CN110284203A - 一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，包括主体板、金属电极和辅助板，主体板绝缘且疏水，主体板上设有孔道；喷嘴具体结构为：1)金属电极上安插有相互独立的导液管I和导液管II，或者，金属电极上安插有导液管I，导液管I内套有导液管II；2)辅助板上安插有第一导液管，金属电极上安插有第二导液管，第二导液管穿入第一导液管中，且内套第三导液管，或者，金属电极上安插有相互独立的第二导液管和第三导液管，第二导液管和第三导液管都穿入第一导液管中；上述两种结构中，所有导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道和导液管围成的不同空间分别与不同的溶液流道连通。本发明的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，有效改善了电场分布的均匀性。

Description

一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴

技术领域

本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴。

背景技术

静电纺丝技术是一种能利用高压静电场控制纤维的形态和规格制造纳米纤维网或者取向排列的连续纤维的工艺。该技术是将聚合物溶液或熔体在几千伏至几万伏的高压静电场下克服表面张力而产生带电喷射流，溶液或熔体在喷射过程中干燥、固化，最终落在接收装置上形成纤维毡或其它形状的纤维集合体。静电纺丝纳米纤维由于其较高的比表面积和较大的孔隙率，近年来在吸附、过滤等领域已经取得了广泛的应用。随着静电纺丝纳米纤维的应用越来越广泛，人们对于其多功能性的要求也越来越高。为了拓宽纳米纤维的性能，研究者们逐渐引入了多种组分的静电纺丝技术来制备不同结构的复合纳米纤维，以满足其对于多功能的要求。在多组分静电纺丝喷嘴装置中，常见的是用多个不同直径的金属针头以一定形式嵌套在一起形成复合喷嘴，多种组分的聚合物溶液则分别通过不同的毛细管道最后在喷嘴处汇合，并在电场力作用下，最终形成多组分纤维。

多组分静电纺丝中由传统的金属针嵌套组成的多组分喷嘴装置，由于设备构成相对较为简单、成本较低、易于加工制造，而且可以基本上满足实验要求，因而受到研究人员的广泛青睐。但随着多组分静电纺丝技术的发展和纳米纤维应用范围的逐渐扩大，传统多组分静电纺丝装置暴露出因电场不均匀造成纤维不匀率较大的问题，制约了多组分纤维的应用。

为了改善电场不均匀性，提升多组分纳米纤维的质量，采用孔套针的多组分静电纺丝喷嘴装置是一种有效的方法。这是由于在传统的针套针装置中，由于有金属针的存在，会使得纺丝过程中电场分布非常不均匀，在针尖处会产生强烈的电场集中效应，并且在较短的距离内快速衰减，影响射流在鞭动区域的充分牵伸；而孔套针的方式设计的多组分静电纺丝喷嘴，用孔替代了多组分装置中输送外层溶液的金属针头，从而使得该装置电场分布的均匀性有了明显的提高。但由于内层金属针的存在，在内部针尖边缘处电荷集中的问题仍然存在，所以，电场分布不均匀的问题仍然突出。

因此，研究一种新型的多组分喷嘴来解决电场分布不匀的问题具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的静电纺丝过程电场分布不均匀的问题，提供一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，包括主体板、金属电极和辅助板，主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板绝缘是为了避免在高压电场作用下形成电荷的集中效应，电荷集中会大大影响电场分布的均匀性，主体板疏水可以避免复合射流在孔口向四周扩散，更有利于复合射流在主体板孔口处能够更好的形成泰勒锥，有利于纺丝过程的顺利进行，主体板上设有孔道；

多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴或四组分孔套孔喷嘴；

当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，金属电极上安插有相互独立的导液管I和导液管II，导液管I和导液管II都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁、导液管I管壁和导液管II管壁围成的通孔与A组分溶液流道连通，导液管I内部的通孔与B组分溶液流道连通，导液管II内部的通孔与C组分溶液流道连通；

或者，金属电极上安插有导液管I，导液管I内套有导液管II，导液管I和导液管II都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与导液管I管壁围成的通孔与A组分溶液流道连通，导液管I与导液管II管壁围成的通孔与B组分溶液流道连通，导液管II内部的通孔与C组分溶液流道连通；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，辅助板上安插有第一导液管，金属电极上安插有第二导液管，第二导液管穿入第一导液管中，且内套第三导液管，第一导液管、第二导液管和第三导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与第一导液管管壁围成的通孔与E组分溶液流道连通，第一导液管管壁与第二导液管管壁围成的通孔与F组分溶液流道连通，第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔与G组分溶液流道连通，第三导液管内部的通孔与H组分溶液流道连通；

或者，金属电极上安插有相互独立的第二导液管和第三导液管，第二导液管和第三导液管都穿入第一导液管中，第一导液管、第二导液管和第三导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与第一导液管管壁围成的通孔与E组分溶液流道连通，第一导液管管壁、第二导液管管壁和第三导液管管壁围成的通孔与F组分溶液流道连通，第二导液管内部的通孔与G组分溶液流道连通，第三导液管内部的通孔与H组分溶液流道连通。

