CN110714228A - 一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，包括泵体，泵体为摆线齿轮泵，还包括真空绝缘罩和负气压抽吸装置，泵体位于真空绝缘罩内部密闭空间中，真空绝缘罩与负气压抽吸装置连通；所有的摆线齿轮泵串联连接，端部的一台摆线齿轮泵与电动机通过绝缘连动杆连接，电动机和绝缘连动杆也位于真空绝缘罩内部密闭空间中。本发明的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，通过在泵体设备区域构造真空绝缘环境，可以有效防止静电击穿，能满足静电纺丝生产过程中几十千伏甚至到上百千伏电压的加载；采用独立的多联摆线齿轮泵对喷丝区域单独供液，实现纺丝溶液均匀稳定供给；在各种工况条件下都能稳定运行，适用于静电纺丝规模化生产。

Description

一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置

技术领域

本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置。

背景技术

静电纺丝技术是近些年迅速发展的一种制备微/纳米纤维的方法，具有操作简单、工艺可调性强、可纺原材料广、制备成本低、产品附加值高等优点，被广泛应用于国防军工、生物医用、环境保护、器件能源等领域。

在静电纺丝过程中，纺丝设备的绝缘性是实现安全稳定生产必不可少的一环，同时也是影响静电纺丝规模化生产的关键因素之一。体积小、集成度高的器件在静电纺丝领域中广泛使用，而这些器件中的零件又很微小和精密，电路板保护膜越来越薄，致使耐击穿电压也越来越低。在静电纺丝过程中，随着施加电压的增加，电场强度随之增加，从而电荷不断积累，当达到一定程度时，纺丝溶液分配的泵体等器件会失去极化特征而成为导体，破坏其绝缘性能，从而发生“静电击穿”现象损坏纺丝设备。此外，纺丝溶液能否均匀供给到每个喷头或针头处，将会对后续生产出的微/纳米纤维膜的微观形貌和宏观使用性能造成重要影响。

专利“一种静电纺丝用耐高压供液系统”(CN201710682970.8)公开了一种静电纺丝用耐高压供液系统，包括供液部分、耐高压精度计量泵以及绝缘供液缓冲槽，该发明尽管可以避免静电纺丝供液系统耐高压性不足的问题，但是在绝缘供液缓冲槽顶部开孔的方式难以保证槽内纺丝溶液各出液口的压力一致，因此无法做到有效均匀供液；专利“一种多喷头高压静电纺丝量产化设备均匀供液系统”(CN201510451146.2)公开了一种多喷头高压静电纺丝量产化设备均匀供液系统，包括纺丝溶液配置装置、纺丝溶液分配装置、喷丝单元，其中喷丝单元包括直接与分配槽连接的喷丝管，但是在该系统中纺丝溶液分配装置未有效隔绝静电，空气中的少量自由电子在电场作用下高速运动，与气体分子碰撞产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，这种剧烈的电离过程，在电极间形成了放电通道，产生了电弧，从而容易引起与之相连接的喷丝单元、溶液配置装置等发生“静电击穿”，从而损坏纺丝设备，带来重大安全隐患，难以保证静电纺丝安全稳定、规模化生产。

综上所述，当前静电纺丝生产中主要面临着如何实现纺丝设备耐高电压和均匀供液的问题，而这些问题如果不能妥善处理将会严重制约静电纺丝产业化发展。

因此，开发一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，有望解决上述瓶颈问题，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静电纺丝过程中纺丝设备绝缘性能差、安全性不足和供液不匀的问题，提供一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，包括泵体，还包括真空绝缘罩和负气压抽吸装置，泵体位于真空绝缘罩内部密闭空间中，真空绝缘罩与负气压抽吸装置连通。

