CN114657649A - 一种静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝装置，其包括：纺丝电极，其在与所述基材的第一表面相同的一侧处与所述基材的第一表面间隔开地设置在纺丝溶液盒中；接收极，其在与所述基材的第二表面相同的一侧处与所述基材的第二表面间隔开地设置，其中所述接收极的极性设置成与所述纺丝电极的极性相反，由此在纺丝过程中通过所述纺丝电极以及所述接收极之间的电场使得丝状物沉积在所述基材的第一表面上，其中，在所述基材的行进方向上位于所述纺丝电极和所述接收极的上游的位置处，所述静电纺丝装置设置有预处理装置，通过所述预处理装置，所述基材的第一表面在进入由所述纺丝电极以及所述接收极形成的电场之前将带有与所述纺丝电极的极性相反的电荷。

Description

一种静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝为使用电荷从液体中抽极细(一般在微米或纳米大小) 纤维的过程。静电纺丝主要为在一滴液体上施加足够高的电压后该液 体滴上会形成静电，电荷之间的力抵消液体的表面张力，使得液滴拉 长，在电压超过一个阈值后液体会破射出液滴，此流出的点为泰勒锥， 随后在电场的作用下在适当调节液体分子间的粘合力的情况下将形成 射流，由此进行静电纺丝。早期1934年在美国专利US1975504中 Formhals公开了一种静电纺丝的方法，该方法设备简单、操作方便、 适用于多种聚合物材料，是目前连续制备纳米纤维的主要方法。典型 静电纺丝装置，主要包括注射泵、高压电源、喷丝头、收集装置等。 其中注射泵用于供给纺丝溶液，保证纺丝过程溶液供应的连续性；高 压电源用于连接喷丝头和收集装置，启动高压电源后，喷丝头和收集 装置之间就会产生强电场；当电源电压不断增大时，喷丝头尖端处液 滴所带的电荷量增大，电荷之间的排斥加强，液滴表面会产生波动和 变形，聚合物会在喷丝头末端形成泰勒锥；当电压增大到临界值时， 液体就会克服表面张力在锥尖形成射流，射流经过拉伸、溶剂挥发和 固化后，最后在收集装置上沉积得到纳米级别的固态纤维。

在静电纺丝法中，静电场对于生产效率以及产品质量是非常重要 的一个因素，因此，期望对静电纺丝法中的静电场以及与静电场相关 的其他方面进行进一步的优化和改进以期能够持续提高生产效率或者 改善产品质量。

发明内容

本发明公开了一种静电纺丝装置，所述静电纺丝装置用于在基材 上进行静电纺丝，其中所述基材包括在第一方向上相对的第一表面和 第二表面，所述第一方向与所述基材的行进方向和横向方向相垂直， 所述静电纺丝装置包括：纺丝电极，在所述第一方向上，所述纺丝电 极在与所述基材的第一表面相同的一侧处与所述基材的第一表面间隔 开地设置在纺丝溶液盒中；接收极，在所述第一方向上，所述接收极 在与所述基材的第二表面相同的一侧处与所述基材的第二表面间隔开 地设置，其中所述接收极的极性设置成与所述纺丝电极的极性相反， 由此在纺丝过程中通过所述纺丝电极以及所述接收极之间的电场使得 丝状物沉积在所述基材的第一表面上，其中，在所述基材的行进方向 上位于所述纺丝电极和所述接收极的上游的位置处，所述静电纺丝装 置设置有预处理装置，通过所述预处理装置，所述基材的第一表面在 进入由所述纺丝电极以及所述接收极形成的电场之前将带有与所述纺 丝电极的极性相反的电荷。

根据本发明的一个或多个实施例，所述预处理装置设置有附加电 极，所述附加电极的极性设置成与所述纺丝电极的极性相反，并且所 述附加电极与所述基材相接触。

根据本发明的一个或多个实施例，所述预处理装置设置有辅助发 射电极和辅助接收电极，所述辅助发射电极在与所述基材的第一表面 相同的一侧处与所述基材的第一表面间隔开地设置并且极性设置成与 所述纺丝电极的极性相同，所述辅助接收电极在与所述基材的第二表 面相同的一侧处与所述基材的第二表面间隔开地设置并且极性设置成与所述纺丝电极的极性相反。

根据本发明的一个或多个实施例，所述接收极形成为在所述第一 方向上，所述接收极的位于所述基材的横向方向上的端部部分处与所 述纺丝电极的对应部分之间的距离大于所述接收极的位于所述基材的 横向方向上的中间部分处与所述纺丝电极的对应部分之间的距离。

