CN113862798A - 一种静电纺丝发射极 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电纺丝发射极，发射极随环形绝缘传动带在静电纺丝工作区域，加液装置，发射极清洗装置，发射极干燥装置间运动。加液装置能够将任意计量的纺丝液涂覆在发射极的任意指定位置上。在静电纺丝工作区域内，发射极在高压电场的作用下，其上携带的纺丝液形成了纳米纤维沉积在基底上。在经过静电纺丝工作区域后，发射极会被运送到发射极清洗装置内进行清洗，并在其后的发射极干燥装置干燥后重新投入使用。本发明专利不仅实现了连续的、稳定的、规模化的纳米纤维生产，还避免了堵针头、产能低、易产生飞溅、多射流间电场干扰严重等问题。其次，本发明专利还可以自由调整静电纺丝纳米纤维在基底上的分布位置，以及沉积厚度。

Description

一种静电纺丝发射极

技术领域

本发明专利属于静电纺丝领域，尤其涉及一种静电纺丝设备。

技术背景

静电纺丝是制备功能纳米纤维薄膜的重要方法。尤其是近几年来，静电纺丝技术以其连续、方便、快速、工艺简单、成本低廉的特点已经成为纳米纤维制造的主流技术。目前规模化静电纺丝技术分为两类，一类是多针头静电纺丝技术，代表公司为FinetexTechnology Inc.和TOPTECH等；另一类是非针头静电纺丝技术，代表公司为Donaldson和Elmarco等。其产品已经广泛应用于过滤材料、生物医学材料、能源电池材料、智能穿戴材料等多个高科技领域。

在静电纺丝技术中，如专利申请号为200910087706.5、专利申请号为202011163131.3、专利申请号为201310186515.0、专利申请号为202011244188.6等公开的技术，实现了静电纺丝纳米纤维的规模化生产，但目前的静电纺丝量产化设备都存在着一些痛点。虽然多针头静电纺丝设备生产的纳米纤维膜较为均匀，但存在针头易堵、产能较低、维护困难等问题；而现有非针头静电纺丝设备虽然不会存在堵针头的问题，且具有较高的产能，但存在所得纤维粗细不均匀、易产生飞溅、多射流间电场干扰严重(End effect现象)等问题。

申请号为200910087706.5的中国发明专利所公布的经纬双向静电纺丝制膜设备采用了多组有针的经向喷丝头组或纬向喷丝头组作为静电纺丝的发射极，且发射极布于纳米纤维接收器的上部。因为其采用了针式发射极，会出现易堵针头、产能低、效率低的问题，此外其经纬相间的针式针头分布方法，尤其是当针头的分布方向垂直与基材的运动方向时，会导致基材上纳米纤维的厚度分布不均匀的问题出现。其次其针头位于接收极的上方，自上向下进行静电纺丝，容易出现溶液自针头滴落在接收极上，导致纳米纤维膜出现瑕疵的问题。

申请号为202011163131.3的中国发明专利所公布的一种矩阵式多针头静电纺丝设备使用含有多针头的喷丝针头装置在直线模组上前后移动，从下向上纺丝来制备纳米纤维丝。因为其采用了针式发射极，还是会出现易堵针头、产能低、效率低的问题。同时其使用的针头数量较多，维护繁琐。

申请号为201310186515.0的中国发明专利所公布的一种尖端式无针头静电纺丝设备使用环形运动的链条带动喷丝板在上方静电纺丝工作区和下方液盒间往复运动来实现连续性进行静电纺丝纳米纤维的制备。但是由于其所述的发射极为金属针布，本质上还是针式的发射极，只是避免了针头堵塞的问题，不过由于针布上针头的数量限制，还是有着产能低、效率低的问题。另外，针布长时间往返于静电纺丝工作区和液盒的溶液之间，会在针头上沉积高分子溶液静电纺丝后的残留物，影响后续静电纺丝的过程，造成产品的不稳定性。