作为优选的方案：

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，A组分溶液流道由相互连通的输液管i和溶液腔j组成；导液管I和导液管II相互独立时，B组分溶液流道为导液管I内部的通孔本身；导液管I和导液管II相互嵌套时，B组分溶液流道为导液管I与导液管II管壁围成的通孔本身；C组分溶液流道为导液管II内部的通孔本身；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，E组分溶液流道由相互连通的输液管f和溶液腔e组成，F组分溶液流道由相互连通的输液管g和溶液腔d组成；第二导液管和第三导液管相互独立时，G组分溶液流道为第二导液管内部的通孔本身；第二导液管和第三导液管相互嵌套时，G组分溶液流道为第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔本身；H组分溶液流道为第三导液管内部的通孔本身；溶液腔d位于溶液腔e上方，输液管f穿过溶液腔d；输液管f和输液管g导电。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，主体板为圆板，直径为34～36mm，厚度为1～2mm；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为21～22mm；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，主体板和辅助板为圆板，直径分别为40～42mm和34～36mm，厚度分别为1～2mm和1～3mm；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为20～22mm；主体板厚度取值对纺丝结果影响较大，这是因为，电场在主体板孔口处的衰减速度非常快，若主体板厚度过大，则会使孔口末端处的电场力减小，影响纺丝过程。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体k，筒体k内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成环r，金属电极套在筒体k内，由环r支撑，金属电极、主体板和环r围成溶液腔j；输液管i穿透金属电极；输液管i导电；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体m，筒体m内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成环p；

辅助板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体n，筒体n内侧壁靠近辅助板的部分沿平行于辅助板的方向延伸形成环q；

金属电极套在筒体n内，由环q支撑，金属电极、辅助板和环q围成溶液腔d；

辅助板套在筒体m内，由环p支撑，辅助板、主体板和环p围成溶液腔e；

输液管f同时穿透金属电极和辅助板，输液管g穿透金属电极。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，导液管I、导液管II和输液管i都为圆柱管，管径分别为a mm、b mm和2～3mm，壁厚分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm和0.5～0.6mm，长度分别为35～40mm、35～40mm和30～35mm；孔道为圆柱孔，孔径为c mm；导液管I和导液管II相互独立时，a和b为1.0～1.2和1.0～1.2，c为3～4；导液管I和导液管II相互嵌套时，a和b为1.6～1.7和0.9～1.0，c为1～2；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，第一导液管、第二导液管、第三导液管、输液管f和输液管g都为圆柱管，管径分别为2.5～3.0mm、x mm、y mm、1～2mm和1～2mm，壁厚分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm、0.1～0.2mm、0.4～0.5mm和0.4～0.5mm，长度分别为5～6mm、35～40mm、35～40mm、35～37mm和30～32mm；孔道为圆柱孔，孔径为3.0～3.5mm；第二导液管和第三导液管相互独立时，x为1.0～1.2，y为1.0～1.2；第二导液管和第三导液管相互嵌套时，x为1.5～2.0，y为0.5～1.0。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，孔道与金属电极的中心轴之间的距离为0mm；导液管I和导液管II相互独立时，导液管I和导液管II的中心轴之间的距离为2.8～3.0mm，导液管I相对于导液管II距离输液管i较近，导液管I和输液管i的中心轴之间的距离为8.5～8.6mm；导液管I和导液管II相互嵌套时，输液管i与导液管I的中心轴之间的距离为8～10mm，导液管I与孔道的中心轴之间的距离为0mm，金属电极与导液管I的中心轴之间的距离为0mm；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，输液管f和输液管g的中心轴之间的距离为16～20mm；输液管g和第一导液管的中心轴之间的距离为8～10mm；第一导液管和孔道的中心轴之间的距离为0mm；孔道与金属电极的中心轴之间的距离为0mm；

第二导液管和第三导液管相互独立时，第二导液管和第三导液管的中心轴之间的距离为0.75～0.8mm，第二导液管管壁和第三导液管管壁都与第一导液管管壁接触；

第二导液管和第三导液管相互嵌套时，第一导液管和第二导液管的中心轴之间的距离为0mm，第三导液管管壁和第二导液管管壁接触。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，导液管I和导液管II相互独立时，导液管I管壁和导液管II管壁都与孔道孔壁接触；导液管I和导液管II相互嵌套时，导液管I管壁和导液管II管壁接触。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，环r的高度为1～2mm，内径为30～32mm；筒体k的高度为22～23mm；当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，环p和环q的高度分别为1～2mm和1～2mm，内径分别为36～40mm和30～34mm。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，主体板为聚四氟乙烯板，辅助板为金属板，导液管I和导液管II为聚四氟乙烯管或聚丙烯管，第一导液管、第二导液管和第三导液管为聚四氟乙烯管或聚丙烯管。

