CN112779611A - 一种静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝装置，该静电纺丝装置中，通过在主导线组下方增设辅助导线组，使辅助导线与主导线相对的交错布置，每根主导线沿着竖向方向的投影落在与该主导线对应的相邻两个辅助导线之间。这样辅助导线组的设计，能够提升原有主导线周围的电场强度，使得纺丝溶液更容易在主导线上沿被激发出来，有效的减少主导线下沿的滴液现象，提升溶液的有效利用率，降低生产成本，同时，辅助导线产生的电场对激发出的射流起到托举作用，使部分主导线下沿激发的射流能被均匀稳定地收集到上方基材上，有效地减少了挂丝和飘丝现象。

Description

一种静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，尤其涉及一种静电纺丝装置。

背景技术

随着现代科技的发展，研究者对材料性能提出了越来越高的要求，在迅速得到发展并广泛应用的材料中，纳米纤维由于其独特的尺寸效应，在高性能驱动器、能源工程、过滤材料、医用卫生和催化领域都具有极其广泛的应用前景，成为驱动当代科技进步的重要支柱之一，因而对纳米纤维的高效稳定制备技术提出了更高的要求。

静电纺丝技术以其制造设备简单、工艺可控等优点，被认为是近年来用于制备纳米纤维最有效的手段之一。静电纺丝是一种利用高压静电使聚合物溶液带电，当电场力克服溶液表面张力和粘滞力，会从溶液表面喷出微小射流，射流在电场力作用下发生拉伸细化，随着溶液的挥发最终固化成为直径从几十纳米到数百纳米不等的纳米纤维。在静电纺丝生产技术中，无针静电纺丝技术克服了有针技术存在易堵、难清理、多射流静电干扰、生产效率低的问题，是最具有发展前景和应用潜力的纳米纤维宏量制备技术，其中电导线无针静电纺丝技术由于其设备结构简单，生产效率高。

无针静电纺丝属于自由静电纺丝的一种，业内人员基本视其为溶液所受电场力与溶液表面张力、粘滞力等内力动态平衡导致的随机激发状态，在现有的无针静电纺丝装置具有一定缺陷，如专利号为CN201620105499.7的中国实用新型专利就公开了《一种辅助诱导型螺纹导杆往复式静电纺丝装置》，该静电纺丝装置引入刷毛对螺纹导杆表面的纺丝液进行破坏，相对运动破坏液面的稳定，打破液体内部张力，更有利于纤维形成；使用储液滑块保证了纺丝溶液的持续稳定供给和涂布，并且储液滑块与螺纹导杆的相对运动也能破坏液面的稳定，也将诱使促进纺丝射流的高效快速喷射；但是由于这种无针静电纺丝相较有针静电纺丝属于较为无序的，因此对于射流的激发很难实现引导和控制，这样在实验中，就会导致射流不稳定，且形成纳米纤维后，会在外侧出现飘丝及边缘挂丝的现象，此外，由于在重力作用下，涂覆在线电极上的溶液易在线电极下部堆积形成液滴，减小曲率半径，导致线电极下部电荷密度较高，形成更易于激发的点位。但位于线电极下方激发出的射流较难在电场力作用下被上方收集装置收集，使溶液利用率和产率降低；同时下方激发的射流还易发生断丝、飘丝等问题，对上方激发的射流收集产生负面影响，进而影响纳米纤维产品的均匀性。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能够有效避免主导线下部滴液、且能减少挂丝和飘丝现象的静电纺丝装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能控制纺丝产物在主导线延伸方向的接收边界的静电纺丝装置。

本发明所要解决的第三个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种对主导线下沿溶液形成托举并对纺丝产物形成导向的静电纺丝装置。

本发明所要解决的第四个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种加快主导线下半部溶液析出以抑制射流在主导线下半部激发的静电纺丝装置。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该静电纺丝装置，包括：

