CN115110160A - 一种静电纺丝装置及一种纳米纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝装置及纳米纤维的制备方法，包括喷丝头、旋风气流辅助装置和高压静电发生器；喷丝头上喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成针状结构的延伸部；旋风气流辅助装置内设环向风腔和出气孔，环向风腔内导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，环向风腔的腔壁表面连接静电发生器，与喷丝头之间形成高压电场；聚合物熔体或溶液通过针状结构的喷丝孔，在异形高压电场与涡旋气流场的作用下拉伸、收集，制备出单根纤维直径为200~2000nm的纳米纤维长丝。本发明实现了单台静电纺丝设备的溶液静电纺丝法与熔体静电纺丝法的一体化应用，纳米纤维长丝制备过程连续、稳定，减少了纳米纤维断头与毛丝现象。

Description

一种静电纺丝装置及一种纳米纤维的制备方法

技术领域

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种静电纺丝装置及一种纳米纤维的制备方法。

背景技术

静电纺丝是批量化纺制连续亚微米纤维的通用方法，其操作简单，可实施性强，制备的亚微米纤维的直径通常在100~1000nm，纤维尺度小、比表面积高，纤维形貌和组分可通过纺丝工艺和聚合物灵活选择调控，使静电纺纳米纤维成为了纤维科学与工程领域的研究热点，并广泛应用于过滤、能源、生物医学、催化、防水透湿、油水分离等领域。

单根静电纺纳米纤维的直径小，结晶度低，导致其绝对力学强力极差，远远低于化学长丝的拉伸断裂强力，因此纳米纤维在制备的过程中存在纤维均匀性低、稳定性差等突出问题，严重限制了其商业化应用，同时目前纳米纤维生产过程大多以纳米纤维薄膜、无纺布等为主，纳米纤维长丝的制备较少，静电纺丝设备熔体静电纺与溶液静电纺设备为独立两套设备，相互之间不能通用，且溶液静电纺过程中采用注射器连接多针头的方法，无过滤装置，针头易堵塞、纤维强度低、效率低等问题，使得在连续产业化、环境、医药方面的应用等受到极大限制，这限制了静电纺丝技术的工业化应用。

随着纳米技术的广泛应用，静电纺丝制备纳米纤维长丝的方法越来越受到实验研究和产业化开发的关注，专利CN204608226公开了一种熔体微分静电纺丝装置，其采用一种运用旋风气流辅助装置快速制备纳米纤维的熔体微分静电纺丝装置，该装置采用气流辅助外锥面型静电纺丝喷丝头，其对纤维有轴向牵伸效果，同时接通在空气压缩机上的旋风气流辅助装置置于带孔电极板中央产生旋风纤维落入旋风气流辅助装置中产生牵伸最终达到对纤维二次拉伸效果，但其熔体微分静电纺丝装置只能应用于聚合物熔体，不能用于溶液静电纺丝，同时纺丝装置需要使用高速垂直气流进行纳米纤维收集，高速气流导致纳米纤维断丝严重，同时纳米纤维断头多，毛丝严重。

现有技术有引入双针头静电纺丝系统制备纳米纤维纱的，也有利用双针头静电纺丝系统和加捻漏斗制备出连续且高度取向的纳米纤维纱的。此类报道中主要以溶液静电纺丝为主，纺丝头为双针头，形成纳米纤维纱线，但其针头纺丝系统容易造成溶剂挥发不完全，纳米纤维之间存在粘结并丝严重，造成收集后的纳米纤维长丝不均匀，双针头产量低，产业化能力差。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中的不足，提供了一种静电纺丝装置，集合熔融静电纺与溶液针式静电纺两者优势，静电纺丝喷丝头采用多孔外凸起式喷丝板设计，每个孔在喷丝板面都单独凸出，形成独立的仿针头式喷丝头，形成单根纳米纤维的直径更均匀，同时在大端在上且小端在下的倒圆台形环向风腔形成的稳定的涡旋气流以及表面接高压电与喷丝头形成的高压电场的作用下，通过气流缓慢、稳定、持续性的拉伸集束，最终形成直径更为均匀的纳米纤维长丝。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种静电纺丝装置，包括喷丝头、旋风气流辅助装置和高压静电发生器；

