CN109267159B - 一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头 - Google Patents
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Abstract
一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头，涉及静电纺丝。设有上盖板、针头安装板、导电板、针头阵列和气罩；上盖板设有进液孔，上盖板通过软管与供液装置连接；针头安装板为阶梯结构，阶梯高度差与对应位置针头高度差一致，针头安装板设有针头定位孔；导电板与高压电源正极相连，导电板为分离式结构；针头阵列设有按弧形阵列排布的针头，针头阵列的中间位置针头位于最低点，针头阵列的两侧针头对称排布；气罩设有两个进气孔，气罩通过导气管与供气装置相连，利用调压阀控制气体流量和压强的大小。引入鞘气约束，加快纺丝射流喷射，提高纤维喷射效率，细化射流，减小纳米纤维直径，提高电纺纤维成膜均匀性和成膜质量。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝，尤其是涉及一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头。
背景技术
作为一种微纳米纤维制造技术，静电纺丝以其设备简易、操作可控、原料广泛、成本低廉等优点，已经引起学者乃至工业领域的广泛关注。传统的单喷嘴静电纺丝效率非常低，仅为0.1g/h左右，限制了电纺纳米纤维产量的提升。实现直径均匀、孔隙率高纳米纤维膜的快速、批量化沉积制备是其应用研究的重点，也是静电纺丝技术产业化推广的重要前提。而探究高密度多射流喷射控制策略已成为批量化静电纺丝的关键。多针批量化静电纺丝是提高纤维产量最直接的方式，并且采用喷嘴可以有效抑制带电射流的自由表面漂动，提高纤维分布均匀性。其缺点在于相邻喷嘴间的排斥和不同喷嘴处的不均匀电场会导致射流难以持续稳定喷射(Theron S A,Yarin A L,Zussman E,et al.Multiple jets inelectrospinning:experiment and modeling[J].Polymer,2005,46(9):2889-2899)。因此，减弱多射流间的排斥干扰，提高射流密度已经成为多针批量化静电纺丝的研究重点。引入辅助气流，气流运动过程中可带走射流表面大量电荷，克服多射流间的电场干扰影响，并且气流所提供的额外拉伸力也降低了临界启动电压，有助于实现高效、稳定的多针批量化静电纺丝(Hsiao H Y,Huang C M,Liu Y Y,et al.Effect of air blowing on themorphology and nanofiber properties of blowing‐assisted electrospunpolycarbonates[J].Journal of Applied Polymer Science,2012,124(6):4904-4914)。但是，目前所采用的外场约束多针尖静电纺丝喷头结构复杂，难以实现针尖的快速定位，安装、拆卸繁琐，限制了其在产业化中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供可克服多针尖阵列难以快速定位于导电板和气罩上的微孔的问题，实现喷头结构的快速定位组装，促进多针尖静电纺丝喷头在大面积均匀纳米纤维膜批量化生产中的应用，减小静电纺丝多射流喷头之间的电场抑制干涉及多射流之间的静电干扰，提高多射流密度和喷射稳定性，促进射流溶剂挥发，改善纳米纤维质量，辅助鞘气对射流提供额外的拉伸与约束作用，减小电纺纳米纤维直径，提高静电纺丝纳米纤维沉积效率，可实现大面积均匀纳米纤维膜快速成型的一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头。
