CN110484979A - 一种电场均布的孔套孔喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电场均布的孔套孔喷嘴，包括主体板和辅助板，主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔道，辅助板上安插有一根以上导液管，所有的导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；不同的导液管相互独立或相互嵌套，并与孔道相互配合形成多个通孔，多个通孔包括孔道孔壁与所有导液管管壁围成的通孔、任意两个导液管相互嵌套后管壁围成的通孔以及内部未嵌套导液管的导液管内部的通孔，不同的通孔分别与不同的溶液通道连通。本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴，结构简单，使用方便，与现有的针套针和孔套针设备相比，显著改善了电场分布的均匀性，提高了双组分微纳米纤维的均匀性。

Description

一种电场均布的孔套孔喷嘴

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孔套孔喷嘴，特别涉及一种电场均布的孔套孔双组分喷嘴。

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双组分或多组分静电纺丝技术来制备复合纳米纤维，以满足其对于多功能的要求，因此多组分静电纺丝技术特别是双组分静电纺丝技术正逐渐成为静电纺丝技术中的一个重要分支。

在双组分静电纺丝喷嘴装置中，常见的是用两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，两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，最终形成双组分纤维。传统的双组分静电纺丝针套针双组分装置，由于设备构成相对较为简单，成本较低，易于加工制备，且可以基本满足实验要求，因而受到研究人员的广泛青睐。但随着双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，传统双组分静电纺丝喷嘴装置暴露出因电场不均匀造成纤维不匀率较大的问题，制约了双组分纤维的应用范围。

为了改善电场不均匀性，提升双组分纳米纤维的质量，采用针套孔的双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。而针套孔的方式设计的双组分静电纺丝设备，用孔来替代了双组分装置中输送皮层溶液的金属针头，从而使得该装置电场分布的均匀性有了明显的提高。但由于芯层金属针的存在，在芯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。对于由于针的存在而导致电场分布不够均匀的问题，在单组分静电纺丝喷嘴装置中，已经做了很多工作，比如用孔来替代金属针，但是在双组分静电纺丝喷嘴装置中，关于电场分布不均匀现象的研究较少，在此之前，专利 CN103572386B中公开了利用外孔来替代针制备了孔套针双组分喷嘴装置，在一定程度上改善了电场分布的均匀性，但由于仍然有金属针的存在，电场分布任然存在很大的不均匀性。

因此，亟待解决静电纺丝过程中由于喷嘴装置导致电场分布非常不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中静电纺丝装置存在的纺丝过程中电场分布非常不均匀的问题，提供一种电场均布的孔套孔喷嘴。本发明通过对喷嘴结构进行改进，设计了一种孔套孔的静电纺丝喷嘴装置，利用绝缘的导液管替代了内部金属针，实现了静电纺丝喷嘴的无针化，大大改善了电场分布的均匀性。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种电场均布的孔套孔喷嘴，包括主体板和辅助板，主体板绝缘且与水的接触角>90°，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，孔道优选位于主体板的轴心位置处，因为一方面便于装置的加工，另一方面孔道选择在轴心位置上便于主体板和辅助板结构更好的配合，辅助板上安插有一根以上导液管，所有的导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘，辅助板的主要作用是固定导液管，其他能够发挥该作用的部件未必是板状同样可替代辅助板，辅助板的材质不作具体要求，因为其对电场影响较小；

不同的导液管相互独立或相互嵌套，并与孔道相互配合形成多个通孔，多个通孔包括孔道孔壁与所有导液管管壁围成的通孔、任意两个导液管相互嵌套后管壁围成的通孔以及内部未嵌套导液管的导液管内部的通孔，不同的通孔分别与不同的溶液通道连通，即一通孔对应一溶液通道，通孔的数量可变，使得所纺纤维的组分可变，当仅插入一导液管时，导液管和孔道相互配合形成两个通孔，可以纺双组分纤维，当同时插入两相互独立的导液管时，导液管和孔道相互配合形成三个通孔，可以纺三组分纤维，当同时插入两相互嵌套的导液管时，导液管和孔道相互配合也形成三个通孔，同样可以纺三组分纤维，当进一步增加导液管的数量时，通孔的数量继续增加，可以纺更多组分的纤维。本发明解决现有技术中静电纺丝装置存在的纺丝过程中电场分布非常不均匀的问题的关键在于主体板以及导液管插入孔道内的部分绝缘，因为绝缘，因而能够避免在高压电场作用下形成电荷的集中效应，进而提高电场分布的均匀性。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，主体板为聚四氟乙烯板，辅助板为金属板，导液管为聚四氟乙烯毛细管或聚丙烯毛细管，导液管只要保证其插入孔道内的部分绝缘即可，即不要求其整体绝缘，但是整体绝缘的导液管较为常见，因而作为本发明的优选。