喷丝头包括主体、分配板和喷丝板，主体内设有竖直的通道，分配板和喷丝板水平固定在通道内，分配板位于喷丝板的上方且二者之间无接触，分配板上设有分配孔，喷丝板上设有喷丝孔，分配孔与喷丝孔的正投影错位排列，喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成针状结构的延伸部；本发明的喷丝头的结构类似于现有技术的熔融纺丝用喷丝头，与其主要区别在于增设了针状结构的延伸部，延伸部的作用是保证纺丝过程中能够形成泰勒锥，进而保证静电纺丝能够顺利进行；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方，且与其间距5~30cm，间距过大，纤维容易在旋风气流辅助装置与喷丝头之间受到环境影响而波动，容易形成飞丝；间距过小，单根纳米纤维离开喷丝头后未经充分拉伸就在旋风气流辅助装置中聚拢集束，导致纳米纤维细度增大；

旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的腔壁上设有多个导流板和多个出气孔，多个导流板和多个出气孔的数量都为2个以上；各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；多个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；所述多个出气孔与所述多个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30~45°，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角不能为直角，必须为锐角，以保证气流从出气孔出来后斜对着导流板，使得气流充分沿着环向风腔内部向下流动，形成涡旋气流，夹角过大，部分气流会导流板被反弹，直到90°时，气流会被全部反弹，不能生产涡旋气流，产生气流扰动；角度太小时，气流大部分不能充分的沿着导流板运动，气流旋转不充分，气流增大后形成湍流，不利于纳米纤维集束；使用本发明的装置时，可在环向风腔的小端（即底部出口）加一吸枪，辅助在环形风腔的出口形成负压区；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头接地；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头连接；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接。

与现有技术的熔体微分静电纺丝装置相比，本发明的静电纺丝装置既可以用于聚合物熔体静电纺丝，也可以用于溶液静电纺丝，主要原因是：本发明重新设计了静电纺丝装置的喷丝头的结构；

与现有技术的熔体微分静电纺丝装置相比，本发明的静电纺丝装置无需使用高速垂直气流，可避免纳米纤维被气流吹断，主要原因是：本发明的静电纺丝装置中环向风腔的腔壁表面接高压正静电或高压负静电，表面为带有正电荷或负电荷的锥形表面，喷丝头接地或接高压负静电或高压正静电，因此在喷丝头与环向风腔的底部之间会形成一种特殊的异形高压电场，具体如图3所示，异形高压电场的形成机理为：通过在环向风腔的腔壁接通高压直流电源，腔体内壁金属表面形成电荷聚集具有较高电势，喷丝头接通高压直流负电或者直接接地，因此在环向风腔的腔壁与喷丝头之间形成电场（即腔壁上产生正电荷14，喷丝头上产生负电荷15，电场线16的方向由正电荷14指向负电荷15），随着电压的升高，两者之间的电场力增大，电场线方向从环向风腔内部倒锥形金属表面开始至喷丝头结束，由于环向风腔的形状以及环向风腔与喷丝头的相对位置，两者之间形成电场的电场线非平行直线，而是从环向风腔的腔壁到喷丝头方向的异形曲线，因此在环向风腔的腔壁与喷丝头之间形成异形高压电场；一方面这种特殊的异形高压电场相对于现有技术的平行电场聚拢和牵伸作用更强，另一方面这种特殊的异形高压电场所在的区域（喷丝头与环向风腔的底部之间）不同于现有技术（喷丝头与带孔铜板之间），使得纤维受到的静电拉伸作用更充分，因此本发明的装置在实现对纤维的聚拢和牵伸的过程中可以无需借助高速垂直气流的作用。

