CN111020717A - 用于静电纺纳米纤维的喷丝头和喷丝单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于静电纺纳米纤维的喷丝头，其特征在于，所述喷丝头包括毛细管和中空管座及外部衬套，所述中空管座的顶端设置有毛细管固定头，所述毛细管通过所述毛细管固定头与所述中空管座连接，其中所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成60°‑85°的夹角。本发明还涉及一种用于量产静电纺纳米纤维的喷丝单元。

Description

用于静电纺纳米纤维的喷丝头和喷丝单元

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域。具体而言，本发明涉及一种用于静电纺纳米纤维的喷丝头。本发明还涉及一种包含该喷丝头的喷丝单元。

背景技术

静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域发挥着非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功制备出了结构多样的纳米纤维材料。

1934年，Formhals发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。Formhals使用了类似于注射器针头的中空管型喷丝头。

随着静电纺丝技术的发展，人们希望提高静电纺丝效率从而满足日益增长的工业化规模化生产需求，多喷头静电纺丝组件应运而生。在多喷头设备中，多个喷丝头以一定距离排布在同一个喷丝单元中，在电场的作用下同时进行纺丝。然而，在多喷头设备中，喷丝头与喷丝头之间的电场会相互干扰，这就限制了喷丝头排布的最小距离或喷丝头分布的最大密度，造成了多喷头静电纺丝技术发展的瓶颈。电场的相互干扰会导致喷丝头顶端的球形液滴表面的电荷密度减少，不能有效形成泰勒锥，高分子流体不能被拉伸成纤维并在喷丝头喷嘴处堆积，最终会飞溅或被吸附至纳米纤维收集装置上，造成纳米纤维膜二次溶解并被破坏而产生疵点。此外，高分子流体在喷丝头喷嘴处的堆积要求经常对喷丝组件进行清洁，从而影响了静电纺丝设备的长时间连续操作的能力，而且对多个喷丝头的清洁也是相当费时费力的。

因此，需要一种能够提高纳米纤维工业化生产质量和/或效率的静电纺丝设备。更具体地，需要一种能够有效减少高分子流体在喷丝头喷嘴处堆积的静电纺丝设备。该静电纺丝设备使得所生产的纳米纤维疵点更少，从而进一步扩大工业化纳米纤维的应用范围。更有利地，还需要一种能够有效减小静电纺丝喷丝头之间电场相互干扰的静电纺丝设备。该静电纺丝设备能够以更加密集的排列方式采用更多的喷丝头同时进行高效的静电纺丝。甚至更有利地，还需要一种能够减少停机清洁时间的静电纺丝设备。该静电纺丝设备具有更长时间的连续生产能力，从而进一步提高工业化生产效率。

发明内容

在第一个方面，本发明涉及一种用于静电纺纳米纤维的喷丝头，其特征在于，所述喷丝头包括毛细管和中空管座，所述中空管座的顶端设置有毛细管固定头，所述毛细管通过所述毛细管固定头与所述中空管座连接，其中所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成60°-85°的夹角。

在第二个方面，本发明涉及一种用于静电纺纳米纤维的喷丝单元，其特征在于，所述喷丝单元包括如上所述的喷丝头。

本发明对于毛细管端面的角度设计使得毛细管端面形成一个电荷特别密集的锐利尖端，不仅可以有效地形成泰勒锥，还能使得在多喷头静电纺丝过程中由于电场干扰而不能有效形成泰勒锥的高分子流体及时沿毛细管的外壁(又称“外表面”)流下，从而减少高分子流体在毛细管端面的堆积。因此，采用本发明的喷丝头和喷丝单元，可以有效减少高分子流体在喷丝头喷嘴处的堆积，不仅减少所生产纳米纤维的疵点率，提高生产效率和质量，而且能够有效减少喷丝头喷嘴的堵塞，大大降低设备清洗成本。

