圆环形，椭圆形，矩形，菱形，和各种闭合封闭线性的组合。优选为圆环形狭缝，其中圆环直径在10mm至1000mm之间。以单个闭合形状狭缝为基本单元，可以形成多个单元的组合，有利于大量纺丝生产，狭缝单元之间的距离在0mm至200mm之间，以实现宽幅纳米纤维膜的生产。狭缝的出液速率在0.01mL/(h cm)至100mL/(h cm)。

狭缝纺丝头可以由导电或不导电材料制成。作为其中的一种优选模式，狭缝部分由金属制成，液槽部分由不导电材料制备。不导电的材料可选用丙烯腈-丁二烯丙烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯醚、聚砜、聚醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、陶瓷、或木材等。无论采用哪种材料，狭缝形体最好对于静电纺丝的液体呈惰性(例如不溶解于聚合物溶液)。

所述一种新型无针静电纺丝装置中的中介电极位于带电电极和接收电极连线之间，可以为各种形状，包括圆柱，圆球，圆台，锥台，星形以及上述形状的组合。所述中介电极位于闭合的狭缝的几何中心。中介电极与纺丝头的距离为10mm至1500mm之间。中介电极与纺丝头所形成的连线与底座的夹角在0°至90°之间。所述的中介电极可以接地，也可以施加与纺丝头电荷性质相反的电压。

临界电压是指喷丝狭缝刚好能够产生纺丝射流时的电压。临界电压的大小取决于多种因素包括喷丝狭缝和中介电极的间距，喷丝狭缝与纤维收集电极的距离，以及纺丝液的物理性质。在本发明中，临界电压高于10kV，优选为高于15kV。在一些实施例中，施加在纺丝头的电压高于20kV。

带电电极与中介电极、纤维收集电极之间的距离可影响纺丝区域内的电场强度以及分布，并且影响生产的纳米纤维的尺寸和均匀性。此外，所述间距还受多个方面因素的影响，包括喷丝狭缝、中介电极以及纤维收集电极的尺寸。在一些实施例中，带电电极与中介电极之间的间距在10mm至1500mm之间，带电电极与纤维收集电极之间的间距在10mm至2000mm之间。

所述一种新型无针静电纺丝装置中的气流通道为沿中介电极外侧分布的圆形气孔。气孔的直径为1mm至1000mm，气流的速度为0.1m/s至100m/s之间。

纺丝液可以是能够在电场中进行静电纺丝的任何液体。适宜的纺丝液包括聚合物溶液、溶胶-凝胶、颗粒悬液和/或熔体。在一些实施例中，纺丝液的粘度为1mPa s至100Pas。纺丝液优选的形式为聚合物溶液，通常包括至少一种聚合物和至少一种挥发溶剂。用于静电纺丝的纺丝液中的聚合物可以为合成聚合物、天然聚合物和生物高分子、热塑性聚合物和/或活性聚合物。使用的溶剂最好根据聚合物的溶解性确定。在一些实施例中，溶剂可包括水、乙醇、三氯甲烷、二甲基甲酰胺或其他挥发性液体。

所述一种新型无针静电纺丝装置中的储液器包括一个密闭罐体。储液器一端可与一种推进器相连，该推进器可将储液器里的纺丝液推进至储液器另一端与喷丝头相连的腔体。此时，喷丝头位于腔体上方，纺丝液由腔体进入喷丝头再进入静电纺丝区域。对电极位于喷丝头的上方并沿喷丝头排列方向延伸。

所述一种新型无针静电纺丝装置中的纤维收集电极板，可以分为各种不同形式，包括平板，平板带传动，滚筒，或可转动滚筒。在本发明的一些实施例中，优选为可转动的滚筒。

实施例

实施例1

本发明实施例1使用的静电纺丝装置如图1所示。所述静电纺丝装置包括：纺丝液容腔、纺丝狭缝、气流通道、中介电极、收集电极板。收集电极板在一驱动装置驱动下进行旋转，例如电机以40转/分的速度驱动收集电板旋转，。中介电极电压的接地极相连，用于诱导产生纳米纤维；收集电极板与接地极连接，用于接收产生的纳米纤维。纺丝狭缝与收集电极板的距离为200mm，与中介电极的距离为100mm，气流通道的直径为20mm，气流通道中气体的流速为20m/s。

图2和3所示为图1中纺丝头更为详细的视图。纺丝狭缝的具体形状为圆环形，圆环的直径φ3为80mm，圆环中心之间的距离为90mm，狭缝的液体通道的宽度d1为2mm，高度h1为5mm。中介电极的形状为圆球形，圆球的直径φ1为15mm，中介电极的高度H为80mm。纺丝腔体的长度L为400mm，宽度W为120mm，高度h2为50mm。纺丝液容腔分别与高压电源及储液罐连通，其中聚合物溶液被注射泵由进液口推挤至纺丝液容腔中。纺丝液容腔的所有部分材质均为聚丙烯塑料。