与现有技术的双针头静电纺丝系统相比，本发明的静电纺丝装置可保证纳米纤维的均匀性较高，主要原因是：①本发明的喷丝头采用多孔外凸起式喷丝板设计，每个孔在喷丝板面都单独凸出，形成独立的仿针头式喷丝头，使得形成的单根纳米纤维的直径较为均匀；②环向风腔内能够形成稳定的涡旋气流，环向风腔的腔壁与喷丝头之间能够形成异形高压电场（形成原理见上文），涡旋气流和异形高压电场相互配合，能够缓慢、稳定、持续性地拉伸集束，进一步提升纳米纤维的直径均匀性，其中，涡旋气流的形成原理为：本发明的旋风气流辅助装置在使用时，气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流，环向风腔上端内壁设置出气孔，出气孔的出气方向与导流板的切线呈30~45°夹角，气流从出气孔出来时受到导流板的引导，顺着环向风腔内壁向底部旋转向下，多组气流同时旋转向下，逐渐汇聚，最后形成涡旋气流；本发明中形成的涡旋气流是在倒圆台形环向风腔中定向流动的，定向多孔气流，大小可控，气流更容易在环向风腔内形成稳定的涡旋气流，在环向风腔表面形成稳定的气流层，更易适宜强度较弱的纳米纤维在静电场拉伸的过程中的聚拢；本发明中的涡旋气流是通过环向风腔内的导流板引导形成，且可以通过每个出气孔调节气流量的大小，因此气流沿环向风腔的内壁逐渐形成涡旋气流比较稳定，且速度更易控制。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种静电纺丝装置，喷丝板上喷丝孔呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔错位排列。

如上所述的一种静电纺丝装置，通道呈圆柱状，直径为5~20cm；分配孔的孔径为2~10mm；分配板与喷丝板的间距为2~8mm；喷丝孔的最下端的孔径为0.1~0.3mm；延伸部的长度为1~8mm。

如上所述的一种静电纺丝装置，环向风腔的上端直径为10~80cm，下端直径为5~40cm，高度为5~50cm；上端直径根据纳米纤维制备工艺所取，如此设置可避免由于直径过大导致的上端纤维的集束变得困难，同时需要更大的进气量来保证形成涡旋气流，达到纳米纤维集束效果，也可避免由于直径过小导致的上端的有效面积变小，纳米纤维太少难以收集；下端直径与上端直径相对应，如此设置可避免直径过大导致的形成的涡旋气流角度太小，纳米聚拢效果差，集束困难，也可避免直径过小导致的下端的出气孔气流压力增大，容易将纳米纤维拉断；高度如此设置可避免由于高度过小导致的作用不明显，也可避免由于高度过大导致的环向风腔内部的行程过大，气流更容易形成湍流，不利于纳米纤维集束。

如上所述的一种静电纺丝装置，各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%~30%，如此设置可避免由于距离过小导致的纳米纤维在导流板上挂丝，也可避免由于距离过大导致的环向风腔的内部气流未完全形成涡旋气流，同时环向风腔出口容易形成气流扰动，纳米纤维难以聚拢集束；导流板的数量为4~32，如此设置既可以避免由于导流板数量过少导致的较难形成涡旋气流，又可以避免由于内部隔板过多造成环向风腔内部空间位置拥堵。

如上所述的一种静电纺丝装置，各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；

各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐减小，即导流板相对于环向风腔的腔壁凸起的高度自上而下递减，如此设计的原因在于：在环向风腔的上部，导流板相对于环向风腔的腔壁凸起的高度较大，能够对气流进行及时引导，在环向风腔的下部，涡旋气流逐渐形成，此时无需导流板继续发挥对涡旋气流的引导作用，同时环向风腔的下部直径较小，导流板相对于环向风腔的腔壁凸起的高度如果较高，将会导致环向风腔的出口的空间变小，不利于纳米纤维的收集。

