CN103088444A - 一种提高静电纺丝多射流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种可提高静电纺丝射流数量的方法及其装置。该生产方法包括以下工艺步骤：(1)制备聚合物溶液或熔体；(2)喷丝头尖端多射流形成：聚合物溶液或熔体以适当流量从贮液装置中挤出，在与高压静电发生器正极相连的喷丝头处形成液滴或熔滴。与喷丝头相对位置配置一根金属针，金属针与接收装置同侧。施加适当的电压，在静电场力的作用下，溶液或熔体在喷丝头处形成圆锥状***，即泰勒锥，当电场强度达到一定值时，有多股射流从泰勒锥中射出。(3)纳米纤维成形与接收。该生产装置依据本发明生产方法设计，主要包括供液***、纺丝***、接收***、传动与控制***。本发明可在不需要增加电压或添加导电物质等其它条件下，将传统静电纺丝过程的单一射流变为多射流，同时改善由于多喷头静电相互干扰造成的纳米纤维膜结构不匀等缺陷，生产效率较高，可实现纳米纤维规模化生产的需要。

Description

一种提高静电纺丝多射流的方法及装置

技术领域

本发明属于纺织和新材料技术领域，涉及一种提高静电纺丝过程多射流的方法及装置，具体为通过在纺丝区引入金属针促使泰勒锥表面形成多股射流以提高微纳米纤维制备效率的方法及装置。 

背景技术

静电纺丝技术是利用高压静电场使高分子溶液或熔体产生变形和流动而获得纳米纤维的一种技术。静电纺丝技术的主要原理是使聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，溶液或熔体在电场力作用下在喷丝头处形成圆锥型***，当电场力足够大时，聚合物溶液或熔体可克服表面张力形成喷射细流。带电射流在电场力、表面张力等作用下被拉伸细化，且在喷射过程中溶剂蒸发或熔体冷却而固化，最终沉积在接收装置上，形成微纳米纤维非织造布毡。由于静电纺纳米纤维细度细，比表面积大，孔隙率高，应用范围广等优点，已在过滤材料、传感器、组织工程、药物缓释、生物材料、催化、纺织服装等方面被成功应用。 

一般情况下，静电纺丝工艺过程中每个泰勒锥只喷射一股射流，因而纳米纤维产量较低，生产成本高。因此，国内外许多研究者都在努力研究提高静电纺生产效率的方法。 

提高生产效率的方法一般是增加喷丝头数量的方法，即使用多喷头静电纺丝技术。这类方法的文献报道主要有：《Fabrication of blend biodegradable nanofibrous nonwoven mats via multi-jet electrospinning》(B.Ding，E.Kimura，et.al，Polymer[J]，45(6)(2004)1895-1902.)、《Multiple jets in electrospinning：experiment and modeling (S.A.Theron，A.L.Yarin.et.al.，Poly mer[J]，46(9)(2005)2889-2899.)、《平行排列多喷头静电纺丝机纺丝状态及纤维结构》 (潘方良等，丝绸[J]，2012(1)，21-26.)等，中国专利CN200999274，CN101929035、CN101225554D等，美国专利US6616435 B2、US6713011B2、US6753454、US6656394等、世界专利WO2012177220、WO2005/073441、WO 2006/018838、WO 2006/007287、WO 2004/016839、WO0209288 A1、WO 2005/090653A1等，属于多喷头式静电纺丝方法。这类方法主要是通过设置多个喷头形成多个泰勒锥，每个泰勒锥形成一股射流从而整体形成多射流。但是多喷头方法增加产量的同时也存在许多问题，比如喷头堵塞清洗困难、多射流之间相互静电排斥和某些喷头难以形成射流等问题，造成生产效率受影响甚至产品结构不匀、废品率过高等缺陷。 

