CN107130305B - 静电纺丝设备及其带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静电纺丝设备的喷头，包括本体，本体具有呈正四棱台状的基座；多个基座沿轴向分布，任意相邻的两个基座的下底面在轴向方向上贴合；两个贴合的下底面的两侧分别设有连接孔；位于本体两侧边缘的基座、下底面的两侧边缘的顶角设有边缘孔；基座的四条侧边分别设有侧边孔，全部侧边孔的高度一致；基座顶部中心位置设有顶端孔；位于本体两侧边缘的基座，其边缘孔、侧边孔以及顶端孔均设有尺寸相同的辅助电极；连接孔、其余基座的侧边孔以及顶端孔均设有尺寸相同的喷嘴。本发明还公开了一种包括上述喷头的静电纺丝设备。上述喷头，各个喷嘴电场强度差异较小，尖端电场更加均匀，且有突出优势在于单位面积上针头数目较多。

Description

静电纺丝设备及其带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种用于静电纺丝设备的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头。本发明还涉及一种具有该带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的静电纺丝设备。

背景技术

众所周知，静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。

在现有技术中，针对阵列多喷头静电纺丝设备，其利用在平面上呈线性矩形阵列装置的多个喷头进行纺丝，可实现电纺纤维膜材的大批量生产。然而经过长时间的使用后，在平面上呈阵列布置的喷头，各喷头尖端的电场会相互影响、干扰，使得不同喷头之间电场差异较大导致纺丝不均。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于静电纺丝设备的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，该带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头可以解决电场差异较大以及单位面积上针头数目少的问题。本发明的另一目的是提供一种包括上述带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的静电纺丝设备。

为实现上述目的，本发明提供一种用于静电纺丝设备的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，包括本体，所述本体具有呈正四棱台状的基座；

多个所述基座沿轴向分布，且任意相邻的两个所述基座的下底面在轴向方向上贴合；两个贴合的所述下底面的两侧分别设有连接孔；位于所述本体两侧边缘的所述基座、下底面的两侧边缘的顶角设有边缘孔；

所述基座的四条侧边分别设有侧边孔，全部所述侧边孔的高度一致；所述基座顶部中心位置设有顶端孔；所述侧边孔的竖直延长线位于所述连接孔的竖直延长线与所述顶端孔的竖直延长线中间；

位于所述本体两侧边缘的所述基座，其所述边缘孔、所述侧边孔以及所述顶端孔均设有尺寸相同的辅助电极；所述连接孔、其余所述基座的所述侧边孔以及所述顶端孔均设有尺寸相同的喷嘴。

优选地，全部所述基座的尺寸相同。

优选地，所述辅助电极的尺寸与所述喷嘴的尺寸相同。

优选地，所述基座的上底面与下底面之间的距离为1mm～10mm，所述喷嘴的内径为0.5mm～2mm，所述喷嘴的长度为10mm～40mm。

优选地，所述本体的内部具有溶液通道，所述本体的表面具有与所述溶液通道连通的进液口；所述喷嘴的内部具有与所述进液口连通的出液腔。

本发明还提供一种静电纺丝设备，包括如上述任一项所述的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头。

优选地，所述喷嘴的顶端具有用以容纳纺丝液的容纳头；所述喷嘴的上方设有能够与所述喷嘴产生诱导磁场、并且收集在诱导磁场作用下纺丝液射流所形成的纤维的收集装置。

优选地，所述收集装置与所述基座下底面之间的间距为120mm～220mm。

相对于上述背景技术，本发明提供的用于静电纺丝设备的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，基座呈正四棱台状，多个基座沿轴向分布，且任意相邻的两个基座的下底面在轴向方向上贴合，两个贴合的下底面的两侧分别设有连接孔；位于本体两侧边缘的基座、下底面的两侧边缘的顶角设有边缘孔；基座的四条侧边分别设有侧边孔，全部侧边孔的高度一致；基座顶部中心位置设有顶端孔；侧边孔的竖直延长线位于连接孔的竖直延长线与顶端孔的竖直延长线中间；位于本体两侧边缘的基座，其边缘孔、侧边孔以及顶端孔均设有尺寸相同的辅助电极；连接孔、其余基座的所述侧边孔以及顶端孔均设有尺寸相同的喷嘴。

