CN111197184B - 一种静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于静电纺丝技术领域，特别是涉及一种静电纺丝装置。静电纺丝过程中，高压注入的电荷会随着电纺纤维固化残留在纤维内部，影响静电纺丝的后续沉积过程，最终造成静电纺丝过程终止。本申请提供一种静电纺丝装置，包括喷液机构和紫外光发生机构，所述喷液机构与所述紫外光发生机构配合使用；所述喷液机构包括相互连接的供液组件和喷头组件，所述供液组件与高压电源连接。通过紫外光耗散纺丝纤维中残余电荷，消除了残余电荷对外加电场的影响，提高了静电纺丝过程的稳定性，从而极大地提高了纺丝纤维的产量和纺丝纤维累积厚度，减少了静电纺丝的时间成本，拓宽了静电纺丝技术的应用范围。

Description

一种静电纺丝装置
技术领域
本申请属于静电纺丝技术领域，特别是涉及一种静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝过程，是一种通过高压静电场突破高分子溶液的表面张力，形成微纳米纤维，并在电场的作用下射向收集平台的过程。基于其原理，静电纺丝过程的纤维不可避免地残留了大量的电荷，残余电荷的电性通常与喷头所加电压的正负性相同，形成的电场与外加静电场方向相反，对纺丝纤维向收集平台的运动起负作用。残余电荷耗散速度相对于纺丝的速度较慢，随着纺丝过程的进行，残余电荷在收集平台上不断积累，限制了纺丝纤维的累积厚度，最终会影响到静电纺丝过程的顺利产生。因此，如何消除纺丝过程中产生的残余电荷，成为提高纤维垫厚度的关键。
为解决该问题，现有的静电纺丝工艺多采用与纺丝纤维上所带电荷电性相反的离子风来中和纤维上的残余电荷，从而减少或消除残余电荷对外加电场的影响；或通过使用正负交变的电压源为静电纺丝供电，由于正高压和负高压作用下，纺丝纤维中的残余电荷的电性相反，从而使残余电荷相互中和，从而减少或消除其对外加电场的影响。
然而，上述方法中离子风中和残余电荷的方法，产生的气流会对纺丝过程存在影响，且空气中过多载流子将会引起空气击穿电压降低，干扰正常静电纺丝过程；而使用正负交变的高压源，不能从根本上解决电荷残留的问题，且交变电场的施加会影响静电纺丝过程的稳定进行。同时，不少研究表明交变电场的施加对纺丝纤维直径均一性有较大影响。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于离子风中和残余电荷的方法，产生的气流会对纺丝过程存在影响，且空气中过多载流子将会引起空气击穿电压降低，干扰正常静电纺丝过程；而使用正负交变的高压源，不能从根本上解决电荷残留的问题，且交变电场的施加会影响静电纺丝过程的稳定进行的问题，本申请提供了一种静电纺丝装置。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种静电纺丝装置，包括喷液机构、高压电源和紫外光发生机构，所述喷液机构、高压电源与所述紫外光发生机构配合使用；
所述喷液机构包括相互连接的供液组件和喷头组件，所述供液组件与高压电源连接。
所述供液组件为气泵、注射泵等一切可用于提供纺丝溶液的装置。高压电源为直流高压电源、高压放大器等一切可用于提供高压电源的装置。
所述紫外光发生机构为低气压汞灯、氙灯等一切可用于提供紫外光源的装置及其夹持组件。
本申请提供的另一种实施方式为：还包括收集平台，所述紫外光发生机构设置于所述收集平台上。
本申请提供的另一种实施方式为：所述收集平台为平面式、滚筒式或者流水线式；一切可用于提供收集平台的装置。
本申请提供的另一种实施方式为：所述喷头组件包括运功控制单元。
本申请提供的另一种实施方式为：所述紫外光发生器为环形、管状或者阵列光源；一切可用于支撑、发射紫外光的装置形状、结构和数量。
在紫外光的作用下，静电纺丝纤维中残留的电荷可以被加速耗散，因而可以消除残余电荷对外加电场的部分影响，增加了静电纺丝过程的稳定性，从而大幅提高静电纺丝生产微纳米纤维的产量。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的静电纺丝装置的有益效果在于：
本申请提供的静电纺丝装置，具体为一种基于紫外光耗散残留电荷新方法辅助静电纺丝装置，通过在纺丝过程中增设一紫外光发生装置，当紫外光照射到纤维表面时，紫外光子能量将会被由于高压电场注入到聚合物纤维表面的电荷载流子吸收，进而发生载流子激发进入大气中，使纤维垫中的残余电荷在短时间内快速耗散，以此消除残余电荷对静电纺丝过程中外加电场的影响，提高静电纺丝的稳定性，从而大幅提高静电纺丝生产微纳米纤维的产量，增加纺丝纤维垫累积厚度。
本申请提供的静电纺丝装置，通过紫外光耗散纺丝纤维中残余电荷，消除了残余电荷对外加电场的影响，提高了静电纺丝过程的稳定性，从而极大地提高了纺丝纤维的产量和纺丝纤维累积厚度，减少了静电纺丝的时间成本，拓宽了静电纺丝技术的应用范围。
本申请提供的静电纺丝装置，相对于现有的消除残余电荷的手段，由于紫外光的作用稳定高效，不会对静电纺丝过程产生干扰，且成本较低，安装简单，因而是一种良好的消除纺丝纤维中残余电荷的手段。
附图说明
图1是本申请的静电纺丝装置结构示意图；
图中1-供液组件、2-喷头组件、3-紫外光发生机构、4-收集平台、5-高压电源。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1，本申请提供一种静电纺丝装置，包括喷液机构、高压电源5和紫外光发生机构，所述喷液机构、所述高压电源5与所述紫外光发生机构配合使用；
所述喷液机构包括相互连接的供液组件1和喷头组件2，所述供液组件1与高压电源5连接。