主导线组，包括有至少两根并排间隔布置的主导线；

涂覆头，用来将纺丝溶液涂覆在主导线的表面，至少有两个，每根主导线上对应约束有一个所述的涂覆头；

驱动机构，至少有两个，每个驱动机构的动力输出端与对应的涂覆头驱动连接，以驱动该涂覆头沿着对应的主导线往复移动；

还包括有：

辅助导线组，布置在所述主导线组的下方，该辅助导线组包括至少三根并排间隔布置的辅助导线，所述辅助导线与所述主导线延伸方向一致但间隔布置，即每根所述主导线沿竖向在水平面上的投影落在与该主导线对应的相邻两个辅助导线之间的唯一间隔内。

为了确保辅助导线对主导线向上激发的射流导向均匀，不会向基材的其中一侧偏移，优选地，沿竖向在同一水平面上的投影，各所述主导线的投影与其相邻两根辅助导线投影之间的间距D相等。

辅助导线与主导线之间的距离，会影响射流激发的效果，过小则对滴液的控制效果不佳，优选地，在同一横截面中，所述其中一根主导线的圆心为P，与该主导线相邻的任一一根辅助导线的圆心为Q，过P、Q的连接线与过所述圆心P的垂线的夹角α为30°～80°。

优选地，所述夹角α为50°。

为了确保辅助导线能引导主导线上的射流，最大程度的实现单向激发，避免滴液，所述主导线和辅助导线均连接有正电压，对应射流激发的接收端连接有负电压；且所述辅助导线的电压为V₁，所述主导线的电压为V₂，V₁与V₂的比值为0.3～1.4，这样当主导线上纺丝溶液的液滴带上正电之后，辅助导线就能对相应的带电液滴起到排斥作用，进而促使液滴自主导线上沿激发。

优选地，V₁与V₂的比值为0.6。

为了进一步解决上述第二个技术问题，本发明所采用的技术方案为：该静电纺丝装置还包括有用来限制射流在主导线延伸方向形态的限位件，对应每根主导线，其两端均约束有所述的限位件，所述涂覆头滑动限位在两个限位件之间，其中，限位件为导电块，由于电场分布垂直于等势面表面，因此利用直径与主导线成一定比例的导电块作为限位件，与主导线紧密连接，利用主导线的电压，即可在主导线的两端形成用来约束激发的射流的约束电场，即当纺丝溶液的液滴带有正电，主导线两端的限位件同样带有正电，因此，二者会产生排斥效果，进而将射流的激发控制在与主导线长度方向对应的范围内，形成可控的接收边界，从而有效减少飞丝飘丝和纤维非正常外扩现象，提升纤维膜产物的均匀性和收集效率，提升溶液有效利用率。

为了进一步解决上述第三个技术问题，本发明所采用的技术方案为：该静电纺丝装置还包括有空气压缩机，其出风端具有至少两个沿所述主导线的延伸方向布置的出风口，各所述出风口均位于对应主导线的正下方且开口朝上布置，这样出风口的设计，利用风力对纺丝溶液进行托举，进而抵消部分重力导致形成液滴的影响，提升了主导线下沿液滴形成的难度，抑制纺丝溶液在主导线下沿的激发，实现射流激发位置的控制，同时，气流的高速移动，会促使纺丝产物随气流的方向产生，进而使得纺丝产物更加均匀，也能避免飘丝和飞丝现象。

为了进一步确保出风口的风力能够实现对滴液的托举，优选地，所述出风口为方形孔，所述主导线横截面的直径为R，所述涂覆头的行程为H，所述出风口的尺寸M为：

M＝(0.5-1.5*R)×(1-1.5*H)，实际生产中，上述出风口与主导线的距离为控制在10cm为佳，空气流量调节为2.2m³/min，此时对纺丝溶液利用率最高，实际测得可达到64％，而没有出风口的纺丝溶液，且溶液利用率只有52％。