也即，针对非位于本体两侧边缘的基座，其上底面、侧边和下底面均设有喷嘴；针对位于本体两侧边缘的基座，除了与其相邻的基座所共用的下底面的连接孔之外，边缘孔、侧边孔和上底面均设有尺寸相同的辅助电极；针对同一基座，分别位于上底面、侧边以及下底面的辅助电极或者喷嘴的高度不一，共有三个高度，且全部辅助电极的尺寸相同，全部喷嘴的尺寸相同；如此设置的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，各个喷嘴电场强度差异较小，尖端电场更加均匀，且有突出优势在于单位面积上针头数目较多。

本发明所提供的静电纺丝设备，具备上述有益效果，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中平面上呈三排线性阵列布置带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的示意图；

图2为现有技术中平面上呈矩形端点的投影间隔阵列布置带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的示意图；

图3为本发明实施例所提供的静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的主视图；

图4为图3中静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的侧视图；

图5为图3中静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的俯视图；

图6为本发明实施例所提供的静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头与收集装置的侧视图；

图7为图1中的电场仿真结果示意图；

图8为图2中的电场仿真结果示意图；

图9为图3中的电场仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图9，图1为现有技术中平面上呈三排线性阵列布置带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的示意图；图2为现有技术中平面上呈矩形端点的投影间隔阵列布置带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的示意图；图3为本发明实施例所提供的静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的主视图；图4为图3中静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的侧视图；图5为图3中静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的俯视图；图6为本发明实施例所提供的静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头与收集装置的侧视图；图7为图1中的电场仿真结果示意图；图8为图2中的电场仿真结果示意图；图9为图3中的电场仿真结果示意图。

本发明提供的一种用于静电纺丝设备的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，包括本体，本体可以看作是带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的基准；本体可以呈块状、条状或其他形状。

本体具有基座1，基座1呈正四棱台状，呈正四棱台状的基座1应具备上底面与下底面，且上底面与下底面之间具备一定的高度差。

多个基座1沿轴向分布，并且任意相邻的两个基座1的下底面在轴向方向上贴合；即，多个基座1沿轴向紧邻设置，如说明书附图3与附图5所示。

相邻的两个基座1，两个贴合的下底面的两侧分别设有连接孔，每个连接孔均设有喷嘴2；也即，相邻的两个基座1共用一条下底面的棱边，且共用的棱边的两侧分别设有连接孔；每条共用的棱边具有两个连接孔。

位于本体两侧边缘的基座，由于其下底面外侧没有与之相邻的基座，因此下底面外侧不会产生共用的棱边；在下底面的两侧边缘的顶角设有边缘孔，边缘孔设有辅助电极7。

每个基座1的四条侧边分别设有侧边孔，且全部侧边孔的高度一致；基座1顶部中心位置设有顶端孔，侧边孔的竖直延长线位于连接孔的竖直延长线与顶端孔的竖直延长线中间。

本发明中，正四棱台上底面为边长4.63mm的正方形，正四棱台下底面为边长15mm的正方形，正四棱台高度是3.25mm；位于中间层的四个侧边孔在距四棱台下底面2.35mm所在平面与四棱台四条侧边的交点处，以确保边孔的竖直延长线位于连接孔的竖直延长线与顶端孔的竖直延长线中间。

针对位于本体两侧边缘的基座1，该基座1的九个孔中，除了两个连接孔之外(与相邻的基座1的下底面共用的连接孔)，其余七个孔(包括两个边缘孔、四个侧边孔和一个顶端孔)均设有尺寸相同的辅助电极7；而针对其余基座1，其余基座1的九个孔均设有尺寸相同的喷嘴2。

针对本体的全部基座1，全部基座1的形状尺寸相同；即，正四棱台的尺寸相同；全部基座1上底面的辅助电极7与喷嘴2的高度相同，且全部基座1下底面的辅助电极7与喷嘴2的高度相同，全部基座1侧边的辅助电极7与喷嘴2的高度相同；即，位于本体的全部基座1共有三种不同高度，且三种高度分别位于基座1上底面、侧边与下底面，如说明书附图3与附图5所示。