附图说明

通过以下具体实施方式和附图对本发明进行详细的解释说明，以期本领域技术人员能够更好地理解本发明，但是不能理解为以任何方式限制本发明的范围。

图1示出根据本发明一个实施方案的喷丝头的结构示意图。

图2示出图1中喷丝头的毛细管顶部的局部放大示意图。

图3示出根据本发明另一个实施方案的喷丝头的结构示意图。

图4示出图3中喷丝头的衬套的一个实施方案的结构示意图。

图5示出根据本发明一个实施方案的喷丝单元的示意图。

图6示出根据本发明一个实施方案的纺丝组件的侧面示意图。

图7示出根据本发明一个实施方案的纺丝设备的示意图。

具体实施方式

本发明至少提供以下实施方式：

1.一种用于静电纺纳米纤维的喷丝头，其特征在于，所述喷丝头包括毛细管和中空管座，所述中空管座的顶端设置有毛细管固定头，所述毛细管通过所述毛细管固定头与所述中空管座连接，其中所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成60°-85°的夹角。

2.根据项1所述的喷丝头，其特征在于，所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成65°-85°的夹角。

3.根据项1或2所述的喷丝头，其特征在于，所述毛细管的内表面和外表面相互独立地涂覆选自有机硅化合物、有机氟化合物、蜡类化合物中的一种或多种；和/或所述中空管座的内表面和外表面相互独立地涂覆选自有机硅化合物、有机氟化合物、蜡类化合物中的一种或多种。

4.根据项1-3任一项所述的喷丝头，其特征在于，所述毛细管的内表面和外表面相互独立地涂覆选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚乙烯蜡中的一种或多种；和/或所述中空管座的内表面和外表面相互独立地涂覆选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚乙烯蜡中的一种或多种。

5.根据项1-4任一项所述的喷丝头，其特征在于，所述喷丝头还包括废液收集槽。

6.根据项5所述的喷丝头，其特征在于，所述废液收集槽由围绕所述中空管座设置的绝缘衬套构成。

7.根据项5所述的喷丝头，其特征在于，所述中空管座的底端设置有螺纹连接头，所述绝缘衬套通过所述螺纹连接头与所述中空管座形成密封配合。

8.根据项6或7所述的喷丝头，其特征在于，所述绝缘衬套的底端设置有废液出口。

9.一种用于静电纺纳米纤维的喷丝单元，其特征在于，所述喷丝单元包括根据项1-8任一项所述的喷丝头。

10.根据项9所述的喷丝单元，其特征在于，所述喷丝单元还包括供液管，所述供液管上以流体连通的方式设置有多个所述喷丝头，其中相邻喷丝头之间的轴线间距至少为1cm，优选2cm-8cm。

喷丝头

本发明提供了一种用于静电纺纳米纤维的喷丝头，所述喷丝头包括毛细管和中空管座，所述中空管座的顶端设置有毛细管固定头，所述毛细管通过所述毛细管固定头与所述中空管座连接，其中所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成60°-85°的夹角。

与现有技术相比，本发明通过采用具有一定坡度的毛细管端面，形成一个电荷特别密集的锐利尖端，这不仅增加了单喷头纺丝效率，也利于喷丝头顶端废液的及时滑落，有效减少了高分子流体在毛细管端面堆积而造成的飞滴或飞絮现象和/或由于最终喷头堵塞而对纳米纤维生产效率和产品质量造成的不利影响。

根据本发明的一些实施方案，所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成60°-85°、优选65°-85°或者70°-80°的夹角。在一些优选实施方案中，所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成大约75°的夹角。

在静电纺丝过程中，泰勒锥的形成是非常关键的。通过控制电压大小，使得溶液在毛细管管口始终形成液滴而不滴落，随着电场强度增大，溶液中的同性电荷聚集在液滴表面，表面电荷产生的电场会使得管口处的溶液由半球形逐渐变为锥形，这一带电的锥体称为“泰勒锥”。本申请的发明人出乎意料地发现，将毛细管的管口端面设计为与毛细管的中轴线呈一定夹角的端面，会形成一个锐利尖端，由于导体尖端的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，因此更有利于泰勒锥的形成。而且，在由于喷头间电场相互影响造成少数喷头中的部分溶液不能有效形成泰勒锥的情况下，设置一定倾斜夹角的毛细管端面有利于废液的及时滑落，从而避免废液在电场中的飞溅和/或喷嘴的堵塞。这在为满足工业化生产要求而设置数千到数万个喷头的情况下特别有利。

有利的是，毛细管远离所述中空管座的端面与毛细管的中轴线之间的夹角不大于85°，否则废液不能及时沿毛细管外壁流下。另一方面，如果毛细管远离所述中空管座的端面与毛细管的中轴线之间的夹角小于60°，毛细管端面过尖，强电荷位置过高，这会导致形成泰勒锥的效率下降，从而降低产率，是工业生产中所不希望的。