本发明设有上盖板、针头安装板、导电板、针头阵列和气罩；
所述上盖板设有进液孔，上盖板通过软管与供液装置连接，保证纺丝溶液的可控定量供给，均匀流入各个纺丝针头；
所述针头安装板为阶梯结构，阶梯高度差与对应位置针头高度差一致，针头安装板设有针头定位孔，针头定位孔的直径与针头的最大外径相同且为过盈配合，针头从针头安装板上方装入针头定位孔；针头定位孔为阶梯孔结构，阶梯面与针头的最大外径轴底面配合，距离针头安装板底面1～2mm，从而实现针头阵列的精确快速定位安装；针头安装板内部为弧形槽，弧形槽与上盖板组成溶液槽，给纺丝溶液充分的缓冲流动空间，实现各个纺丝针头均匀供液；
所述导电板与高压电源正极相连，用于提供空间高压电场，导电板为分离式结构，通过两块电极板凹槽与凸台的过盈配合进行快速组装，针头阵列位于两块电极板中间，针头阵列与两块电极板紧密接触，保证针头良好导电；导电板的上表面与针头的锥台部分稳定接触，进一步保证每个针头都可良好导电；
所述针头阵列设有按弧形阵列排布的针头，针头阵列的中间位置针头位于最低点，针头阵列的两侧针头对称排布；
所述气罩设有两个进气孔，气罩通过导气管与供气装置相连，利用调压阀控制气体流量和压强的大小；气罩为分离式结构，气罩由第1气罩模块和第2气罩模块组成，第1气罩模块和第2气罩模块通过L形凹槽和L形凸台的过盈配合进行快速安装；气罩的底面为弧面，两个气罩模块之间设有一条宽度2～4mm的狭缝结构，狭缝上设有与针头位置对应的同轴气孔，针头伸出气罩1～3mm；辅助气体从进气孔流入，经过气罩的气流槽的缓冲作用后从气罩底面的狭缝均匀流出，通过同轴气孔对射流形成鞘气约束和拉伸，狭缝结构设计既实现了气流的约束聚焦，使气流能高速从针头周围流出，也减小了针头与小孔径气孔的定位装配难度。
所述上盖板和针头安装板上可设有螺纹孔，所述导电板、针头安装板、上盖板和气罩可由锁紧螺钉固定连接，保证导电板和针头阵列的稳定接触。
所述上盖板、针头安装板、气罩可由绝缘材料加工。
在针头安装板的针头定位孔出口位置上可设有密封圈，避免纺丝溶液从针头定位孔泄露。
所述导电板可为弧形结构或阶梯结构，高度差与对应位置针头高度差一致。导电板可为刚性金属材料或柔性金属材料。
所述进液孔可设有2～4个。
所述针头可设有7～15个不锈钢点胶针头，针头间的高度差可为0～8mm，针头的间距可为5～20mm。
所述同轴气孔的直径可为6～10mm。
本发明采用多针头阵列进行高密度多射流纺丝，可有效提高电纺纳米纤维的沉积效率。采用定位孔进行针头的定位安装以及分离式的导电板与气罩设计，可克服多针尖阵列难以快速定位于导电板和气罩上微孔的问题，减小了同轴度加工要求，可实现喷头结构的快速定位组装，且避免了利用转接头进行针头安装时针头易脱落的问题。针头阵列采用弧形排布方式，可有效削弱多射流喷射过程中的电场干涉抑制作用，提高多射流喷射稳定性。引入鞘气约束，加快纺丝射流喷射，提高纤维喷射效率，细化射流，减小纳米纤维直径，提高电纺纤维成膜均匀性和成膜质量。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的气罩整体的俯视图。
图3为本发明实施例的第1气罩模块的俯视图。
图4为本发明实施例的第2气罩模块的俯视图。
图5为本发明实施例的导电板整体的俯视图。
图6为本发明实施例的第1电极板的俯视图。
图7为本发明实施例的第2电极板的俯视图。