根据本发明的一个或多个实施例，所述接收极在所述基材的横向 方向上的端部部分处的外周尺寸朝向所述接收极的位于所述端部部分 之间的中间部分的外周尺寸逐渐增大。

根据本发明的一个或多个实施例，所述接收极形成为由丝线形成 的中空的封闭体。

根据本发明的一个或多个实施例，所述接收极形成为在所述基材 的行进方向上，所述接收极的位于所述基材的横向方向上的端部部分 处与所述纺丝电极的对应部分之间的距离大于所述接收极的位于所述 基材的横向方向上的中间部分处与所述纺丝电极的对应部分之间的距 离。

根据本发明的一个或多个实施例，所述接收极由多个线状子极构 成，所述多个线状子极沿所述基材的行进方向间隔开，并且所述多个 线状子极中的每个沿所述基材的横向方向延伸。

根据本发明的一个或多个实施例，所述多个线状子级中的一个或 多个线状子级设置成弧形或倾斜的线形。

根据本发明的一个或多个实施例，所述多个线状子级当沿所述横 向方向观察时形成为依次高低交错排列、周期性高低交错排列、或者 圆弧形高低排列。

根据本发明的一个或多个实施例，所述多个线状子级当沿所述第 一方向观察时形成为相邻对称排列或居中对称排列或交叉排列。

根据本发明的一个或多个实施例，在所述第一方向上在所述接收 极的上方设置有辅助罩，当所述接收极的形状或者电压能够使得产生 电离时，所述辅助罩设置成向下吹风，当所述接收极的形状或者电压 设置成使得未产生电离时，所述辅助罩设置成向上抽风。

本发明还公开了一种采用根据如上所述的任一方面的静电纺丝装 置进行静电纺丝的方法，所述方法包括：

在所述纺丝电极和接收极之间形成静电场，使得丝状物能够从所 述纺丝电极发射并且沉积在所述基材上；

在所述基材进入所述静电场之前通过所述预处理装置使得其第一 表面带有与所述纺丝电极极性相反的电荷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:

图1为根据本发明的静电纺丝装置的第一实施例的示意图。

图2为根据本发明的静电纺丝装置的第二实施例的示意图。

图3-图6分别为本发明提供的第一实施例和/或第二实施例的静电 纺丝装置的不同形式的接收极的剖视图。

图7为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的示意图。

图8a-图8c分别为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的不 同形式的接收极的侧视图。

图9a-图9c分别为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的不 同形式的接收极的俯视图。

图10为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的接收极的剖 视图。

图11a-11d分别为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的其 他形式的接收极的示意图。

图12a-12b为根据本发明的静电纺丝装置的不同形式的辅助罩的 示意图。

图13为根据本发明的静电纺丝装置的辅助罩与接收极装配在一 起的示意图。

图14a-14b为根据本发明的静电纺丝装置的提供的纳米纤维的电 镜图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实 施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来， 并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本 公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范 围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合， 从而提供更多额外的实施例。

应当理解的是，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。 在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。

应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不 旨在限定本公开。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语) 除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/ 或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。

说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明， 均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表 示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书 使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组 合。说明书使用的用辞“在X和Y之间”和“在大约X和Y之间” 应当解释为包括X和Y。本说明书使用的用辞“在大约X和Y之间” 的意思是“在大约X和大约Y之间”，并且本说明书使用的用辞“从 大约X至Y”的意思是“从大约X至大约Y”。

在说明书中，称一个元件位于另一元件“上”、“附接”至另一元 件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、或“接触”另一元件 等时，该元件可以直接位于另一元件上、附接至另一元件、连接至另 一元件、联接至另一元件或接触另一元件，或者可以存在中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“上”、“直接附接” 至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件或、 或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书中，一个 特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠 的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。

在说明书中，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、 “低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关 系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还 包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时， 原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征 的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)， 此时将相应地解释相对空间关系。

图1为根据本发明的静电纺丝装置的第一实施例的示意图。所述 静电纺丝装置可以为采用滚筒静电纺丝法的静电纺丝装置，但是本公 开不限于此，而是可以为其他类型的静电纺丝装置，例如气泡静电纺 丝法、线圈缠绕式纺丝法、螺旋线圈纺丝法等。

如图1所示，根据本发明的静电纺丝装置用于在基材9上进行静 电纺丝，基材9在纺丝过程中沿行进方向被传送(图1中为向右方向)， 基材9包括在第一方向上相对的第一表面和第二表面。在本示例性实 施例中，第一方向为竖直方向，第一表面为下表面，并且第二表面为 上表面。