在本发明的一些优选实施方案中，所述毛细管的内表面和外表面相互独立地涂覆选自有机硅化合物、有机氟化合物、蜡类化合物中的一种或多种。

在本发明的一些优选实施方案中，所述中空管座的内表面和外表面相互独立地涂覆选自有机硅化合物、有机氟化合物、蜡类化合物中的一种或多种。

有利的是，所涂覆的化合物使得毛细管的外表面具有有利于纺丝废液及时快速流下的光滑度，例如具有0.08Fixed以下的动态摩擦系数(摩擦系数测量方法参照标准：ASTMD1894)。还有利的是，所涂覆的化合物使得毛细管外壁具有一定的绝缘性，例如具有50V/μm以上的介质击穿电压(测量标准：ASTM D145)，从而最小化相邻毛细管之间的电场影响，进而允许喷丝头的更密集排列，提高生产效率。

在所述毛细管的内表面和所述中空管座的内表面涂覆所述化合物有利于纺丝液的输送，保证喷丝头的均匀连续供液。

适用于本发明的有机硅化合物的实例包括但不限于有机硅烷、有机氯硅烷(例如甲基氯硅烷、苯基氯硅烷)、有机烷氧基硅烷(例如甲基乙氧基硅烷、苯基乙氧基硅烷)、硅油(例如甲基硅油、甲基苯基硅油)、聚硅氧烷、硅橡胶、硅树脂(例如甲基硅树脂、甲基苯基硅树脂等可交联固化的有机硅聚合物)。在一些具体实施方案中，所述有机硅化合物是聚硅氧烷。

适用于本发明的有机氟化合物的实例包括但不限于含氟烷基或含氟链烯基的磷酸酯、磷酸衍生物及次磷酸衍生物和它们的盐、含氟烷基或含氟链烯基的单取代乙烯和丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的均聚物和共聚物、含氟烷基或含氟链烯基的化合物的均聚物和该化合物和其它单体的共聚物、以及含氟烷基或含氟链烯基的氨基甲酸乙酯化合物。在一些具体实施方案中，所述有机氟化合物是包含四氟乙烯为单体的均聚物或共聚物，例如可以选自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷基化物(例如PFA)和乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)。

适用于本发明的蜡类化合物的实例包括但不限于植物蜡、动物蜡、合成蜡、微晶石蜡和聚乙烯蜡。在一些具体实施方案中，所述蜡类化合物是聚乙烯蜡。

在本发明的一些更优选的实施方案中，所述喷丝头还包括废液收集槽。废液收集槽用于收集从毛细管端面流下的纺丝废液。废液收集槽便于收集纺丝废液进行二次利用以减少材料浪费。及时把废液收集起来还能减少废液里的溶剂挥发到设备内，解决了因溶剂含量长期积累而导致的环境超标问题，因此减少安全隐患，保证设备连续作业。废液收集槽以保持设备环境整洁的方式设置，也减少了后期的清洗成本。

在一些具体实施方案中，所述废液收集槽由围绕所述中空管座设置的绝缘衬套构成。所述绝缘衬套的下端可以与中空管座在任意位置处密封连接，从而在衬套和中空管座之间形成收集液体的空间，纺丝液可以沿毛细管外壁以及中空管座外壁流入该空间，然后再从该空间排出。在一些优选实施方案中，所述中空管座的底端设置有螺纹连接头，所述绝缘衬套通过所述螺纹连接头与所述中空管座形成密封配合。在一些优选实施方案中，所述衬套的底端设置有废液出口。废液出口优选与排液管连接从而将废液及时从废液收集槽中排出。也可以将废液收集槽设置在毛细管部分，从而减少废液在喷丝头上的滑落距离，进而减少废液裸露在环境中的时间，避免废液中溶剂的大量蒸发。

用来与中空管座配合形成废液收集槽的绝缘衬套可以采取任何形式，例如可以采取设置卡口从而方便安装的形式。衬套的底部可以具有螺纹，从而与设置在中空管座底端的螺纹连接头密封配合。衬套的材质可以是任何合适的材质，包括玻璃、经绝缘处理的金属、高分子材料等。在一个优选实施方案中，所述衬套的材质是选自塑料、橡胶和纤维增强复合材料的高分子绝缘材料。

