CN115467032A - 一种静电纺丝辅助装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种静电纺丝辅助装置，涉及静电纺丝技术领域，包括一组纺丝辅助机构，一组纺丝辅助机构分别设于纺丝头的两侧；任一纺丝辅助机构包括静电模块和气流模块，气流模块包括气流喷嘴，气流喷嘴可转动地设于纺丝头的一侧，气流喷嘴用于喷出气流，静电模块包括静电电极，静电电极可转动地设于纺丝头的一侧，静电电极用于产生静电场。上述静电纺丝辅助装置能够提高纳米纤维产量、质量并控制纤维沉积，以及提高纳米纤维收集效果，并提高纺丝稳定性。此外，还可以对纺丝头定期清洗，从而可以降低维护成本，缩减维护时间，满足纳米纤维产业化应用的需要。

Description

一种静电纺丝辅助装置

技术领域

本申请涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种静电纺丝辅助装置。

背景技术

静电纺丝是一种制备具有很高长径比超细纤维的高效纤维制备技术，可以获得直径在10-1000nm左右的超细纤维。同常规纤维相比，纳米纤维具有高比表面积、大孔隙率、高透气性等优良特性。因此，静电纺纳米纤维在过滤、医疗卫生、催化、传感及组织工程支架等领域具有广泛应用价值。

常规静电纺丝装置主要由高电压源、纺丝液推进器、纺丝头和纳米纤维收集装置等组件构成。纺丝头尖端的纺丝液在高压电场的作用下，形成“泰勒锥”，随着施加电压的增加，电场力逐渐增加，“泰勒锥”变尖，当电场力超过临界值时，聚合物溶液从锥顶喷射出来，形成溶液射流。溶液射流在电场力的作用下被拉伸成百上千倍，随着溶剂挥发射流固化，最终形成纳米纤维沉积到收集器上。

静电纺丝技术产业化应用的前提是提高单位时间纺丝产量。在静电纺丝过程中，单针头静电纺丝效率很低(一般纺丝液的流速为0.1-10mL/h)，无法满足纳米纤维产业化应用的需要；多针头静电纺丝技术虽然能够提高纳米纤维产量，但多针头之间存在静电排斥、滴液、飘丝以及纳米纤维收集不均匀等问题；无针纺虽然可以大幅度提高纳米纤维产量，但也存在纺丝头污染，溶剂挥发溶液性质变化纤维质量下降、纤维粘结等问题。

因此，本领域技术人员有必要适时提供一种能提高纺丝稳定性、提升纳米纤维产量和质量的静电纺丝辅助装置。

发明内容

本申请的目的是提供一种静电纺丝辅助装置，能提高纳米纤维产量、质量，并能提高纳米纤维收集效果和纺丝稳定性。

为实现上述目的，本申请提供一种静电纺丝辅助装置，用于辅助纺丝头纺丝，包括一组纺丝辅助机构，一组纺丝辅助机构分别设于纺丝头的两侧；任一纺丝辅助机构包括静电模块和气流模块，气流模块包括气流喷嘴，气流喷嘴可转动地设于纺丝头的一侧，气流喷嘴用于喷出气流，以对纺丝头上的射流进行牵伸或对纺丝头清洁，静电模块包括静电电极，静电电极可转动地设于纺丝头的一侧，静电电极用于产生静电场，以控制纺丝头上的射流方向。