具有喷嘴2的基座1可以看作是输出结构，具有辅助电极7的基座1可以看作是电极结构；针对输出结构，基座1的九个连接孔分别连接喷嘴2，说明书附图3与附图4中的连接孔与喷嘴2的位置重合，并未显示连接孔。

说明书附图5中，所有输出结构在水平面上的投影即构成了多个间隔的两同心正方形的线性阵列图形；其中，顶点32与顶点37即分别为两组输出结构相对的连接孔的投影点，顶点32与顶点37的距离即为输出结构的宽度。

上文中，喷嘴2可以是针式喷嘴，针式喷嘴2远离连接孔的末端为针尖结构，该种针式喷嘴2为本领域常用的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头结构，在此不作详细的描述。每组输出结构的针式喷嘴2都是等高的，而且不同组输出结构的各针式喷嘴2也是等高的。

本发明中，任意相邻的两个基座1之间的间距相同，多个基座1均匀分布于本体，进一步保证尖端电场的均匀，有利于提高单位面积上喷嘴2的数量。

基座1的上底面与下底面之间的距离为1mm～10mm，喷嘴2的内径为0.5mm～2mm，喷嘴2的长度为10mm～40mm。本体的内部具有溶液通道，本体的表面具有与溶液通道连通的进液口；喷嘴2的内部具有与进液口连通的出液腔。

如说明书附图5所示，同一组输出结构或电极结构的各连接孔在水平面上的投影分别处于两个同心的正方形的端点上，也即九个孔在投影面上的轨迹成两个同心正方形。这种布置结构更有利于保证尖端电场的均匀，同时有利于提高单位面积上针头数目。

更为优选的，各组输出结构与电极结构的投影几何同心位于同一直线上。如说明书附图5所示，从微观上看每组输出结构与电极结构关于中心点31中心对称。宏观上看每组输出结构与电极结构关于线段36对称。顶点32和投影点33分别位于线段36的两侧并以线段36为对称轴。同样的，投影点34和投影点35分别位于线段36的两侧并以线段36为对称轴。这种布置结构更有利于保证尖端电场的均匀和单位面积上针头数目的增加。

本发明所提供的一种具有带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的静电纺丝设备，包括上述具体实施例所描述的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头；静电纺丝设备的其他部分可以参照现有技术，本文不再展开。

本发明中，喷嘴2的顶端具有用以容纳纺丝液的容纳头；喷嘴2的上方设有能够与喷嘴2产生诱导磁场、并且收集在诱导磁场作用下纺丝液射流所形成的纤维的收集装置4。收集装置4与基座1的下底面之间的间距为120mm～220mm。

上述静电纺丝设备，在工作过程中，将纺丝液通过外部的涂覆装置均匀涂覆于各个针式喷嘴2上，本体相对于收集装置4是固定不动的，并且针式喷嘴2的上方为收集装置4，纺丝液在针式喷嘴2与收集装置4形成的诱导电场下产生诱导射流，诱导射流被诱导至收集装置4，从而形成纤维。

在静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的其他实施中，喷嘴2可以具有中空的出液腔，该出液腔贯通针式喷嘴2前后，本体表面具有进液孔，本体的内部具有溶液通道，出液腔通过对应的连接孔、溶液通道连通进液口。此时，连接孔可以认为是一个喷孔。

采用该优选实例的静电纺丝方法如下：

本体相对于收集装置4是固定不动的，喷嘴2的上方设有收集装置4，纺丝液在针式喷嘴2与收集装置4所形成的诱导电场下产生诱导射流，诱导射流被诱导至收集装置4形成纤维，这种纺丝方法和纺丝结构能够持续不间断地大批量进行纺丝。

以下通过电场仿真来将实例中的静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头与在平面上呈线性阵列布置以及平面上呈正四棱台端点投影阵列布置的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头进行对比。

仿真参数如下：针式喷嘴2直径1mm，长度20mm，喷嘴材料为铜。如附图5所示的俯视图(水平投影)中，相邻正四棱台的间距是15mm，正四棱台上底面为边长4.63mm的正方形，正四棱台下底面为边长15mm的正方形，正四棱台高度是3.25mm，正四棱台材料为绝缘体。正四棱台下底面与收集装置的距离为170mm，收集装置宽为60mm，长为160mm，厚为2mm，材料为铜。仿真软件为comsol，仿真电压为30kv。所取电场均为喷嘴尖端0.5mm电场。