此外，根据本发明的静电纺丝装置还包括纺丝电极6和接收极1， 所述纺丝电极6和接收极1设置在基材的两侧处，也即基材9位于纺 丝电极6和接收极1之间。在所述纺丝电极6和接收极1之间形成纺 丝电场。所述纺丝电极6在竖直方向上位于基材9下方(也即与基材 9的下表面相同的一侧处)，并且与基材9的下表面间隔开地设置。纺 丝电极6浸在纺丝溶液盒7中，并且在电机(未示出)的驱动下，纺 丝电极6能够不停旋转以将纺丝溶液盒底部的浆料带动到纺丝电极6 的顶端。本示例性实施例中，纺丝电极6为圆柱形金属滚筒的形式， 但应当理解，其也能够设置成例如或金属螺旋线圈，或金属螺杆，或 串连金属球。所述接收极1在竖直方向上位于基材9的上方(也即与 基材9的上表面相同的一侧处)，并且与基材9的上表面间隔开地设置。 关于接收极的形状和构造随后将进行更详细的描述。

纺丝电极6和接收极1分别连接到极性相反的电压。在本示例性 实施例中，纺丝电极6连接到正高压电源，接收极1连接到负高压电 源3。区别于接收极接地，本示例性实施例中将纺丝电极连接到正高 压电源4并且将接收极连接到负高压电源3能够有效改善纺丝电场， 减少纺丝过程中的飞丝现象。这是因为在接收极接地的情况下，在纺 丝电场建立后，未纺丝前，正电极处会产生正电荷，基材靠近正电极 侧的下表面会产生负电荷，当纺丝开始后，正电极顶端溶液在电场力 下向基材拉伸成纳米纤维，纳米纤维带正电荷，受到负电荷吸引，落 在基材上，当纺丝量加大时，基材的下表面的正电荷增多，如果接收 极接地，无法即时向基材的下表面补充负电荷，基材的下表面可能会 形成正电场，后续带正电的电荷受到基材的下表面的正电场的排斥， 会产生飞丝现象。而在本示例性实施例中，当接收极为负极时，基材 靠近接收极侧的上表面为正电荷，为下表面不断补充负电荷，从而消 除电场排斥导致的飞丝现象，负高压电压值的设定与纳米纤维产生的 量有对应关系。本发明与传统接收极接地相比，可以在基材接收纳米 纤维时，电场更加集中，纺丝过程稳定，减少飞丝，提高纺丝效率和 质量。

根据本发明的静电纺丝装置还包括预处理装置，所述预处理装置 使得基材的下表面在进入由所述纺丝电极以及所述接收极形成的纺丝 电场之前将带有与所述纺丝电极的极性相反的电荷。在本示例性实施 例中，所述预处理装置设置成辅助发射电极5，所述辅助发射电极5 的极性与所述纺丝电极6的极性相反，也即在本实施例中所述辅助发 射电极5的极性为负。所述辅助发射电极5与基材的下表面相接触， 使得所述基材在进入纺丝电场之前即带有负电荷。与如上所述的接收 极1连接到负高压电源相结合，能够进一步避免在纺丝过程中随着纺 丝的进行基材的下表面积累的正电荷逐渐增多的情况，能够持续保证基材的下表面带有与纺丝电极极性相反的电荷，保证纺丝过程的稳定 和顺利进行，提高纺丝效率和质量。所述辅助发射电极5与基材相接 触不仅使得基材的下表面在进入纺丝电场之前带有负电荷，并且在纺 丝过程中正电荷逐渐积累在基材的下表面上的过程中也能够为基材持 续提供负电荷以便抵消正电荷的影响。

根据本发明的静电纺丝装置还包括自动控制系统11。在本示例性 实施例中，所述自动控制系统11连接到负高压电源3，用于调节负高 压电源3的电压数据。根据本公开的一个或多个实施例，自动控制系 统将负高压电源的电压控制成使得基材通过纺丝电场之后大体呈中 性，例如在负高压电源能够产生尖端放电的情况下，朝向向下方向沉 积到基材上的击穿空气产生的负电子与朝向向上方向沉积到基材上的 纺丝溶液的正电子相互中和。

此外，所述自动控制系统11也可以构造成连接到辅助发射电极5 和正高压电源4(本实施例中未示出)，用于分别调节辅助发射电极5 和正高压电源4的电压。根据此实施例，自动控制系统11能够进一步 优化整个系统的电压状况，从而优化电场。