如上所述的一种静电纺丝装置，各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1~5cm减小至0；螺旋凹槽在环向风腔上端具有一点的深度保证气流可以充分的沿着凹槽边缘导流板螺旋向下，形成涡旋气流，本发明设置螺旋凹槽在环向风腔上端的深度为1~5cm既可避免由于深度过大导致的纳米纤维收集过程中更容易在导流板上形成挂丝，以及环向风腔内部中间空白面积减小，不利于纳米纤维的收集，也可避免由于深度过小导致的当气流过大时，出气孔的气流容易溢过导流板，形成湍流，扰乱环向风腔内部涡旋气流的形成；螺旋凹槽的最小深度设置为0mm是因为环向风腔内部自上向下的涡旋气流已经逐渐形成，如果还存在螺旋凹槽，将使得环向风腔内部的空间变小，容易引起气流波动，不利于纤维集束。

如上所述的一种静电纺丝装置，所述多个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，所述多个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的3%~10%，如此可避免由出气口流出的气流溢过导流板到隔壁凹槽内，扰乱环向风腔内部涡旋气流的形成。

如上所述的一种静电纺丝装置，各出气孔与其对应的导流板的水平距离相同，都为1~5cm，如此可避免由于水平距离过小导致的气流较大情况下，气压高，对导流板的冲击较大，气流更容易溢过导流板，也可避免由于水平距离过大导致的气流较小情况下，气压较小，难以顺着导流板螺旋向下形成稳定的气流。

如上所述的一种静电纺丝装置，还包括纤维收集滚子，纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方。

本发明还提供一种纳米纤维的制备方法，采用如上任一项所述的一种静电纺丝装置；纳米纤维的直径为200~2000nm，变异系数CV值小于20%，连续纺丝时长不低于30min，即本发明至少能保证连续纺丝30min不断头。

有益效果：

（1）本发明的一种静电纺丝装置，由于改变传统针法静电纺丝设备喷丝针头，利用溶液静电纺单根的出丝和熔体纺丝方式，设计喷丝头出口处为仿针头结构，使聚合物在喷丝头出口处形成泰勒锥聚合物射流，实现了单台静电纺丝设备的溶液静电纺丝法与熔体静电纺丝法的一体化应用，利用环形腔体表面施加高压静电，形成涡旋气流场与异形电场，实现纳米纤维的连续牵伸、收集，减少了纳米纤维断头与毛丝现象，提高了纳米纤维的产量。

（2）本发明的一种纳米纤维的制备方法，将聚合物熔体或溶液通过喷丝头的分配板和喷丝板，在喷丝头出口处挤出形成泰勒锥聚合物射流，利用涡旋气流场与异形高压电场，实现纳米纤维在多场协同作用下的拉伸、收集，制备出单根纳米纤维直径为200~2000nm的纳米纤维长丝，为纳米纤维长丝在医用材料、过滤介质、催化剂、智能传感器、电子产品、生物制品、复合增强材料等领域等方面的应用提供材料基础和技术支撑。

附图说明

图1为本发明的喷丝头的剖视图；

图2为本发明的喷丝头的仰视图；

图3为本发明的喷丝头与环向风腔的底部之间形成的一种特殊的异形高压电场；

图4为本发明的旋风气流辅助装置的俯视图；

图5为本发明的旋风气流辅助装置的立体结构示意图；

图6为本发明的静电纺丝装置进行静电纺丝的局部示意图；

其中，1-出气孔，2-导流板，3-气流，4-主体，5-分配板，6-喷丝板，7-分配孔，8-喷丝孔，9-喷丝孔的最下端，10-延伸部，11-高压静电发生器，12-环向风腔，13-进气孔，14-正电荷，15-负电荷，16-电场线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种静电纺丝装置，如图1~2以及图4~6所示，包括喷丝头、旋风气流辅助装置、高压静电发生器11和纤维收集滚子；

喷丝头包括主体4、分配板5和喷丝板6，主体4内设有竖直的直径为5~20cm的圆柱状通道，分配板5和喷丝板6水平固定在通道内，分配板5位于喷丝板6的上方且二者之间无接触，间距为2~10mm，分配板5上设有孔径为2~8mm的分配孔7，喷丝板6上设有喷丝孔8，分配孔7与喷丝孔8的正投影错位排列，喷丝孔8的孔壁自喷丝孔的最下端9向下延伸形成长度为1~8mm的针状结构的延伸部10，喷丝孔的最下端9的孔径为0.1~0.3mm；喷丝板6上喷丝孔8呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔8错位排列；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方，且与其间距5~30cm；