喷丝单元

本发明还提供了一种用于纳米纤维静电纺丝的喷丝单元，所述喷丝单元包括一个或多个根据本发明的喷丝头。在一些具体实施方案中，所述喷丝单元包括2-100000个喷丝头，例如包括100-50000个喷丝头，500-20000个喷丝头，或者1000-10000个喷丝头。

在一个优选实施方案中，所述喷丝单元还包括供液管，所述供液管上以流体连通的方式设置有多个所述喷丝头，其中相邻喷丝头之间的轴线间距至少为1cm。在本文中，相邻喷丝头之间的“轴线间距”是指以一个喷丝头的中轴线为起点，并以另一个喷丝头的中轴线为终点，在同一水平面上画出的直线距离。

相邻喷丝头之间的轴线间距越大，单位面积的喷丝单元上所设置的喷丝头的个数就越少，这不利于工业化生产的效率。在根据本发明的一些优选实施方案中，相邻喷丝头之间的轴线间距可以为1-20cm，优选1-8cm，更优选2-6cm，甚至更优选2-4cm。更小的轴线间距意味着喷丝头可以更密集地排列，从而提高喷丝设备的产能。本发明可以使得喷丝头之间的最小允许轴线间距小于5cm。

喷丝头可以以任何合适的方式设置在喷丝单元的供液管上。多个喷丝头可以布置成直线、圆形、椭圆形、曲线型、或者不规则形式的阵列。

实施例

下面结合实施例对本发明的某些具体实施方式进行解释说明，从而使得本领域技术人员更清楚地理解本发明的技术方案及其优点，但是不以任何方式形成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明一个实施方案的喷丝头的结构示意图。喷丝头10包括毛细管11和中空管座13，中空管座13的顶端设置有毛细管固定头15，毛细管11通过毛细管固定头15与中空管座13连接。中空管座13的内径优选地大于毛细管11的内径。毛细管11可以插入到中空管座13的毛细管固定头15中，并与毛细管固定头15密封配合。毛细管11和中空管座13可以同轴设置。中空管座13的底端设有螺纹连接头17，用于与纺丝设备主体进行连接。

中空管座13的内腔与毛细管11的内腔流体连通。纺丝液经由中空管座13的内腔流入毛细管11的内腔，进而可以在电场的作用下在毛细管11的顶部端口19处形成泰勒锥而后喷射成纳米纤维。

图2示出图1中喷丝头的毛细管顶部的局部放大示意图。在该实施例中，毛细管的顶部端面与所述毛细管的中轴线形成了75°的夹角α。在电场的作用下，纺丝液12在毛细管顶部端口19处形成泰勒锥14。泰勒锥14的底面位于毛细管顶部端口19的最低点处。在不能形成泰勒锥或者形成的泰勒锥不能有效喷射形成纳米纤维的情况下，纺丝液12也可以沿着毛细管顶部与毛细管中轴线呈75°夹角的端面在重力作用下滑落至端面的最低点进而沿毛细管外壁111流下。

图3示出根据本发明另一个实施方案的喷丝头的结构示意图。喷丝头20包括毛细管21和中空管座23，中空管座23的顶端设置有毛细管固定头25，毛细管21通过毛细管固定头25与中空管座23连接。中空管座23的内径优选地大于毛细管21的内径。毛细管21可以插入到中空管座23的毛细管固定头25中，并与毛细管固定头25密封配合(例如通过钎焊)。毛细管21和中空管座23可以同轴设置。中空管座23的底端设有螺纹连接头27。绝缘衬套29围绕中空管座23设置。绝缘衬套29和中空管座23之间形成废液收集槽22。绝缘衬套29可以通过螺纹连接头27与中空管座23形成密封配合(也可以通过钎焊)。在该实施方案中，螺纹连接头27一方面可以与绝缘衬套29形成密封配合，另一方面还可以与纺丝设备主体进行连接。废液收集槽22/绝缘衬套29的底部设置有废液出口24。废液出口24可以通过管道与废液回收装置(未显示)相连。绝缘衬套29可以采取任何可以围绕中空管座23形成废液收集槽22的形式。绝缘衬套29的侧面可以设置凹槽26，以便于使用工具进行安装。在一些变化实施方案中，绝缘衬套29可以具有六边形的外部轮廓。