近年来还出现了一些无喷丝头的新型静电纺丝方法，文献报道主要有：《Upward needleless electrospinning of multiple nanofibers》(A.L.Yarin and E.Zussman，Polymer[J]，45(9)(2004)2977-2980.)、《The Effect of Salt on the Roller Electrospinning of Polyurethane Nanofibers》(F.Cengiz and O.Jirsak，，Fibers and Polymers[J]，10(2009)177-184.)、中国专利CN101775706B、CN101050550A、CN102864503A等，美国专利US7,959,848、世界专利WO2005/024101、欧洲专利EP2557206等。这类方法多采用在自由液面产生泰勒锥的方法生产纳米纤维。然而，这类新型静电纺丝技术仍然存在溶剂挥发过快、设备相对比较复杂、生产成本较高、商业化困难等问题，因此，这些新型静电纺丝技术普遍推广应用还存在一定难度。目前在大多数实验室或生产企业大多数仍采用单喷头或者多个喷头组合排列的方式达到提高纳米纤维生产效率的目的。因此，静电纺泰勒锥喷射多射流一直是不少研究人员追求的目标。同时，多射流喷射也能在一定程度上改善多喷头间静电干扰造成的单射流偏移最终造成纤维膜结构不匀等问题。但目前进展不大，已有的文献报道主要有《Mass production of nanofibre assemblies by electrostatic spinning》(F.-L.Zhou，et.al，Polymer International[J]，58(2009)331-342.)和《Controlled formation of multiple Taylor cones in electrospinning process (A.Vaseashta，Appl Phys Leu[J]，90(2007)093115.)等有所涉及。这些已有的文献报道的静电纺单喷头多射流产生方法主要是通过增加电压或者在溶液中加 入导电性物质或者使用异型表面接收板来形成单喷头多射流。增加电压不仅对装置要求高，增加了能耗和成本，同时也增加了不安全性；加入导电性物质不仅增加了生产成本而且引入其他物质对最终产品的性能和应用有一定影响；使用异型表面接收板会导致接收的纳米纤维膜结构不匀，因此这些方法在纳米纤维工业化应用方面均受到限制。 

发明内容

根据现有技术的不足。本发明提供了一种设计合理、结构简单、制作成本低，能够使静电纺工艺中单个泰勒锥发射多股射流的方法和装置。同时该方法能将单喷嘴多射流方法与多喷头技术相结合，可改善由于多喷头静电相互干扰造成的纳米纤维膜结构不匀等缺陷，显著提高纳米纤维产量，解决现有技术中纳米纤维制备效率低、纤维产量低等问题。该方法所用装置简单，降低了生产成本，而且节省了能源，符合低碳环保的要求，且操作方便，工业化实施容易。 

本发明解决所述生产方法的技术方案是：设计一种提高静电纺多射流的方法，该方法包括如下工艺步骤： 

(1)制备聚合物溶液或熔体：制备聚合物溶液时，先将固体聚合物及其良溶液以适当的质量分数比浓度在搅拌器中搅拌混合均匀，充分静置后，再把制备好的聚合物溶液送入贮液装置中备用；所述的固体混合物是指可溶性混合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶剂包括水、乙醇、二甲基甲胺或氯仿。制备聚合物熔体时，先将固体聚合物加热至熔融状态，制得粘度适中的纺丝熔体；所述的固体聚合物聚丙烯、聚乙烯、聚己内酯、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。 

(2)喷丝头尖端多射流形成：注射泵以适当的流量，使聚合物溶液或熔体从贮液装置中挤出，在喷丝头处形成液滴或熔滴，喷丝头与高压静电发生器正极相连，与喷丝头相对位置配置一根金属针，金属针和接收装置均与接地电极相边，施加适当的电压，在静电场力的作用下，溶液或熔体在喷丝 头处形成圆锥状***，即泰勒锥，当电场强度达到一定值时，有多股射流从泰勒锥中射出。 

(3)纳米纤维成形：多射流在所述的电场力作用下在空间中运动，在运动过程中，溶剂挥发或熔体冷却，射流在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维。 