在纺丝过程中，持续保证基材的下表面具有合适数量的负电荷以 便进行稳定的纺丝是重要的，在本示例性实施例中，通过将接收极1 连接到负高压电源3以及将辅助发射电极5与基材进行接触来使得基 材的下表面具有稳定数量的负电荷。此外，在纺丝过程中，虽然负高 压电源的电压越高，纺丝效果越好，但也会导致对于设备的成本和稳 定性以及生产的成本等要求等越来越高。并且，虽然在纺丝过程中基 材的下表面具有合适数量的负电荷是有利的，但同时期望当纺丝结束 时，基材整体能够尽量成中性以便于后期进一步的处理。因此，优选 地期望对于辅助发射电极、纺丝电极以及接收极的极性进行统一的控制，使得不仅能够保证纺丝过程中基材的下表面具有稳定数量的负电 荷，同时在纺丝结束时基材尽量整体成中性。

因此，本发明的静电纺丝装置设置了自动控制系统11，所述自动 控制系统11连接到电荷量检测装置8，所述电荷量检测装置8能够在 基材完成纺丝后检测基材的表面中剩余的电荷量，并且基于检测到的 电荷量而对辅助发射电极、纺丝电极以及接收极的电压大小进行调节。 此外，所述自动控制系统11可以连接到例如高速照相机等检测设备， 所述高速照相机等检测设备可以用于检测和判断是否发生飞丝现象， 并且基于检测到的是否发生飞丝现象而对辅助发射电极、纺丝电极以 及接收极的电压大小进行调节。在本示例性实施例中，所述自动控制 系统对于辅助发射电极、纺丝电极以及接收极的电压大小的调节在预 定范围内进行，所述预定范围由工作人员在调试过程中基于进一步详 细的检测而确定，例如，基于对于纺丝产量的检测，基于对纺丝产生 的纤维的SEM检测等，通过此进一步详细的检测，为辅助发射电极、 纺丝电极以及接收极的电压大小预先设定的可接受范围，并且此后自 动检测系统基于生产过程中的检测而对电压大小进行进一步的动态调 节。

图2为根据本发明的静电纺丝装置的第二实施例的示意图。本实 施例与第一实施例的不同之处在于预处理装置的构造。其它构造(例 如纺丝电极和接收极等的构造)与第一实施例的构造相同。在下文中， 与第一实施例基本相同的部件将被赋予相同的附图标记，其具有与第 一实施例的结构和效果相同的结构和效果，因此将省略其描述。

在第二实施例中，所述预处理装置除辅助发射电极5之外还包括 辅助接收电极10，并且与第一实施例不同，所述辅助发射电极5并不 与基材相接触，而是通过辅助发射电极5和辅助接收电极10形成预处 理电场。在本实施例中，辅助发射电极5的极性设置成与纺丝电极6 的极性相同，辅助接收电极10的极性设置成与接收极1的极性相同， 也即纺丝电场和预处理电场极性类似。基材在进入纺丝电场之前首先 通过预处理电场，使得基材的下表面将带有负电荷，而基材的上表面 将带有正电荷，随后基材在此状态下通过预处理电场，并且由于基材 的下表面已经预先带有负电荷，将更加有利于纺丝过程的进行，并且 减少飞丝现象的发生。因此，能够获得与第一实施例类似的效果。在 本示例性实施例中，，辅助发射电极5到基材的距离可以设置成 5mm-100mm，辅助接收电极10到基材的距离可以设置成 5mm-100mm，通过形成的高压电场，使接收基材下表面产生相反极 性的电荷。

此外，在本示例性实施例中，由于辅助发射电极5并不与基材接 触，而是通过静电场在基材的下表面中产生感应电荷，因此基材本身 并未被赋予相应的电荷。在接收极的形状设置成未电离空气的情况下 (随后将针对此进行详细描述)，基材本身将仅从外界接收纺丝溶液携 带的正电荷，因此，在纺丝结束后，基材整体将成正极性。此时，可 以在电荷量检测装置8和接收极1之间在片材的行进路径上设置电荷 消除装置(例如离子风棒等)。

还能够想到，在第二实施例中，不仅在辅助发射电极5和辅助接 收电极10形成预处理电场，辅助接收电极10的形状以及电压设置成 使得能够电离空气，并且电离后的负离子将在电场力的作用下飞向基 材，使得不仅基材的下表面感应出负电荷，基材整体也将成负极性。 通过此种设置，能够进一步改善基材进入纺丝电场后基材的下表面的 负电荷的分布，使得能够更有利于纺丝过程的进行。