优选地，所述出风口的尺寸为：M＝0.8*R×1.2H。

为了进一步解决上述第四个技术问题，本发明所采用的技术方案为：还包括有辅热装置，所述辅热装置沿主导线长度方向延伸布置且位于所述出风口与所述主导线之间，这样辅热装置的设计，使得主导线下沿纺丝溶剂挥发速度加快，溶质发生析出，从而在主导线下沿的纺丝溶液与主导线之间形成一层高分子膜，显著降低原来纺丝溶液与主导线之间的表面能之差，使得纺丝溶液更难在此处收缩形成液滴，进而抑制射流在主导线下沿的激发，使存在主导线下沿的溶液从射流激发起点的角色转换成为稳定上半部射流连续激发的储备溶液，从而进一步实现射流激发位置的控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该静电纺丝装置中，通过在主导线组下方增设辅助导线组，使辅助导线与主导线相对的交错布置，每根主导线沿着竖向方向的投影落在与该主导线对应的相邻两个辅助导线之间。这样辅助导线组的设计，能够提升原有主导线周围的电场强度，使得纺丝溶液更容易在主导线上沿被激发出来，有效的减少主导线下沿的滴液现象，提升溶液的有效利用率，降低生产成本，同时，辅助导线产生的电场对激发出的射流起到托举作用，使部分主导线下沿激发的射流能被均匀稳定地收集到上方基材上，有效地减少了挂丝和飘丝现象。

附图说明

图1为本发明实施例中主导线组与辅助导线组的配合俯视图；

图2为图1的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图2所示，为本发明的一个优选实施例，在本实施例中，该静电纺丝装置包括主导线组、涂覆头2、驱动机构3和辅助导线组。其中主导线组包括有至少两根并排间隔布置的主导线1，涂覆头2用来将纺丝溶液涂覆在主导线1的表面，至少有两个，每根主导线1上对应约束有一个的涂覆头2；驱动机构3至少有两个，每个驱动机构3的动力输出端与对应的涂覆头2驱动连接，以驱动该涂覆头2沿着对应的主导线1往复移动，而辅助导线组布置在主导线组的下方，该辅助导线组包括至少三根并排间隔布置的辅助导线4，辅助导线4与主导线1延伸方向一致但间隔布置，即每根主导线1沿着竖向在水平面上的投影落在与该主导线1对应的相邻两个辅助导线4之间的唯一间隔内。

在本实施例中，沿竖向在同一水平面上的投影，上述的各主导线1的投影与其相邻两根辅助导线4之间投影的间距D相等，为了进一步明确主导线1和辅助导线4之间的间距，在同一横截面中，其中一根主导线1的圆心为P，与该主导线1相邻的任一一根辅助导线的圆心为Q，过P、Q的连接线与过圆心P的垂线的夹角α为30°～80°，在本实施例中该夹角α为50°这样通过α角度的变化，可以根据需要调节该α的角度，进而改变主导线1与辅助导线4之间的间距。

在本实施例中，为了确保辅助导线4对主导线1起到辅助作用，上述的主导线1和辅助导线4均连接有正电压，对应射流激发的接收端连接有负电压；且辅助导线4的电压为V₁，主导线1的电压为V₂，V₁与V₂的比值为0.3～1.4，在本实施例中，V₁与V₂的比值为0.6。

在本实施例中，该静电纺丝装置还包括有用来限制射流在主导线1延伸方向形态的限位件5，对应每根主导线1，其两端均约束有的限位件5，涂覆头2滑动限位在两个限位件5之间。其中限位件5为套设在主导线1上、且呈筒状的导电块，导电块与主导线的直径比为：1.2～20。由于电场分布垂直于等势面表面，因此利用直径与主导线成一定比例的导电块作为限位件5，与主导线1紧密连接，利用主导线1的电压，即可在主导线1的两端形成用来约束激发的射流的约束电场，即当纺丝溶液的液滴带有正电，主导线1两端的限位件5同样带有正电，因此，二者会产生排斥效果，进而将射流的激发控制在与主导线1长度方向对应的范围内，形成可控的接收边界，从而有效减少飞丝飘丝和纤维非正常外扩现象，提升纤维膜产物的均匀性和收集效率，提升溶液有效利用率。