(4)纳米纤维接收：在金属针旁增加一个接收装置，该接收装置放置在与喷丝头相对位置的适当距离处，以不遮挡金属针为宜，接收装置接收纳米纤维，形成纳米纤维毡或纳米纤维纱线。 

本发明解决所述生产方法技术装置的技术方案是：设计一种提高静电纺多射流的装置，该生产装置适用于本发明所述的提高静电纺多射流的方法，主要包括供液***、纺丝***、接收***、传动与控制***。其中所述供液***主要包括贮液装置、供液管、注射泵，贮液装置与注射泵相连并受其控制，同时贮液装置通过供液管与纺丝***的喷丝头相连，分配给喷丝头的溶液流量由注射泵精确控制；所述的纺丝***主要包括喷丝头、高压静电发生器、金属针；所述接收***主要包括旋转滚筒、基座、接收板等；所述传动与控制***主要包括电机、控制装置等，为接收装置提供常规动力驱动。 

与现有技术相比，本发明是通过金属针的引入，使聚合物溶液在喷丝头尖端形成多射流来提高静电纺多射流的方法和装置，可在常温常压下实现静电纺多射流，并且多射流最终形成纳米纤维收集在接收装置上，方法简单且易操作，大大提高了生产效率，降低了生产成本，节约了能源；该方法在相对较低的电压下就能形成多射流，降低了设备要求，避免了高压条件下的设备复杂性问题；该设备无需添加导向性物质，避免了所加入的物质对所生产的产品的影响；该生产装置制造简单，操作简单，实施成本低，产量高，工业化推广容易。 

附图说明

图1为本发明利用一根金属针提高单喷丝头静电纺射流数量的方法及装置原理示意图。 

图2为本发明利用一根金属针提高双喷丝头静电纺射流数量的方法及装置原理示意图。 

图3为本发明利用两根金属针提高双喷丝头静电纺射流数量的方法及装置原理示意图。 

图4为本发明利用一根金属针提高单喷丝头静电纺射流数量并以滚筒为接收装置的方法及装置原理示意图。 

图5为本发明利用一根金属针提高双喷丝头静电纺射流数量并以滚筒为接收装置的方法及装置原理示意图。 

图6为本发明喷丝头顶端及泰勒锥、射流示意图。 

图7为本发明金属针与喷丝头相对位置关系示意图。 

图8为本发明对应图1所示的静电纺多射流从喷丝头顶端发射的现场照片(射流数量5个)。 

图9为本发明对应图2所示的静电纺多射流从喷头顶端发射的现场照片(射流数量7个)。 

图11为本发明对应图3所示的利用双金属针提高双喷头静电纺射流数量的现场照片。 

图10为本发明对应图4所示的利用一根金属针提高单喷丝头静电纺射流数量并以滚筒为接收装置的现场照片。 

图中：1.贮液装置 2.喷丝头 3.金属针 4.高压静电发生器 5.注射泵 6.射流 7.旋转滚筒 8.泰勒锥 

具体实施方式

下面结合实施实例及附图进一步阐述本发明。 

本发明涉及的提高静电多射流的方法，参见图1，主要包括以下工艺 步骤： 

(1)制备聚合物溶液：将固体聚合物及其良溶液以适当的质量分数比浓度在搅拌机中搅拌混合均匀，静置1-2小时后，再把制备好的聚合物溶液放入贮液器1中或将熔融制好的聚合物熔体放入贮液器1中；所述的固体混合物是指可溶/熔性聚合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚酯、聚乳酸、聚丙烯等；所述的良溶剂包括水、乙醇、二甲基甲酰胺、氯仿等；所述适当的质量百分比浓度是指所述聚合物溶液在适当的静电场作用下能够在喷丝头尖端形成圆锥***的质量百分比浓度。 