旋风气流辅助装置内设环向风腔12，环向风腔12为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔12的上端直径为10~80cm，下端直径为5~40cm，高度为5~50cm；

环向风腔12的腔壁上设有4~32个导流板2和4~32个出气孔1；

各导流板2的上端与环向风腔12的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板2的下端与环向风腔12的腔壁的下端的距离为环向风腔12高度的10%~30%；

各导流板2沿环向风腔12的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板2的螺旋角度相同，每相邻两个导流板2和环向风腔12的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1~5cm减小至0；

4~32个出气孔1设置在环向风腔12的腔壁的上部；4~32个出气孔1与4~32个导流板2一一对应，各出气孔1都位于其对应的导流板2的同一侧，与其对应的导流板2的水平距离相同，都为1~5cm，各出气孔1的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板2的位置a，中心轴c与位置a处导流板2的切线的夹角为30~45°；4~32个出气孔1的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，4~32个出气孔1的出气口与各导流板2的上端的间距相同都为环向风腔12高度的3%~10%；气体经过出气孔1吹出后，顺着导流板2螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流3；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器11共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔12的腔壁表面连接，喷丝头接地；或者，高压静电发生器11共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔12的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头连接；或者，高压静电发生器11共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔12的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接。

纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方；

环向风腔12的外壁上设有进气孔13，进气孔13与出气孔1连通，进气孔13与送风装置连接。

实施例1

一种静电纺丝装置，包括喷丝头、旋风气流辅助装置、高压静电发生器和纤维收集滚子；

喷丝头包括主体、分配板和喷丝板，主体内设有竖直的直径为5cm的圆柱状通道，分配板和喷丝板水平固定在通道内，分配板位于喷丝板的上方且二者之间无接触，间距为3mm，分配板上设有孔径为2mm的分配孔，喷丝板上设有喷丝孔，分配孔与喷丝孔的正投影错位排列，喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成长度为1mm的针状结构的延伸部，喷丝孔的最下端的孔径为0.1mm；喷丝板上喷丝孔呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔错位排列；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方，且与其间距20cm；

旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为12cm，下端直径为3cm，高度为10cm；

环向风腔的腔壁上设有4个导流板和4个出气孔；

各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%；

各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，为30°，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1cm减小至0；

4个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；4个出气孔与4个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，与其对应的导流板的水平距离相同，都为1cm，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30°；4个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，4个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的3%；气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头接地；

纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方；

环向风腔的外壁上设有进气孔，进气孔与出气孔连通，进气孔与送风装置连接。

一种纳米纤维的制备方法，采用如上所述的一种静电纺丝装置，其制备方法为：

取10g聚丙烯腈原料加入100ml N’N-二甲基甲酰胺溶剂中充分溶解，形成均匀的聚合物溶液，将聚合物溶液加入喷丝头主体，聚合物溶液经过分配板在喷丝板上方均匀分布，然后通过针状结构的延伸部流出，在环向风腔表面施加70KV的高压静电形成的电场作用下，聚合物溶液在喷丝孔的针状结构的延伸部的尖端形成泰勒锥并形成射流，聚合物溶液射流在电场力作用下，进入环向风腔体内部，同时在进气孔通入6m/s的高速气流，从出气口吹出，聚合物溶液射流在环向风腔中溶剂挥发逐渐凝固的过程中，在环向气流及电场力的作用下，沿轴向拉升，收集聚拢成形成一束纳米纤维；

本发明通过在环形风腔内高压静电和气流拉伸，使制得的纳米纤维在气流场和电场的协同作用下拉伸、收集，制得的纳米纤维直径为200~1000nm，连续纺丝时长大于30min。

