CN110512292B - 一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，属于纳米纤维制备领域，包括放射状喷丝口和圆柱管。放射状喷丝口由圆周均布的多个结构相同的矩形叶片组成，每个矩形叶片向外侧张开成一定角度呈放射状，放射状喷丝口和圆柱管连接紧密顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运。本发明涉及的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴内径大，有利于避免针头堵塞问题，可以对高浓度的纺丝溶液体系进行静电纺丝；具有矩形叶片的放射状喷丝口有稳定液滴的作用，同时增大了喷丝液面面积，能够产生多个纺丝射流，有利于增大纺丝产量；可利用注射泵实现密闭可控供液，溶剂不易挥发；矩形叶片具有尖端效应，能够降低能耗；另外，基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴可用于交流电纺。

Description

一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴
技术领域
本发明涉及一种电纺喷嘴，特别是一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，属于纳米纤维制备领域。
背景技术
静电纺丝是通过高压直流电源产生的电场力拉伸聚合物溶液或熔体来制备纳米纤维的方法，是目前制备纳米纤维的最有效技术之一。溶液静电纺丝装置可以采用单个金属毛细针管作为纺丝头实现纺丝，如专利200420020596.3、200410025622.6等所公开的技术。但是，由于传统单个金属毛细针管静电纺丝产率较低，无法满足工业化需求，成为制约其发展的瓶颈问题。
Theron等将多个金属毛细针管按照直线排列或矩形排列的方式组成多针头静电纺丝装置[S.A.THERON，A.L.YARIN，E.ZUSSMAN，E.KROLL.Multiple jets inelectrospinning：experiment and modeling.Polymer，2005，46(9)：2889-2899.]，国内及国际上也出现了很多类似专利，如200420107832.5、201510278266.7、WO2007035011等所公开的技术。多针头静电纺丝技术喷丝位置可控、喂液量可控、喷丝过程稳定，在产量上相比于单针头静电纺丝有了大幅提高，但是传统金属毛细针管内径小，针头易堵塞，且不方便清洗，这从根本上阻碍了多针头静电纺丝工业化的进程。为此，研究人员提出了大量无针头静电纺丝的技术与设备，比如：WO2005024101公开的第一代“纳米蜘蛛”、Lin Tong等人的螺旋线圈静电纺丝装置[WANG X，NIU H，WANG X，LIN T.Needleless electrospinning ofuniform nanofibers using spiral coil spinnerets[J].Journal of Nanomaterials，2012，2012(10)：3-9.]、何吉欢等人的气泡静电纺丝技术[HE J H，LIU Y，XU L，etal.Biomimic fabrication of electrospun nanofibers with high-throughput[J].Chaos，Solitons and Fractals，2008，37：643-651.]等。与多针头静电纺丝技术相比，上述无针头静电纺丝技术具有无堵塞、易清理且生产效率大幅提高等优势。但是，该类无针头静电纺丝方法仍存在众多共性问题：纺丝发射极大多为无尖端型面，且加压面积大，要激发泰勒锥需要更高的电压，从而导致能耗高；其次，由于是液体表面自由重组形成喷射流，所以泰勒锥产生的位置和状态不可控，所得纤维粗细不匀、产品质量难以控制；另外，无针头静电纺丝的发射极大都浸没在开放式的纺丝液容器中(第二代纳米蜘蛛除外，但其供液器的横动影响正常纺丝)，溶剂易挥发，溶液浓度发生改变，从而导致纺丝质量不稳定。针对无针头静电纺丝能耗高的问题，有研究人员提出了基于实心针[ZL201220297190.4]、尖端式[ZL201310186515.0]、锯齿式[ZL201210347514.5]等静电纺丝技术，此类纺丝头具有尖端，纺丝临界电压以及生产能耗得到大幅度降低，但是仍然存在开发式供液造成的纤维质量难以控制的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，解决传统毛细针管式静电纺丝装置针头堵塞、不便清洗以及无针头静电纺丝技术能耗高、开放式供液导致的纤维质量难以控制等问题。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，包括放射状喷丝口和圆柱管。所述放射状喷丝口位于所述圆柱管的上部或下部，所述放射状喷丝口的内径和所述圆柱管的内径完全一致且连接紧密顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运；所述放射状喷丝口由圆周均布的多个结构相同的矩形叶片组成，矩形叶片整体为金属或局部为金属材质，每个矩形叶片向外侧张开成一定角度，与竖直方向的夹角范围为0°～90°(包括0°和90°)；矩形叶片数量是2～10000之间(包括2和10000)的整数；矩形叶片的形状为矩形，尖端部位可带倒角或圆角；矩形叶片的厚度为0.1～10mm(包括0.1mm和10mm)；矩形叶片沿长度方向呈平面形或曲面形，且沿长度方向的展开长度为1～50mm(包括1mm和50mm)；所述圆柱管整体或局部为金属材质的空心圆管构成，圆管内径为1～30mm(包括1mm和30mm)，长度和壁厚不限；根据所用聚合物纺丝溶液体系的特征，可对所述圆柱管内表面和矩形叶片表面进行PTFE、Teflon TFE、Teflon PFA、Teflon FEP的喷涂/磁控溅射处理，适合不同聚合物纺丝液体系的要求，以达到降低表面张力、纺丝液不易和纺丝头表面粘附、防止纺丝头堵塞的目的；在矩形叶片和圆柱管的界面处，矩形叶片之间可以存在一定间隙或无间隙；所述圆柱管内径大，不易堵塞，适合于对高浓度的聚合物纺丝溶液体系进行静电纺丝，浓度范围视具体聚合物纺丝液体系不同而有变化，范围可在20～80％；所述基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴当组合成阵列式静电纺丝系统以实现规模化纳米纤维生产时，可有如下多种排列方式：(1)所有基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴均位于同一平面；(2)所有基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴位于高低不同的两个平面上，且相邻基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴不在同一个平面上；(3)所有基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴按一定间距(间距为1～100mm，包括1mm和100mm)呈直线型或曲线型排列；(4)相邻基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴的矩形叶片位置可以同相位或存在相位差，即前后或左右扭转一定角度。
与现有多针头和无针头静电纺丝装置相比，本发明所设计的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴内径大，有利于避免传统毛细管针头堵塞问题，可以对高浓度的聚合物纺丝溶液体系进行静电纺丝；放射状喷丝口增大了喷丝口与纺丝溶液之间的界面张力，能够长时间握持住液滴，有稳定液滴的作用，同时，放射状的喷丝口增大了喷丝液面面积，能够产生多个纺丝射流，有利于增大纺丝产量；基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴可利用注射泵实现密闭可控供液，溶剂不易挥发；基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴的矩形叶片具有尖端效应，能够降低静电纺丝能耗；另外，基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴也可用于交流电纺。
附图说明
图1为本发明基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个矩形叶片的放射状电纺喷嘴结构示意图；
图2为本发明基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个矩形叶片的放射状电纺喷嘴的主视图和俯视图；
图3为本发明基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个尖端带圆角矩形叶片的放射状电纺喷嘴结构示意图；
图4为本发明基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴用于规模化纳米纤维生产时的一种实施例——7个具有矩形叶片的放射状电纺喷嘴直线阵列排布的静电纺丝头。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明提供了一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴(参见图1～4)，包括放射状喷丝口11和圆柱管12。图1和图2所示，为本发明的一种实施例——具有4个矩形叶片的放射状电纺喷嘴，所述放射状喷丝口位于所述圆柱管的下部，放射状喷丝口的内径和圆柱管的内径完全一致且连接紧密顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运；所述放射状喷丝口由圆周均布的4个的矩形叶片组成，每个矩形叶片向外张开30°，矩形叶片厚度为0.2mm，矩形叶片沿长度方向呈平面形，矩形叶片长度4mm，矩形叶片材料为不锈钢；所述圆柱管材料为不锈钢，内径1.6mm，长度5mm，壁厚0.2mm；圆柱管内表面和矩形叶片表面均未作喷涂/磁控溅射处理，在矩形叶片和圆柱管的界面处，矩形叶片之间可以存在0.2mm间隙。
图3所示，为本发明涉及的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴一种实施例——具有4个矩形叶片的放射状电纺喷嘴，叶片的尖端部位进行了倒圆处理。
图4所示，为本发明涉及的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴用于规模化纳米纤维生产时的一种实施例——7个具有矩形叶片的放射状电纺喷嘴直线阵列排布的静电纺丝头，其中包含7个四矩形叶片放射状电纺喷嘴，放射状电纺喷嘴的间距为20mm。