如上所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，导液管I和导液管II在孔道中的插入深度等于孔道深度；第一导液管、第二导液管和第三导液管在孔道中的插入深度等于孔道深度。

本发明的多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴或四组分孔套孔喷嘴，当为三组分孔套孔喷嘴时，将一个金属电极和一个设有孔道的绝缘主体板组装起来，在金属电极上插入两个相互独立或者相互嵌套的导液管至主体板的孔道中，用于输送芯层两种组分的溶液，在距离导液管中心轴一定距离处插入一个输液管i穿透金属电极并将其与由金属电极和主体板围成的溶液腔j连通来输送皮层溶液，从而形成三组分孔套孔喷嘴装置；在微量注射泵的作用下，三种组分的溶液在复合的三组分孔套孔喷丝板的下表面形成复合液滴，由于主体板的拒水性，高聚物复合溶液能在主体板上形成稳定的液滴，并在高压电场作用下形成稳定的射流；在该装置中，由于完全没有金属针的存在，电场的集中效应不明显，所以电场分布更为均匀，制得的三组分纤维的细度也更加均匀；

当为四组分孔套孔喷嘴时，将一个金属电极、一个辅助板和一个设有孔道的主体板依次组装起来构成了四组分喷嘴装置的框架，其中，由主体板与辅助板构成的溶液腔输送最外层组分溶液，由金属电极与辅助板构成的另一个溶液腔通过辅助板上的导液管输送中间层组分溶液，在金属电极上以一定方式插入另外两根导液管至主体板底部，输送芯层的两种组分溶液，至此，四种组分的聚合物溶液在主体板底部孔处汇合形成复合射流；四种组分的溶液在微量注射泵的作用下在主体板的下表面汇集形成复合液滴，由于主体板的拒水性，高聚物复合溶液能在主体板上形成了稳定的液滴，并在高压电场作用下形成了稳定的射流，稳定的射流是纺丝顺利进行的必要条件，同时，由于液滴所在的位置完全没有金属的存在，电场的集中效应不明显，所以相较于传统的针套针喷嘴装置来讲，该装置的电场分布更为均匀，而且在较大区域内都保持着一个较大的电场值，由电场产生的施加在射流上的电场力也会更加充分，所以射流会收到的牵伸作用也更加充分，最终形成的纤维也会更细更均匀。

有益效果：

(1)本发明的多组分孔套孔喷嘴，与现有的针套针和孔套针设备相比，本发明用绝缘的孔代替了传统的金属针头，消除了金属针边缘电场的集中效应，显著改善了电场分布的均匀性，提高了多组分微纳米纤维的均匀性；

(2)本发明的多组分孔套孔喷嘴，与现有的针套针和孔套针设备相比，所纺出来纤维的结构更加紧密，质量更好；

(3)本发明的多组分孔套孔喷嘴，可以实现多种组分同时形成一个复合射流进行纺丝，增加了静电纺丝纳米纤维在功能上的局限性，拓展了静电纺丝纳米纤维的应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例1的三组分孔套孔喷嘴的纵截面图；

图2为本发明实施例1的三组分孔套孔喷嘴末端的横截面图；

图3为对比实施例1的三组分针套针喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线(对比实施例1的三组分针套针喷嘴与实施例1的三组分孔套孔喷嘴的喷嘴末端的结构基本相同，区别在于材质)；

图4为对比实施例1的三组分孔套针喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线(对比实施例1的三组分孔套针喷嘴与实施例1的三组分孔套孔喷嘴的喷嘴末端的结构基本相同，区别在于材质)；

图5为本发明实施例1的三组分孔套孔喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

图6为本发明实施例2的三组分孔套孔喷嘴的纵截面图；

图7为本发明实施例2的三组分孔套孔喷嘴末端的横截面图；

图8为本发明实施例2的三组分孔套孔喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

图9为对比实施例2的三组分孔套针喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线(对比实施例2的三组分孔套针喷嘴与实施例2的三组分孔套孔喷嘴的喷嘴末端的结构基本相同，区别在于材质)；

图10为本发明实施例3的四组分孔套孔喷嘴的纵截面图；

图11为本发明实施例3的四组分孔套孔喷嘴末端的横截面图；

图12为对比实施例3的四组分针套针喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线(对比实施例3的四组分针套针喷嘴与实施例3的四组分孔套孔喷嘴的喷嘴末端的结构基本相同，区别在于材质)；

图13为对比实施例3的四组分孔套针喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线(对比实施例3的四组分孔套针喷嘴与实施例3的四组分孔套孔喷嘴的喷嘴末端的结构基本相同，区别在于材质)；

图14为本发明实施例3的四组分孔套孔喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

图15为本发明实施例4的四组分孔套孔喷嘴的纵截面图；

图16为本发明实施例4的四组分孔套孔喷嘴末端的横截面图；

图17为对比实施例4的四组分孔套针喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线(对比实施例4的四组分孔套针喷嘴与实施例4的四组分孔套孔喷嘴的喷嘴末端的结构基本相同，区别在于材质)；