实施例2

一种静电纺丝装置，包括喷丝头、旋风气流辅助装置、高压静电发生器和纤维收集滚子；

喷丝头包括主体、分配板和喷丝板，主体内设有竖直的直径为20cm的圆柱状通道，分配板和喷丝板水平固定在通道内，分配板位于喷丝板的上方且二者之间无接触，间距为10mm，分配板上设有孔径为8mm的分配孔，喷丝板上设有喷丝孔，分配孔与喷丝孔的正投影错位排列，喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成长度为8mm的针状结构的延伸部，喷丝孔的最下端的孔径为0.2mm；喷丝板上喷丝孔呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔错位排列；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方，且与其间距30cm；

旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为40cm，下端直径为10cm，高度为26cm；

环向风腔的腔壁上设有12个导流板和12个出气孔；

各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的15%；

各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，为30°，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由5cm减小至0；

12个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；12个出气孔与12个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，与其对应的导流板的水平距离相同，都为1.5cm，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30°；12个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，12个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的7%；气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头连接；

纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方；

环向风腔的外壁上设有进气孔，进气孔与出气孔连通，进气孔与送风装置连接。

一种纳米纤维的制备方法，采用如上所述的一种静电纺丝装置，其制备方法为：

取20g聚丙烯腈原料加入100ml N’N-二甲基甲酰胺溶剂中充分溶解，形成均匀的聚合物溶液，将聚合物溶液加入喷丝头主体，聚合物溶液经过分配板在喷丝板上方均匀分布，然后通过针状结构延伸部的流出，在环向风腔表面施加80KV的高压静电形成的电场作用下，聚合物溶液在喷丝孔的针状结构的延伸部的尖端形成泰勒锥并形成射流，聚合物溶液射流在电场力作用下，进入环向风腔体内部，同时在进气孔通入6 m/s的高速气流，从出气口吹出，聚合物溶液射流在环向风腔中溶剂挥发逐渐凝固的过程中，在环向气流及电场力的作用下，沿轴向拉升，收集聚拢成形成一束纳米纤维；

本发明通过在环形风腔内高压静电和气流拉伸，使制得的纳米纤维在气流场和电场的协同作用下拉伸、收集，制得的纳米纤维直径为500~1200nm，连续纺丝时长大于60min。

实施例3

一种静电纺丝装置，包括喷丝头、旋风气流辅助装置、高压静电发生器和纤维收集滚子；

喷丝头包括主体、分配板和喷丝板，主体内设有竖直的直径为10cm的圆柱状通道，分配板和喷丝板水平固定在通道内，分配板位于喷丝板的上方且二者之间无接触，间距为5mm，分配板上设有孔径为4mm的分配孔，喷丝板上设有喷丝孔，分配孔与喷丝孔的正投影错位排列，喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成长度为2mm的针状结构的延伸部，喷丝孔的最下端的孔径为0.2mm；喷丝板上喷丝孔呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔错位排列；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方，且与其间距20cm；

旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为20cm，下端直径为5 cm，高度为13cm；

环向风腔的腔壁上设有8个导流板和8个出气孔；

各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%；

各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，为30°，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1cm减小至0；

8个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；8个出气孔与8个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，与其对应的导流板的水平距离相同，都为0.8cm，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30°；8个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，8个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的5%；气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接；

纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方；

环向风腔的外壁上设有进气孔，进气孔与出气孔连通，进气孔与送风装置连接。

一种纳米纤维的制备方法，采用如上所述的一种静电纺丝装置，其制备方法为：

将230℃聚丙烯熔体通入喷丝头主体，熔体经过分配板在喷丝板上方均匀分布，然后通过针状结构的延伸部流出，在环向风腔表面施加60KV的高压静电形成的电场作用下，熔体在喷丝孔的针状结构的延伸部的尖端形成泰勒锥并形成熔体射流，熔体射流在电场力作用下，进入环向风腔体内部，同时在进气孔通入6 m/s的高速气流，从出气口1吹出，熔体射流逐渐凝固，在环向气流及电场力的作用下，沿轴向拉升，同时收集聚拢成形成一束纳米纤维；

