CN110725018A - 一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，由进料腔体和仿生喷丝嘴固定连接组成，仿生喷丝嘴的嘴体内腔为锥形，若干条轴向条纹凹槽沿嘴体内表面圆周方向分布在嘴体内表面，在每条轴向条纹凹槽的表面沿轴向分布有若干楔形凹槽；轴向条纹凹槽的宽度为400～600μm，轴向条纹凹槽的深度为35～40μm，楔形凹槽的楔角方向与仿生喷丝嘴的嘴体锥角方向一致，楔形凹槽的宽度为20～50μm，楔形凹槽的轴向长度为5～10μm，楔形凹槽的深度为750～880nm，楔形凹槽的槽底部轮廓线为曲线为效仿猪笼草口缘区微观结构曲线，曲线方程为：f(x)＝a1x2+a2x+a3，a1的取值范围为‑0.015～‑0.005，a2的取值范围为0.4～0.70，a3的取值范围为2～13，x的取值范围为‑300～300μm。本发明所述喷丝头能有效防止堵塞，并实现均匀喷丝，提高喷丝质量。

Description

一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头
技术领域
本发明属于纳米碳纤维材料加工设备技术领域，具体涉及一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头。
背景技术
在新能源研发领域中，纳米碳纤维材料由于其优异的电化学性能，可广泛应用于燃料电池、锂离子电池及超级电容器等多种新型能源存储器件中，已经成为具有重要应用前景的热门材料，因此开发能够快速稳定生产碳纤维材料的制备技术及设备具有重要意义。
目前，静电纺丝因其快速、高效且操作简便等优点，已成为制备纳米碳纤维材料的重要技术之一，将具有一定粘度的高聚物熔体或溶液，通过喷丝头喷出，凝固后即可生成纳米碳纤维，在浆料中掺杂其他不同金属离子还可以得到掺杂金属原子的碳纤维材料。
现有静电纺丝设备目前的弊端之一是：由于熔体或溶液浆料具有一定粘度，导致喷丝头易于堵塞，喷丝不均匀，造成制得的纳米碳纤维质量低等问题。
猪笼草开口部位具有定向湿润光滑的特性，可以使落在其上的昆虫陷入滑到捕虫笼内。在自然界中液体定向运输现象并不少见，经过自然进化，猪笼草口缘区特殊的微纳尺度表面结构使其具有液体定向运输的特性，这是由表面能和拉普拉斯压力梯度共同驱动导致的。效防猪笼草口缘区微观构造能为仿生防堵塞喷丝头的设计提供重要的理论依据。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，以实现在静电纺丝过程中有效防止喷丝头堵塞，并实现均匀喷丝，提高喷丝质量。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，所述仿生防堵塞喷丝头由进料腔体1和仿生喷丝嘴2组成，其中，所述仿生喷丝嘴2是由嘴体和安装座组成的一体式结构，所述安装座螺纹固定连接在进料腔体1的螺纹接口3上，进料腔体1内的浆料经螺纹接口3进入仿生喷丝嘴2；
所述嘴体内腔为锥形；
所述嘴体内表面上，若干条轴向条纹凹槽4沿嘴体内表面圆周方向分布，在每条轴向条纹凹槽4的表面沿轴向分布有若干楔形凹槽5；
所述轴向条纹凹槽4的宽度为400～600μm，轴向条纹凹槽4的深度为35～40μm；
所述楔形凹槽5的楔角方向与仿生喷丝嘴2的嘴体锥角方向一致，楔形凹槽5的宽度为20～50μm，楔形凹槽5的轴向长度为5～10μm，楔形凹槽5的深度为750～880nm；
所述楔形凹槽5的槽底部轮廓线为曲线为效仿猪笼草口缘区微观结构曲线，曲线方程为：
f(x)＝a1x2+a2x+a3；