图3-图6分别为本发明提供的第一实施例和/或第二实施例的静电 纺丝装置的不同形式的接收极的剖视图。

在纺丝过程中，纺丝电场的均匀性对于纺丝过程是至关重要的， 而纺丝电极由于其边缘效应导致其中间部分处的电场更为均匀，而两 端处的电场更强，导致整体电场均匀性受到影响。在本公开中，通过 设置接收极的形状以及接收极与纺丝电极的相对位置来优化电场。具 体地，在本公开中，通过对接收极的形状进行设置以使得接收极的端 部部分处与纺丝电极的对应部分之间的距离大于接收极的中间部分处 与纺丝电极的对应部分之间的距离。随着距离的增大，电场的强度将 会逐渐减弱，因此使得接收极与纺丝电极之间的整体电场的均匀性增 加。也即，通过增大接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间的距离来减弱接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间的电场 强度。本公开中，上述距离可以是沿基材的行进方向上的距离，也可 以是竖直方向上的距离。应当想到，距离也可以是沿其他方向的距离， 只要使得接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间形成的电场 强度减弱以更接近接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部分之间形 成的电场强度即可。

图3示出的第一实施例和/或第二实施例的接收极为梭型结构。所 述梭型结构的纵向方向与基材的横向方向平行，也即与所述基材的行 进方向相垂直。此外，所述梭型结构的纵向方向上的长度与所述基材 的横向方向上的宽度大致相同。所述梭型结构形成为使得外周尺寸从 接收极在纵向方向上的两个端部部分处朝向接收极在纵向方向上的中间部分逐渐增加。在本示例性实施例中，所述梭型结构的最大外径(也 即接收极在纵向方向上的中间部分处的外周尺寸)可以设置为 10-60mm，最小外径(也即接收极在纵向方向上的两个端部部分处的 外周尺寸)可以设置为3mm-10mm，长度可以设置为300mm-2000mm。

图4示出了处于另一种结构的第一实施例和/或第二实施例的接收 极。与图3中的梭型结构的区别在于，其纵向方向上的中间部分处设 置成圆柱形，而纵向方向上的端部侧处设置成截头圆锥形状。本示例 性实施例中，接收的最大外径(也即圆柱体的外径)可以设置为 10-60mm，最小外径(也即截头圆锥在纵向方向上位于外侧的端部部 分的外周尺寸)可以设置为3mm-10mm，长度可以设置为 300-2000mm。

可以看出，图3和图4的梭型结构均将沿纵向方向的端部部分处 的外周尺寸设置成小于中间部分处的外周尺寸。其优点即在于能够进 一步优化电场，使得纺丝过程更加均匀稳定。如上所示，这是因为将 接收极的端部部分处的外周尺寸减小，在竖直方向上，接收极的端部 部分处与纺丝电极的对应部分之间形成的电场强度能够被减弱以更接 近接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部分之间形成的电场强度。

图5为示出了处于又一种结构的第一实施例和/或第二实施例的接 收极。图5中的接收极可以设置成由线形成的封闭体，也即其内部为 空。所述封闭体可以为大体长方形或大体梭型或者其他形状。图5中 的梭型封闭体可以看做由四条边构成，也即两条对称的长边和两条对 称的短边。所述梭型封闭体的长边的延伸方向(也称为纵向方向)与 基材的横向方向平行，也即垂直于基材的行进方向。

在本示例性实施例中，所述封闭体并未形成为位于同一平面内的 平面形状，也即所述长边和短边并未位于同一平面内，而是长边设置 成类似弧形或者弯曲的使得当所述接收极位于基材上方时，所述短边 在竖直方向上与所述基材的第二表面的距离大于所述长边在纵向方向 上的中间部分处与所述基材的第二表面的距离。也即，所述封闭体形 成为两端向上翘起、中间凹陷的形状。通过两端向上翘起，使得两端 处与基材的第二表面的距离增大，使得也能起到减弱接收极的端部部 分处的电场的作用。因此能够获得与图3和图4的实施例大致相同的 效果。在本示例性实施例中，梭型封闭体的最大宽度(长边的中心之 间沿片材的行进方向的距离)可以设置为10-60mm，最小宽度(也即 短边的长度)可以设置为3-10mm，线径可以设置为0.2mm-5mm，长 度(也即短边之间沿纵向方向的距离)可以设置为300mm-2000mm， 接收极与基材的最小距离可以设置为0-100mm。