Claims (8)

1.一种基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：包括放射状喷丝口和圆柱管，放射状喷丝口位于圆柱管的上部或下部，放射状喷丝口的内径和圆柱管的内径完全一致且连接紧密顺畅，可实现纺丝流体的无障碍输运；
所述的放射状喷丝口由圆周均布有多个结构相同的矩形叶片，每个矩形叶片向外侧张开成一定角度呈放射状，与竖直方向的夹角范围为0°～90°；
所述基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴当组合成阵列式静电纺丝系统以实现规模化纳米纤维生产时，可有如下多种排列方式：(1)所有基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴位于高低不同的两个平面上，且相邻基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴不在同一个平面上；(2)所有基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴按一定间距呈直线型或曲线型排列；(3)相邻基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴的矩形叶片位置可以同相位或存在相位差，即前后或左右扭转一定角度。
2.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述放射状喷丝口的矩形叶片数量是2～10000之间的整数。
3.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述矩形叶片的尖端部位可带倒角或圆角。
4.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述矩形叶片的厚度为0.1～10mm。
5.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述矩形叶片沿长度方向呈平面形或曲面形，且沿长度方向的展开长度为1～50mm。
6.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述圆柱管整体或局部为金属材质的空心圆管构成，圆管内径为1～30mm，长度和壁厚不限。
7.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：根据所用聚合物纺丝溶液体系的特征，可对圆柱管内表面和矩形叶片表面进行PTFE、Teflon TFE、TeflonPFA、Teflon FEP的喷涂/磁控溅射处理，适合不同聚合物纺丝液体系的要求，以达到降低表面张力、纺丝液不易和纺丝头表面粘附、防止纺丝头堵塞的目的。
8.根据权利要求1所述的基于矩形叶片的放射状电纺喷嘴，其特征在于：所述放射状喷丝口结构，在矩形叶片和圆柱管的界面处，矩形叶片之间可以存在一定间隙或无间隙。
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