CN110886023A - 一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，包括碟式多孔喷丝头，碟式多孔喷丝头主要由碟形喷丝盘和柱状流道组成；碟形喷丝盘主要由共轴的中空圆台和中空圆柱组成，流道、圆台和圆柱自下而上顺序排列，圆台的大端与圆柱连接，圆台的小端与流道连接；碟形喷丝盘上设有多个通孔，所有通孔的形状和尺寸相同，所有通孔的出液口设置在圆柱的外周面上，所有通孔的进液口设置在流道与圆台的连接端上，所有出液口和所有进液口环绕圆柱的中心轴圆周均布，所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角相同。本发明的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，在保证射流可控的同时还可避免纤维直径分布不匀或对纺丝射流产生干扰，提高了生产效率和稳定性。

Description

一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件

技术领域

本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件。

背景技术

静电纺丝法由于其工艺可控、设备简单、适纺范围广、成本低等多方面的特点，已成为制备纳米纤维的主要途径之一，其原理是聚合物溶液或熔体在高压静电场中带电并产生形变，在喷头末端处形成悬垂的锥状液滴；当液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，在液滴表面就会高速喷射出聚合物微小射流，这些射流在一个较短的距离内经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固化，最终沉积在接收基板上，形成聚合物纤维。静电纺丝技术分为有针式和无针式，有针式静电纺丝纳米纤维产量低，难以满足产业化的要求；而无针式虽然具有生产速度快、产量高的特点，但其在纺丝过程中，纺丝溶液大面积与空气接触，存在溶液易变质，射流难以调控等问题。为了解决无针式静电纺丝过程射流难以调控的问题，现有技术提供了多种方案。

专利CN201320542047.1公开了一种半球状静电纺丝喷头，该装置在高压静电场作用下，溶液经过半球体上的网孔形成多股射流以提高纳米纤维产量，但该喷头上各网孔均未处在同一个平面上，底部网孔出液量大于顶部网孔，易造成所制备的纤维直径粗细不匀，从而影响纳米纤维膜的品质。

专利CN201310032194.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，专利CN201521035017.7公开了一种均匀纺丝的纺丝头及静电纺丝设备，上述两种静电纺丝喷头装置纺丝溶液与空气大面积接触，溶剂极易挥发，从而影响了纺丝的稳定性和连续性。

CN201910570733.1公开了一种射流可控的静电纺丝装置，该装置通过控制连杆的下段顶出距离实现柔性绳上凸起大小的调节，达到控制射流直径的目的，但该装置柔性绳上凸起部位溶液蘸取量无法确保一致，导致纤维直径分布不匀。

CN201510012349.1公开了一种射流可控的气泡静电纺丝装置，该装置通过施加导电环并在下方吹风，使气泡静电纺的射流收敛，从而调节射流运动轨迹，然而，吹出的气流易分散，从而对纺丝射流产生干扰。

因此，非常有必要研究一种射流可控同时可避免纤维直径分布不匀或对纺丝射流产生干扰的静电纺丝装置。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中射流可控的静电纺丝装置容易导致纤维直径分布不匀或对纺丝射流产生干扰的问题，提供一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，包括碟式多孔喷丝头，碟式多孔喷丝头主要由碟形喷丝盘和柱状流道组成；

碟形喷丝盘主要由共轴的中空圆台和中空圆柱组成，流道、圆台和圆柱自下而上顺序排列，圆台的大端与圆柱连接，圆台的小端与流道连接；

碟形喷丝盘上设有多个通孔，所有通孔的形状和尺寸相同，所有通孔的出液口设置在圆柱的外周面上，所有通孔呈伞短骨状排布，所有通孔的进液口设置在流道与圆台的连接端上，所有出液口和所有进液口环绕圆柱的中心轴圆周均布，所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角相同。

现有技术中射流可控的静电纺丝装置是通过控制连杆的下段顶出距离实现柔性绳上凸起大小的调节，达到控制射流直径的目的，或者是通过施加导电环并在下方吹风，使气泡静电纺的射流收敛，从而调节射流运动轨迹，进而达到控制射流直径的目的，容易导致纤维直径分布不匀或容易对纺丝射流产生干扰。本发明提供了一种新的射流可控的静电纺丝装置，其主要是通过控制出液速度和所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角达到控制射流直径的目的，与现有技术相比，由于本发明所有通孔的形状和尺寸相同，保证了所有通孔的出液量相同，进而保证纤维直径分布均匀，又由于本发明是通过控制相关参数而不是通过吹风控制射流直径的，因而不会对纺丝射流产生干扰。

本发明通过控制出液速度和所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角达到控制射流直径的目的的机理如下：