本发明主要解决的技术问题是在静电纺丝过程中，经常发生“静电击穿”现象损坏纺丝设备，之所以会出现这一问题，主要是因为随着施加电压的增加，电场强度随之增加，从而电荷不断积累，当达到一定程度时，纺丝溶液分配的泵体等器件会失去极化特征而成为导体，破坏其绝缘性能，从而发生“静电击穿”现象。本发明通过采用真空绝缘罩和负气压抽吸装置将泵体置于真空中，真空绝缘罩能够最大程度地保护静电敏感器件免受潜在的静电危害，它们独特的法拉第电笼结构可以形成“感应罩”效应以保护罩内泵体设备与静电场隔离，很好地解决了上述问题，具体机理为：在空气中易发生静电击穿是由于气体中的少量自由电子在电场作用下高速度运动，与气体分子碰撞产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，这种“雪崩式”的电离过程，在电极间形成了放电通道，产生了电弧，然而，在真空中由于压强较低，气体分子极少，在这样的环境中，即使电极间隙中存在着电子，它们从一个电极飞向另一个电极时，也很少有机会与气体分子碰撞，因而不可能有电子和气体分子碰撞造成“雪崩式”的电击穿。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，真空绝缘罩的材质为聚酯/尼龙/氯化聚乙烯复合材料、尼龙/氯化聚乙烯复合材料、聚酯/铝/尼龙/聚乙烯复合材料或聚酯/聚丙烯复合材料，防静电、抽真空效果好，透明度高，不透气；真空绝缘罩的厚度为0.5～5cm。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，泵体的数量为多个，所有的泵体共用一个真空绝缘罩和一台负气压抽吸装置，或者各泵体分别对应一个真空绝缘罩，不同的真空绝缘罩分别对应一台负气压抽吸装置，或者不同的真空绝缘罩共用一台负气压抽吸装置。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，真空绝缘罩为空心结构，形状为立方体、半圆柱体或棱台，形状包括但不仅限于以上几种，还可以为棱柱等其他合理形状。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，泵体为摆线齿轮泵，其数量优选为2～20个。

如上所述的摆线齿轮泵，包括绝缘摆线齿轮和绝缘箱体，绝缘摆线齿轮的材质为聚四氟乙烯、聚甲醛或聚碳酸酯，摆线齿轮泵的绝缘箱体材质为聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯或聚氯乙烯；绝缘摆线齿轮的齿根圆半径r₁为1～3cm，齿顶圆半径r₂为1.5～4cm，齿数为5～20个。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，各摆线齿轮泵上都同时设有进液端和出液端，进液端和出液端从真空绝缘罩中穿出，进液端直径为1.5～2.5cm，出液端直径为2.5～4cm。

真空绝缘罩上分别有摆线齿轮泵的进液端与出液端的开口以及负气压抽吸装置的吸风口，进液端开口的直径为1.5～2.5cm，出液端开口的直径为2.5～4cm，连接负气压抽吸装置的吸风口直径为8～40cm；所有开口都用改性α-氰基丙烯酸胶水处理来填补间隙作用，即保持所有开口处紧密贴合无缝隙，便于后续维持罩内的真空度。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，所有的摆线齿轮泵串联连接，端部的一台摆线齿轮泵与电动机通过绝缘连动杆连接；所述电动机的转速为1～1000r/min，其可调节摆线齿轮泵的流量范围为1～100mL/min。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，还包括绝缘储液槽，所述绝缘储液槽材质为聚四氟乙烯、聚甲醛、酚醛树脂、聚芳酯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺或聚芳酯；绝缘储液槽壁厚为3～6cm，其侧面开孔，孔的个数为n个(n＝2、3、4…20)，孔径为1.5～2.5cm；绝缘储液槽中的纺丝溶液通过绝缘软管到达摆线齿轮泵进液端，然后电动机通过绝缘连动杆带动摆线齿轮泵将纺丝液输运至出液端；所述绝缘软管材质为硅胶、聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯，外径为1.5～2.5cm，壁厚为5～8mm。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，电动机和绝缘连动杆也位于真空绝缘罩内部密闭空间中。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，真空绝缘罩、所有的摆线齿轮泵、电动机和绝缘连动杆放置在绝缘基座上；真空绝缘罩底部直接与绝缘基座连接，四周接缝处使用聚硫密封胶或聚氨酯密封胶进行密封处理，这样整个真空绝缘罩可以在连续振动及温度变化下保持优异的气密性和防水性，且耐油、耐溶剂性能好。