其中：a1的取值范围为-0.015～-0.005，a2的取值范围为0.4～0.7，a3的取值范围为2～13，x的取值范围为-300～300μm。
进一步地，所述嘴体为壁厚均匀的锥筒结构，嘴体的高度为50～60mm，嘴体的发散角为2.2～3.4°；
进一步地，所述安装座为空心无底的锥台结构，安装座与嘴体同轴设置，在安装座的顶部端面中心上开有与嘴体底部外径相等的通孔，实现安装座与嘴体的连通，在安装座的内侧壁上开有与螺纹接口3相匹配的内螺纹。
进一步地，所述螺纹接口3为锥台形，螺纹接口3中心开有与进料腔体相通的浆料孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述喷丝头的仿生喷丝嘴内表面结构模仿猪笼草口缘区表面的多尺度微纳表面结构，形成具有轴向条纹凹槽和沿轴向分布在轴向条纹凹槽表面的楔形沟槽的分级微纳结构，有效提高其表面液体的定向运输性，并阻止浆料反向回流，实现单方向的液膜运输，从而防止喷丝头堵塞；此外，轴向条纹凹槽的设计还有助于实现浆料流体沿轴向流场分布，进一步提高喷丝头喷丝的均匀性和稳定性。
2、本发明所述喷丝头的仿生喷丝嘴内表面设计为锥形，使浆料流体运输管路具有一定锥度，能够缓冲浆料由于管径骤变而产生的紊流现象，从而提高浆料流体的均匀性和稳定性，进一步提高了喷丝头的喷丝质量。
附图说明
图1为本发明所述仿生防堵塞喷丝头的外表面结构三维视图；
图2为本发明所述仿生防堵塞喷丝头中，进料腔体的外表面结构三维视图；
图3为本发明所述仿生防堵塞喷丝头中，仿生喷丝嘴的外表面结构三维视图；
图4为图3中A-A剖视图；
图5为图4中B处结构放大示意图；
图6为图4中C处结构放大示意图；
图7为图4中D-D剖视图。
图中：
1进料腔体， 2仿生喷丝嘴， 3螺纹接口， 4轴向条纹凹槽，
5楔形沟槽。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1所示，本发明提供了一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，由进料腔体1和仿生喷丝嘴2两部分连接组成。其中，进料腔体1与静电纺丝设备机体相连接，如图2所示，所述进料腔体1为一矩形盒状结构，在进料腔体1的前端外表面设有三个呈线形均匀分布的螺纹接口3，所述螺纹接口3为锥台形，三个仿生喷丝嘴分别对应螺纹固定连接在进料腔体1的三个螺纹接口3上。
如图3和图4所示，所述仿生喷丝嘴2是由前端的嘴体和后端的安装座组成的一体式结构。其中，所述嘴体为壁厚均匀的锥筒结构，嘴体的高度为50～60mm，嘴体的发散角a为2.2～3.4°；所述安装座为空心无底的锥台结构，安装座与嘴体同轴设置，在安装座的顶部端面中心上开有与嘴体底部外径相等的通孔，实现安装座与嘴体的连通，在安装座的内侧壁上开有内螺纹，以实现与进料腔体1前端的螺纹接口3相连接，进而实现仿生喷丝嘴2与进料腔体1之间固定连接。在喷丝头工作过程中，当浆料经进料腔体1进入仿生喷丝嘴2时，仿生喷丝嘴2的锥筒形嘴体能够缓冲浆料从进料腔体1进入仿生喷丝头2的瞬间所产生的紊流现象，从而提高浆料的均匀性和稳定性。此外，所述嘴体的喷丝端的针头口径可根据喷丝设备或产品的实际需要进行设计。
如图4和图5所示，在所述仿生喷丝嘴2的嘴体内表面，若干条轴向条纹凹槽4沿嘴体内表面圆周方向分布，在每条轴向条纹凹槽4的表面沿轴向分布有若干楔形凹槽5。
如图7所示，所述轴向条纹凹槽4的宽度L为400～600μm，轴向条纹凹槽4的深度H为35～40μm；
如图5和图6所示，所述楔形凹槽5的楔角方向与仿生喷丝嘴2的嘴体锥角方向一致，阻止浆料反向回流，实现单方向的液膜运输；所述楔形凹槽5的宽度l为20～50μm，楔形凹槽5的轴向长度m为5～10μm，楔形凹槽5的深度h为750～880nm。