(2)喷丝头尖端多射流形成：注射泵5以适当的流量，使聚合物溶液或熔体从贮液装置1中挤出。喷丝头2与高压静电发生器4正极相连，金属针3与接地极相连。施加适当的电压，喷丝头2与接收装置7、金属针3之间形成强静电场，在静电场力的作用下，溶液或熔体在喷丝头尖端形成圆锥状***，即泰勒锥8，随后多个射流6从泰勒锥中喷出。 

(3)微纳米多射流喷射成纳米纤维：多射流6在所述的电场力作用下在空间中运动，在喷射过程中，溶液射流中良溶剂挥发，多射流在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，飞向接收装置7。 

(4)纳米纤维接收：在金属针3旁增加一个接收滚筒7或其它接收装置，将接收滚筒7放置适当的位置，以适当的转速旋转，射流6形成的纳米纤维被卷绕到滚筒7或其它接收装置上。 

本发明解决所述生产方法技术装置的技术方案是：设计一种提高静电纺多射流的装置，该生产装置适用于本发明所述的提高静电纺多射流的方法，主要包括贮液装置1、喷丝头2、金属针3、高压静电发生器4、注射泵5、接收装置7。 

本发明所述的方法中，所述纺丝液的适当质量百分比浓度主要与高分子聚合物材料及其分子量和所用良溶剂有关，如所述的聚合物选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)时，其在水和乙醇质量比为1∶9比例的混合液剂中溶解，当质量百分比浓度达到30％以上时，才可以满足所述工艺要求：而对于醇解度为86～89mol％、分子量2700～3200的聚乙烯醇时，在水和乙醇以质量比以1∶1比例的混合溶剂中溶解，当质量百分比浓度达到10％以上时，才可以满 足所述工艺要求。这一满足工艺要求的最低的适当浓度可称为临界浓度。所述不同的聚合物材料使用与不同的良溶剂，同时也有不同的临界浓度。对于同一种聚合物而言，较高的适当浓度具有较高的溶液粘度，纺丝时喷丝头的溶液由于使用挥发性溶剂而挥发致使针头堵塞而影响工艺进行。因此，较好的适当浓度的工艺设计是选用聚合物其临界浓度或略高于其临界浓度的适当浓度。本发明所述的方法中，所述聚合物熔体以熔融良好为宜。 

本发明所述的适当电压，为0～100KV，可根据工艺要求调整电压。 

本发明所述的方法，其特征在于引入了金属针3，该金属针能使溶液能够形成多射流。 

本发明所述的方法，聚合物溶液在喷丝头2尖端形成多射流的数目≥2。 

本发明所述的方法，金属针3的直径在0.1～5mm，金属针3的长度≥0.1cm。 

本发明所述的方法，金属针3的可以是空心的也可以是实心的。 

本发明所述的方法，金属针3尖端与喷丝头2尖端的距离为0.5～50cm。 

本发明所述的方法，金属针3与喷丝头2成直线排列，能够使多射流形成。 

本发明所述的方法，金属针3在与喷丝头2垂直的面上与喷丝头2中心线成一定的角度，多射流也能够形成，倾斜角度角度范围为-90～+90°。 

本发明所述的方法，金属针3在与喷丝头2垂直的面上与喷丝头中心线保持一定的距离，多射流也能够形成，距离范围为0～50cm。 

本发明所述的的方法，为获得更加的纺丝效率，可使用多喷丝头2同时纺丝。当喷丝头数量大于或等于2时，每两个喷头中间引入一根金属针3，每个喷丝头均能够形成多射流。 

本发明所述的的方法，当喷丝头2数量大于或等于2时，每个喷丝头对应引入一根金属针3，在每个喷头尖端能够形成多射流。 

本发明所述的方法，为了收集多射流形成的纳米纤维，在金属针旁增加一个接收滚筒或其它接收装置，该滚筒或装置可放置金属针的上方或下方，接收距离为5～20cm，以接收纳米纤维。 