申请号为202011244188.6的中国发明专利所公布的一种静电纺丝设备采用钢丝作为发射极，将纳米纤维由下向上的沉积在接收器上，并形成规模化的生产。其所述的设备中，纺丝液由一个往复运动的涂覆头将其涂覆在钢丝发射极上。这种供液方式会导致纺丝液在钢丝上分布不均匀，从而导致纳米纤维在基底上沉积的厚度不均匀的问题；另外还会导致纺丝液在钢丝上某些地方聚集过多，在高压电场的影响下，产生液滴飞溅的问题，从而导致产品瑕疵。其次，这种在钢丝上涂覆供液的方式不能精确控制钢丝上携带的纺丝液量，若钢丝上携带的纺丝液过多，会出现多射流间电场干扰的问题；若钢丝上携带的纺丝液太少，会出现高分子溶液在钢丝表面干涸，并形成“飞丝”、“挂丝”的现象。这些都会导致静电纺丝不稳定的问题。

发明内容

应当理解的是前述理念和下面更详细讨论的另外的理念的全部组合（假定这样的理念不是相互矛盾的）被认为是此处公开的本发明主题的一部分。具体地，在本公开出现的所要求保护的主题的全部组合被认为是此处公开的本发明主题的一部分。还应当理解此处明确所用的术语可以出现于在此引入作为参考的任何公开中，其应当符合与此处公开的具体概念最一致的含义。

为了解决上述的现有静电纺丝量产化设备中的痛点，实现静电纺丝纳米纤维的稳定量产，并使其更广泛的应用在更多的领域中。本发明提供了一种静电纺丝发射极，能实现静电纺丝稳定、连续的规模化生产。此外，本发明提供的一种静电纺丝发射极还能灵活的调整纳米纤维在基底上的分布。

本发明提供一种静电纺丝发射极具有如下特征，包含：加液装置、环形发射极系统、发射极清洗装置和发射极干燥装置；所述加液装置位于环形发射极系统入口端的上方，加液装置内的纺丝液涂覆在环形发射极系统中的发射极上；发射极随着环形发射极系统向前移动，在发射极接触到带正高压电的压电板后，其上携带的纺丝液形成静电纺丝液束，并向接收极发射（需要在说明书附图中画上接收极）；在发射极移动到环形发射极系统的出口处，发射极与正高压电压电板脱离，并进入环形发射极系统前侧的下方的发射极清洗装置进行清洗；之后发射极通过环形发射极系统下方的发射极干燥装置干燥后，重新回到环形发射极系统的入口处，等待接收加液装置的加液。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的加液装置包含储液盒、直线模组、点胶枪、点胶枪控制系统；直线模组平行于发射极，垂直于环形发射极运动方向放置；点胶枪位于直线模组上，可以随着直线模组移动；点胶枪的进液口与外部的储液盒相连；点胶枪的出液量受点胶枪控制系统控制。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的点胶枪在点胶枪控制系统和直线模组的协同作用下，能够将任意计量的纺丝液涂覆在发射极的任意指定位置上。优选的，点胶枪涂覆在发射极上纺丝液不应相连，纺丝液在发射极上应是间断的，纺丝液间的距离应大于5mm。优选的，点胶枪涂覆在发射极上纺丝液间的距离可以是固定的，也可以是任意的。优选的，涂覆在发射极上的纺丝液量应保证，在发射极运动到环形发射极系统的出口时，发射极上纺丝液还未干涸。由于发射极上的每个纺丝液集中点上的液量和所在位置都是可控的，从而静电纺丝过程也更加可控和稳定。此外，由于发射极上的每个纺丝液集中点上的液量和所在位置都是可控的，因此静电纺丝纳米纤维在基底上的沉积位置，以及沉积量的多少都是可以自由调节的。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的环形发射极系统包含若干发射极、正高压电压电板、两条环形绝缘传动带、传动带主动辊、传动带被动辊、传动带电机与减速器、传动带电机联轴器；两条环形绝缘传动带布于传动带主动辊和传动带被动辊之间，分别位于传动带主动辊和传动带被动辊的两端；发射极垂直与环形绝缘传动带的传动方向，均布于两条环形绝缘传动带之间；发射极在传动带电机与减速器、传动带电机联轴器的带动下，做环形运动；正高压电压电板与外部的正高压电源相连，安置于一条环形绝缘传动带的上方，与环形发射极系统的入口有300mm的距离，并与环形绝缘传动带上的发射极接触。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的均布于环形绝缘传动带上发射极之间的距离为50mm–400mm。优选的，环形绝缘传动带上发射极之间的距离为50mm–100mm。过小的发射极间距会导致多射流间电场干扰问题，过大的发射极间距会影响生产产能。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的发射极的材质为不锈钢、钼、铝合金、铜；其形状为横截面是长方形、正方形、三角形、半圆形的条状物；其表面可以是光滑的、或修饰有凸起点、凹陷点以增加局部电场强度。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的发射极环形运动的平均线速度为0.01m/s–0.5m/s；并且当发射极运动到点胶枪出口下方时，会停顿1s–5s，让点胶枪完成对发射极上液的工作。优选的，发射极环形运动是匀变速运动。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的发射极清洗装置位于环形发射极系统的下方，包含：清洗槽、清洗液、清洗刷头、清洗驱动电机与减速器、清洗电机联轴器；清洗刷头安置于灌有清洗液的清洗槽中；清洗刷头的下半部浸没于清洗液中，上半部与发射极接触；在清洗驱动电机与减速器和清洗电机联轴器的带动下，清洗刷头对经过静电纺丝后，在发射极上残留的纺丝液进行清理。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的发射极干燥装置是热风装置，位于环形发射极系统的下方，在发射极清洗装置之后；发射极干燥装置产生的热风温度为40–80℃，风速为1m/s–10m/s。