出于实验目的，形成纳米纤维所使用的是西格玛奥德里奇生产的聚合物水溶液，粘度为1200mPa s，含有PVA(聚乙烯醇，平均分子量为146,000至186,000，96％被水解)。图中所示装置也可以使用其他聚合物溶液生产纳米纤维。纺丝液容腔中，中的聚合物溶液可通过一个浸没的电极(带电电极)与高压电源连接。当进行纺丝时，高压电源对聚合物溶液充电，使纺丝狭缝与收集电极板之间产生的电位差为25kV。PVA水溶液的进液速率为200mL/h。

将本实施例中所使用的圆环形纺丝狭缝与直线形纺丝狭缝进行电场强度分析对比，如图5和图6所示。采用的分析软件为COMSOL有限元分析软件。圆环形纺丝狭缝的电场分布较直线形纺丝狭缝均匀。本实施例制备所得纤维产量与直线形纺丝狭缝和单针对比，如图8所示，圆环形纺丝狭缝所得纳米纤维产量大于单针，以及直线狭缝所得。

对本实施例中所使用的圆环形纺丝狭缝进行气流场分析，如图7所示。采用的分析软件为COMSOL有限元分析软件，模块为流体。

本实施例制备得到的PVA纳米纤维经过扫描电镜分析，如图9所示。纤维粗细均匀，表面没有液滴，纳米纤维平均直径为350nm。

实施例2

本实施例使用的纺丝装置参考图1，所示中介电极如图10所示，圆柱形中介电极。中介电极的直径φ4为15mm，中介电极的高度h3为10mm。中介电极与狭缝的距离为50mm。纺丝狭缝的具体形状为菱形，如图14所示，菱形的对角线长度l1为80mm，菱形中心之间的距离为100mm，菱形的内角均为90°。纺丝狭缝与纤维收集电极的距离为200mm。气流通道的直径为25mm，气体的流速为25m/s。狭缝的材质为聚丙烯塑料。其余试验参数与实例1相同。

出于实验目的，形成纳米纤维所使用的是西格玛奥德里奇生产的聚合物溶液，粘度为1500mPa s，含有PVA(聚乙烯醇，平均分子量为146,000至186,000)。进行纺丝时，外加电压为23kV。PVA溶液的进液速率为120mL/h。

本实施例制备得到的PVA纳米纤维的平均直径为364nm，平均产量为16.3g/h。

实施例3

本实施例使用的纺丝装置参考图1，图中所示狭缝喷丝头如图15所示，为矩形闭合线型纺丝头。矩形的长度L3为50mm，矩形的宽度l3为50mm，每个矩形中心之间的距离d4为50mm。狭缝的宽度d5为2mm。纺丝狭缝与纤维收集电极的距离为180mm。中介电极为圆锥体，如图11所示，圆锥的底面直径φ5为20mm，高度h4为10mm，中介电极与狭缝的距离为60mm。气流通道中气体的流速为20m/s。狭缝的材质为铝。其余试验参数与实例1相同。

出于实验目的，形成纳米纤维所使用的是西格玛奥德里奇生产的聚合物溶液，粘度为1100mPa s，含有PVDF(聚偏氟乙烯，平均分子量为100,000至150,000，)。进行纺丝时，外加电压为24kV。PVDF溶液的进液速率为90mL/h。

本实施例制备得到的PVDF纳米纤维的平均直径为305nm，平均产量为14.6g/h。

实施例4

本实施例使用的纺丝装置参考图1，图中所示中介电极如图12所示，为圆台形中介电极。圆台的上直径φ7为20mm，下直径φ6为10mm，高度h5为10mm。纺丝狭缝的具体形状为圆弧线型，如图16所示，圆弧线的半径R1为50mm，圆弧线之间的距离d6为10mm，圆弧线两端之间的距离L4为300mm，狭缝的宽度为2mm，纺丝狭缝2与纤维收集电极的距离为200mm，与中介电极8的距离为50mm，气流通道中气体的流速为30m/s。纺丝腔体1材质为聚四氟乙烯塑料，圆环形狭缝2的材质为铝。其余试验参数与实例1相同。

出于实验目的，形成纳米纤维所使用的是西格玛奥德里奇生产的聚合物溶液，粘度为1800mPa s，含有PAN(聚丙烯腈，平均分子量为10,000)。进行纺丝时，外加电压为20kV。PAN溶液的进液速率为240mL/h。

