CN112430858B - 一种静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电纺丝设备，包括纺丝电极、收集电极以及用以盛装纺丝溶液的溶液槽，所述纺丝电极的至少一部分浸没于所述溶液槽内的纺丝溶液中，所述纺丝电极和所述收集电极二者在电场的作用下形成有纺丝区，所述纺丝电极包括多个具有点电极的点阵纺丝单元，通过全部所述点阵纺丝单元的旋转以将纺丝溶液经所述点电极供入所述纺丝区进行纺丝。上述静电纺丝设备在相同电压情况下产生的电场强度大，纳米纤维产量高，可以大大提高纺丝效率，有利于提高纺丝稳定性和均匀性，并且通过点电极生产出的纳米纤维直径小且分布均匀；同时，由于点电极产生的电场强度高，纺丝时需要的启动电压低、耗能低。

Description

一种静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及静电纺丝生产技术领域，特别涉及一种静电纺丝设备。

背景技术

静电纺丝技术是通过高压电场的作用使高分子熔体或纺丝液克服表面张力，从纺丝头喷射成流体射流，射流在静电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下不断细化，最终形成纤维聚集体沉积到接收电极上的过程。

现有技术中，普遍采用无针静电纺丝技术进行纺丝，其中，在辊筒无针静电纺丝技术中，将喷丝电极做成辊筒式电极，辊筒的一部分浸没在纺丝液中，通过辊筒的转动把纺丝液送入纺丝区，并在高压电场的作用下产生溶液射流，从而形成纳米纤维。然而，上述采用辊筒的转动进行静电纺丝技术，辊筒电极需要较高的电压进行纺丝，并且辊筒电极产生的电场强度分布为两端产生的电场强度大、中间区域产生的电场强度较小，以致影响静电纺丝生产的稳定性以及纳米纤维产品的均匀性。

因此，如何避免采用辊筒静电纺丝而导致影响纳米纤维产品的均匀性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电纺丝设备，该静电纺丝设备可以提高纺丝稳定性、均匀性和纺丝效率，同时，生产出的纳米纤维直径小且分布均匀。

为实现上述目的，本发明提供一种静电纺丝设备，包括纺丝电极、收集电极以及用以盛装纺丝溶液的溶液槽，所述纺丝电极的至少一部分浸没于所述溶液槽内的纺丝溶液中，所述纺丝电极和所述收集电极二者在电场的作用下形成有纺丝区，所述纺丝电极包括多个具有点电极的点阵纺丝单元，通过全部所述点阵纺丝单元的旋转以将纺丝溶液经所述点电极供入所述纺丝区进行纺丝。

可选地，还包括沿所述纺丝电极的旋转中心线设置、用以带动全部所述点阵纺丝单元转动的转轴，全部所述点阵纺丝单元沿所述转轴的轴向分布。

可选地，任一所述点阵纺丝单元具体为呈星射状分布的点阵纺丝单元。

可选地，任一所述点阵纺丝单元包括多个沿径向设置的金属棒，所述金属棒的一端固接于所述转轴，另一端固接有所述点电极。

可选地，任意两个相邻所述点阵纺丝单元的间距相等。

可选地，任意两个相邻所述点阵纺丝单元中的所述金属棒的长度相同。

可选地，所述纺丝电极具体为螺旋形纺丝电极。

可选地，所述溶液槽设有用以防止纺丝溶液挥发的密封盖。

可选地，所述密封盖设有多个与所述点阵纺丝单元一一对应设置、用以供所述点阵纺丝单元带出纺丝溶液的出液孔。

可选地，任一所述点电极的形状为球形、圆柱形或者锥形。

相对于上述背景技术，本发明实施例所提供的静电纺丝设备，包括纺丝电极、收集电极和溶液槽，其中，溶液槽用于盛装纺丝溶液，纺丝电极的至少一部分浸没于溶液槽内的纺丝溶液中，纺丝电极和收集电极二者在电场的作用下形成有纺丝区，进一步的，纺丝电极包括多个具有点电极的点阵纺丝单元，通过全部点阵纺丝单元的旋转以将纺丝溶液经点电极供入纺丝区进行纺丝。也就是说，通过全部点阵纺丝单元的旋转把纺丝溶液带至纺丝区，在高压电场的作用下，点阵纺丝单元中携带纺丝溶液的点电极能够形成溶液射流，溶液射流在电场力的作用下飞向收集电极，并且不断被牵伸变细，最终产生纳米纤维并沉积到收集电极上。相较于传统采用辊筒式电极进行静电纺丝的设置方式，如此设置的静电纺丝设备，在相同电压情况下产生的电场强度大，纳米纤维产量高，可以大大提高纺丝效率，有利于提高纺丝稳定性和均匀性，并且通过点电极生产出的纳米纤维直径小且分布均匀，从而可以满足市场上对于纳米纤维产量和直径的要求；同时，由于点电极产生的电场强度高，纺丝时需要的启动电压低、耗能低。