图4示出图3中喷丝头的绝缘衬套的一个实施方案的结构示意图。该绝缘衬套29包括废液出口24、侧面凹槽26和螺纹28。螺纹28用于与中空管座的螺纹连接头密封配合。绝缘衬套29的底部优选设置成有利于纺丝废液快速排出的方式，例如使得废液出口24所在的位置具有与周围相比最低的水平面。

图5示出根据本发明一个实施方案的喷丝单元的示意图。喷丝单元30包括喷丝单元支架31、供液管33和喷丝头35。在该喷丝单元中，若干供液管33并列排布在矩形的喷丝单元支架31上，每个供液管33上并列排布若干个喷丝头35。喷丝单元安装基座37用于将喷丝单元30安装在喷丝组件上。

图6示出根据本发明一个实施方案的纺丝组件的侧面示意图。纺丝组件40包括喷丝组件41和纤维收集传送装置42。喷丝组件41包括布置在储液槽43上方的若干个喷丝头45。纺丝液在高压电场的作用下在喷丝头45的毛细管顶端被牵伸形成泰勒锥，然后被进一步牵伸分裂形成纳米纤维沉积在喷丝头45上方的纤维收集传送装置42上，进一步形成纳米纤维膜。

图7示出根据本发明一个实施方案的纺丝设备的示意图。纺丝设备50包括沿供液方向依次设置的纺丝液配制装置51、纺丝液分配装置52、喷丝单元53和用于收集废液的废液收集槽54。

纺丝液配制装置51包括顺次连接的第一搅拌釜511、第二搅拌釜512、第三搅拌釜513，每个搅拌釜配置一个或几个进料口、一个出液口、设置在出液口处的过滤网、一个废液口、一台电动搅拌器、以及设置在搅拌釜外壁的水浴加热或者水浴降温装置，水浴加热或者水浴降温装置确保搅拌釜内的温度始终保持设定的温度值，稳定纺丝液的温度值；电动搅拌器具有搅拌电机514和伸入搅拌釜内的搅拌叶轮515。在第一搅拌釜511中初步配制纺丝液，配制过程中，为了避免纺丝液分相或者沉淀，启动搅拌电机514带动搅拌叶轮515搅动，初步配制好的纺丝液经出液口处的过滤网过滤后通过泵516泵入第二搅拌釜512；在第二搅拌釜512内，配制设定参数值的纺丝液，保证纺丝液具有特定的粘度、电导率等参数，配制过程中，为了避免纺丝液分相或者沉淀，启动搅拌电机514带动搅拌叶轮515搅动，按照设定参数值配制好的纺丝液经出液口处的过滤网过滤后通过泵516泵入第三搅拌釜513，通过流量计517控制流量；存储在第三搅拌釜513内的纺丝液可以集中的给纺丝液分配装置52稳定供液，同时，为了避免纺丝液分相或者沉淀，启动搅拌电机514带动搅拌叶轮515搅动。生产过程中根据需要，可以调整水浴装置的水浴温度来调节纺丝液的温度值，水浴调温更均衡稳定，确保搅拌釜内不同区域的纺丝液温度都在预设参数值范围内。

所述纺丝液分配装置52包括通过管道520与第三搅拌釜513连接的纺丝液分配槽522，所述分配槽522上等间距的设置有一排分液口521，优选分液口521之间间隔2～10cm设置，连接所述分配槽522首末两端的设有一回流管524，所述回流管524靠近分配槽522末端处设有一分液阀525，所述分配槽522内设有能够控制开启或者关闭所述分液阀525的压力传感器。压力传感器实时监测分配槽522内的纺丝液压力值，当压力达到一定值时，压力传感器控制开启分液阀525，纺丝液部分从分配槽522末端流出经回流管524通过循环泵重新泵入分配槽522的首端，确保分配槽522内的纺丝液压力值始终维持在设定的压力值范围内，给喷丝单元53均匀供液。为了确保从第三搅拌釜513中流入分配槽522的纺丝液的温度稳定在参数值上，优选在连接两者的管道外壁设置保温层(未图示)。