利用紫外光耗散静电纺丝过程中在沉积纤维上残留电荷，利用紫外光设备辅助静电纺丝装置。
静电纺丝装置为多喷头组件集成或异形喷嘴组件等其他形式的喷嘴组成的静电纺丝装置。
所述高压电源5包含一切可以产生直流正高压或负高压的电源；所述高压电源5也可以为高压交流电或高压放大器。
进一步地，还包括收集平台4，所述紫外光发生机构设置于所述收集平台上。
进一步地，所述收集平台4为平面式、滚筒式或者流水线式；一切可用于提供收集平台的装置。
进一步地，所述喷头组件2包括运功控制单元，所述运动控制单元用于控制喷头组件移动。
这里喷头组件2与收集平台4可以相互配合使用，运动控制单元可以设置在收集平台4上，保证静电纺丝产品在生产过程中能够被顺利收集即可。
进一步地，所述紫外光发生机构3为紫外光发生器。
所述紫外光发生机构3为一切可以发生包含波长小于400nm的紫外光的发生机构。
进一步地，所述紫外光发生器为环形、管状或者阵列光源。
通过供液组件1调节纺丝溶液的流量，并提供提供纺丝溶液给喷头组件2；喷头组件2溶液喷射方向与收集平台4收集平面的法向平行，通过运动控制单元可以使收集平台4相对喷头组件2可以沿x、y、z方向移动；高压电源5输出端加持在喷头组件2上，调节电压可以控制静电纺丝的形成；环形紫外光发生器相对于装置的位置固定，要求保证正在进行的静电纺丝纤维和已经成形的纺丝纤维垫要在紫外光发生装置附近，并充分接收紫外光的照射。
进一步地，所述喷头组件2喷出聚合物溶液，在高压电场的作用下形成静电纺丝纤维。
进一步地，所述环形紫外光发生器固定于收集平台4上，所述静电纺丝纤维收集在所述环形紫外光发生器附近，，所述静电纺丝纤维被收集在平台上并能够充分接受到紫外光照射。
紫外光发生器包括一切可以发出波长<400nm的紫外光源，与光源本身的种类无关。目前主流的紫外光发生主要有汞灯、氘灯、钨丝灯、氙灯等。其中，低压汞灯灯的主射线为253.5nm，满足消除残留电荷的紫外光波长范围；且低压汞灯发热量小，不需冷却就可使用，发光稳定、结构简单、制造成本低，目前早已广泛主要应用作杀菌灯、荧光分析、光谱仪波长基准等应用领域。可以作为一种良好的消除纺丝纤维中残余电荷的光源，但使用其他紫外发光光源作为消除残留电荷的设计依旧是本申请保护范围。
在静电纺丝过程中，纺丝溶液所形成的纤维中的电荷是直接由高压电源通过喷头装置向纺丝溶液中注入的净电荷。由于静电纺丝纤维本身为电介质，无特殊处理条件下，该净电荷通常可保留数小时或数天。
通过紫外光消除所述的净电荷。在紫外光作用下，净电荷所产生的表面电势在数分钟内快速衰减。因而可以消除残余电荷对外加电场的部分影响，增加了静电纺丝泰勒锥成型、射流形成纺丝过程的稳定性，从而大幅提高静电纺丝生产微纳米纤维的产量，增加纺丝纤维累积厚度。
通过实验证明，在紫外光的作用下，静电纺丝浓度为15％的PS的DMF溶液，在正高压10kV、流量200μL/h、连续纺丝时长为1～2小时后，使用日本SIMCO公司FMX-004静电测试仪测量所得纤维垫的初始表面静电电势为10kV，在紫外光发生器作用下，静电电势在1分钟内下降至<0.3kV。
同样条件下所得的初始静电电压为10kV的PS的DMF溶液，不经紫外光发生器处理，标准环境条件下，静电电压在2天后任然保有1kV左右的表面电势。
紫外光发生机构3不论其结构如何变化，只要原理还是利用紫外光消除静电纺丝过程中纤维上的残留电荷，都属于本申请保护范围。
本申请保护的是利用紫外光消除静电纺丝过程中纤维上的残留电荷这一新原理的静电纺丝装置，与内部各部分装置的种类、结构无关，都属于保护范围。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (7)

1.一种静电纺丝装置，其特征在于：包括喷液机构、高压电源和紫外光发生机构，所述喷液机构、所述高压电源与所述紫外光发生机构配合使用；所述喷液机构包括相互连接的供液组件和喷头组件，所述供液组件与高压电源连接；还包括收集平台，所述紫外光发生机构设置于所述收集平台上，使得静电纺丝纤维和已经成形的纺丝纤维垫充分接收紫外光的照射，所述紫外光发生机构采用低压汞灯，利用低压汞灯发出的紫外光耗散静电纺丝过程中在沉积纤维上残留电荷；
所述喷头组件包括运功控制单元，所述运动控制单元用于控制喷头组件移动。
2.如权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述收集平台为平面式、滚筒式或者流水线式。
3.如权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述紫外光发生机构为紫外光发生器。
4.如权利要求3所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述紫外光发生器为环形、管状或者阵列光源。
5.如权利要求3所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述喷头组件喷出静电纺丝纤维。
6.如权利要求5所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述紫外光发生器固定于收集平台上，所述静电纺丝纤维被收集在平台上并能够充分接受到紫外光照射。
7.如权利要求3所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述紫外光发生器包括紫外光源，所述紫外光源发出波长小于400纳米的紫外光。
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