本发明按照所述的提高静电纺多射流的方法，同时设计了提高静电纺多射流的装置，该生产装置适应于权利要求所述的提高静电纺多射流的方法，主要包括贮液装置、喷丝头、注射泵、金属针、接收滚筒、高压静电发生器。注射泵、贮液装置与喷丝头相连，贮液器作用是储存纺丝溶液或熔体保证连续的静电纺，注射泵作用是向喷丝头提供连续的聚合物溶液或熔体，喷丝头作用是作为阳极并可在顶端形成稳定泰勒锥。接收滚筒、金属针分别接地，作为阴极。 

本发明所属的方法和装置，其特征在于引入了金属针3，金属针3与喷丝头2的空间分布是能否形成多射流关键喷丝头2、金属针3以及接收装置7在空间中的分布合理才能够产生多射流以及收集纳米纤维。金属针3到喷丝头头的距离与本方法所施加的电压高低相关。 

本发明提高静电纺多射流的方法及装置的工作原理和过程是：工作时，先在贮液装置1中放入按要求配好的适当浓度的聚合物溶液或熔体，将注射泵5设置适当的流量，保证连续的聚合物溶液或熔体供应给喷丝头2；然后打开静电发生器4，将发生器4正极与喷丝头2连接，施加适当的电压，喷丝头2与金属针3之间形成强静电场，在静电场力的作用下，溶液在喷丝头尖端形成圆锥状***，即泰勒锥8，随后溶液从***中喷出多个射流，射流在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时多射流在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维。再增加一个接收滚筒7时，接收滚筒7与喷丝头2之间也存在电场，能较好地收集到多射流形成的纳米纤维。 

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步说明本发明，不构成对本发明申请权利要求的限制。 

实施例1 

设计一种提高静电纺多射流的装置，包括贮液装置1，注射泵5，喷丝头2，金属针3，如图1所示。其中金属针3长度为10cm、直径为0.5mm，空心结构。注射泵5、贮液装置1、喷丝头2相连接，金属针3放置在与喷丝头2成直线的位置，喷丝头尖端与金属针尖端的距离为3cm。 

纺丝前，先称取聚乙烯醇聚合物粉末14克，并与混合溶剂(蒸馏水与无水乙醇以1∶1的质量比混合均匀)以14％的质量比浓度混合，水浴加热(80℃)3-4小时后，静置两小时，制得聚乙烯醇纺丝液；然后将配置好的聚乙烯醇溶液装入贮液装置1中，将贮液装置1与注射泵5相连，贮液装置1与喷丝头2连接。保证注射泵5、贮液装置1、喷丝头2密封性好。静电发生器4的正极与喷丝头2相连，负极接地；金属针3接地。金属针3在喷丝头2中心线上与喷丝头2成直线相对分布，两尖端间的距离l₀为3cm。打开静电发生器4，电压升至10KV；设置注射泵5的流量为1ml/h，保证贮液装置连续的提供给喷丝头2溶液，此时喷丝头2尖端由于静电场力的作用，形成圆锥形***，即泰勒锥8(如图6所示)，在电场力的持续作用下，溶液从泰勒锥中形成多射流喷出，多射流6在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时多射流6在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维。 