本实施例制备得到的PAN纳米纤维的平均直径为335nm，平均产量为23.6g/h。

实施例5

本实施例使用的纺丝装置参考图1，图中所示狭缝喷丝头如图17所示，为双圆弧线型纺丝头。圆弧线的半径R2为50mm，圆弧线之间的距离d8为10mm，圆弧线两端之间的距离L5为300mm。狭缝的宽度d7为2mm。纺丝狭缝与纤维收集电极的距离为180mm。中介电极为星形，如图13所示，相邻两角的距离L1为10mm，厚度h6为5mm，边角的角度为30°，中介电极与狭缝的距离为90mm。气流通道中气体的流速为22m/s。狭缝的材质为铝。其余试验参数与实例1相同。

出于实验目的，形成纳米纤维所使用的是西格玛奥德里奇生产的聚合物溶液，粘度为1300mPa s，含有PVDF(聚偏氟乙烯，平均分子量为100,000至150,000，)。进行纺丝时，外加电压为25kV。PVDF溶液的进液速率为120mL/h。

本实施例制备得到的PVDF纳米纤维的平均直径为358nm，平均产量为26.8g/h。

本发明的一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法，可提供一种均匀性高、产量更多、射程更远、纤维直径更细的静电纺丝。

Claims (13)

1.一种新型无针静电纺丝装置，包括有纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元，其特征在于：

所述纺丝形成单元包括有纺丝液容腔(1)、带电电极(2)、纺丝狭缝(3)、中介电极(4)及气流通道(5)；

所述收集单元包括有收集电极板(6)；

在所述的带电电极(2)与收集电极板(6)之间形成第一静电场；

在所述的带电电极(2)与中介电极(4)之间形成第二静电场；

所述纺丝液容腔中的纺丝液在第二静电场的作用下、经由纺丝狭缝喷出纺丝纤维，所述纺丝纤维在气流通道的引导及第一静电场的作用下，收集到收集电极板。

2.根据权利要求1所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述中介电极垂直于水平面地、设置于纺丝液容腔的中轴线上，

所述带电电极设置于纺丝液容腔的底平面内，

在所述中介电极的外周设置有第一层外壁(7)及第二层外壁(8)，

所述第一层外壁沿纺丝液容腔的径向贯穿纺丝液容腔设置；

所述第二层外壁以纺丝液容腔的上端面为起始端面、垂直向上设置；

在中介电极与第一层外壁之间形成气流通道；

在第一层外壁与第二层外壁之间形成纺丝狭缝，

所述纺丝狭缝与纺丝液容腔连通；

所述收集电极板设置于纺丝液容腔的正方上。

3.根据权利要求1所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述纺丝狭缝呈闭合状或不闭合状设置。

4.根据权利要求1所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述的中介电极为设置的1个、2个或等距设置的多个。

5.根据权利要求1所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述中介电极的端面为矩形、圆环形、菱形、弧线形或双弧线形中的任意一种设置。

6.根据权利要求4所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

当中介电极为等距设置的多个时，所述的纺丝狭缝之间的距离为2mm—200mm。

7.根据权利要求1所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述中介电极与纺丝狭缝之间的距离为10mm—1500mm。

8.根据权利要求1所述的一种新型无针静电纺丝装置，其特征在于：

所述纺丝狭缝的上端面与收集电极板之间的距离为10mm—2000mm。

9.一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

通过纺丝液储存单元、纺丝形成单元及纺丝收集单元的相互协作完成无针静电纺丝作业，包括如下步骤：

S1：按工艺要求的进液速率向纺丝液储存单元的纺丝液容腔注入纺丝液；

S2：在纺丝形成单元中的带电电极与纺丝收集单元中的收集电极板之间施加第一电压，用以形成第一静电场，

在纺丝形成单元中的带电电极与中介电极之间施加第二电压，用以形成第二静电场，向纺丝形成单元中的气流通道注入气流，所述气流的流速及温度按工艺要求设定；

S3：进入纺丝液容腔的纺丝液在第二静电场的作用下，形成纺丝纤维、由纺丝形成单元中的纺丝狭缝射向中介电极；

S4：射向中介电极的纺丝纤维在气流的引导及第一静电场的双重作用下射落于收集电极板。

10.根据权利要求9所述的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

所述的收集电极板为静止式、传动网链式或滚筒式设置。

11.根据权利要求9所述的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

步骤S1中，所述纺丝液的进液速率为0.1mL/h—1000mL/h。

12.根据权利要求9所述的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

步骤S2中，向纺丝形成单元中的气流通道注入气流的流速为0.1m/s—100m/s；所述气流的温度为0℃—200℃。

13.根据权利要求9所述的一种新型无针静电纺丝方法，其特征在于：

步骤S1中，所述纺丝液容腔中的纺丝液粘度为1mpas—100000mpas。