通过在环形风腔内高压静电和气流拉伸，使制得的纳米纤维在气流场和电场的协同作用下拉伸、收集，制得的纳米纤维的直径为800~2000nm，连续纺丝时长大于30min。

实施例4

一种静电纺丝装置，包括喷丝头、旋风气流辅助装置、高压静电发生器和纤维收集滚子；

喷丝头包括主体、分配板和喷丝板，主体内设有竖直的直径为15cm的圆柱状通道，分配板和喷丝板水平固定在通道内，分配板位于喷丝板的上方且二者之间无接触，间距为8mm，分配板上设有孔径为6mm的分配孔，喷丝板上设有喷丝孔，分配孔与喷丝孔的正投影错位排列，喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成长度为5mm的针状结构的延伸部，喷丝孔的最下端的孔径为0.3mm；喷丝板上喷丝孔呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔错位排列；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方，且与其间距28cm；

旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为40cm，下端直径为8cm，高度为28cm；

环向风腔的腔壁上设有16个导流板和16个出气孔；

各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%；

各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，为20°，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由2cm减小至0；

16个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；16个出气孔与16个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，与其对应的导流板的水平距离相同，都为1.5cm，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30°；16个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，16个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的10%；气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接；

纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方；

环向风腔的外壁上设有进气孔，进气孔与出气孔连通，进气孔与送风装置连接。

一种纳米纤维的制备方法，采用如上所述的一种静电纺丝装置，其制备方法为：

将230℃聚丙烯熔体通入喷丝头主体，熔体经过分配板在喷丝板上方均匀分布，然后通过针状结构的延伸部流出，在环向风腔表面施加80KV的高压静电形成的电场作用下，熔体在喷丝孔的针状结构的延伸部的尖端形成泰勒锥并形成熔体射流，熔体射流在电场力作用下，进入环向风腔体内部，同时在进气孔通入6 m/s的高速气流，从出气口吹出，熔体射流逐渐凝固，在环向气流及电场力的作用下，沿轴向拉升，同时收集聚拢成形成一束纳米纤维；

通过在环形风腔内高压静电和气流拉伸，使制得的纳米纤维在气流场和电场的协同作用下拉伸、收集，制得的纳米纤维的直径为400~1200nm，连续纺丝时长大于30min。

Claims (10)

1.一种静电纺丝装置，其特征在于，包括喷丝头、旋风气流辅助装置和高压静电发生器；

喷丝头包括主体、分配板和喷丝板，主体内设有竖直的通道，分配板和喷丝板水平固定在通道内，分配板位于喷丝板的上方且二者之间无接触，分配板上设有分配孔，喷丝板上设有喷丝孔，分配孔与喷丝孔的正投影错位排列，喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成针状结构的延伸部；

旋风气流辅助装置位于喷丝头的正下方；

旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的腔壁上设有多个导流板和多个出气孔，多个导流板和多个出气孔的数量都为2个以上；各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；多个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；所述多个出气孔与所述多个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30~45°；

喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头接地；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头连接；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，喷丝板上喷丝孔呈同心圆分布，相邻两圆上的喷丝孔错位排列。

3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，通道呈圆柱状，直径为5~20cm；分配孔的孔径为2~10mm；分配板与喷丝板的间距为2~8mm；喷丝孔的最下端的孔径为0.1~0.3mm；延伸部的长度为1~8mm。

4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，环向风腔的上端直径为10~80cm，下端直径为5~40cm，高度为5~50cm。

5.根据权利要求4所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%~30%；导流板的数量为4~32。

6.根据权利要求5所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；

各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐减小。

7.根据权利要求5所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，所述多个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，所述多个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的3%~10%。

8.根据权利要求7所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，各出气孔与其对应的导流板的水平距离相同，都为1~5cm。

9.根据权利要求1所述的一种静电纺丝装置，其特征在于，还包括纤维收集滚子，纤维收集滚子位于旋风气流辅助装置的正下方。

10.一种纳米纤维的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1~9任一项所述的一种静电纺丝装置；纳米纤维的直径为200~2000nm，变异系数CV值小于20%，连续纺丝时长不低于30min。

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