实施例2 

本实施例采用与实施例1相同的装置，如图2所示。 

纺丝前，先称取高分子聚合物——聚乙烯吡咯烷酮(型号：k-30)粉末34克，并与混合溶剂(蒸馏水与无水乙醇以1∶9的质量比混合构成)以34％的质量比浓度混合，搅拌均匀后，静置2小时，制得聚乙烯吡咯烷酮纺丝液；然后将配置好的聚乙烯吡咯烷酮溶液装入贮液装置1中，将贮液装置1与注射泵5通过导液管相连，贮液装置1与喷丝头2连接。保证注射泵5、贮液装置1、喷丝头2密封性好。静电发生器4的正极与喷丝头2相连，负极接地；滚筒7与金属针3都接地。金属针3与喷丝头2尖端的距离l₀为3.5cm，金属针3与喷丝头2中心线垂直的平面上与该平面倾斜一定的角度α和β分别为60°和110°，金属针3向左偏移喷丝头2中心延长线的距离l₁为1.5cm，金属针3向下偏移喷丝头2中心延长线的距离l₂为1cm。打开静电发生器4，电压升至15KV；设置注射泵5的流量为0.8ml/h，保证贮液装置1连续的提供给喷丝头2溶液，此时喷丝头2尖端由于静电场力的作用，形成圆锥形降起，即泰勒锥8 (如图6所示)，在电场力的持续作用下，溶液从泰勒锥中形成多射流喷 出，多射流6在喷射过程中所述的溶剂挥发，多射流6在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，纤维被滚筒接收成纳米纤维毡。 

实施例3 

本实施例采用与实施1基本相同的装置和工艺，其变化在于增加了一个喷丝头2、贮液装置1，如图3所示。 

纺丝前，先称取高分子聚合物-聚丙烯腈粉末20克，并与溶剂二甲基甲酰胺以12％的质量比浓度混合，水浴加热(50℃)3-4小时后，静置两小时，制得聚丙烯腈纺丝液；然后将配置好的聚丙烯腈溶液装入贮液装置1中，将各贮液装置1与注射泵5相连，贮液装置1与喷丝头2连接，两个喷丝头2的垂直距离为4cm。保证注射泵5、贮液装置1、喷丝头2之间的连接处密封性好。静电发生器4的正极与喷丝头2相连，负极接地；接收滚筒7与金属针3都接地。将一根金属针3放置在距两喷丝头约3cm的垂直平面上，与两个喷丝头相对配置，且距两个喷丝头垂直距离l₀均为2cm。打开静电发生器4，电压升至8KV；设置注射泵的流量为0.6ml/h，保证贮液装置1连续的提供给喷丝头2溶液。两个喷丝头2与金属针3和接收滚筒7间都能形成电场，此时各个喷丝头尖端由于静电场力的作用，形成圆锥形***，即泰勒锥8(如图6所示)，在电场力的持续作用下，溶液从泰勒锥8中形成多射流喷出，多射流6在喷射过程中所述的溶剂挥发，并在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维，纤维被接收滚筒7接收。 

实施例4 

本实施例采用与实施例3基本相同的装置和工艺，其变化在于增加了一个金属针3，如图4所示。 

纺丝前，先称取高分子聚合物——聚丙烯母粒100克，熔融，制得聚丙烯熔体；然后将配置好的聚丙烯熔体装入贮液1中，将每个贮液装置1与注射泵5相连，贮液装置1与喷丝头2连接，两个喷丝头的垂直距离为5cm。保证注射泵5、贮液装置1、喷丝头2的密封性好，静电发生器4的正极与喷丝头2相连，负极接地；每个喷丝头2对应一根金属针3，该丝属针3放置在距两喷丝头约5cm的垂直平面上，与两个喷丝头相对配置，且距两个喷丝头垂直距 离l₀均为3cm。每个喷头2尖端与金属针3尖端的距离为2.5cm。金属针3与喷丝头2中心线垂直的平面上与该平面倾斜一定的角度α和β分别为45°和10°，金属针3向下偏移喷丝头2中心延长线的距离l₂为0.8cm。打开静电发生器4，电压升至30KV；设置注射泵5的流量为1.5ml/h，保证贮液装置1连续的提供给喷丝头2熔体，此时喷丝头2尖端由于静电场的作用，形成圆锥形***，即泰勒锥8(如图6所示)，在电场力的持续作用下，溶液从泰勒锥中形成多射流喷出，多射流6在喷射过程中所述的溶剂挥发，多射流6在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维。 