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为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第一种纺丝电极的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第二种纺丝电极的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第三种纺丝电极的结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第四种纺丝电极的结构示意图；

图6为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的各种点电极的示意图；

图7为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的溶液槽的结构示意图。

其中：

1-纺丝电极、11-点阵纺丝单元、111-点电极、112-金属棒、12-转轴、2-溶液槽、21-密封盖、211-出液孔、3-高压直流电源、4-收集电极、5-纺丝区。

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。

本发明的核心是提供一种静电纺丝设备，该静电纺丝设备可以提高纺丝稳定性、均匀性和纺丝效率，同时，生产出的纳米纤维直径小且分布均匀。

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。

需要说明的是，下文所述的“上端、下端、左侧、右侧”等方位词都是基于说明书附图所定义的。

请参考图1至图7，图1为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第一种纺丝电极的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第二种纺丝电极的结构示意图；图4为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第三种纺丝电极的结构示意图；图5为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的第四种纺丝电极的结构示意图；图6为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的各种点电极的示意图；图7为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的溶液槽的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例所提供的静电纺丝设备，包括纺丝电极1、收集电极4和溶液槽2，其中，溶液槽2用于盛装纺丝溶液，纺丝电极1的至少一部分浸没于溶液槽2内的纺丝溶液中，收集电极4设于纺丝电极1的正上方位置，收集电极4可以接地或者接与纺丝电极1相反的电势；纺丝电极1连接有高压直流电源3，高压直流电源3可对纺丝电极1充电，以使纺丝电极1和收集电极4之间产生电位差。这样一来，纺丝电极1和收集电极4二者在电场的作用下能够形成纺丝区5，进行纺丝操作。纺丝电极1与收集电极4之间的距离范围为100-500mm。

作为一具体实施例，收集电极4在一驱动装置的驱动下进行旋转，例如，通过电机以40转/分的速度驱动收集电极4旋转，未在图中显示，收集电极4可以采用各种不同形式，包括平板、网链或辊筒；高压直流电源3连接纺丝电极1，用于产生纳米纤维；收集电极4与接地极连接，用于接收产生的纳米纤维。

此外，本发明实施例所提供的静电纺丝设备可以采用聚合物水溶液形成纳米纤维，聚合物水溶液的粘度为1200mPa.s，含有PVA(聚乙烯醇，平均分子量为146000至186000，96％被水解)。当然，也可以使用其他聚合物溶液生产纳米纤维，溶液槽2中的聚合物溶液可通过一个浸没的电极(图中未显示)与高压直流电源3连接。当进行纺丝时，高压直流电源3对聚合物溶液充电，以使纺丝电极1与收集电极4之间产生65kV左右的电位差。

当然，溶液槽2也可以和储液器连接，通过输液泵实现储液器对溶液槽2供液的连续化。

为了提高纺丝效率并使生产的纳米纤维直径满足市场需求，纺丝电极1包括多个具有点电极111的点阵纺丝单元11，通过全部点阵纺丝单元11的旋转以将纺丝溶液经点电极111供入纺丝区5进行纺丝。

也就是说，通过全部点阵纺丝单元11的旋转把纺丝溶液带至纺丝区5，在高压电场的作用下，点阵纺丝单元11中携带纺丝溶液的点电极111能够形成溶液射流，溶液射流在电场力的作用下飞向收集电极4，并且不断被牵伸变细，最终纤维沉积在收集电极4上形成均匀的纤维膜。

相较于传统采用辊筒式电极进行静电纺丝的设置方式，如此设置的静电纺丝设备，在相同电压情况下产生的电场强度大，纳米纤维产量高，可以大大提高纺丝效率，有利于提高纺丝稳定性和均匀性，并且通过点电极111生产出的纳米纤维直径小且分布均匀，从而可以满足市场上对于纳米纤维产量和直径的要求；同时，由于点电极111产生的电场强度高，纺丝时需要的启动电压低、耗能低。