上述的一种静电纺丝发射极具有如下特征，所述的加液装置、环形发射极系统、发射极清洗装置、和发射极干燥装置位于静电纺丝系统中的放卷装置和收卷装置之间，位于纺丝接收极的下方；基材经过放卷装置的主动放卷辊开卷后，经过放卷导向辊，在纺丝接收极的下方，接收到由发射极发射出的静电纺丝液束所形成的纳米纤维，之后经过收卷导向辊后，收卷在收卷装置的主动收卷辊上。更进一步的，在环形发射极系统与收卷装置之间还可以加入纳米纤维的后处理装置，例如热压、热风、紫外固化、覆膜等。更进一步的，在环形发射极系统与放卷装置之间还可以加入纳米纤维的前处理装置，例如施胶、静电去除等。

与现有技术相比，本发明专利的优点是：

所述的一种静电纺丝发射极是一种非针式静电纺丝发射极，可以避免针头易堵、产能较低等问题。

所述的一种静电纺丝发射极是一种非针式静电纺丝发射极，但其上携带的纺丝液的纺丝液量以及纺丝液聚集位置都精确可控，可以避免纺丝纳米纤维粗细不均匀、易产生飞溅、多射流间电场干扰严重(End effect现象)等问题。

所述的一种静电纺丝发射极是一种非针式静电纺丝发射极，但其上携带的纺丝液的纺丝液量以及纺丝液聚集位置都精确可控，因此可以自由调整静电纺丝纳米纤维在基底上的分布位置，以及沉积厚度。

所述的一种静电纺丝发射极自带清洁系统，可以避免纺丝装置维护困难的问题。

附图说明

图1为本发明的一种静电纺丝发射极结构示意图；

图2为本发明的一种静电纺丝发射极在静电纺丝设备中的结构示意图；

图3为本发明的一种静电纺丝发射极中发射极上纺丝液非均匀分布（上图）和均匀分布（下图）示意图；

附图中：100. 加液装置；101. 储液盒；102. 直线模组；103. 点胶枪；104. 点胶枪控制系统；200. 环形发射极系统；201. 发射极；202. 正高压电压电板；203. 环形绝缘传动带；204. 传动带主动辊；205. 传动带被动辊；206. 传动带电机与减速器；207. 传动带电机联轴器；208. 静电纺丝液束；300. 发射极清洗装置；301. 清洗槽；303. 清洗刷头；304. 清洗驱动电机与减速器；305. 清洗电机联轴器；400. 发射极干燥装置；500. 接收极；600. 放卷装置；601. 放卷导向辊；602. 主动放卷辊；700. 收卷装置；701. 收卷导向辊；702.主动收卷辊。