在一些实施例中，还包括：

转轴，连接气流喷嘴和静电电极，用于带动气流喷嘴与静电电极转动；

驱动件，连接转轴，用于提供动力，以驱动转轴绕其轴线转动。

在一些实施例中，气流模块还包括：

气流分配管，设于转轴上，并连接气流喷嘴，用于向气流喷嘴分配气流；

气流软管，连接气流分配管，用于向气流分配管输送气流；

气源，连接气流软管，用于向气流软管供应气流。

在一些实施例中，静电电极设于气流分配管或转轴上。

在一些实施例中，静电电极通过第一连接棒固定于气流分配管上，气流分配管通过第二连接棒固定于转轴上。

在一些实施例中，静电电极、气流分配管和转轴三者的轴线相互平行。

在一些实施例中，静电模块还包括高压电源，高压电源连接静电电极与纺丝头，且静电电极的电压不高于纺丝头的电压。

在一些实施例中，气流喷嘴为直线型结构，气流喷嘴上设有若干间隔分布的气流喷口。

在一些实施例中，气流喷嘴上任意相邻的两个气流喷口间距相同。

在一些实施例中，气流喷嘴与竖直方向的夹角范围为5°-85°。

相对于上述背景技术，本申请实施例所提供的静电纺丝辅助装置，用于辅助纺丝头纺丝，静电纺丝辅助装置包括一组纺丝辅助机构，一组纺丝辅助机构分别设于纺丝头的两侧；任一纺丝辅助机构包括静电模块和气流模块，气流模块包括气流喷嘴，气流喷嘴可转动地设于纺丝头的一侧，气流喷嘴用于喷出气流，静电模块包括静电电极，静电电极可转动地设于纺丝头的一侧，静电电极用于产生静电场。需要说明的是，静电电极产生的静电场可以控制纺丝头上的射流方向，防止射流摇摆、产生飘丝现象，从而提高纺丝的稳定性；当气流喷嘴喷出气流时，气流作用于固化后的射流，也就是作用于纤维上，通过固化的纤维将作用力传递到整个溶液射流上，可以对纺丝头上的射流进行牵伸，从而提高纳米纤维取向度、结晶度、机械性能，增加纺丝速度和纳米纤维产量，得到均匀性更好的纳米纤维；此外，通过气流喷嘴喷出气流也可对纺丝头进行清洁，以实现对纺丝头的定期自动清洗，从而保证纺丝头的连续、高效工作，提高生产效率，有利于静电纺丝技术的工业化推广。

这样一来，相较于传统纺丝装置，本申请实施例所提供的静电纺丝辅助装置，可以辅助纺丝头纺丝，具体地，通过引入辅助气流能够提高纳米纤维产量、质量并控制纤维沉积，以及通过增设辅助电场以控制溶液射流飞行方向，提高纳米纤维收集效果，并提高纺丝稳定性。此外，引入的辅助气流还可以对纺丝头定期清洗，从而解决在静电纺丝过程中因纺丝头堵塞或者污染导致纺丝效率下降及纳米纤维产量降低、质量变差的问题，从而可以降低维护成本，缩减维护时间，满足纳米纤维产业化应用的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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为本申请实施例中静电纺丝辅助装置的结构示意图；

图2为图1所示静电纺丝辅助装置中纺丝辅助机构的结构示意图；

图3为本申请实施例中静电纺丝辅助装置的另一角度结构示意图；

图4为本申请实施例中静电纺丝辅助装置辅助纺丝的效果示意图；

图5为本申请实施例中静电纺丝辅助装置清洁纺丝头的示意图；

图6为本申请实施例中另一种静电纺丝辅助装置的结构示意图；

图7为本申请实施例中静电纺丝辅助装置与多针纺丝头的装配示意图；

图8为本申请实施例中静电纺丝辅助装置与长棒纺丝头的装配示意图；

图9(A)为未设置静电电极的纺丝模拟结果示意图；

图9(B)为设置静电电极的纺丝模拟结果示意图。

其中：

100-纺丝辅助机构；

1-静电电极、2-气流喷嘴、3-纺丝头、31-泰勒锥、32-直线射流段、33-射流鞭动段、4-气流分配管、5-气流软管、6-转轴、7-驱动件、8-气流喷口、9-第一连接棒、10-第二连接棒、11-接收电极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请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9(B)，图1为本申请实施例中静电纺丝辅助装置的结构示意图；图2为图1所示静电纺丝辅助装置中纺丝辅助机构的结构示意图；图3为本申请实施例中静电纺丝辅助装置的另一角度结构示意图；图4为本申请实施例中静电纺丝辅助装置辅助纺丝的效果示意图；图5为本申请实施例中静电纺丝辅助装置清洁纺丝头的示意图；图6为本申请实施例中另一种静电纺丝辅助装置的结构示意图；

图7为本申请实施例中静电纺丝辅助装置与多针纺丝头的装配示意图；图8为本申请实施例中静电纺丝辅助装置与长棒纺丝头的装配示意图；图9(A)为未设置静电电极的纺丝模拟结果示意图；图9(B)为设置静电电极的纺丝模拟结果示意图。