实施例5 

本实施例采用与实施例1基本相同的装置和工艺。其变化在于增加了一个接收滚筒。 

纺丝前，先称取高分子聚合物-聚乙烯醇粉末30克，并与混合溶剂(蒸馏水与无水乙醇以1∶1的质量比混合均匀)以15％的质量比浓度混合，水浴加热(80℃)3-4小时后，静置两小时，制得聚乙烯醇纺丝液；然后将配置好的聚乙烯醇溶液装入贮液装置1中，将各贮液装置1与注射泵5通过导液管相连，贮液装置1与喷丝头2连接，两个喷丝头2在同一水平面上，二者的垂直距离为3cm。保证注射泵5、贮液装置1、喷丝头2密封性好。静电发生器4的正极与喷丝头2相连，负极接地；接收滚筒7与金属针3接地。金属针3与喷丝头2尖端的距离l₀为4cm。金属针3与喷丝头2中心线垂直的平面上与该平面倾斜一定的角度α和β分别为90°和10°，金属针3向左偏移喷丝头2中心延长线的距离l₁为1cm，金属针3向下偏移喷丝头2中心延长线的距离l₂为0.7cm。打开静电发生器4，电压升至14KV；设置两注射泵5的流量为0.9ml/h，保证贮液装置连续的提供给喷丝头2溶液，此时喷丝头2尖端由于静电场的作用，形成圆锥形***，即泰勒锥，在电场力的作用下，溶液从泰勒锥中形成多射流喷出，多射流6在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时多射流在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维由于喷丝头与接收滚筒7存在电场，多射流主要飞向接收滚筒7，形成的纳米纤维波卷绕到接收滚筒7上。 

实施例6 

实施例采用与实施例3基本相同的装置和工艺。其变化在于增加了一个接收滚筒. 

纺丝前，先称取高分子聚合物-聚乙烯醇粉末16克，并与混合溶剂(蒸馏水与无水乙醇以1∶1的质量比混合均匀)以16％的质量比浓度混合，水浴加热(80℃)3-4小时后，静置两小时，制得聚乙烯醇纺丝液；然后将配置好的聚乙烯醇溶液装入贮液装置1中，将各贮液装置1与注射泵5通过导液管相连，贮液装置1与喷丝头2连接，两个喷丝头2的垂直距离为6cm。保证注射泵5、贮液装置1、喷丝头2密封性好。静电发生器4的正极与喷丝头2相连，负极接地；接收滚筒7与金属针3接地。将金属针3放置两喷丝头2之间，到两个喷丝头的垂直距离l₀为3cm。金属针3向左偏移与两个喷丝头平行的、距两个喷丝头距离相等的中心线的距离l₁为0.3cm，金属针3向下偏移中心线的距离l₂为1.2cm。金属针3与该中心线倾斜一定的角度α和β分别为25°和5°。打开静电发生器4，电压升至17KV；设置注射泵5的流量为1.2ml/h，保证贮液装置连续的提供给喷丝头2溶液。两个喷丝头2与金属针3都能形成电场，两个喷丝头2与接收滚筒7也形成了电场。各喷丝头2尖端由于静电场的作用，形成圆锥形***，即泰勒锥，在电场力持续的作用下，溶液从泰勒锥中形成多射流6喷出，多射流6在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时多射流6在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维。由于喷丝头2与接收滚筒7间存在电场，多射流6主要飞向接收滚筒7，形成的纳米纤维被卷绕到接收滚筒7上。 

Claims (14)