图18为本发明实施例4的四组分孔套孔喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

其中，1-输液管i，2-导液管Ⅰ，3-导液管Ⅱ，4-金属电极，5-主体板，6-溶液腔j，7-输液管f，8-第二导液管，9-第三导液管，10-输液管g，11-辅助板，12-溶液腔e，13-溶液腔d，14-第一导液管，A、B、C、E、F、G、H分别表示不同的组分。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

三组分孔套孔喷嘴，其纵截面如图1所示，包括主体板5和金属电极4，主体板为聚四氟乙烯圆板，直径为34～36mm，厚度为1～2mm；主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔径为3～4mm的圆柱形孔道，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成高度为22～23mm的筒体k，筒体k内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成高度为1～2mm、内径为30～32mm的环r；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为21～22mm，金属电极套在筒体k内，由环r支撑，金属电极、主体板和环r围成溶液腔j6；金属电极上安插有相互独立的导液管I 2和导液管II 3，导液管I和导液管II都为聚四氟乙烯或聚丙烯圆柱管，管径分别为1.0～1.2mm和1.0～1.2mm，壁厚分别为0.1～0.2mm和0.1～0.2mm，长度分别为35～40mm和35～40mm，导液管I和导液管II的中心轴之间的距离为2.8～3.0mm，导液管I和导液管II都插入孔道中(插入深度等于孔道深度)，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁、导液管I管壁和导液管II管壁围成的通孔与A组分溶液流道连通，A组分溶液流道由相互连通的输液管i 1和溶液腔j 6组成，输液管i为导电圆柱管且穿透金属电极，管径为2～3mm，壁厚为0.5～0.6mm，长度为30～35mm，导液管I相对于导液管II距离输液管i较近，导液管I和输液管i的中心轴之间的距离为8.5～8.6mm，导液管I内部的通孔与B组分溶液流道连通，导液管II内部的通孔与C组分溶液流道连通，B组分溶液流道和C组分溶液流道分别为导液管I和导液管II内部的通孔本身。

输液管i、导液管Ⅰ、导液管Ⅱ的管口分别为A、B、C三种组分溶液的入口，A组分溶液流入由金属电极4和主体板5构成的溶液腔j6后，在主体板孔道中流出，形成皮层溶液，B、C两种组分溶液则是通过导液管Ⅰ、导液管Ⅱ直接到达底部喷嘴末端(喷嘴末端的横截面如图2所示)，并与皮层溶液共同形成一个复合射流，在电场力作用下最终形成三组分纤维。

为证明本实施例的三组分孔套孔喷嘴装置的优越性，分别利用如上所述的三组分孔套孔喷嘴以及三组分针套针喷嘴纺制三组分纤维，发现三组分针套针喷嘴所纺出的纤维的平均直径及其分布要明显大于三组分孔套孔装置所纺出的纤维，这说明，在更为均匀的电场分布作用下，孔套孔喷嘴中射流受到的电场作用力更加持久和均衡，故纤维形貌也更好。

此外，为证明本实施例的三组分孔套孔喷嘴能够改善电场分布的均匀性，采用三维电场模拟软件Ansoft Maxwell来进行电场模拟的方法，分别得到传统的三组分针套针喷嘴、传统的三组分孔套针喷嘴以及本实施例的三组分孔套孔喷嘴的喷嘴周围的电场分布曲线，如图3～5所示，由图3可知，针套针喷嘴在其喷嘴轴线上可达到的最大电场值约为20×10⁶V/m，且在距离喷嘴轴线约2mm距离处，电场值就迅速衰减至0V/m，说明针套针喷嘴结构的电场值衰减速度非常快，且分布非常不均匀；由图4可知，在孔套针喷嘴结构中，其达到的最大电场值要小于针套针装置，且在距离喷嘴轴线20mm的距离内，其周围的电场仍维持在约8×10⁵V/m的一个相对较大的值，这说明孔套针装置的电场均匀性要明显优于针套针装置，但在孔套针喷嘴轴线周围，仍然出现了电场集中现象，不仅如此，在距喷嘴轴线约1～2mm处，电场值出现了突然的增加和下降；由图5可知，无论是在喷嘴轴线1～2mm处，还是距离喷嘴轴线约20mm的范围内，电场值始终维持在一个相对较大的值，并随着距离增加，电场值缓慢下降，这说明本实施例的三组分孔套孔喷嘴，相较于传统的针套针装置或者传统的孔套针装置，由于少了金属针的存在，确实能够改善电场分布的均匀性。