具体实施方式

在下面的详细说明中，出于解释而非限制性目的，阐述了公开具体细节的代表性实施方案，以提供对于请求保护的发明的通透理解。但是，对于获益于本公开的本领域技术人员来说，显然根据本发明的教导的其他实施方案（其脱离了此处公开的细节）仍然处于附加的权利要求的范围内。此外，可能省略了对于公知的设备和方法的说明，以免模糊代表性实施方法的说明。这样的方法和设备很显然处于请求保护的本发明的范围内。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实例1

本发明所述的一种静电纺丝发射极制备纳米纤维防水复合面料。该静电纺丝纳米纤维防水复合面料是静电纺丝防水纳米纤维膜与涤纶面料进行复合制成的。所以所用纳米纤维膜需要均匀，且具有20μm的厚度。为了满足上述要求，所用的纳米纤维材料选择为PVDF。

将PVDF溶于DMF中，配置成20wt%PVDF/DMF溶液作为纺丝液储备在储液盒101中备用。

将DMF作为清洗液加入清洗槽301中，使清洗液没过清洗刷头303四分之一的高度。

将涤纶面料作为基底安置于放卷装置600和收卷装置700之间，基底的移动为匀速运动，其线速度为0.1m/s。

选择横截面为长3mm，宽1mm的长方形，表面光滑的不锈钢条作为纺丝发射极201。发射极201在环形绝缘传动带204上均布，间距为50mm。

正高压电压电板202与外部的正高压电源相连，其上带有70kV的正高压电。接收极500与外部负高压电源相连，其上带有5kV的负高压电。

基底经过放卷装置600开卷后，经过放卷导向辊601，进入位于静电纺丝系统200和接收极500之间的静电纺丝区域。

在点胶枪控制系统104的作用下，1s内，点胶枪103在其下方的发射极201上涂覆的纺丝液覆盖了整根纺丝发射极201上表面。每个纺丝液集中点的带液量为0.03ml，纺丝液集中点之间的距离为5mm，均匀分布于发射极201的上表面上。

在传动带电机与减速器206和传动带电机联轴器207的带动下，发射极201随着环形绝缘传动带204做匀变速运动。在面向接收极500的方向上，从静电纺丝系统200的入口向静电纺丝系统200的出口运动。在背向接收极500的方向上，从静电纺丝系统200的出口向静电纺丝系统200的入口运动。每当有发射极201经过点胶枪103的正下方时，发射极201会停止1s，让点胶枪103有足够时间在发射极201表面上涂覆上纺丝液。发射极201的平均线速度为0.01m/s。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201接触到正高压电压电板202，发射极201与接收极500之间形成了静电纺丝所需的高压电场。

在高压电场的作用下，发射极201上所携带的纺丝液被激发形成静电纺丝液束208。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201从静电纺丝系统200的出口离开时，其与正高压电压电板202断开后，进入发射极清洗装置300。

带有清洗液的清洗刷头303在清洗驱动电机与减速器304和清洗电机联轴器305的驱动下，对发射极201表面的残余纺丝液进行清洗。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201从发射极清洗装置300出来后，进入发射极干燥装置400。

在80℃，10m/s的热风环境下，发射极201上残余的清洗液挥发后，清洗完毕。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201从发射极干燥装置400出来后，再一次准备由静电纺丝系统200的入口进入静电纺丝区域。