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，导液管在孔道中的插入深度等于孔道深度，导液管在孔道中的插入深度会影响形成的纤维的形貌。

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，导液管的数量为一根，与孔道孔壁与导液管管壁围成的通孔连通的溶液通道由相互连通的输液管a和溶液腔c组成，与导液管内部的通孔连通的溶液通道由相互连通的输液管b和溶液腔d组成；溶液腔d位于溶液腔c上方，输液管a穿过溶液腔d；输液管a和输液管b导电，具体的材质可以为不锈钢等金属；由于目前双组分纤维研究较多，应用较广，因此，本发明优选使用一根导液管，形成两个通孔，纺制双组分纤维。

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，主体板和辅助板为圆板，直径分别为40～42mm和 34～36mm，厚度分别1～2mm和1～3mm，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孔套孔喷嘴，还包括圆柱状金属电极，其直径为30～32mm，高度为 20～22mm，金属电极用于在主体板和接收装置之间形成静电场；

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c；

输液管a同时穿透金属电极和辅助板，输液管b穿透金属电极。

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，导液管、输液管a和输液管b都为圆柱管，管径分别为 0.8～1.2mm、2～3mm和2～3mm，壁厚分别为0.2mm、0.5mm和0.5mm，长度分别为3～6mm、42～46mm 和40～42mm；孔道为圆柱孔，孔径为1～2mm。

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，输液管a和输液管b的中心距为8～10mm；输液管b和导液管的中心距为8～10mm；导液管和孔道的中心距为0mm；输液管a和输液管b主要是负责输送两种组分的溶液，b管一般设在轴线上，a管位置只要在皮层溶液腔体范围内确保溶液能够顺利送入皮层溶液腔体中即可。

如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，环p和环q的高度分别为1～2mm和1～2mm，内径分别为 30～32mm和28～30mm。

本发明将一个金属电极、一个辅助板和一个中心打孔的主体板依次组装起来构成了双组分喷嘴装置的框架，在金属电极的中心插入一个输液管b来输送芯层溶液，由金属电极与辅助板构成一定高度的芯层溶液腔(溶液腔d)，在辅助板的中心位置插入一个导液管至主体板的孔道中，至此，形成了一个完整的芯层溶液通道，同时，在偏离金属电极的中心处插入另一个输液管a，并使其穿过金属电极至辅助板的下表面，来输送皮层溶液，由辅助板与主体板构成一定高度的皮层溶液腔(溶液腔c)，在主体板上设置孔道，至此，形成了一个完整的皮层溶液通道，两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稳定的复合液滴，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双组分装置来讲，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，所以射流受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)本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴，与现有的针套针和孔套针设备相比，本发明用绝缘的双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，提高了双组分微纳米纤维的均匀性；

(2)本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴，与现有的针套针和孔套针设备相比，所纺出来纤维的螺旋结构更加紧密，质量更好。

附图说明

图1为本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴的截面图；

图2为辅助板截面示意图；

图3为主体板截面示意图；

图4为传统的针套针双组分喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

图5为传统的针套孔双组分喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

图6为本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴在喷嘴末端处的电场分布曲线；

其中，1-输液管b，2-输液管a，3-金属电极，4.1-辅助板，4.2-环q，4.3-筒体n，5.1-溶液腔c，5.2- 溶液腔d，6-导液管，7.1-主体板，7.2-环p，7.3-筒体m。

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。

一种电场均布的孔套孔喷嘴，如图1所示，包括主体板7.1、辅助板4.1和金属电极3；

主体板7.1为聚四氟乙烯板，辅助板4.1为金属板，主体板7.1和辅助板4.1为圆板，直径分别为 40～42mm和34～36mm，厚度分别1～2mm和1～3mm；金属电极3为圆柱状，其直径为30～32mm，高度为20～22mm；

如图3所示，主体板7.1的边缘沿厚度方向延伸形成筒体m 7.3，筒体m 7.3内侧壁靠近主体板7.1 的部分沿平行于主体板7.1的方向延伸形成环p 7.2；如图2所示，辅助板4.1的边缘沿厚度方向延伸形成筒体n 4.3，筒体n 4.3内侧壁靠近辅助板4.1的部分沿平行于辅助板4.1的方向延伸形成环q 4.2；金属电极3套在筒体n 4.3内，由环q 4.2支撑，金属电极3、辅助板4.1和环q 4.2围成溶液腔d 5.2；辅助板4.1套在筒体m 7.3内，由环p 7.2支撑，辅助板4.1、主体板7.1和环p 7.2围成溶液腔c 5.1；输液管 a 2同时穿透金属电极3和辅助板4.1，输液管b 1穿透金属电极3；输液管a 2和输液管b 1导电；