1.一种提高静电纺丝多射流的方法及装置，该生产方法包括如下工艺步骤： 

(1)制备聚合物溶液或熔体：制备聚合物溶液时，先将固体聚合物及其良溶液以适当的质量分数比浓度在搅拌机中搅拌混合均匀，静置1-2小时后，再把制备好的聚合物溶液送入储液装置中备用；所述的固体混合物是指可溶性混合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶剂包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿等；所述适当的质量百分比浓度是指所述聚合物溶液在适当的静电场作和下能够在喷丝头顶端形成圆锥***的质量百分比浓度。制备聚合物熔体时，先将固体聚合物加热至熔融状态，制得粘度适中的纺丝熔体；所述的固体聚合物聚丙烯、聚乙烯、聚己内酯、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯等；所述粘度适中的纺丝熔体在电场力作用下在喷丝头顶端形成圆锥状***的粘度。 

(2)静电纺丝工艺过程：注射泵以适当的流量，使聚合物溶液或熔体从储液装置中挤出。喷丝头与高压静电发生器正极相连，接收装置安置在与喷丝头正对方向一定距离处，接收装置与大地相连。施加适当的电压，溶液在喷丝头顶端形成圆锥形***，该***被称为泰勒锥，当静电场力大于或等于溶液或熔体表面张力时，有射流从泰勒锥顶端射出。 

(2)多股射流形成：在喷丝头不远处放置一根接地金属针，该金属针与喷丝头相对，并保持一定的距离和角度。在正常静电纺丝过程中引入该金属针后，原来静电场中的射流会立刻变成多股射流。 

(3)纳米纤维形成：多射流在所述的电场力作用下运动，在喷射过程中，溶剂挥发或熔体射流冷却，多射流在静电力的作用下拉伸细化成纳米级纤维。 

(4)纳米纤维接收：在与喷丝头相对位置一定距离处设置一个接收装置，接收多股射流固化而成的纳米纤维，形成纳米纤维毡或纳米纤维纱 。

2.一种提高静电纺多射流的装置，该生产装置适应于权利要求1所述的提高静电纺多射流的方法，主要包括储液装置、喷丝头、注射泵、金属针、接收装置、高压静电发生器、注射泵、储液装置、喷丝头相连，储液器作用是储存 溶液或熔体保证连续的溶液或熔体供应，注射泵作用是向喷丝头提供连续的聚合物溶液或熔体，喷丝头作用是作为溶液或熔体通道、顶端形成泰勒锥以及作为阳极。金属针和接收装置都接地，作为阴极。 

3.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，其特征在于引入了一根金属针，金属针使静电纺泰勒锥形成多射流。 

4.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，金属针可以是空心针，也可以是实心针。 

5.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，金属针的直径在0.1～5mm，金属针的长度≥0.1mm。 

6.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，金属针与喷丝头相距一段距离l₀处在空间成一条直线排列，能够使多射流形成。 

7.如权利要求1、2和6所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，金属针顶端与喷丝头顶端的空间距离l₀范围为0.5～50cm。 

8.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，金属针在权利6所述的基础上在与喷丝头中心线垂直的平面上与该平面倾斜一定的角度α和β，多射流能够形成，倾斜角度α和β的范围为-90～+90°。 

9.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，金属针顶端在权利6所述的基础上在与喷丝头中心线垂直的平面上与该中心线左右或上下偏离一定的距离l₁和l₂，多射流能够形成，距离l₁和l₂的范围为0.5～50cm。 

10.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，喷丝头数量可大于或等于2，此时在每两个喷头中间位置如权利要求7、8、9所述的方法引入一根金属针，各喷丝头在顶端能够形成多射流。 

11.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，当喷头数量≥2个时，每个喷头对应如权利要求7、8、9所述的方法各引入一根金属针，在喷丝头顶端能够形成多射流。 

12.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，在金属针旁增加一个旋转滚筒，该滚筒的放置以不遮挡金属针为宜，接收距离为 1～50cm，可接收纳米纤维。 

13.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，在金属针旁增加一个金属平板电极，该平板电极的放置以不遮挡金属针为宜，接收距离为1～50cm，可接收纳米纤维。 

14.如权利要求1和2所述的一种提高静电纺丝多射流的方法和装置，聚合物溶液在喷丝头顶端形成多射流的数目≥2。 

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