实施例2

三组分孔套孔喷嘴，其纵截面如图6所示，包括主体板5和金属电极4，主体板为聚四氟乙烯圆板，直径为34～36mm，厚度为1～2mm；主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔径为1～2mm的圆柱孔孔道，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成高度为22～23mm的筒体k，筒体k内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成高度为1～2mm、内径为30～32mm的环r；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为21～22mm，金属电极套在筒体k内，由环r支撑，金属电极、主体板和环r围成溶液腔j6；金属电极上安插有导液管I 2，导液管I内套有导液管II 3，导液管I管壁和导液管II管壁接触，导液管I和导液管II为圆柱形聚四氟乙烯或聚丙烯管，管径分别为1.6～1.7mm和0.9～1.0mm，壁厚分别为0.1～0.2mm和0.1～0.2m，长度分别为35～40mm和35～40mm，导液管I和导液管II都插入孔道中(插入深度等于孔道深度)，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与导液管I管壁围成的通孔与A组分溶液流道连通，导液管I与导液管II管壁围成的通孔与B组分溶液流道连通，导液管II内部的通孔与C组分溶液流道连通；A组分溶液流道由相互连通的输液管i1和溶液腔j6组成，输液管i为导电圆柱管，管径为2～3mm，壁厚为0.5～0.6mm，长度为30～35mm，输液管i与导液管I的中心轴之间的距离为8～10mm；B组分溶液流道为导液管I与导液管II管壁围成的通孔本身；C组分溶液流道为导液管II内部的通孔本身。

输液管i、导液管Ⅱ、导液管Ⅰ的管口分别为A、B、C三种组分溶液的入口，A组分溶液流入由金属电极4和主体板5构成的溶液腔j 6后，在主体板孔道中流出，形成皮层溶液，B、C两种组分溶液则是通过导液管Ⅱ、导液管Ⅰ直接到达底部喷嘴末端(喷嘴末端的横截面如图7所示)，并与皮层溶液共同形成一个复合射流，在电场力作用下最终形成三组分纤维。

为证明本实施例的三组分孔套孔喷嘴装置的优越性，分别利用如上所述的三组分孔套孔喷嘴以及三组分针套针喷嘴纺制三组分纤维，发现三组分针套针喷嘴所纺出的纤维的平均直径及其分布要明显大于三组分孔套孔装置所纺出的纤维，这说明，在更为均匀的电场分布作用下，孔套孔喷嘴中射流受到的电场作用力更加持久和均衡，故纤维形貌也更好。

此外，为证明本实施例的孔套孔喷嘴能够改善电场分布的均匀性，采用三维电场模拟软件Ansoft Maxwell来进行电场模拟的方法，分别得到本实施例的三组分孔套孔喷嘴以及传统的三组分孔套针喷嘴的喷嘴周围的电场分布曲线，如图8和图9所示，由图9可知，在孔套针喷嘴结构中，在孔套针喷嘴轴线周围，出现了电场集中现象，在距喷嘴轴线约1～2mm处，电场值出现了突然的增加和下降；由图8可知，无论是在喷嘴轴线1～2mm处，还是距离喷嘴轴线约20mm的范围内，电场值始终维持在一个相对较大的值，并随着距离增加，电场值缓慢下降，这说明本实施例的孔套孔喷嘴，相较于传统的孔套针装置，由于少了金属针的存在，确实能够改善电场分布的均匀性。

实施例3

四组分孔套孔喷嘴，其纵截面如图10所示，包括主体板5、辅助板11和金属电极4；

主体板为聚四氟乙烯圆板，直径为40～42mm，厚度为1～2mm，主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔径为3.0～3.5mm的圆柱形孔道，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体m，筒体m内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成高度为1～2mm、内径为36～40mm的环p；辅助板为金属圆板，直径为34～36mm，厚度为1～3mm，辅助板套在筒体m内，由环p支撑，辅助板、主体板和环p围成溶液腔e 12，辅助板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体n，筒体n内侧壁靠近辅助板的部分沿平行于辅助板的方向延伸形成高度为1～2mm、内径为30～34mm的环q；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为20～22mm，金属电极套在筒体n内，由环q支撑，金属电极、辅助板和环q围成溶液腔d 13，溶液腔d位于溶液腔e上方；

辅助板上安插有第一导液管14，金属电极上安插有第二导液管8，第二导液管穿入第一导液管14中，且内套第三导液管9，第一导液管、第二导液管和第三导液管为聚四氟乙烯或聚丙烯圆柱管，管径分别为2.5～3.0mm、1.5～2.0mm和0.5～1.0mm，壁厚分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm和0.1～0.2mm，长度分别为5～6mm、35～40mm和35～40mm，第一导液管、第二导液管和第三导液管都插入孔道中(插入深度等于孔道深度)，且插入孔道内的部分绝缘；输液管f 7和输液管g 10都为导电圆柱管，且输液管f穿过溶液腔d，同时穿透金属电极和辅助板，输液管g穿透金属电极，输液管f和输液管g的管径分别为1～2mm和1～2mm，壁厚分别为0.4～0.5mm和0.4～0.5mm，长度分别为35～37mm和30～32mm，输液管f和输液管g的中心轴之间的距离为16～20mm，输液管g和第一导液管的中心轴之间的距离为8～10mm；