此外，在实际生产中，还可以在主导线1排布方向的两侧增设两根限位导线8，限位导线8的作用与限位件5的作用类似，但与限位件5的区别在于，限位导线8需要接单独的正电，当接通后，由于纺丝溶液的液滴带有正电，主导线1排布方向两侧的限位导线8同样带有正电，因此，二者会产生排斥效果，进而在该方向形成对射流激发的控制。

在本实施例中，该静电纺丝装置还包括有空气压缩机6，其出风端具有至少两个沿主导线1的延伸方向布置的出风口，各出风口均位于对应主导线1的正下方且开口朝上布置。其中出风口为方形孔，主导线1横截面的直径为R，涂覆头2的行程为H，出风口的尺寸M为：M＝(0.5-1.5*R)×(1-1.5*H)，在本实施例中，出风口的尺寸为：M＝0.8*R×1.2H。这样出风口的设计，利用风力对纺丝溶液进行托举，进而抵消部分重力导致形成液滴的影响，提升了主导线1下沿液滴形成的难度，抑制纺丝溶液在主导线1下沿的激发，实现射流激发位置的控制；同时，气流的高速移动，会促使纺丝产物随气流的方向而产生，进而使得纺丝产物更加均匀，也能避免飘丝和飞丝现象。

在本实施例中，该静电纺丝装置还包括有辅热装置7，辅热装置7沿主导线1长度方向延伸布置且位于出风口与主导线1之间，这样辅热装置7的设计，使得主导,1下沿纺丝溶剂挥发速度加快，溶质发生析出，从而在主导线1下沿的纺丝溶液与主导线1之间形成一层高分子膜，显著降低原来纺丝溶液与主导线1之间的表面能之差，使得纺丝溶液更难在此处收缩形成液滴，进而抑制射流在主导线1下沿的激发，使存在主导线1下沿的溶液从射流激发起点的转换成为稳定上半部射流连续激发的储备溶液，从而进一步实现射流激发位置的控制。

在实际生产中：

以聚偏氟乙烯(PVDF)/二甲基乙酰胺(DMAC)纺丝液体系为例，配置固含量为16％的纺丝溶液，在未安装辅助导线4、限位件5、空气压缩机6和辅热装置7的情况下纺丝，主导线1的正压选用40Kv，接收基板的负压为-10Kv，主导线1直径为6mm，涂覆装置行程为500mm。同一个温湿度计测量主导线1中间位置和边缘位置的温湿度，发现存在较大差异(中间温度与相对湿度30℃、40％，最外侧温度与相对湿度35℃、30％)；纺丝过程中可明显观察到最外侧的主导线1激发的射流向更外侧飘出，主导线1两端激发的射流存在明显向外扩散状态，基板中部与边缘收集到产物的平均克重差别超过40％，两端可观察到挂丝现象，且大量射流在主导线1下沿激发，在下方盛液槽上堆积大量纤维膜，计算后得到纳米纤维产率为52％；收集基板上可观察到边缘部分收集产物存在肉眼可见的不均匀，在未进入纺丝区域的基板上也可观察到部分纤维。

将设备安装上辅助导线4、限位件5、空气压缩机6和辅热装置7后，用相同的溶液进行纺丝，主导线1的正压选用40Kv，接收基板的负压为-10Kv，主导线1的直径为6mm，涂覆装置行程为500mm。

在空气压缩机6吹风作用下，同样用一个温湿度计测量中间位置和边缘位置的温度和相对湿度均为33℃、36％，可见其对温湿场均匀起到的积极作用；边缘辅助导线4电压选用32Kv，限位块5直径选用9.6cm的圆柱状金属外表包覆物；出风口长度为600mm，纺丝过程中主导线1两侧线电极向外飘丝趋势停止，主导线1两端激发的射流外扩现象明显被抑制，两端无明显挂丝现象，基板中部与边缘收集到产物的平均克重差别小于10％；