在图中，各标记为：1.上盖板，2.针头安装板，3.外锁紧螺钉，4.导电板，5.内锁紧螺钉，6.针头阵列，7.密封圈，8.气罩，9.第1气罩模块，10.第2气罩模块，11.第1电极板，12.第2电极板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明的一个具体实施例，设有上盖板1、针头安装板2、外锁紧螺钉3、导电板4、内锁紧螺钉5、针头阵列6、密封圈7和气罩8，其中，气罩8由第1气罩模块9和第2气罩模块10组成，第1气罩模块9和第2气罩模块10通过L形凹槽和L形凸台过盈配合进行快速安装。导电板4由第1电极板11和第2电极板12组成，第1电极板11和第2电极板12通过凹槽与凸台过盈配合进行快速安装。上盖板1和针头安装板2上设有螺纹孔，其中上盖板1上为盲孔，针头安装板2上为通孔。上盖板1、针头安装板2、导电板4由内锁紧螺钉5固定连接。上盖板1上设有螺纹孔，所述上盖板1、针头安装板2、气罩8由外锁紧螺钉3固定连接。针头阵列6由9个不锈钢点胶针头按弧形阵列排布组成，最外侧针头与中间位置针头的高度差为12cm，针头间距15mm，中间位置针头位于最低点，两侧针头对称排布。
所述上盖板1设有2个进液孔，通过软管与供液装置连接，保证纺丝溶液的可控定量供给，通过针头安装板2上的针头定位孔均匀流入针头阵列6。
所述针头安装板2为阶梯结构，阶梯高度差与对应位置针头高度差一致，针头安装板2设有针头定位孔，针头定位孔直径与针头阵列6的不锈钢点胶针头最大外径相同且为过盈配合，针头从针头安装板2上方装入针头定位孔。针头定位孔为阶梯孔结构，阶梯面与针头阵列6的不锈钢点胶针头的最大外径轴底面配合，距离针头安装板2底面1～2mm，可实现针头阵列6的精确快速定位安装。针头安装板2内部为弧形槽，与上盖板1组成溶液槽，给纺丝溶液充分的缓冲流动空间，通过针头安装板2上的针头定位孔均匀流入针头阵列6，实现各个纺丝针头均匀供液。
所述导电板4与高压电源正极相连，提供空间高压电场。导电板4为分离式结构，导电板4由第1电极板11和第2电极板12组成，第1电极板11和第2电极板12通过凹槽与凸台过盈配合进行快速安装。针头阵列6位于第1电极板11和第2电极板12中间，与两块电极板紧密接触，保证针头良好导电。在该实施例中，导电板4为柔性金属材料，上表面可与针头阵列6中不锈钢点胶针头的锥台部分稳定接触，进一步保证每个针头都可良好导电。
所述气罩8设有两个进气孔，通过导气管与供气装置相连，利用调压阀控制气体流量和压强的大小。气罩8为分离式结构，气罩8由第1气罩模块9和第2气罩模块10组成，第1气罩模块9和第2气罩模块10通过L型凹槽和L型凸台的过盈配合进行快速安装。底面为弧面，第1气罩模块9和第2气罩模块10之间设有一条宽度2～4mm的狭缝结构。狭缝上设计有与针头阵列6位置对应的同轴气孔，气孔直径6～10mm，针头伸出气罩1～3mm。辅助气体从进气孔流入，经过气流槽的缓冲作用后从气罩底面的狭缝均匀流出，通过气孔对射流形成鞘气约束和拉伸。
图2所示为气罩8的俯视图，为分离式结构，第1气罩模块9和第2气罩模块10如图3和图4所示，呈中心对称，第1气罩模块9和第2气罩模块10可通过L形凹槽和L形凸台的过盈配合进行快速安装。气罩8两端设有安装定位孔，利用外锁紧螺钉3与上盖板1、针头安装板2固定连接。气罩8底端设计有与针头阵列6位置对应的同轴气孔，设有一条宽度2～4mm的狭缝结构，狭缝上设计有与针头阵列6位置对应的同轴气孔，气孔直径6～10mm。辅助气体从各个气孔均匀流出，对射流形成鞘气约束和拉伸，可细化射流与纤维直径，减小静电干扰，提高射流喷射稳定性与成膜质量。
图5所示为导电板4的俯视图，为分离式结构，第1电极板11和第2电极板12如图6和图7所示，呈中心对称，第1电极板11和第2电极板12可通过凹槽与凸台的过盈配合进行快速组装。导电板4两端设有安装定位孔，利用内锁紧螺钉4与上盖板1、针头安装板2固定连接。针头阵列6位于第1电极板11和第2电极板12中间，与两块电极板紧密接触，保证针头良好导电。在该实施例中，导电板4为柔性金属材料，上表面可与针头阵列6中不锈钢点胶针头的锥台部分稳定接触，进一步保证每个针头都可良好导电。导电板4通过导线与高压电源正极相连，在喷头与收集板之间形成高压电场，纺丝溶液发生拉伸形变，产生射流，从而在收集板上快速沉积得到纳米纤维膜。