如图5所示，所述楔形凹槽5的槽底部轮廓线为曲线MN，所述曲线MN的形状效仿猪笼草口缘区微观结构曲线，通过扫描电子显微镜提取静态下猪笼草口缘区微观结构图像，经图像处理及数据点拟合获得二次多项曲线方程：
f(x)＝a1x2+a2x+a3；
其中：a1的取值范围为-0.015～-0.005，a2的取值范围为0.4～0.7，a3的取值范围为2～13，x的取值范围为-300～300μm。
本发明所述用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头的工作原理和过程如下：
静电纺丝浆料由进料腔体1经过螺纹接口3进入仿生喷丝嘴2，浆料流体在仿生喷丝嘴2内的运输管路具有一定锥度，因此能够缓冲浆料由于管径骤变而产生的紊流现象，从而提高浆料的均匀、稳定性，进一步提高了喷丝质量；仿生喷丝嘴2的内部表面通过激光加工或压印技术加工有轴向条纹凹槽4和楔形沟槽5，形成了仿猪笼草口缘区的多尺度微纳表面结构，在表面能和拉普拉斯压力梯度的共同作用下，使其具有液体定向运输的特性，从而加强了浆料在仿生喷丝嘴2内轴向的驱动压力，并可阻止浆料反向回流，实现单方向的液膜运输，从而防止由于浆料回流导致的喷丝头堵塞，此外，轴向条纹凹槽4有助于实现浆料流体的沿轴向流场分布，从而实现喷丝均匀性和稳定性，提高喷丝质量，最终使静电纺丝设备的使用性能得到提高。

Claims (4)

1.一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，其特征在于：
所述仿生防堵塞喷丝头由进料腔体(1)和仿生喷丝嘴(2)组成，其中，所述仿生喷丝嘴(2)是由嘴体和安装座组成的一体式结构，所述安装座螺纹固定连接在进料腔体(1)的螺纹接口(3)上，进料腔体(1)内的浆料经螺纹接口(3)进入仿生喷丝嘴(2)；
所述嘴体内腔为锥形；
所述嘴体内表面上，若干条轴向条纹凹槽(4)沿嘴体内表面圆周方向分布，在每条轴向条纹凹槽(4)的表面沿轴向分布有若干楔形凹槽(5)；
所述轴向条纹凹槽(4)的宽度为400～600μm，轴向条纹凹槽(4)的深度为35～40μm；
所述楔形凹槽(5)的楔角方向与仿生喷丝嘴(2)的嘴体锥角方向一致，楔形凹槽(5)的宽度为20～50μm，楔形凹槽(5)的轴向长度为5～10μm，楔形凹槽(5)的深度为750～880nm；
所述楔形凹槽(5)的槽底部轮廓线为曲线为效仿猪笼草口缘区微观结构曲线，曲线方程为：
f(x)＝a1x2+a2x+a3；
其中：a1的取值范围为-0.015～-0.005，a2的取值范围为0.4～0.7，a3的取值范围为2～13，x的取值范围为-300～300μm。
2.如权利要求2所述一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，其特征在于：
所述嘴体为壁厚均匀的锥筒结构，嘴体的高度为50～60mm，嘴体的发散角为2.2～3.4°。
3.如权利要求1所述一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，其特征在于：
所述安装座为空心无底的锥台结构，安装座与嘴体同轴设置，在安装座的顶部端面中心上开有与嘴体底部外径相等的通孔，实现安装座与嘴体的连通，在安装座的内侧壁上开有与螺纹接口(3)相匹配的内螺纹。
4.如权利要求1或3所述一种用于静电纺丝的仿生防堵塞喷丝头，其特征在于：
所述螺纹接口(3)为锥台形，螺纹接口(3)中心开有与进料腔体相通的浆料孔。
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