所述喷丝单元53具有等间距设置的一排供液管532，每个供液管532之间可以间隔1～10cm设置，一排供液管532等距离水平放置在支架531上，每个供液管532上均配置有等间距设置的一排喷丝头533，每个喷丝头533之间间隔1～10cm设置，喷丝头533通过螺纹或者卡扣固定在水平放置的供液管532上，保证喷丝头533的喷口垂直朝上设置，每根供液管532一一对应地连接至分液口521，每根供液管532远离分液口521的一端均设有泄压口534，泄压口534的孔径控制在0.3～0.8微米范围内，泄压口534用于释放供液管532内的部分压力，保持供液管532上方每个喷丝头533的压力都保持一定，压力值控制在100～100000Pa范围内。当供液管532内的压力达到一定值时，供液管532内的纺丝液均匀地向每个喷丝头533供液，喷丝头533尖端的纺丝液在高压电场作用下开始牵伸分裂形成纳米纤维，随后沉积在纤维收集传送装置上形成纳米纤维膜。

供液管532设置在喷丝单元53的支架531上，为了实现连接关系，优选在每根供液管532与每个分液口521之间设有软管523，软管523采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)等耐腐蚀的塑料材质，在安装过程中分液口521的高度必须高于喷丝头533的顶端，保证纺丝液能够更顺畅的从分液口521流入供液管532内。

实际生产过程中，流经喷丝头533的纺丝液并没有完全牵伸形成纤维膜，没有牵伸成功的纺丝液在重力的作用下滴落，废液收集槽54可以设置在泄压口534的下方用来收集滴落的纺丝液，同时从泄压口534中滴落的纺丝液也可以一并被收集在废液收集槽54中，废液收集槽54的出液口541可以通过带有收集泵的管道520连接至所述第一搅拌釜511，形成废液回收利用系统。每个液体流动管道上可以根据需要设置一个或多个阀门550。

实施例1毛细管顶部端面坡度对疵点率和喷嘴堵塞率的影响

采用图6所示的纺丝设备进行静电纺丝，其中使用外径为0.6mm、内径为0.4mm、长度为50mm的不锈钢毛细管，中空管座的内径为3mm。通过改变毛细管顶部端面的坡度来测试该坡度对所生产纳米纤维网的疵点率和喷嘴堵塞率的影响。将两种喷丝头所量产的纳米纤维网进行测试对比，环境参数和纺丝工艺参数如下所示。

平头或尖头喷丝头量产F9(EN 779:2012)燃气轮机滤纸

恒温恒湿车间：

温度25(±2)℃

相对湿度25(±5)％

焓值37(±5)kj

实验设备配置：

喷头类型1、平头2、尖头(75℃的α角)

针头数10800

针头布局4cmx4cm

纺丝单元：8组

基料门幅1600mm(基料奥斯龙53/40NA LE E PE K WB2-G)

溶液9wt PVDF

溶剂DMF/MEK(8:2)

粘度200-220CPS

电导率:250-300μS/cm

生产参数

溶液量672-1000g/h

纺丝高度150-200mm

纺丝单元位移速度30-50mm/s

位移距离50-100mm

纺丝电压50-70kv

车速7-10米

性能测试软硬件

TEXTEST FX3300透气性测试

Phenom Pro电镜

Phenom fiber metric系统

TSI 8130A过滤效率测试仪器

结果如表1所示。

由表1可见，在采用相同的工艺条件保证相同产量的情况下，使用根据本发明的具有一定坡度的喷丝头以较高的供液量生产出了孔径更小、更加均匀致密、过滤效率明显提高的纳米纤维网。不希望受到理论限制，原因可能是平头喷丝头长期工作情况下喷丝头处多余液体飞起形成大小各异的疵点，在纳米纤维网上造成疵点而降低了纳米纤维网的过滤效率。喷丝头顶端面设置坡度后多数电荷积累到锐利喷丝头尖端更好地形成泰勒锥，喷丝头其他位置电荷相对减少也优化了纺丝单元喷丝头之间的电场干扰，因此所生产的纳米纤维网面上的疵点明显减少。

此外，在获得相同的过滤效率的情况下，使用根据本发明具有一定坡度的喷丝头可以采用更低的电压并且能够获得更高的产量，从而实现节能并提高了生产效率(如表2所示)。

表2

实施例2毛细管表面处理对喷丝头最小轴线间距的影响

采用图6所示的纺丝设备进行静电纺丝，其中使用外径为0.6mm、内径为0.4mm、长度为50mm的不锈钢毛细管，中空管座的内径为3mm。分别采用未经过表面处理的不锈钢毛细管和经聚四氟乙烯(PTFE)进行表面处理的不锈钢毛细管对满足生产需求的喷丝头最小轴线间距进行测试，结果如表3所示。