图6为示出了处于又一种结构的第一实施例和/或第二实施例的接 收极。图6中接收极的两端设置有绝缘体。所述绝缘体设置成大概帽 状，并且设置成覆盖接收极的两端。本示例性实施例中，在基材的宽 度改变的情况下，通过改变绝缘体覆盖接收极的两端的长度，使得能 够改变接收极产生的电场的长度，从而与基材的宽度相匹配。此外， 通过设置绝缘体，也能够减弱边缘效应的存在，即将接收极的中间部 分处与纺丝电极的对应部分之间的更均匀的纺丝电场保留，将接收极 的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间更强的纺丝电场屏蔽。

应当理解，在第一实施例和/或第二实施例，接收极的数量可以根 据需要如图1所示设置成多个，并且接收极之间的间距也能够根据需 要进行合适的更改。此外，不仅接收极的数量可以进行设置，也能够 根据需要将多个静电纺丝装置串联使用，例如串联一级到五级。也即， 在基材通过一个静电纺丝装置之后继续行进通过一个或多个静电纺丝 装置。

图7为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的示意图。本实 施例与第二实施例的不同之处在于接收极的构造。其它构造与第二实 施例的构造相同。在下文中，与第二实施例基本相同的部件将被赋予 相同的附图标记，其具有与第二实施例的结构和效果相同的结构和效 果，因此将省略其描述。

与第一实施例和/或第二实施例中设置成单个块体的接收极不同， 本示例性实施例中的接收极由多根独立的线材构成，并且其形状和结 构将如下进行详细描述。

图8a-图8c分别为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的不 同形式的接收极的侧视图。如图8a所示，当接收极由多根独立的线材 构成时，多根线材的排列方式可以依次高低排列，较低一排接收极到 基材距离为0-50mm，两排接收极间距为5-50mm。如图8b所示，多 根线材的排列方式还可以设置成到基材距离为周期性高低交错排列， 较低一排接收极到基材距离为0-50mm，两排接收极间距为5-50mm， 高低周期间隔数量为1-5个。此外，如图8c所示，多根线材的排列方 式还可以设置成圆弧形高低排列,最低位置到接收基材距离为 0-50mm。通过将接收极形成为高低排列，例如能够将一根或多根电极 设置成与基材接触，从而使得基材也能够持续带有负电，能够抵消飞 向基材的下表面的纺丝溶液所携带的正电荷，避免正电荷积聚在下表 面导致飞丝的产生。

图9a-图9c分别为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的不 同形式的接收极的俯视图。如前针对第二实施例的接收极的形状进行 的描述，为了使得接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间形 成的电场强度减弱以更接近接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部 分之间形成的电场强度，接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分 之间的距离大于接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部分之间的距 离。在前述图3-图5的实施例中，所述距离为沿竖直方向的距离，而 在图9a-图9c的实施例中，所述距离设置成沿基材的行进方向上的距 离。也即，在图9a-图9b中，单根线材设置成弯曲的弧形，使得在基材的行进方向上，接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间的 距离大于接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部分之间的距离。而 在图9c中，单根线材虽然设置成直线，但是沿基材的行进方向倾斜， 同样使得在基材的行进方向上，接收极的端部部分处与纺丝电极的对 应部分之间的距离大于接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部分之 间的距离。

如图9a-图9c所示，俯视图中，多根线材的排列方式可以分别设 置成相邻对称排列、居中对称排列、交叉排列等。

在此实施例中，纺丝电极的数量可以设置成一根或多根。例如， 纺丝电极的数量可以设置成与图9a-9c中所示的接收极的根数相对应。 通过图9a-图9c中的构造，也能够改善电场。

图10为根据本发明的静电纺丝装置的第三实施例的接收极的剖 视图。可以看出，第三实施例中构成接收极的线材的剖视图并非仅为 圆形(也即由圆柱体线材形成)，而是还可以设置成矩形、V型、三角 形等。在圆形的情况下，线材的直径范围可以设置成0.2-5mm。在矩 形的情况下，线材的尺寸可以设置成宽3-50mm、厚0.2-5mm。在V 型的情况下，线材的尺寸可以设置成宽度10-50mm、厚度5mm-30mm、 槽深3-40mm。在三角形的情况下，线材的尺寸可以设置成宽 10-50mm、厚2-30mm。

本公开中，通过对接收极的形状以及接收极与纺丝电极之间的位 置关系进行设置，使得能够改善电场，在图3-图6、图8a-8c、图9a-9c、 中分别描述了不同的接收极，应当理解，上述接收极的不同形式能够 相互任意组合。例如，图8a-图8c中的接收极并非仅能够设置成线状 电极，其也能够替换成图3-图5中示出的接收极，例如梭型电极。例 如，图9a-图9c中的接收极也能够替换成图3-图5中示出的接收极， 例如梭型电极，在这种情况下，不仅沿基材的行进方向上而且沿竖直 方向上，接收极的端部部分处与纺丝电极的对应部分之间形成的电场 强度均减弱以更接近接收极的中间部分处与纺丝电极的对应部分之间形成的电场强度。