如上所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，绝缘连动杆的材质为聚碳酸酯、聚甲醛、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚醚醚酮、聚砜、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，绝缘基座的材质为聚四氟乙烯、聚甲醛、酚醛树脂、聚芳酯、聚乙烯、聚丙烯或聚对苯二甲酰对苯二胺，绝缘基座的厚度为3～8cm。

采用本发明的一种规模化耐高电压均匀供液装置进行静电纺丝时，将配置完成的静电纺丝溶液置于绝缘储液槽内，通过绝缘储液槽侧壁上的开孔连接绝缘软管将纺丝溶液输运至每个摆线齿轮泵的进液端，电动机驱使绝缘连动杆然后带动摆线齿轮泵将进液端流入的纺丝溶液进一步输送至出液端，这样保证了每个摆线齿轮泵的出液端流出的纺丝溶液的量保持一致，实现了均匀供液的目的；摆线齿轮泵、绝缘连动杆和电动机三者都置于真空绝缘罩内部，通过真空绝缘罩上所开吸风口，将真空绝缘罩内的部分空气抽走，使得罩内保持真空度大于10^-2Pa，由真空度和击穿电压的关系可知，当罩内的真空度高于10^-2Pa时，击穿电压基本上不再随着气体压力的下降而增大，因为气体分子碰撞游离现象已不再起作用，耐压强度基本上保持90kV左右，满足静电纺丝工业化生产电压加载的要求，这样避免了在多联摆线齿轮泵形成的纺丝溶液输送区域发生电击穿现象，达到了耐高压的目的。因此，本发明的此种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，既能在静电纺丝过程实现均匀供液，又能防止高电压加载可能引起的静电击穿的发生。

有益效果：

(1)本发明的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，通过在泵体设备区域构造真空绝缘环境，可以有效防止静电击穿，能满足静电纺丝生产过程中几十千伏甚至到上百千伏电压的加载；

(2)本发明的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，采用独立的多联摆线齿轮泵对喷丝区域单独供液，实现纺丝溶液均匀稳定供给；

(3)本发明的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，可调性强，在各种工况条件下都能稳定运行，适用于静电纺丝规模化生产。

附图说明

图1为真空度和击穿电压的关系；

图2为本发明的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置的示意图；

其中，1-摆线齿轮泵，2-绝缘连动杆，3-电动机，4-绝缘基座，5-真空绝缘罩，6-负气压抽吸装置，7-绝缘储液槽，8-绝缘软管，9-进液端，10-出液端，11-吸风口。

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。

一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其示意图如图2所示，包括摆线齿轮泵1、真空绝缘罩5、负气压抽吸装置6和绝缘储液槽7；摆线齿轮泵1位于真空绝缘罩5内部密闭空间中，真空绝缘罩5与负气压抽吸装置6连通。

摆线齿轮泵1的数量为多个；所有的摆线齿轮泵1共用一个真空绝缘罩5和一台负气压抽吸装置6，或者各摆线齿轮泵1分别对应一个真空绝缘罩5，不同的真空绝缘罩5分别对应一台负气压抽吸装置6，或者不同的真空绝缘罩5共用一台负气压抽吸装置6；各摆线齿轮泵1上都同时设有进液端9和出液端10，进液端9和出液端10从真空绝缘罩5中穿出；所有的摆线齿轮泵1串联连接，端部的一台摆线齿轮泵1与电动机3通过绝缘连动杆2连接；电动机3和绝缘连动杆2也位于真空绝缘罩5内部密闭空间中；绝缘储液槽7中的纺丝溶液通过绝缘软管8到达摆线齿轮泵进液端，然后电动机通过绝缘连动杆带动摆线齿轮泵将纺丝液输运至出液端；真空绝缘罩上分别有摆线齿轮泵的进液端与出液端的开口以及负气压抽吸装置的吸风口11；真空绝缘罩5、所有的摆线齿轮泵1、电动机3和绝缘连动杆2放置在绝缘基座4上；其中，真空绝缘罩5的形状为立方体、半圆柱体或棱台，且真空绝缘罩5的材质为聚酯/尼龙/氯化聚乙烯复合材料、尼龙/氯化聚乙烯复合材料、聚酯/铝/尼龙/聚乙烯复合材料或聚酯/聚丙烯复合材料；绝缘连动杆2的材质为聚碳酸酯、聚甲醛、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚醚醚酮、聚砜、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；绝缘基座4的材质为聚四氟乙烯、聚甲醛、酚醛树脂、聚芳酯、聚乙烯、聚丙烯或聚对苯二甲酰对苯二胺；绝缘储液槽7材质为聚四氟乙烯、聚甲醛、酚醛树脂、聚芳酯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺或聚芳酯；绝缘软管8材质为硅胶、聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。

