CN204570100U - 一种交流静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交流静电纺丝装置，包括收集装置、交流高压发生器、供液装置、供液导管和导体管，导体管包括空心圆管和装在所述空心圆管内的导电内芯，所述交流高压发生器通过导线和导体管相连，并使所述导体管与收集装置间形成静电纺丝电场，所述供液装置通过供液导管与所述空心圆管相连，溶液在供液装置的作用下，通过供液导管输送给空心圆管。本装置结合无针电纺不易堵塞和有针电纺的纺丝电压阀值较低的优点，以带有导电内芯的大内径导体管代替传统毛细管作为纺丝喷头，管内空心部分具有同轴导电的导电内芯，使得空心圆管管口处电场强度加强，而且喷丝孔径大，从而既不容易堵塞，又可降低纺丝电压阀值，还可以极大地提高生产效率。

Description

一种交流静电纺丝装置

技术领域

本实用新型用于静电纺丝技术领域，特别是涉及一种交流静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝是制造连续纳米纤维最有效和最直接的方法之一，所得纳米纤维具有优良的特性，应用广泛，得到了大量研究。然而传统单针头静电纺丝的生产效率很低，多针头静电纺丝的产量虽有所提高，但设备结构复杂，电场干扰影响很大。

并且传统方法均采用直流静电场拉伸纺丝的原理，在直流电场的作用下，由于受到静电场力的作用，静电场将电荷引到液体表面，相反电荷的积累产生出表面张力的反作用力。随着直流电场场强的不断增加，在针头处形成的半球形的溶液渐渐地被拉长，最终形成锥形，被称为泰勒锥，当电场力超过特定阀值，溶液将克服表面张力时，形成射流。然而，随着纺丝时间的积累，收集器表面的纤维薄膜变厚，将对电场分布产生影响，从而影响泰勒锥的形成和纺丝的持续时间，降低了纺丝效率。

另一方面，传统静电纺丝，当针头直径过大时，会造成液滴自由表面面积大，形成泰勒锥和射流困难，故多采用毛细管等小直径喷头作为纺丝针头，从而都有严重的针头堵塞问题，且生产效率低下，很大程度上制约了静电纺丝的快速发展和工业化应用。

无针头静电纺丝不使用任何针头，当电场强度超过临界值时，大量射流直接从开放的自由液面形成，避免了针头堵塞的缺陷，极大地提高了纺丝效率和纤维产量，为静电纺丝产业化提供了可行的途径。但是，普通自由液面无针头电纺要求高电压，形成纺丝射流的电压阀值高，现有技术多采用加入附加扰动的方式降低电压阀值，如气泡电纺、磁流体扰动、针尖诱导等。但是，上述方法往往需要附加装置，设备的结构复杂，且生产效率仍然有待提高。且直流无针头电纺由于溶液带同种电荷，内部产生的排斥库仑力导致液面在短时间破裂，但是射流不可控地从多个方向喷射而出，给收集带来一定困难。

目前，世界上有些研究者的结果已经使静电纺丝初步从实验室走向了应用的阶段，比较有代表性的是捷克利贝雷茨技术大学与爱勒马可（ELMARCO）公司合作生产的纳米纤维纺丝机“纳米蜘蛛”，其制备的纳米纤维毡已经初步进入了商业应用阶段，该纺丝机消除了喷丝头的限制，提高了静电纺丝的生产效率；但是该技术还没有十分完善，它对纺丝液的要求苛刻，静电纺丝所需要的电场强度很大；它还需要有真空装置和吹风装置等辅助系统来完成纺丝过程；该纺丝装置结构比较复杂，纺丝工艺要求高，而且圆筒上的薄膜极易越来越厚，从而影响电场分布，不易于泰勒锥的形成，影响了纺丝的连续性和纺丝效率。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种既不容易堵塞，又可降低纺丝电压阀值，还可以极大地提高生产效率的交流静电纺丝装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流静电纺丝装置，包括收集装置、交流高压发生器、供液装置、供液导管和导体管，所述导体管包括空心圆管和装在所述空心圆管内的导电内芯，所述交流高压发生器通过导线和导体管相连，并使所述导体管与收集装置间形成静电纺丝电场，所述供液装置通过供液导管与所述空心圆管相连，溶液在供液装置的作用下，通过供液导管输送给空心圆管。

进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述空心圆管的管口形成逐渐收拢的尖嘴，所述导电内芯位于所述空心圆管的轴线上，且导电内芯的外端与所述尖嘴的端面平齐。

进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述尖嘴的口径为2mm-8mm。

进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述导体管设置多个。

进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述导体管为铜制件或不锈钢制件或铁制件或铝制件。

进一步作为本实用新型技术方案的改进，所述收集装置为接地的滚筒式收集装置。

本实用新型的有益效果：溶液在供液装置的作用下，通过供液导管输送给导体管，在高压交变电场的作用下，导体管尖嘴处的溶液表面将产生起伏波动（瑞利不稳定），加上的交流高电压超过一定阀值后，表面张力不足以维持平衡状态，从而在高压交变电场作用下破裂自发形成多股射流，在交变高压电场尖端放电产生的电晕放电作用下，进一步劈裂，在短距离内，射流在库仑力作用下加速，后又因空气阻力和电荷自身中和等原因，射流（或纤维）的速度变慢，在经过一段特定距离后，在交变高压电场产生的电子风和收集装置机械拉力的共同作用下被拉伸，最终被收集装置收集。