流道位于碟形喷丝盘下方，在纺丝过程中，纺丝溶液经过流道被均匀地分至每个通孔的进液口，在纺丝溶液压力的推动下，纺丝溶液以初始速度V从通孔出液口流出形成射流，并受到电场力Fe、重力Fg、惯性力Fp、粘滞力Fn、空气阻力Fa、射流之间斥力Fc和毛细管力Fd的共同作用，由于采用自下而上纺丝法，其垂直方向合力F1＝Fe+Fp×cosθ-Fn-Fa×cosθ- Fd-Fg，其水平方向合力F2＝Fc+Fp×sinθ-Fa×sinθ，其中，θ为所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角。在静电纺丝过程中，纺丝电压为几十千伏甚至上百千伏，故射流在运动过程中起主导作用的是电场力和射流之间的斥力，所以近似有F1≈Fe，F2≈Fc，因此在纺丝过程中，从碟式多孔喷丝头通孔流出的溶液的飞行路线可近似看作抛物线(如图1所示)，纺丝射流沿着抛物线路径飞行，其所飞行的路程S受到速度V与所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角θ的共同影响，其满足关系式：

其中，h为喷头到接收基材的距离，m为射流液滴的质量，路程S的距离越长，则纺丝射流拉伸的越充分，同时也有利于溶剂的充分挥发，因此，在纺丝过程中可以通过调控V和θ来调控射流飞行的路程S，从而获得不同直径的纳米纤维。当V和θ都取最小值时，此时射流飞行的路程S最小，射流受到拉伸作用不足，形成的纤维直径较粗；当V和θ都取最大值时，射流飞行的路程S最大，射流受到拉伸作用最充分，形成的纤维直径最细。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，中空圆台和中空圆柱的壁厚均匀，即中空圆台的中空部分为圆台状，中空圆柱的中空部分为圆柱状，中空圆台和中空圆柱的壁厚为 5～10mm，本发明中空圆台和中空圆柱的壁厚不限于此，但是壁厚太小容易导致开通孔困难，壁厚太大容易导致材料浪费，中空圆台的大端外径为25～100mm，小端外径为15～90mm，中空圆台的尺寸决定了通孔的数量，中空圆台尺寸过小，导致通孔数量较少，不利于提高产量，中空圆柱的高度为4～8mm。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，通孔的数量为8～100个，通孔的形状为圆柱状，通孔的孔径为0.3～1.2mm。本发明通孔的形状不限于此，圆柱状较为常规，且易于加工，因此作为本发明的优选。通孔的孔径影响纺丝溶液的出液量，孔径过小，出液量过小，产量较低，生产效率较低；孔径过大，出液量过大，影响纺丝加工的顺利进行。通孔的孔深主要取决于中空圆台的大端外径、中空圆台的小端外径、所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角，孔深越大，需要推动纺丝液的压力越大，耗能越多。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，流道为中空圆柱状，外径等于圆台小端的外径，壁厚为3～5mm，壁厚过薄，材质所能承受的强力差；壁厚太厚，容易导致材料浪费。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，流道上套有绝缘罩，碟形喷丝盘位于绝缘罩内。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，绝缘罩为一体成型件，由圆柱状筒体和圆台状罩体组成，筒体与流道螺纹连接。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，绝缘罩的材质为聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯或聚醚醚酮。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角的取值范围为45°～90°，若夹角大于90°，则通孔方向斜向下，不利于自下而上纺丝，角度太小，则各个通孔之间的间距太近，可开通孔的数目有限。

如上所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，碟式多孔喷丝头为一体成型件，材质为铜、铝、铁、铜合金或铝合金。

单个碟式多孔喷丝头可以拉出N根射流，相比于单针头式纺丝，纳米纤维产量可以提高几十倍甚至上百倍。而且，纺丝溶液先后经过圆柱状筒体、空心圆柱流道，最终以一定速度 V从通孔流出，整个流程纺丝液均不与空气接触，纺丝溶剂不会挥发，为密闭式供液方式。因此，整个纺丝过程，纺丝溶液性质都不会改变。

有益效果：

(1)本发明的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，碟式多孔喷丝头避免了纺丝液大面积与环境接触，防止了溶剂挥发导致的纺丝不稳定现象发生，且使用后的喷头可用高压气枪喷气清理，易于护理，提高了生产效率和稳定性；

(2)本发明的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，可通过调控纺丝液的速度V和通孔倾斜角度θ来调控纺丝射流的路径，从而获得直径不同的纳米纤维。

附图说明

图1为本发明的静电纺丝用碟式多孔喷丝组件的碟式多孔喷丝头射流飞行状态示意图；

图2为采用本发明的静电纺丝用碟式多孔喷丝组件制备的纤维膜扫描电镜图(放大倍数是10000倍)，其中，(a)中纤维膜制备工艺为V＝1mm/s，θ＝45°，(b)中纤维膜制备工艺为 V＝10mm/s，θ＝90°；