在上述实施例中，通过对接收极的形状以及接收极与纺丝电极之 间的位置关系进行设置，使得能够改善电场。在接收极设置成多根电 极的情况下，本公开不限于此，并且能够通过对多根电极的电压进行 独立控制来进一步优化电场。具体地，多根电极并非设置成同一电压， 而是在负高压电源和接收极之间设置附加控制器(也可以省略附加控 制器而通过自动控制系统来控制)，使得附加控制器能够独立控制多根 电极的电压。

此外，在图7的第三实施例中，多根彼此独立的线材通过位于其 上方的固定件(在本示例性实施例中)进行固定。可以针对此结构进 行进一步修改，也即，将多根彼此独立的线材整体进行设置，如图 11a-11d所示。图11a-11d分别为根据本发明的静电纺丝装置的第三实 施例的其他形式的接收极的示意图。图11a-11d中接收极的长边方向 为基材的行进方向。在第三实施例中，所述接收极形成一个整体块， 并且在整体块的下端形成多个凸起，所述多个凸起用作如前述实施例 中的单根线材。

图11a中接收极设置成一个整体，在所述整体接收极的下端处设 置锯齿状结构，单个锯齿状结构可以看做单根线材。图11a中示出的 底端锯齿为三角形。图11b中示出的底端锯齿为中间开槽的梯形。图 11c中示出的底端锯齿为圆弧形。在图11a-11c的实施例中，齿高可以 设置成1mm-40mm。此外，图11d中整体接收极的下端处可以设置成 带针尖，针直径可以设置成0.5-5mm，高度可以设置成5-30mm，间 距可以设置成5mm-30mm。

在图11a-11d的实施例中，整体接收极的下端处的构造均匀对称 设置，高度一致且均匀排列。但应当理解，整体接收极的下端处的构 造也可以非均匀对称设置。

图11a-图11d中，接收极的下端处形成多个凸起，所述凸起用作 线材，在本实施例中，所述多个凸起整体设置，并且电压设置成相同。 然而，本公开不限于此，可以想到，在接收极的多个凸起和负高压电 源之间设置附加控制器(也可以省略附加控制器而通过自动控制系统 来控制)，使得附加控制器能够独立控制多根电极的电压。例如，根据 需要，将端部部分处的凸起的电压设置成低于位于中间部分处的凸起 的电压，使得也能够减弱边缘效应。

图12a-12b以及图13示出了根据本发明的静电纺丝装置的不同形 式的辅助罩12的示意图，其中图13还示出了辅助罩和接收极的装配 图。所述辅助罩12在竖直方向上设置在接收极的上方，并且取决于接 收极的形状和电压而进行吹气或吸气。

在第一实施例至第三实施例中的接收极的形状以及电压设置成使 得产生空气的电离的情况下，所述辅助罩构造成进行吹气，也即图 12a-12b以及图13中示出的情况，通过吹气能够将电离产生的离子风 加速吹向基材的上表面，使得负电荷能够更快地补充到基材的上表面， 更好地中和沉积在基材上的纤维所携带的正电荷，并且通过增加空气 流动提高溶剂的挥发速度。

在第一实施例至第三实施例中的接收极的形状以及电压设置成使 得不产生空气的电离的情况下，所述辅助罩构造成吸气(未示出)，吸 气方向与图12a-12b以及图13中的箭头所示方向相反。通过吸气，能 够加速从纺丝电极产生的纤维更快地飞向基材的下表面，提高生产效 率，并且也能够通过增加空气流动提高溶剂的挥发速度。

如图12a-12b以及图13所示，辅助罩可以设置成碗形(图12a)、 U形(图12b)、T形(图13)。在所述碗形和U形构造中，气流在竖 直方向上通过位于碗形构造内部的隔板分成两股。而在T形构造中， 在接收极的长边方向(也即基材的行进方向上)设置多个竖直通道，多个竖直通道通过位于上方的共用的水平通道连接在一起。

根据本发明的静电纺丝装置的提供的纳米纤维的电镜图如图 14a-14b所示。从图14a-图14b能清楚地看出，通过本发明的静电纺 丝装置形成的纳米纤维不仅粗细均匀，而且分布也相对均匀。这是因 为通过本发明的静电纺丝装置，能够提供稳定的优良静电场，使得能 够持续进行有效的纺丝。