在静电纺丝区域内，静电纺丝液束208最后形成PVDF纳米纤维沉积在基底上形成了具有20μm厚的防水纳米纤维膜的纳米纤维防水复合面料。

纳米纤维防水复合面料经过收卷导向辊701后，收卷在收卷装置700的主动收卷辊702上，形成最后的产品。

实例2

本发明所述的一种静电纺丝发射极制备具有H13级别的纳米纤维PET复合滤材。该高效复合滤材是具有高效过滤性能的静电纺丝纳米纤维膜与PET基材进行复合制成的。所以所用纳米纤维膜需要均匀，且具有平均200nm纤维直径，10μm厚度，以达到H13过滤级别的过滤性能。为了满足上述要求，所用的纳米纤维材料选择为PA6。

将PA6溶于甲酸中，配置成12wt%PA6/乙酸溶液作为纺丝液储备在储液盒101中备用。

将乙酸作为清洗液加入清洗槽301中，使清洗液没过清洗刷头303四分之一的高度。

将PET作为基底安置于放卷装置600和收卷装置700之间，基底的移动为匀速运动，其线速度为0.5m/s。

选择横截面为直径为3mm的半圆形，每隔5mm带有一个环状凸起的铜条作为纺丝发射极201。发射极201在环形绝缘传动带204上均布，间距为400mm。

正高压电压电板202与外部的正高压电源相连，其上带有80kV的正高压电。接收极500与外部负高压电源相连，其上带有5kV的负高压电。

基底经过放卷装置600开卷后，经过放卷导向辊601，进入位于静电纺丝系统200和接收极500之间的静电纺丝区域。

在点胶枪控制系统104的作用下，5s内，点胶枪103在其下方的发射极201上涂覆的纺丝液覆盖了整根纺丝发射极201上表面。每个纺丝液集中点的带液量为0.01ml，纺丝液集中点之间的距离为5mm，均匀分布于发射极201的上表面上。

在传动带电机与减速器206和传动带电机联轴器207的带动下，发射极201随着环形绝缘传动带204做匀变速运动。在面向接收极500的方向上，从静电纺丝系统200的入口向静电纺丝系统200的出口运动。在背向接收极500的方向上，从静电纺丝系统200的出口向静电纺丝系统200的入口运动。每当有发射极201经过点胶枪103的正下方时，发射极201会停止5s，让点胶枪103有足够时间在发射极201表面上涂覆上纺丝液。发射极201的平均线速度为0.5m/s。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201接触到正高压电压电板202，发射极201与接收极500之间形成了静电纺丝所需的高压电场。

在高压电场的作用下，发射极201上所携带的纺丝液被激发形成静电纺丝液束208。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201从静电纺丝系统200的出口离开时，其与正高压电压电板202断开后，进入发射极清洗装置300。

带有清洗液的清洗刷头303在清洗驱动电机与减速器304和清洗电机联轴器305的驱动下，对发射极201表面的残余纺丝液进行清洗。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201从发射极清洗装置300出来后，进入发射极干燥装置400。

在40℃，1m/s的热风环境下，发射极201上残余的清洗液挥发后，清洗完毕。

随着环形绝缘传动带204的运动，当其上的发射极201从发射极干燥装置400出来后，再一次准备由静电纺丝系统200的入口进入静电纺丝区域。

在静电纺丝区域内，静电纺丝液束208最后形成PA6纳米纤维沉积在PET基底上形成了具有10μm厚的、平均纤维直径为200nm的、具有H13过滤性能的纳米纤维PET复合滤材。

纳米纤维PET复合滤材经过收卷导向辊701后，收卷在收卷装置700的主动收卷辊702上，形成最后的产品。

Claims (10)