与本发明相对比的布置方式如附图1与附图2；附图1为平面上呈三排线性阵列布置带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的示意图；图2为现有技术中平面上呈矩形端点的投影间隔阵列布置带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头的示意图。

附图1中，对比仿真的第一喷嘴51在平面5上成三排线性阵列布置；第一喷嘴51的直径为1mm，第一喷嘴51端部到平面5的高度为20mm，相邻喷嘴间距为15mm，材料为铜。第一喷嘴51的顶端离并未图示的收集装置的距离为150mm，收集装置宽为60mm，长为160mm，厚为2mm，材料为铜。仿真软件为comsol，仿真电压为30kv。所取电场均为喷嘴尖端0.5mm电场。

附图2中，对比仿真的第二喷嘴61在平面6上成两个同心正方形及同心点阵列布置，该布置形成的轨迹与本静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头各连接孔在水平投影面上所形成的图形一致。第二喷嘴61的直径为1mm，喷嘴长度为20mm，同心正方形中大正方形边长为15mm，小正方形边长为7.5mm，相邻同心正方形间距为15mm，材料为铜。第二喷嘴61顶端与并未图示的收集装置距离为150mm，收集装置长为160mm，宽为60mm，厚度为2mm，材料为铜。仿真软件为comsol，仿真电压为30kv。所取电场均为喷嘴尖端0.5mm电场。

图7为图1中的电场仿真结果示意图，图8为图2中的电场仿真结果示意图，图9为本发明的电场仿真结果示意图。

可以看出，图9中相邻针式喷嘴的电场强度相差较小，并且每个区域(每两或四个波峰为一组所形成的曲线)的电场强度相差较小；而图7与图8中，相邻喷嘴的电场强度差距明显比图9中的大。因此采用本静电纺丝带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头所获得的电场更均匀，且单位面积上的针头数目增加一倍。

以上对本发明所提供的静电纺丝设备及其带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于静电纺丝设备的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，包括本体，其特征在于，所述本体具有呈正四棱台状的基座(1)；

多个所述基座(1)沿轴向分布，且任意相邻的两个所述基座(1)的下底面在轴向方向上贴合；两个贴合的所述下底面的两侧分别设有连接孔；位于所述本体两侧边缘的所述基座(1)、下底面的两侧边缘的顶角设有边缘孔；

所述基座(1)的四条侧边分别设有侧边孔，全部所述侧边孔的高度一致；所述基座(1)顶部中心位置设有顶端孔；所述侧边孔的竖直延长线位于所述连接孔的竖直延长线与所述顶端孔的竖直延长线中间；

位于所述本体两侧边缘的所述基座(1)，其所述边缘孔、所述侧边孔以及所述顶端孔均设有尺寸相同的辅助电极；所述连接孔、其余所述基座(1)的所述侧边孔以及所述顶端孔均设有尺寸相同的喷嘴(2)；

所述基座(1)的上底面与下底面之间的距离为1mm～10mm，所述喷嘴(2)的内径为0.5mm～2mm，所述喷嘴(2)的长度为10mm～40mm。

2.根据权利要求1所述的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，其特征在于，全部所述基座(1)的尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，其特征在于，所述辅助电极的高度与所述喷嘴(2)的高度相同。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头，其特征在于，所述本体的内部具有溶液通道，所述本体的表面具有与所述溶液通道连通的进液口；所述喷嘴(2)的内部具有与所述进液口连通的出液腔。

5.一种静电纺丝设备，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的带辅助电极正四棱台九喷嘴连续的喷头。

6.根据权利要求5所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述喷嘴(2)的顶端具有用以容纳纺丝液的容纳头；所述喷嘴(2)的上方设有能够与所述喷嘴(2)产生诱导磁场、并且收集在诱导磁场作用下纺丝液射流所形成的纤维的收集装置(4)。

7.根据权利要求6所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述收集装置(4)与所述基座(1)下底面之间的间距为120mm～220mm。