对在空气中和真空中分别测试击穿电压，当在空气中时，实验条件为：气压1.01×10⁵Pa，温度24℃，湿度60％，根据内推法近似可求得泵体电极器件在无限靠近喷丝头电极过程中最大场强E_max＝27.5kV/cm，即当静电纺丝过程中，加载电压达到27.5kV/cm时，将开始发生电击穿现象；而在真空中时，实验条件为：真空度高于1×10^-2Pa，温度24℃，湿度60％，根据如图1所示的真空度和击穿电压的关系，当加载电压达到90kV以上时，才开始发生电击穿现象；在不同真空条件下，在空气中更易发生静电击穿，是由于气体中的少量自由电子在电场作用下高速度运动，与气体分子碰撞产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，这种“雪崩式”的电离过程，在电极间形成了放电通道，产生了电弧，然而，在真空中由于压强较低，气体分子极少，在这样的环境中，即使电极间隙中存在着电子，它们从一个电极飞向另一个电极时，也很少有机会与气体分子碰撞，因而不可能有电子和气体分子碰撞造成“雪崩式”的电击穿。

由于静电纺丝过程中高压静电荷易在储液槽到喷丝头整个体系里运动积累，且场强可以达到50kV/cm，将该规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置用于静电纺丝中，通过该装置将其中的器件置于真空度高于10^-2Pa的条件中，在静电纺丝工业化生产中，所使用的供液装置可以适应生产，既满足均匀供液的需求，也在很大程度上避免可因受到静电击穿而带来的危害。

Claims (10)

1.一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，包括泵体，其特征是：还包括真空绝缘罩和负气压抽吸装置，泵体位于真空绝缘罩内部密闭空间中，真空绝缘罩与负气压抽吸装置连通。

2.根据权利要求1所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，真空绝缘罩的材质为聚酯/尼龙/氯化聚乙烯复合材料、尼龙/氯化聚乙烯复合材料、聚酯/铝/尼龙/聚乙烯复合材料或聚酯/聚丙烯复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，泵体的数量为多个，所有的泵体共用一个真空绝缘罩和一台负气压抽吸装置，或者各泵体分别对应一个真空绝缘罩，不同的真空绝缘罩分别对应一台负气压抽吸装置，或者不同的真空绝缘罩共用一台负气压抽吸装置。

4.根据权利要求3所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，真空绝缘罩的形状为立方体、半圆柱体或棱台。

5.根据权利要求3所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，泵体为摆线齿轮泵。

6.根据权利要求5所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，各摆线齿轮泵上都同时设有进液端和出液端，进液端和出液端从真空绝缘罩中穿出。

7.根据权利要求5所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，所有的摆线齿轮泵串联连接，端部的一台摆线齿轮泵与电动机通过绝缘连动杆连接。

8.根据权利要求7所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，电动机和绝缘连动杆也位于真空绝缘罩内部密闭空间中。

9.根据权利要求7所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，真空绝缘罩、所有的摆线齿轮泵、电动机和绝缘连动杆放置在绝缘基座上。

10.根据权利要求9所述的一种规模化静电纺丝用耐高电压均匀供液装置，其特征在于，绝缘连动杆的材质为聚碳酸酯、聚甲醛、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚醚醚酮、聚砜、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，绝缘基座的材质为聚四氟乙烯、聚甲醛、酚醛树脂、聚芳酯、聚乙烯、聚丙烯或聚对苯二甲酰对苯二胺。

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