第一组分溶液流道由相互连通的输液管f和溶液腔e组成，孔道孔壁与第一导液管管壁围成的通孔与第一组分溶液流道连通；第二组分溶液流道由相互连通的输液管g和溶液腔d组成，第一导液管管壁与第二导液管管壁围成的通孔与第二组分溶液流道连通；第三组分溶液流道为第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔本身，第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔与第三组分溶液流道连通；第四组分溶液流道为第三导液管内部的通孔本身，第三导液管内部的通孔与第四组分溶液流道连通。

输液管f、第二导液管、第三导液管和输液管g分别为溶液E、F、G、H的入口，E组分溶液穿过金属电极流入溶液腔e，并最终从最外部孔道中流出；H组分溶液则流入金属电极与辅助板形成的溶液腔d，并沿着下部第一导液管流出，形成中间层溶液组分；F、G组分溶液则通过第二导液管、第三导液管直接到达底部喷嘴末端(喷嘴末端的横截面如图11所示)，在喷嘴末端处，与外层溶液E和中间层溶液组分F形成一个四种组分的复合射流，在电场力作用下，最终形成四组分纤维。

为证明本实施例所采用的四组分孔套孔喷嘴装置的优越性，分别利用如上所述的四组分孔套孔喷嘴以及四组分针套针喷嘴纺制四组分纤维，四组分针套针喷嘴所纺出的纤维的平均直径及其分布要明显大于四组分孔套孔装置所纺出的纤维，这说明，在均匀的电场作用下，孔套孔喷嘴中射流受到的电场作用力更加持久和均衡，故纤维形貌也更好。

此外，为证明本实施例的四组分孔套孔喷嘴能够改善电场分布的均匀性，采用三维电场模拟软件Ansoft Maxwell来进行电场模拟的方法，分别得到传统的四组分针套针喷嘴、传统的四组分孔套针喷嘴以及本发明的四组分孔套孔喷嘴的喷嘴周围的电场分布曲线，如图12～5所示，由图12可知，针套针喷嘴在其喷嘴轴线上可达到的最大电场值约为9×10⁶V/m，且在距离喷嘴轴线约10mm距离处，电场值就迅速衰减至0V/m，说明针套针喷嘴结构的电场值衰减速度非常快，且分布非常不均匀；由图13可知，在孔套针喷嘴结构中，其达到的最大电场值要小于针套针装置，且在距离喷嘴轴线20mm的距离内，其周围的电场仍维持在约8×10⁵V/m的一个相对较大的值，这说明孔套针装置的电场均匀性要明显优于针套针装置，但在孔套针喷嘴轴线周围，仍然出现了电场集中现象，不仅如此，在距喷嘴轴线约1～2mm处，电场值出现了突然的增加和下降；由图14可知，无论是在喷嘴轴线1～2mm处，还是距离喷嘴轴线约20mm的范围内，电场值始终维持在一个相对较大的值，并随着距离增加，电场值缓慢下降，这说明本实施例的四组分孔套孔喷嘴，相较于传统的针套针装置或者传统的孔套针装置，由于少了金属针的存在，确实能够改善电场分布的均匀性。

实施例4

四组分孔套孔喷嘴，其纵截面如图15所示，包括主体板5、辅助板11和金属电极4；

主体板为聚四氟乙烯圆板，直径为40～42mm，厚度为1～2mm，主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔径为3.0～3.5mm的圆柱形孔道，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体m，筒体m内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成高度为1～2mm、内径为36～40mm的环p；辅助板为金属圆板，直径为34～36mm，厚度为1～3mm，辅助板套在筒体m内，由环p支撑，辅助板、主体板和环p围成溶液腔e 12，辅助板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体n，筒体n内侧壁靠近辅助板的部分沿平行于辅助板的方向延伸形成高度为1～2mm、内径为30～34mm的环q；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为20～22mm，金属电极套在筒体n内，由环q支撑，金属电极、辅助板和环q围成溶液腔d 13，溶液腔d位于溶液腔e上方；

辅助板上安插有第一导液管14，金属电极上安插有相互独立的第二导液管8和第三导液管9，第二导液管和第三导液管的中心轴之间的距离为0.75～0.8mm，第二导液管和第三导液管都穿入第一导液管中，第一导液管、第二导液管和第三导液管为聚四氟乙烯或聚丙烯圆柱管，管径分别为2.5～3.0mm、1.0～1.2mm和1.0～1.2mm，壁厚分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm和0.1～0.2mm，长度分别为5～6mm、35～40mm和35～40mm，第一导液管、第二导液管和第三导液管都插入孔道中(插入深度等于孔道深度)，且插入孔道内的部分绝缘；输液管f 7和输液管g 10都为导电圆柱管，且输液管f穿过溶液腔d，同时穿透金属电极和辅助板，输液管g穿透金属电极，输液管f和输液管g的管径分别为1～2mm和1～2mm，壁厚分别为0.4～0.5mm和0.4～0.5mm，长度分别为35～37mm和30～32mm，输液管f和输液管g的中心轴之间的距离为16～20mm，输液管g和第一导液管的中心轴之间的距离为8～10mm；