本实施例在使用过程中，纺丝溶液由供液装置通过软管流经进液口实现对各个纺丝针头的均匀供液，高压电源正极通过导线与导电板相连，对各个针头进行稳定供电，从而在喷头与收集板间形成高压电场，形成多射流高密度喷射。辅助气流通过供气装置供给，利用调压阀控制气体流量和压强大小，从气罩的进气口进入气流槽，经过缓冲作用后从各个气孔均匀流出，对射流起到约束与拉伸作用。根据实际需求，针头数量、针头间距、针尖弧度大小等可进行调节，促进大面积、均匀电纺纳米纤维膜的快速沉积。
在本发明中，纺丝溶液通过上盖板的进液孔流经溶液通道后均匀流至各个纺丝针头，各个纺丝针头与针头安装板上的定位孔过盈配合，可快速定位安装。针头阵列采用弧形排布方式，可有效减小多射流喷射过程中的电场干涉抑制作用，提高多射流喷射稳定性。引入鞘气约束，加快纺丝射流喷射，减小纳米纤维直径，提高电纺纤维成膜均匀性，促进大面积、均匀电纺纳米纤维膜的高效成型。导电板和气罩均采用分离式结构，克服多针尖阵列难以快速定位于导电板和气罩上的微孔的问题，实现喷头结构的快速定位组装，方便拆卸、清洗、更换，可应用于纳米纤维膜的产业化快速喷印制造。
Claims (3)
1.一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头，其特征在于设有上盖板、针头安装板、导电板、针头阵列和气罩；
所述上盖板设有进液孔，上盖板通过软管与供液装置连接，保证纺丝溶液的可控定量供给，均匀流入各个纺丝针头；
所述针头安装板为阶梯结构，阶梯高度差与对应位置针头高度差一致，针头安装板设有针头定位孔，针头定位孔的直径与针头的最大外径相同且为过盈配合，针头从针头安装板上方装入针头定位孔；针头定位孔为阶梯孔结构，阶梯面与针头的最大外径轴底面配合，距离针头安装板底面1～2mm；针头安装板内部为弧形槽，弧形槽与上盖板组成溶液槽；
所述导电板与高压电源正极相连，用于提供空间高压电场，导电板为分离式结构，通过两块电极板凹槽与凸台的过盈配合组装，针头阵列位于两块电极板中间，针头阵列与两块电极板接触；导电板的上表面与针头的锥台部分稳定接触；
所述针头阵列设有按弧形阵列排布的针头，针头阵列的中间位置针头位于最低点，针头阵列的两侧针头对称排布；
所述气罩设有两个进气孔，气罩通过导气管与供气装置相连，利用调压阀控制气体流量和压强的大小；气罩为分离式结构，气罩由第1气罩模块和第2气罩模块组成，第1气罩模块和第2气罩模块通过L形凹槽和L形凸台的过盈配合进行快速安装；气罩的底面为弧面，两个气罩模块之间设有一条宽度2～4mm的狭缝结构，狭缝上设有与针头位置对应的同轴气孔，针头伸出气罩1～3mm；辅助气体从进气孔流入，经过气罩的气流槽的缓冲作用后从气罩底面的狭缝流出，通过同轴气孔对射流形成鞘气约束和拉伸；
所述上盖板和针头安装板上设有螺纹孔，所述导电板、针头安装板、上盖板和气罩由锁紧螺钉固定连接；
所述上盖板、针头安装板、气罩由绝缘材料加工；
所述导电板为弧形结构或阶梯结构，高度差与对应位置针头高度差一致；
所述针头设有7～15个不锈钢点胶针头；所述针头间的高度差为0～8mm，针头的间距为5～20mm；所述进液孔设有2～4个；所述同轴气孔的直径为6～10mm。
2.如权利要求1所述一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头，其特征在于在针头安装板的针头定位孔出口位置上设有密封圈。
3.如权利要求1所述一种可快速多针尖定位的静电纺丝喷头，其特征在于所述导电板为刚性金属材料或柔性金属材料。
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