进一步的，纺丝电极1还包括沿纺丝电极1的旋转中心线设置的转轴12，转轴12用于带动全部点阵纺丝单元11转动，转轴12可以连接相应的传动机构和驱动电机，全部点阵纺丝单元11沿转轴12的轴向分布。

上述纺丝电极1可以有不同的形状和构造，也即，纺丝电极1以单个点阵纺丝单元11作为基本纺丝单元，可以形成多个单元组合，有利于提高纺丝效率，任意两个相邻点阵纺丝单元11之间的间距范围为20-400mm。纺丝电极1整体包括但不限于圆柱形、椭圆形、螺旋形、圆锥形等一切有利于提高纺丝效率以及减小产生的纤维直径的三维形状。当然，纺丝电极1也可以是上述三维形状的任一组合，本文对此并不作具体限制。

具体地说，任一点阵纺丝单元11可以是轴对称结构，也可以是非轴对称的结构，任意两个相邻点阵纺丝单元11中的点电极111之间的间距范围为2-200mm。

下面通过不同的实施例介绍不同结构的纺丝电极1以及点阵纺丝单元11。

第一种实施例：如图2和3所示，纺丝电极1呈圆柱形，任一点阵纺丝单元11具体为呈星射状分布的点阵纺丝单元，构成圆柱的个数≥1，圆柱的直径范围为80-200mm，圆柱的长度≥10mm。

在该实施例中，任一点阵纺丝单元11包括多个沿径向设置的金属棒112，金属棒112的一端固接于转轴12，另一端固接有点电极111，且点电极111与金属棒112一一对应设置。当然，金属棒112也可以设置为垂直穿过转轴12，且金属棒112的两端均固接有点电极111。金属棒112的数量可以根据需要进行调整，任一点阵纺丝单元11中的全部金属棒112共面且长度相等；同时，任一点阵纺丝单元11可以呈圆形，金属棒112沿直径方向设置，同一金属棒112位于转轴12两侧的长度相等。

此外，任意两个相邻点阵纺丝单元11的间距相等，任意两个相邻点阵纺丝单元11中的金属棒112的长度相同。

第二种实施例：如图4所示，纺丝电极1呈椭圆形，任一点阵纺丝单元11具体为呈星射状分布的点阵纺丝单元11，点阵纺丝单元11的构造可以参照第一种实施例中的点阵纺丝单元11构造，任一点阵纺丝单元11的直径范围为5-200mm，椭圆长度≥20mm。

需要说明的是，与第一种实施例中不同的是，任意两个相邻点阵纺丝单元11中的金属棒112的长度不同，金属棒112的长度沿纺丝电极1中心向两端渐缩。

第三种实施例：如图5所示，纺丝电极1呈螺旋形，任一点阵纺丝单元11包括一个金属棒112，金属棒112垂直穿过转轴12，金属棒112的两端均固接有点电极111，同一金属棒112位于转轴12两侧的长度相等，全部金属棒112的长度均相等，任一两个金属棒112的中心间距也相等，在该实施例中，全部的点电极111呈双螺旋结构分布。

需要说明的是，纺丝电极1中的每个点电极111都能进行纺丝，点电极111可以设置为各种三维形状，包括球形、半球形、圆柱形、锥形、菱形、多面体形、条形或其他立体结构组合，如图6所示。当点电极111为球形或半球形时，其直径范围为2-20mm；当点电极111为圆柱形时，圆柱直径范围为2-20mm，圆柱长度范围为1-10mm；当点电极111为锥形或菱形时，其边长范围为2-30mm；当点电极111为条形时，其厚度范围为0.1-10mm，长度范围为0.5-30mm，高度范围为2-30mm。本文优选为球形点电极。

此外，连接点电极111的金属棒112的直径应当远小于点电极111的直径，金属棒112的长度远大于点电极111的尺寸，因此，金属棒112和转轴12产生的电场不会影响点电极111纺丝过程。

当然，根据实际需要，任一点电极111均由导电材料制成，其中的一种优先模式，点电极111及其连接点电极111和转轴12的金属棒112均由不锈钢构成，溶液槽2部分由不导电材料构成。不导电的材料可选用聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、陶瓷或橡胶等。需要注意的是，无论采用哪种材料，溶液槽2最好对于纺丝溶液呈惰性，例如不溶解于聚合物溶液。