1.一种静电纺丝发射极，其特征在于，它包含加液装置（100）、环形发射极系统（200）、发射极清洗装置（300）、和发射极干燥装置（400）；所述加液装置（100）位于环形发射极系统（200）入口端的上方，将加液装置（100）内的纺丝液涂覆在环形发射极系统（200）中的发射极（201）上；发射极（201）随着环形发射极系统（200）向前移动，在发射极（201）接触到带正高压电的压电板（202）后，其上携带的纺丝液形成静电纺丝液束（208），并向接收极（500）发射；在发射极移动到环形发射极系统（200）出口处，发射极（201）与正高压电压电板（202）脱离，并进入环形发射极系统（200）前侧的下方的发射极清洗装置（300）进行清洗；之后发射极（201）通过环形发射极系统（200）下方的发射极干燥装置（400）干燥后，重新回到环形发射极系统（200）的入口处，等待接收加液装置（100）的加液。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的加液装置（100）包含储液盒（101）、直线模组（102）、点胶枪（103）、点胶枪控制系统（104）；直线模组（102）平行于发射极（201），垂直与环形发射极（200）运动方向放置；点胶枪（103）位于直线模组（102）上，可以随着直线模组（102）移动；点胶枪（103）的进液口与外部的储液盒（101）相连；点胶枪（103）的出液量受点胶枪控制系统（104）控制。

3.根据权利要求2所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的点胶枪（103）在点胶枪控制系统（104）和直线模组（102）的协同作用下，能够将纺丝液涂覆在发射极（201）的指定位置上。

4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的环形发射极系统（200）包含若干发射极（201）、正高压电压电板（202）、两条环形绝缘传动带（203）、传动带主动辊（204）、传动带被动辊（205）、传动带电机与减速器（206）、传动带电机联轴器（207）；两条环形绝缘传动带（203）布于传动带主动辊（204）和传动带被动辊（205）之间，分别位于传动带主动辊（204）和传动带被动辊（205）的两端；发射极（201）垂直于环形绝缘传动带（203）的传动方向，均布于两条环形绝缘传动带（203）之间；发射极（201）在传动带电机与减速器（206）、传动带电机联轴器（207）的带动下做环形运动；正高压电压电板（202）与外部的正高压电源相连，安置于一条环形绝缘传动带（203）的上方，与环形发射极系统（200）的入口有300mm的距离，并与环形绝缘传动带（203）上的发射极（201）接触。

5.根据权利要求4所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的均布于环形绝缘传动带（203）上发射极（201）之间的距离为50mm–400mm。

6.根据权利要求4或5所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的发射极（201）的材质为不锈钢、钼、铝合金或铜；其形状为横截面是长方形、正方形、三角形或半圆形的条状物；其表面可以是光滑的，或修饰有凸起点，凹陷点以增加局部电场强度。

7.根据权利要求4或5或6中任一所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的发射极（201）环形运动的平均线速度为0.01m/s–0.5m/s；并且当发射极（201）运动到点胶枪（103）出口下方时，会停顿1s–5s，让点胶枪（103）完成对发射极（201）上液的工作。

8.根据权利要求1所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的发射极清洗装置（300）位于环形发射极系统（200）的下方，包含清洗槽（301）、清洗液、清洗刷头（303）、清洗驱动电机与减速器（304）、清洗电机联轴器（305）；清洗刷头（303）安置于灌有清洗液的清洗槽（301）中；清洗刷头（303）的下半部浸没于清洗液中，上半部与发射极（201）接触；在清洗驱动电机与减速器（304）和清洗电机联轴器（305）的带动下，清洗刷头（303）对经过静电纺丝后，在发射极（201）上残留的纺丝液进行清理。

9.根据权利要求1所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的发射极干燥装置（400）是热风装置，位于环形发射极系统（200）的下方，在发射极清洗装置（300）之后；发射极干燥装置（400）产生的热风温度为40–80℃，风速为1m/s–10m/s。

10.根据权利要求1所述的一种静电纺丝发射极，其特征在于，所述的加液装置（100）、环形发射极系统（200）、发射极清洗装置（300）、和发射极干燥装置（400）位于静电纺丝系统中的放卷装置（600）和收卷装置（700）之间，位于纺丝接收极（500）的下方；基材经过放卷装置（600）的主动放卷辊（602）开卷后，经过放卷导向辊（601），在纺丝接收极（500）的下方，接收到由发射极（201）发射出的静电纺丝液束（208）所形成的纳米纤维，之后经过收卷导向辊（701）后，收卷在收卷装置（700）的主动收卷辊（702）上。

Images