本申请实施例所提供的静电纺丝辅助装置，用于辅助纺丝头3纺丝，静电纺丝辅助装置包括一组纺丝辅助机构100，一组纺丝辅助机构100包括两个纺丝辅助机构100，一组纺丝辅助机构100对称地设于纺丝头3的两侧。

具体地，任一纺丝辅助机构100包括静电模块和气流模块，气流模块包括气流喷嘴2，气流喷嘴2可转动地设于纺丝头3的一侧，气流喷嘴2用于喷出气流，静电模块包括静电电极1，静电电极1可转动地设于纺丝头3的一侧，静电电极1为直线形结构，静电电极1用于产生线性分布高压静电场。

需要说明的是，静电电极1产生的静电场可以控制纺丝头3上的射流方向，防止射流摇摆、产生飘丝现象，从而提高纺丝的稳定性；当气流喷嘴2喷出气流时，气流作用于固化后的射流，也就是作用于纤维上，通过固化的纤维将作用力传递到整个溶液射流上，可以对纺丝头3上的射流进行牵伸，从而提高纳米纤维取向度、结晶度、机械性能，增加纺丝速度和纳米纤维产量，得到均匀性更好的纳米纤维；此外，通过气流喷嘴2喷出气流也可对纺丝头3进行清洁，以实现对纺丝头3的定期自动清洗，从而保证纺丝头3的连续、高效工作，提高生产效率，有利于静电纺丝技术的工业化推广。

这样一来，相较于传统纺丝装置，本申请实施例所提供的静电纺丝辅助装置，可以辅助纺丝头3纺丝，具体地，通过引入辅助气流能够提高纳米纤维产量、质量并控制纤维沉积，以及通过增设辅助电场以控制溶液射流飞行方向，提高纳米纤维收集效果，并提高纺丝稳定性。

此外，引入的辅助气流还可以对纺丝头3定期清洗，从而解决在静电纺丝过程中因纺丝头3堵塞或者污染导致纺丝效率下降及纳米纤维产量降低、质量变差的问题，从而可以降低维护成本，缩减维护时间，满足纳米纤维产业化应用的需要。

在一些实施例中，静电纺丝辅助装置还包括转轴6和驱动件7，其中，转轴6连接气流喷嘴2和静电电极1，转轴6用于带动气流喷嘴2与静电电极1转动；驱动件7连接转轴6，驱动件7用于提供动力，以驱动转轴6绕其轴线转动。

当然，根据实际需要，驱动件7可以为电机，通过电机驱动转轴6绕其轴线转动，从而带动气流喷嘴2与静电电极1二者绕转轴6的轴线转动。

在一些实施例中，气流模块还包括气流分配管4、气流软管5和气源，其中，气流分配管4设于转轴6上，气流分配管4连接气流喷嘴2，气流分配管4用于向气流喷嘴2分配气流；气流软管5连接气流分配管4，气流软管5用于向气流分配管4输送气流；气源连接气流软管5，气源用于向气流软管5供应气流。

在一些实施例中，静电电极1可以固定于气流分配管4上，也可以固定于转轴6上。

作为优选的，静电电极1通过第一连接棒9固定于气流分配管4上，气流分配管4通过第二连接棒10固定于转轴6上。这样一来，静电电极1与气流喷嘴2能够同时绕转轴6作顺时针或逆时针转动。

当然，根据实际需要，第一连接棒9与第二连接棒10的数量可以设置为至少两个，至少两个第一连接棒9沿静电电极1的轴线方向间隔分布，至少两个第二连接棒10沿气流分配管4的轴线方向间隔分布。

在一些实施例中，静电电极1、气流分配管4和转轴6三者的轴线相互平行。

上述静电纺丝辅助装置配合静电纺丝头3工作，利用线性分布的静电场与气流场增加纤维牵伸，可提高纤维机械性质与产量，改善纤维分布、提高纤维收集效率，加快溶剂挥发提高纤维质量，此外，还能实现对纺丝头3的自动清洁功能。