图3为本发明的碟式多孔喷丝组件的示意图；

图4为图3中碟式多孔喷丝头的示意图；

图5为图3中碟式多孔喷丝头的流道的示意图；

图6为图3中绝缘罩的示意图；

其中，1-碟式多孔喷丝头，2-绝缘罩，3-碟形喷丝盘，4-流道，5-通孔，6-罩体，7-筒体。

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。

一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，该组件如图3所示，包括碟式多孔喷丝头1；

碟式多孔喷丝头1是由碟形喷丝盘3和柱状流道4组成的一体成型件，其材质为铜、铝、铁、铜合金或铝合金，该喷丝头如图4所示，该流道如图5所示；

碟形喷丝盘3由共轴的中空圆台和中空圆柱组成，流道4、圆台和圆柱自下而上顺序排列，圆台的大端与圆柱连接，圆台的小端与流道4连接；中空圆台和中空圆柱的壁厚均匀，中空圆台和中空圆柱的壁厚为5～10mm，中空圆台的大端外径为25～100mm，小端外径为15～90mm，中空圆柱的高度为4～8mm；

碟形喷丝盘3上设有8～100个形状和尺寸相同的圆柱状通孔5，且通孔5的孔径为0.3～1.2mm，所有通孔5的出液口设置在圆柱的外周面上，所有通孔5的进液口设置在流道4与圆台的连接端上，所有出液口和所有进液口环绕圆柱的中心轴圆周均布，所有通孔5的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角相同，且夹角的取值范围为45°～90°；

流道4为中空圆柱状，外径等于圆台小端的外径，壁厚为3～5mm；

流道4上套有绝缘罩2，该绝缘罩2如图6所示，碟形喷丝盘3位于绝缘罩2内；绝缘罩2为由圆柱状筒体7和圆台状罩体6组成的一体成型件，筒体7与流道螺纹连接；该绝缘罩2的材质为聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯或聚醚醚酮。

将该静电纺丝用碟式多孔喷丝组件用于聚氨酯纺丝原液的静电纺丝试验，由于在该纺丝过程中，从碟式多孔喷丝头通孔流出的溶液的飞行路线可近似看作抛物线，如图1所示，纺丝射流沿着抛物线路径飞行，其所飞行的路程S受到速度V与所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角θ的共同影响，其满足关系式：

其中，h为喷头到接收基材的距离，m为射流液滴的质量；因此，在纺丝过程中可以通过调控V和θ来调控射流飞行的路程S，从而获得不同直径的纳米纤维；当V和θ都取最小值时，此时射流飞行的路程S最小，射流受到拉伸作用不足，形成的纤维直径较粗；当V和θ都取最大值时，射流飞行的路程S最大，射流受到拉伸作用最充分，形成的纤维直径最细。

现设计试验1和试验2，试验1的纺丝工艺为：纺丝电压50kV，纺丝距离20cm，温度25±2℃，湿度80±5％，V＝1mm/s，θ＝45°，试验2的纺丝工艺与试验1相同，不同之处在于 V＝10mm/s，θ＝90°，将在试验1和试验2中得到的纤维膜进行扫描电镜测试，其结果分别为图2中的(a)和(b)；进一步通过测量工具测得纤维的平均直径分别为859nm(a)，643nm (b)；该结果证明本申请的静电纺丝用碟式多孔喷丝组件可以用于射流可控的静电纺丝装置，且其是通过调控纺丝液的速度V和通孔倾斜角度θ来调控纺丝射流的路径，从而获得直径不同的纳米纤维；另外，从该扫描电镜图片可以看出，制备的纤维膜直径分布均匀，具体地，其纤维直径的标准差分别为36和12，说明本申请的静电纺丝用碟式多孔喷丝组件的生产效率和稳定性很好。

Claims (9)

1.一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征是：包括碟式多孔喷丝头，碟式多孔喷丝头主要由碟形喷丝盘和柱状流道组成；

碟形喷丝盘主要由共轴的中空圆台和中空圆柱组成，流道、圆台和圆柱自下而上顺序排列，圆台的大端与圆柱连接，圆台的小端与流道连接；

碟形喷丝盘上设有多个通孔，所有通孔的形状和尺寸相同，所有通孔的出液口设置在圆柱的外周面上，所有通孔的进液口设置在流道与圆台的连接端上，所有出液口和所有进液口环绕圆柱的中心轴圆周均布，所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角相同。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，中空圆台和中空圆柱的壁厚均匀，中空圆台和中空圆柱的壁厚为5～10mm，中空圆台的大端外径为25～100mm，小端外径为15～90mm，中空圆柱的高度为4～8mm。

3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，通孔的数量为8～100个，通孔的形状为圆柱状，通孔的孔径为0.3～1.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，流道为中空圆柱状，外径等于圆台小端的外径，壁厚为3～5mm。

5.根据权利要求4所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，流道上套有绝缘罩，碟形喷丝盘位于绝缘罩内。

6.根据权利要求5所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，绝缘罩为一体成型件，由圆柱状筒体和圆台状罩体组成，筒体与流道螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，绝缘罩的材质为聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯或聚醚醚酮。

8.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，所有通孔的延伸方向与圆柱的中心轴的夹角的取值范围为45°～90°。

9.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用碟式多孔喷丝组件，其特征在于，碟式多孔喷丝头为一体成型件，材质为铜、铝、铁、铜合金或铝合金。

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