虽然已经描述了本公开的示范实施例，但是本领域技术人员应当 理解的是，在本质上不脱离本公开的精神和范围的情况下能够对本公 开的示范实施例进行多种变化和改变。因此，所有变化和改变均包含 在权利要求所限定的本公开的保护范围内。本公开由附加的权利要求 限定，并且这些权利要求的等同物也包含在内。

Claims (13)

1.一种静电纺丝装置，所述静电纺丝装置用于在基材上进行静电纺丝，其中所述基材包括在第一方向上相对的第一表面和第二表面，所述第一方向与所述基材的行进方向和横向方向相垂直，所述静电纺丝装置包括：

纺丝电极，在所述第一方向上，所述纺丝电极在与所述基材的第一表面相同的一侧处与所述基材的第一表面间隔开地设置；

接收极，在所述第一方向上，所述接收极在与所述基材的第二表面相同的一侧处与所述基材的第二表面间隔开地设置，其中所述接收极的极性设置成与所述纺丝电极的极性相反，由此在纺丝过程中通过所述纺丝电极以及所述接收极之间的电场使得丝状物从所述纺丝电极沉积在所述基材的第一表面上，

其中，在所述基材的行进方向上位于所述纺丝电极和所述接收极的上游的位置处，所述静电纺丝装置设置有预处理装置，通过所述预处理装置，所述基材的第一表面在进入由所述纺丝电极以及所述接收极形成的电场之前将带有与所述纺丝电极的极性相反的电荷。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其中，所述预处理装置设置有附加电极，所述附加电极的极性设置成与所述纺丝电极的极性相反，并且所述附加电极与所述基材相接触。

3.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其中，所述预处理装置设置有辅助发射电极和辅助接收电极，所述辅助发射电极在与所述基材的第一表面相同的一侧处与所述基材的第一表面间隔开地设置并且极性设置成与所述纺丝电极的极性相同，所述辅助接收电极在与所述基材的第二表面相同的一侧处与所述基材的第二表面间隔开地设置并且极性设置成与所述纺丝电极的极性相反。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述接收极形成为在所述第一方向上，所述接收极的位于所述基材的横向方向上的端部部分处与所述纺丝电极的对应部分之间的距离大于所述接收极的位于所述基材的横向方向上的中间部分处与所述纺丝电极的对应部分之间的距离。

5.根据权利要求4所述的静电纺丝装置，其中，所述接收极在所述基材的横向方向上的端部部分处的外周尺寸朝向所述接收极的位于所述端部部分之间的中间部分的外周尺寸逐渐增大。

6.根据权利要求4所述的静电纺丝装置，其中，所述接收极形成为由丝线形成的中空的封闭体。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的静电纺丝装置，其中，所述接收极形成为在所述基材的行进方向上，所述接收极的位于所述基材的横向方向上的端部部分处与所述纺丝电极的对应部分之间的距离大于所述接收极的位于所述基材的横向方向上的中间部分处与所述纺丝电极的对应部分之间的距离。

8.根据权利要求7所述的静电纺丝装置，其中，所述接收极由多个线状子极构成，所述多个线状子极沿所述基材的行进方向间隔开，并且所述多个线状子极中的每个沿所述基材的横向方向延伸。

9.根据权利要求8所述的静电纺丝装置，其中，所述多个线状子级中的一个或多个线状子级设置成弧形或倾斜的线形。

10.根据权利要求9所述的静电纺丝装置，其中，所述多个线状子级当沿所述横向方向观察时形成为依次高低交错排列、周期性高低交错排列、或者圆弧形高低排列。

11.根据权利要求9所述的静电纺丝装置，其中，所述多个线状子级当沿所述第一方向观察时形成为相邻对称排列或居中对称排列或交叉排列。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的静电纺丝装置，其中，在所述第一方向上在所述接收极的上方设置有辅助罩，当所述接收极的形状或者电压能够使得产生电离时，所述辅助罩设置成向下吹风，当所述接收极的形状或者电压设置成使得未产生电离时，所述辅助罩设置成向上抽风。

13.一种进行静电纺丝的方法，所述方法采用根据权利要求1-12中的任一项所述的静电纺丝装置进行静电纺丝，所述方法包括：

在所述纺丝电极和接收极之间形成静电场，使得丝状物能够从所述纺丝电极发射并且沉积在所述基材上；

在所述基材进入所述静电场之前通过所述预处理装置使得其第一表面带有与所述纺丝电极极性相反的电荷。

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