在一些实施例中，静电模块还包括高压电源，高压电源连接静电电极1与纺丝头3，静电电极1位于纺丝头3与收集器连线方向上纺丝头3的后方，静电电极1连接与静电纺丝头3极性相同的高压电源，且静电电极1的电压不高于纺丝头3的电压。

需要说明的是，收集器的接收电极11接地，并位于纺丝头3的下方，纺丝头3尖端的纺丝液在高压电场的作用下，形成“泰勒锥31”，随着施加电压的增加，电场力逐渐增加，“泰勒锥31”变尖，当电场力超过临界值时，聚合物溶液从锥顶喷射出来，形成溶液射流，溶液射流在电场力的作用下被拉伸成百上千倍，随着溶剂挥发射流固化，最终形成纳米纤维沉积到收集器上。

在一些实施例中，静电电极1的直径≥0.1mm，作为优选的，静电电极1的直径范围在1-5mm之间；静电电极1的长度≥10mm。

与此同时，静电电极1与纺丝头3的垂直直线距离H2≥5mm，作为优选的，H2≥15mm；静电电极1与纺丝头3的水平直线距离L2≥5mm，作为优选的，L2≥10mm。

需要说明的是，通过调整静电电极1与纺丝头3的间距和电压，控制静电电极1产生的静电场只作用于溶液射流直线段以及射流鞭动的初始阶段，控制射流方向，从而防止射流摇摆以及静电纺丝过程中飘丝现象，提高纳米纤维收集效果。

当然，根据实际需要，可以将气流喷嘴2设于静电电极1与纺丝头3之间，也可以将静电电极1设于气流喷嘴2与纺丝头3之间。

在一些实施例中，气流喷嘴2的位置位于纺丝头3与收集器连线方向上纺丝头3的后方，两个气流喷嘴2在纺丝头3两侧成对称分布；气流喷嘴2通过气流分配直管、气流软管5和气源连接；其中，气流喷嘴2的长度≥10mm，气流喷嘴2与纺丝头3的垂直直线距离H1≥10mm，作为优选的，H1≥20mm，气流喷嘴2与纺丝头3的水平直线距离L1≥10mm，作为优选的，L1≥15mm；气流喷嘴2与竖直方向的夹角α的角度范围为：5°≤α≤85°，作为优选的，30°≤α≤60°。

在一些实施例中，气流喷嘴2为直线型结构，气流喷嘴2上设有若干间隔分布的气流喷口8，多个气流喷口8用于产生线性分布的高速气流。

在一些实施例中，气流喷嘴2上任意相邻的两个气流喷口8间距相同。也就是说，气流喷嘴2上的气流喷口8均匀分布，从而保证喷出的气流是均匀的。

作为优选的，任意相邻的两个气流喷口8之间的间距≥1mm，任一气流喷口8的孔径≥0.1mm，且气流喷口8中的气流速度范围为1-300m/s。

需要说明的是，溶液射流在纺丝头3、泰勒锥31、直线射流段32这三个阶段是液态，容易被气流破坏，产生液滴、断丝等问题。射流在射流鞭动段33的后期以及纳米纤维收集阶段已经固化成为纤维。通过控制气流喷嘴2的角度、与纺丝头3间距、气流大小，气流喷口8喷出的高速气流只作用于从射流鞭动到纳米纤维收集的区域，对泰勒锥31、直线射流段32不产生影响；同时，气流喷口8喷出的气流能够对射流产生牵伸作用，加快纳米纤维飞行速度，改善纳米纤维取向、结晶度、机械性能，提高纺丝速度和纳米纤维产量，加快溶剂挥发，得到均匀性更好的纳米纤维；此外，气流喷口8出来的气流影响纳米纤维在收集器上的沉积面积，气流使纺出的纳米纤维趋向于沿气流喷嘴2的长度方向沉积分布。

可以理解的是，气流喷嘴2能够旋转对准纺丝头3纺丝的位置；在纺丝头3需要清理的时候，旋转气流喷嘴2，利用气流对纺丝头3进行清洗，实现纺丝头3的自动清洁。清洁结束后气流喷嘴2旋转到原来位置，继续进行静电纺丝。