主体板7.1上设有孔道，辅助板4.1上安插有一根导液管6，导液管6为聚四氟乙烯管或聚丙烯管，导液管6插入孔道中，且导液管6在孔道中的插入深度等于孔道深度；

导液管6、输液管a 2和输液管b 1都为圆柱管，管径分别为0.8～1.2mm、2～3mm和2～3mm，壁厚分别为0.2mm、0.5mm和0.5mm，长度分别为3～6mm、42～46mm和40～42mm；孔道为圆柱孔，孔径为 1～2mm；输液管a 2和输液管b 1的中心距为8～10mm；输液管b 1和导液管6的中心距为8～10mm；导液管6和孔道的中心距为0mm；环p 7.2和环q 4.2的高度分别为1～2mm和1～2mm，内径分别为30～32mm 和28～30mm。

为证明本发明所采用的一种电场均布的孔套孔喷嘴装置的优越性，分别利用如上所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴以及传统针套针双组分喷嘴纺制双组分螺旋纤维，并计算了螺旋纤维的直径和直径分布，以及用来表征形成螺旋纤维质量的k值，其中k值计算公式为现有技术，具体如下：

式中，r和p分别为螺旋结构的半径和螺距；

得到的计算结果为：在相同工艺条件下，用一种电场均布的孔套孔喷嘴所制得的螺旋纤维，其平均直径和直径分布约为601±135nm，k值为1.31，而用针套针双组分喷嘴所制得纤维的平均直径及其分布为788±247mm，k值为0.68，由上述实验结果可知，针套针喷嘴所纺出的纤维直径及其分布要明显大于孔套孔装置所纺出的纤维，这说明，在均匀的电场作用下，一种电场均布的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；用一种电场均布的孔套孔喷嘴纺出的螺旋纤维其k值要大于针套针装置所纺的螺旋纤维，这说明，利用一种电场均布的孔套孔喷嘴所纺出来的螺旋结构更加紧密，质量更好。

此外，为证明本发明的一种电场均布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，分别得到传统的针套针双组分喷嘴、传统的孔套针双组分喷嘴以及本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴的喷嘴周围的电场分布曲线，如图4～6所示，由图4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5 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6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，没有出现突然的增加和下降，并随着距离增加，电场值缓慢下降，这说明本发明的一种电场均布的孔套孔喷嘴，相较于传统的针套针装置或者传统的针套孔装置，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 (9)

1.一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征是：包括主体板和辅助板，主体板绝缘且与水的接触角>90°，主体板上设有孔道，辅助板上安插有一根以上导液管，所有的导液管都插入孔道中，且插入孔道内的部分绝缘；

不同的导液管相互独立或相互嵌套，并与孔道相互配合形成多个通孔，多个通孔包括孔道孔壁与所有导液管管壁围成的通孔、任意两个导液管相互嵌套后管壁围成的通孔以及内部未嵌套导液管的导液管内部的通孔，不同的通孔分别与不同的溶液通道连通。

2.根据权利要求1所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，主体板为聚四氟乙烯板，辅助板为金属板，导液管为聚四氟乙烯管或聚丙烯管。

3.根据权利要求1所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，导液管在孔道中的插入深度等于孔道深度。

4.根据权利要求1所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，导液管的数量为一根，与孔道孔壁与导液管管壁围成的通孔连通的溶液流道由相互连通的输液管a和溶液腔c组成，与导液管内部的通孔连通的溶液通道由相互连通的输液管b和溶液腔d组成；输液管a和输液管b导电。

5.根据权利要求4所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，主体板和辅助板为圆板，直径分别为40～42mm和34～36mm，厚度分别1～2mm和1～3mm。

6.根据权利要求5所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，还包括圆柱状金属电极，其直径为30～32mm，高度为20～22mm；

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c；

输液管a同时穿透金属电极和辅助板，输液管b穿透金属电极。

7.根据权利要求6所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，导液管、输液管a和输液管b都为圆柱管，管径分别为0.8～1.2mm、2～3mm和2～3mm，壁厚分别为0.2mm、0.5mm和0.5mm，长度分别为3～6mm、42～46mm和40～42mm；孔道为圆柱孔，孔径为1～2mm。

8.根据权利要求7所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，输液管a和输液管b的中心距为8～10mm；输液管b和导液管的中心距为8～10mm；导液管和孔道的中心距为0mm。

9.根据权利要求6所述的一种电场均布的孔套孔喷嘴，其特征在于，环p和环q的高度分别为1～2mm和1～2mm，内径分别为30～32mm和28～30mm。