为了优化上述实施例，上述溶液槽2设有密封盖21，密封盖21的设置有利于防止纺丝溶液挥发。密封盖21可以采用塑料、陶瓷等绝缘材料制成。

为了保证纺丝过程的顺利进行，密封盖21设有多个与点阵纺丝单元11一一对应设置的出液孔211，出液孔211用于供点阵纺丝单元11旋转并带出纺丝溶液。出液孔211可以根据点阵纺丝单元11的结构进行设计，前提是，出液孔211的位置和大小允许点阵纺丝单元11中的点电极111和金属棒112转动通过，如图7所示。

如此一来，在整个纺丝过程中，溶液槽2中的纺丝溶液被密封盖21封住，可以有效防止溶剂挥发保证溶液的稳定性。纺丝电极1的每个点电极111都可以产生集中分布的高电场强度，纺丝效率高，被点电极111带出溶液槽2的纺丝溶液在电场力的作用下形成了纳米纤维；整个静电纺丝设备中溶剂挥发被大大降低，保证了纤维生产过程的稳定性。

经过试验证明，当纺丝电极1为圆柱形，点电极111为条形(厚度为2mm，长度为15mm，高度为6mm)，相邻点电极111的间距为40mm，金属棒112的直径为1mm，纺丝电极1与收集电极4的距离为250mm，溶液槽2的材质是聚丙烯塑料，进行纺丝时，外加电压为65kV，这样制得的PVA纳米纤维的平均直径为335nm，平均产量为27.3g/h。

当纺丝电极1为椭圆形，点电极111为球形，点电极111的直径为8mm，相邻点电极111间距为40mm，金属棒112的直径为1.5mm，纺丝电极1与收集电极4的距离为250mm，溶液槽2的材质是聚丙烯塑料，进行纺丝时，外加电压为70kV，这样制得的PVA纳米纤维的平均直径为320nm，平均产量为29g/h。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的静电纺丝设备进行了详细介绍。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案及其核心思想。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 (8)

1.一种静电纺丝设备，其特征在于，包括纺丝电极(1)、收集电极(4)以及用以盛装纺丝溶液的溶液槽(2)，所述纺丝电极(1)的至少一部分浸没于所述溶液槽(2)内的纺丝溶液中，所述纺丝电极(1)和所述收集电极(4)二者在电场的作用下形成有纺丝区(5)，所述纺丝电极(1)包括多个具有点电极(111)的点阵纺丝单元(11)，通过全部所述点阵纺丝单元(11)的旋转以将纺丝溶液经所述点电极(111)供入所述纺丝区(5)进行纺丝；

还包括沿所述纺丝电极(1)的旋转中心线设置、用以带动全部所述点阵纺丝单元(11)转动的转轴(12)，全部所述点阵纺丝单元(11)沿所述转轴(12)的轴向分布；

任一所述点阵纺丝单元(11)包括多个沿径向设置的金属棒(112)，所述金属棒(112)的一端固接于所述转轴(12)，另一端固接有所述点电极(111)，且任一所述点阵纺丝单元(11)中的所述点电极(111)离散分布；

所述金属棒(112)的直径小于所述点电极(111)的直径，所述金属棒(112)的长度大于所述点电极(111)的长度。

2.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，任一所述点阵纺丝单元(11)具体为呈星射状分布的点阵纺丝单元。

3.如权利要求2所述的静电纺丝设备，其特征在于，任意两个相邻所述点阵纺丝单元(11)的间距相等。

4.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，任意两个相邻所述点阵纺丝单元(11)中的所述金属棒(112)的长度相同。

5.如权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述纺丝电极(1)具体为螺旋形纺丝电极。

6.如权利要求1-5任意一项所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述溶液槽(2)设有用以防止纺丝溶液挥发的密封盖(21)。

7.如权利要求6所述的静电纺丝设备，其特征在于，所述密封盖(21)设有多个与所述点阵纺丝单元(11)一一对应设置、用以供所述点阵纺丝单元(11)带出纺丝溶液的出液孔(211)。

8.如权利要求6所述的静电纺丝设备，其特征在于，任一所述点电极(111)的形状为球形、圆柱形或者锥形。

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