传统交流静电纺丝装置的设计，多认为电晕放电为有害因素而加以避免，而本装置通过适当改进，通过电晕放电和促进电子风的形成，获得了诸多有益效果：

1.本装置结合无针电纺不易堵塞和有针电纺的纺丝电压阀值较低的优点，以带有导电内芯的大内径导体管代替传统毛细管作为纺丝喷头，管内空心部分具有同轴导电的导电内芯，使得空心圆管管口处电场强度加强，而且喷丝孔径大，从而既不容易堵塞，又可降低纺丝电压阀值，还可以极大地提高生产效率；

2.以交流高压发生器代替直流电源提供纺丝电场，使纺丝射流的电荷极性以一个特定的频率变化，从而可以使射流所带电荷在离电极较短的一段距离内自身中和，从而避免了直流电纺中因为射流带同种电荷，对后续射流和纤维收集带来的影响；

3.利用交流电场进行纺丝，交替变化的电场和尖端电极放电、交变电场产生的电子风加剧了对自由液面的扰动，更有利于多射流的快速形成，可降低纺丝电压阀值，还可以提高生产效率，

4.尖端电极放电有助于纤维的进一步劈裂，从而减小纤维的直径；

5.交变电场产生的电子风有助于纳米纤维脱离电极并被收集装置收集；

6.电场交替变化，射流电性交替变化，后续射流与先喷射的射流电性不同，形成虚拟电极相互吸引，然后在电子风和收集装置机械拉力共同作用下实现可控收集，从而克服了直流无针头电纺由于溶液带同种电荷，射流不可控地从多个方向喷射而出，给收集带来的困难。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型实施例原理结构示意图；

图2是本实用新型实施例导体管结构示意图。

具体实施方式

参照图1、图2，其显示出了本实用新型之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本实用新型各元件的结构特点，而如果有描述到方向( 上、下、左、右、前及后) 时，是以图1是所示的结构为参考描述，但本实用新型的实际使用方向并不局限如此。

本实用新型提供了一种交流静电纺丝装置，包括收集装置1、交流高压发生器5、供液装置7、供液导管4和导体管，所述导体管包括空心圆管2和装在所述空心圆管2内的导电内芯3，所述收集装置1为接地的滚筒式收集装置。所述交流高压发生器5通过导线6和导体管相连，并使所述导体管与收集装置1间形成静电纺丝电场，所述供液装置7通过供液导管4与所述空心圆管2相连，溶液在供液装置7的作用下，通过供液导管4输送给空心圆管2。所述空心圆管2的管口形成逐渐收拢的尖嘴，所述尖嘴的口径为2mm-8mm。所述导电内芯3位于所述空心圆管2的轴线上，且导电内芯3的外端与所述尖嘴的端面平齐。

本装置导体管同时设置多个，采用阵列喷头形式以进一步提高效率，导体管排布方式可以是现有技术中的任何规格类型，但最好是等边三角形齿形，且纵横向密度适中。导体管材质可以是任何耐腐蚀又导电的金属材料，如铜制件或不锈钢制件或铁制件或铝制件。

溶液在供液装置7的作用下，通过供液导管4输送给导体管，在高压交变电场的作用下，导体管尖嘴产生电晕放电，并产生电子风，导体管尖嘴处的溶液表面将产生起伏波动（瑞利不稳定），加上的交流高电压超过一定阀值后，表面张力不足以维持平衡状态，从而在高压交变电场作用下破裂自发形成多股射流，在交变高压电场尖端放电产生的电晕放电作用下，进一步劈裂，在短距离内，射流在库仑力作用下加速，后又因空气阻力和电荷自身中和等原因，射流（或纤维）的速度变慢，在经过一段特定距离后，在交变高压电场产生的电子风和收集装置1机械拉力的共同作用下被拉伸，最终被收集装置1收集。

本装置可通过更换溶液材料、浓度，调节交流高压发生器的输出电压频率、幅值、波形，调节供液装置7流量、调节收集装置1转速等，来实现调整工艺参数，达到调整所制造纤维的功能、性能。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种交流静电纺丝装置，其特征在于：包括收集装置、交流高压发生器、供液装置、供液导管和导体管，所述导体管包括空心圆管和装在所述空心圆管内的导电内芯，所述交流高压发生器通过导线和导体管相连，并使所述导体管与收集装置间形成静电纺丝电场，所述供液装置通过供液导管与所述空心圆管相连，溶液在供液装置的作用下，通过供液导管输送给空心圆管。

2.根据权利要求1所述的交流静电纺丝装置，其特征在于：所述空心圆管的管口形成逐渐收拢的尖嘴，所述导电内芯位于所述空心圆管的轴线上，且导电内芯的外端与所述尖嘴的端面平齐。

3.根据权利要求2所述的交流静电纺丝装置，其特征在于：所述尖嘴的口径为2mm-8mm。

4.根据权利要求1所述的交流静电纺丝装置，其特征在于：所述导体管设置多个。

5.根据权利要求1所述的交流静电纺丝装置，其特征在于：所述导体管为铜制件或不锈钢制件或铁制件或铝制件。

6.根据权利要求1所述的交流静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置为接地的滚筒式收集装置。