表3

由表3可见，在获得相同的过滤效率的情况下，使用根据本发明经聚四氟乙烯(PTFE)进行表面处理的喷丝头可以采用更小的喷丝头轴线间距，从而可以增加供液量而获得更高的产量。

实施例3衬套对环境的影响

采用图6所示的纺丝设备进行静电纺丝，其中分别使用图1所示的喷丝头和图3所示的喷丝头，二者均采用外径为0.6mm、内径为0.4mm、长度为50mm的不锈钢毛细管和外径为6mm、内径为3mm的中空管座，区别仅在于图3所示的喷丝头具有衬套，所述衬套具有与中空管座相同的轮廓，外径为12mm，内径为10mm。对纺丝过程中环境中溶剂的浓度进行测试，结果如表4所示。

表4

由以上数据可知，本发明能够有效解决高压静电纺丝量产过程中部分喷丝头由于受到相互间电场的影响而不能正常工作从而造成的高分子纺丝液堵塞喷嘴或者积聚后造成液滴飞溅的问题。采用本发明的喷丝头进行静电纺丝能够大大提高生产效率，实现了节能而且能够减小对环境的不利影响。

在本文中，所提到的数值范围应当理解为包括从较低值至较高值以一个单位为增量且包括所述较低值和所述较高值的所有的值。例如，所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成65°-85°的夹角，涵盖这个范围内的所有值作为单独的值，或者作为下限或上限而构成的子范围，例如包括夹角为66°、67°、68°、……81°、82°、83°、84°的所有情况，也包括分别以这些值为下限或上限而构成的子范围，例如69°至80°、72°至83°、74°至82°等。

虽然已经根据本发明的某些实施方式对本发明进行了具体描述，但是本领域技术人员可以在这些具体实施方式的基础上做出修改或变动，通过这些修改或变动而得到的所有同等或类似方案都应当视为落入本发明的保护范围。本申请旨在使用本文中公开的一般原理来覆盖本领域技术人员根据本文中所具体描述的实施方案进行变化而得到的所有同等或类似方案。

Claims (10)

1.一种用于静电纺纳米纤维的喷丝头，其特征在于，所述喷丝头包括毛细管和中空管座，所述中空管座的顶端设置有毛细管固定头，所述毛细管通过所述毛细管固定头与所述中空管座连接，其中所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成60°-85°的夹角。

2.根据权利要求1所述的喷丝头，其特征在于，所述毛细管远离所述中空管座的端面与所述毛细管的中轴线形成65°-85°的夹角。

3.根据权利要求1所述的喷丝头，其特征在于，所述毛细管的内表面和外表面相互独立地涂覆选自有机硅化合物、有机氟化合物、蜡类化合物中的一种或多种；和/或所述中空管座的内表面和外表面相互独立地涂覆选自有机硅化合物、有机氟化合物、蜡类化合物中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的喷丝头，其特征在于，所述毛细管的内表面和外表面相互独立地涂覆选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚乙烯蜡中的一种或多种；和/或所述中空管座的内表面和外表面相互独立地涂覆选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚乙烯蜡中的一种或多种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的喷丝头，其特征在于，所述喷丝头还包括废液收集槽。

6.根据权利要求5所述的喷丝头，其特征在于，所述废液收集槽由围绕所述中空管座设置的绝缘衬套构成。

7.根据权利要求5所述的喷丝头，其特征在于，所述中空管座的底端设置有螺纹连接头，所述绝缘衬套通过所述螺纹连接头与所述中空管座形成密封配合。

8.根据权利要求7所述的喷丝头，其特征在于，所述绝缘衬套的底端设置有废液出口。

9.一种用于静电纺纳米纤维的喷丝单元，其特征在于，所述喷丝单元包括根据权利要求1-8任一项所述的喷丝头。

10.根据权利要求9所述的喷丝单元，其特征在于，所述喷丝单元还包括供液管，所述供液管上以流体连通的方式设置有多个所述喷丝头，其中相邻喷丝头之间的轴线间距至少为1cm，优选2cm-8cm。

Images