第一组分溶液流道由相互连通的输液管f和溶液腔e组成，孔道孔壁与第一导液管管壁围成的通孔与第一组分溶液流道连通；第二组分溶液流道由相互连通的输液管g和溶液腔d组成，第一导液管管壁与第二导液管管壁围成的通孔与第二组分溶液流道连通；第三组分溶液流道为第二导液管内部的通孔本身，第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔与第三组分溶液流道连通；第四组分溶液流道为第三导液管内部的通孔本身，第三导液管内部的通孔与第四组分溶液流道连通。

输液管f、第二导液管、第三导液管和输液管g分别为溶液E、F、G、H的入口，E组分溶液穿过金属电极流入溶液腔e，并最终从最外部孔道中流出；H组分溶液则流入金属电极与辅助板形成的溶液腔d，并沿着下部第一导液管流出，形成中间层溶液组分；F、G组分溶液则通过第二导液管、第三导液管直接到达底部喷嘴末端(喷嘴末端的横截面如图16所示)，在喷嘴末端处，与外层溶液E和中间层溶液组分F形成一个四种组分的复合射流，在电场力作用下，最终形成四组分纤维。

为证明本实施例所采用的四组分孔套孔喷嘴装置的优越性，分别利用如上所述的四组分孔套孔喷嘴以及四组分针套针喷嘴纺制四组分纤维，四组分针套针喷嘴所纺出的纤维的平均直径及其分布要明显大于四组分孔套孔装置所纺出的纤维，这说明，在均匀的电场作用下，孔套孔喷嘴中射流受到的电场作用力更加持久和均衡，故纤维形貌也更好。

此外，为证明本实施例的四组分孔套孔喷嘴能够改善电场分布的均匀性，采用三维电场模拟软件Ansoft Maxwell来进行电场模拟的方法，分别得到传统的四组分孔套针喷嘴以及本发明的四组分孔套孔喷嘴的喷嘴周围的电场分布曲线，如图17和图18所示，由图17可知，在孔套针喷嘴结构中，在孔套针喷嘴轴线周围，出现了强烈的电场集中现象，不仅如此，在距喷嘴轴线约1～2mm处，电场值出现了突然的增加和下降；由图18可知，无论是在喷嘴轴线1～2mm处，还是距离喷嘴轴线约20mm的范围内，电场值始终维持在一个相对较大的值，并随着距离增加，电场值缓慢下降，这说明本实施例的孔套孔喷嘴，相较于传统的孔套针装置，由于少了金属针的存在，确实能够改善电场分布的均匀性。

Claims (10)

1.一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征是：包括主体板、金属电极和辅助板，主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔道；

多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴或四组分孔套孔喷嘴；

当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，金属电极上安插有相互独立的导液管I和导液管II，导液管I和导液管II都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁、导液管I管壁和导液管II管壁围成的通孔与A组分溶液流道连通，导液管I内部的通孔与B组分溶液流道连通，导液管II内部的通孔与C组分溶液流道连通；

或者，金属电极上安插有导液管I，导液管I内套有导液管II，导液管I和导液管II都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与导液管I管壁围成的通孔与A组分溶液流道连通，导液管I与导液管II管壁围成的通孔与B组分溶液流道连通，导液管II内部的通孔与C组分溶液流道连通；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，辅助板上安插有第一导液管，金属电极上安插有第二导液管，第二导液管穿入第一导液管中，且内套第三导液管，第一导液管、第二导液管和第三导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与第一导液管管壁围成的通孔与E组分溶液流道连通，第一导液管管壁与第二导液管管壁围成的通孔与F组分溶液流道连通，第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔与G组分溶液流道连通，第三导液管内部的通孔与H组分溶液流道连通；

或者，金属电极上安插有相互独立的第二导液管和第三导液管，第二导液管和第三导液管都穿入第一导液管中，第一导液管、第二导液管和第三导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；孔道孔壁与第一导液管管壁围成的通孔与E组分溶液流道连通，第一导液管管壁、第二导液管管壁和第三导液管管壁围成的通孔与F组分溶液流道连通，第二导液管内部的通孔与G组分溶液流道连通，第三导液管内部的通孔与H组分溶液流道连通。

2.根据权利要求1所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，A组分溶液流道由相互连通的输液管i和溶液腔j组成；导液管I和导液管II相互独立时，B组分溶液流道为导液管I内部的通孔本身；导液管I和导液管II相互嵌套时，B组分溶液流道为导液管I与导液管II管壁围成的通孔本身；C组分溶液流道为导液管II内部的通孔本身；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，E组分溶液流道由相互连通的输液管f和溶液腔e组成，F组分溶液流道由相互连通的输液管g和溶液腔d组成；第二导液管和第三导液管相互独立时，G组分溶液流道为第二导液管内部的通孔本身；第二导液管和第三导液管相互嵌套时，G组分溶液流道为第二导液管管壁与第三导液管管壁围成的通孔本身；H组分溶液流道为第三导液管内部的通孔本身；溶液腔d位于溶液腔e上方，输液管f穿过溶液腔d；输液管f和输液管g导电。