调节底部辅助导线4的位置，使α角呈50°，电压选用20Kv；出风口为4.8mm×600mm，出风口与主导线1距离为10cm，空气流量为2.2m³/min，控制辅热装置7电极输出功率使出风口温度较环境温度高3℃，此时可观察到射流基本在主导线1的上沿激发，同时飞行过程中碰撞缠丝、断丝等现象显著减少，主导线1下沿几乎没有纤维堆积，计算得纳米纤维产率为75％；收集基板上的产物光滑平整，未进入纺丝区域的基材上观察不到纤维堆积。

Claims (12)

1.一种静电纺丝装置，包括：

主导线组，包括有至少两根并排间隔布置的主导线(1)；

涂覆头(2)，用来将纺丝溶液涂覆在主导线(1)的表面，至少有两个，每根主导线(1)上对应约束有一个所述的涂覆头(2)；

驱动机构(3)，至少有两个，每个驱动机构(3)的动力输出端与对应的涂覆头(2)驱动连接，以驱动该涂覆头(2)沿着对应的主导线(1)往复移动；

其特征在于，还包括有：

辅助导线组，布置在所述主导线组的下方，该辅助导线组包括至少三根并排间隔布置的辅助导线(4)，所述辅助导线(4)与所述主导线(1)延伸方向一致但间隔布置，即每根所述主导线(1)沿竖向在水平面上的投影落在与该主导线(1)对应的相邻两个辅助导线(4)之间的唯一间隔内。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于：沿竖向在同一水平面上的投影，各所述主导线(1)的投影与其相邻两根辅助导线(4)投影之间的间距D相等。

3.根据权利要求2所述的静电纺丝装置，其特征在于：在同一横截面中，所述其中一根主导线(1)的圆心为P，与该主导线(1)相邻的任一一根辅助导线的圆心为Q，过P、Q的连接线与过所述圆心P的垂线的夹角α为30°～80°。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述夹角α为50°。

5.根据权利要求1～4中任一权利要求所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述主导线(1)和辅助导线(4)均连接有正电压，对应射流激发的接收端连接有负电压；且所述辅助导线(4)的电压为V₁，所述主导线(1)的电压为V₂，V₁与V₂的比值为0.3～1.4。

6.根据权利要求5所述的静电纺丝装置，其特征在于：V₁与V₂的比值为0.6。

7.根据权利要求5所述的静电纺丝装置，其特征在于：还包括有用来限制射流在主导线(1)延伸方向形态的限位件(5)，对应每根主导线(1)，其两端均约束有所述的限位件(5)，所述涂覆头(2)滑动限位在两个限位件(5)之间。

8.根据权利要求7所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述限位件(5)为套设在主导线(1)上、且呈筒状的导电块，所述导电块与主导线的直径比为：1.2～20。

9.根据权利要求1～4中任一权利要求所述的静电纺丝装置，其特征在于：还包括有空气压缩机(6)，其出风端具有至少两个沿所述主导线(1)的延伸方向布置的出风口，各所述出风口均位于对应主导线(1)的正下方且开口朝上布置。

10.根据权利要求9所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述出风口为方形孔，所述主导线(1)横截面的直径为R，所述涂覆头(2)的行程为H，所述出风口的尺寸M为：

M＝(0.5-1.5*R)×(1-1.5*H)。

11.根据权利要求10所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述出风口的尺寸为：

M＝0.8*R×1.2H。

12.根据权利要求9所述的静电纺丝装置，其特征在于：还包括有辅热装置(7)，所述辅热装置(7)沿主导线(1)长度方向延伸布置且位于所述出风口与所述主导线(1)之间。

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