3.根据权利要求2所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，主体板为圆板，直径为34～36mm，厚度为1～2mm；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为21～22mm；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，主体板和辅助板为圆板，直径分别为40～42mm和34～36mm，厚度分别为1～2mm和1～3mm；金属电极为圆柱体，直径为30～32mm，高度为20～22mm。

4.根据权利要求3所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体k，筒体k内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成环r，金属电极套在筒体k内，由环r支撑，金属电极、主体板和环r围成溶液腔j；输液管i穿透金属电极；输液管i导电；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，主体板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体m，筒体m内侧壁靠近主体板的部分沿平行于主体板的方向延伸形成环p；

辅助板的边缘沿厚度方向延伸形成筒体n，筒体n内侧壁靠近辅助板的部分沿平行于辅助板的方向延伸形成环q；

金属电极套在筒体n内，由环q支撑，金属电极、辅助板和环q围成溶液腔d；

辅助板套在筒体m内，由环p支撑，辅助板、主体板和环p围成溶液腔e；

输液管f同时穿透金属电极和辅助板，输液管g穿透金属电极。

5.根据权利要求4所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，导液管I、导液管II和输液管i都为圆柱管，管径分别为amm、b mm和2～3mm，壁厚分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm和0.5～0.6mm，长度分别为35～40mm、35～40mm和30～35mm；孔道为圆柱孔，孔径为c mm；导液管I和导液管II相互独立时，a和b为1.0～1.2和1.0～1.2，c为3～4；导液管I和导液管II相互嵌套时，a和b为1.6～1.7和0.9～1.0，c为1～2；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，第一导液管、第二导液管、第三导液管、输液管f和输液管g都为圆柱管，管径分别为2.5～3.0mm、x mm、y mm、1～2mm和1～2mm，壁厚分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm、0.1～0.2mm、0.4～0.5mm和0.4～0.5mm，长度分别为5～6mm、35～40mm、35～40mm、35～37mm和30～32mm；孔道为圆柱孔，孔径为3.0～3.5mm；第二导液管和第三导液管相互独立时，x为1.0～1.2，y为1.0～1.2；第二导液管和第三导液管相互嵌套时，x为1.5～2.0，y为0.5～1.0。

6.根据权利要求5所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，孔道与金属电极的中心轴之间的距离为0mm；导液管I和导液管II相互独立时，导液管I和导液管II的中心轴之间的距离为2.8～3.0mm，导液管I相对于导液管II距离输液管i较近，导液管I和输液管i的中心轴之间的距离为8.5～8.6mm；导液管I和导液管II相互嵌套时，输液管i与导液管I的中心轴之间的距离为8～10mm，导液管I与孔道的中心轴之间的距离为0mm，金属电极与导液管I的中心轴之间的距离为0mm；

当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，输液管f和输液管g的中心轴之间的距离为16～20mm；输液管g和第一导液管的中心轴之间的距离为8～10mm；第一导液管和孔道的中心轴之间的距离为0mm；孔道与金属电极的中心轴之间的距离为0mm；

第二导液管和第三导液管相互独立时，第二导液管和第三导液管的中心轴之间的距离为0.75～0.8mm，第二导液管管壁和第三导液管管壁都与第一导液管管壁接触；

第二导液管和第三导液管相互嵌套时，第一导液管和第二导液管的中心轴之间的距离为0mm，第三导液管管壁和第二导液管管壁接触。

7.根据权利要求5所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，导液管I和导液管II相互独立时，导液管I管壁和导液管II管壁都与孔道孔壁接触；导液管I和导液管II相互嵌套时，导液管I管壁和导液管II管壁接触。

8.根据权利要求4所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，当多组分孔套孔喷嘴为三组分孔套孔喷嘴时，环r的高度为1～2mm，内径为30～32mm；筒体k的高度为22～23mm；当多组分孔套孔喷嘴为四组分孔套孔喷嘴时，环p和环q的高度分别为1～2mm和1～2mm，内径分别为36～40mm和30～34mm。

9.根据权利要求1所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，主体板为聚四氟乙烯板，辅助板为金属板，导液管I和导液管II为聚四氟乙烯管或聚丙烯管，第一导液管、第二导液管和第三导液管为聚四氟乙烯管或聚丙烯管。

10.根据权利要求1所述的一种电场均布的多组分孔套孔喷嘴，其特征在于，导液管I和导液管II在孔道中的插入深度等于孔道深度；第一导液管、第二导液管和第三导液管在孔道中的插入深度等于孔道深度。