需要注意的是，气流喷嘴2、气流分配管4、气流软管5、转轴6、第一连接棒9及第二连接棒10均由绝缘材料构成；静电电极1由导电金属材料构成，纺丝头3可以是针头式、多针头式、无针式长棒等封闭式纺丝头3，相应的，纺丝辅助机构100的尺寸和结构可以调整，以适配纺丝头3；静电纺丝辅助装置和纺丝头3组合在垂直于电极长度方向的数量≥1。

此外，气流喷嘴2上的气流喷口8喷出的气流可以是压缩空气、惰性气体、水蒸气、有机溶剂蒸汽等，本文对此并不作具体限制。

综上，本申请涉及一种以静电电极1和气流喷嘴2为核心的、能提高静电纺丝效果的辅助装置，利用该装置辅助静电纺丝装置从溶液静电纺丝中制备纳米纤维。该装置通过气流喷嘴2产生高速气流，并通过静电电极1连接高压电源产生高压静电场，从而使装置能够和多种类型静电纺丝头3配合工作，提高纺丝头3的纺丝效果。本申请的特点是，静电电极1能够控制溶液射流的飞行方向，防止射流摇摆、产生飘丝现象；气流喷嘴2能够对射流进行牵伸，提高纤维取向度、结晶度、机械性能，增加纺丝速度和纳米纤维产量，得到均匀性更好的纳米纤维。此外，气流喷嘴2能够旋转对纺丝头3进行定期自动清洗，实现纺丝头3的连续、高效工作，提高了生产效率，有利于静电纺丝技术的工业化推广。

如图9(A)和9(B)所示，纺丝电极静电场模拟结果，图9(A)没有静电电极1，图9(B)有静电电极1。需要注意的是，在同一条线上，电场强度相同；a部分代表电场强度高，b部分代表电场强度低，c部分线条代表电场强度变化梯度方向；电场强度变化越大线条分布越密集。

静电场模拟计算结果显示两根静电电极1能够显著影响纺丝电极的电场分布。只有纺丝电极如图9(A)所示，纺丝电极附近具有相同电场强度的点呈圆形分布，电场强度梯度变化方向成圆形向外辐射；在静电电极1的作用下如图9(B)所示，纺丝电极产生的电场中具有相同电场强度的点成扁平分布，电场强度梯度变化方向变得向下辐射，这种电场分布作用到溶液射流上能够有效控制射流的方向。

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。

以上对本申请所提供的静电纺丝辅助装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请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申请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，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种静电纺丝辅助装置，用于辅助纺丝头纺丝，其特征在于，包括一组纺丝辅助机构，一组所述纺丝辅助机构分别设于所述纺丝头的两侧；任一所述纺丝辅助机构包括静电模块和气流模块，所述气流模块包括气流喷嘴，所述气流喷嘴可转动地设于所述纺丝头的一侧，所述气流喷嘴用于喷出气流，以对所述纺丝头上的射流进行牵伸或对所述纺丝头清洁，所述静电模块包括静电电极，所述静电电极可转动地设于所述纺丝头的一侧，所述静电电极用于产生静电场，以控制所述纺丝头上的射流方向。

2.如权利要求1所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，还包括：

转轴，连接所述气流喷嘴和所述静电电极，用于带动所述气流喷嘴与所述静电电极转动；

驱动件，连接所述转轴，用于提供动力，以驱动所述转轴绕其轴线转动。

3.如权利要求2所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述气流模块还包括：

气流分配管，设于所述转轴上，并连接所述气流喷嘴，用于向所述气流喷嘴分配气流；

气流软管，连接所述气流分配管，用于向所述气流分配管输送气流；

气源，连接所述气流软管，用于向所述气流软管供应气流。

4.如权利要求3所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述静电电极设于所述气流分配管或所述转轴上。

5.如权利要求4所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述静电电极通过第一连接棒固定于所述气流分配管上，所述气流分配管通过第二连接棒固定于所述转轴上。

6.如权利要求3所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述静电电极、所述气流分配管和所述转轴三者的轴线相互平行。

7.如权利要求1所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述静电模块还包括高压电源，所述高压电源连接所述静电电极与所述纺丝头，且所述静电电极的电压不高于所述纺丝头的电压。

8.如权利要求1-7任意一项所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述气流喷嘴为直线型结构，所述气流喷嘴上设有若干间隔分布的气流喷口。

9.如权利要求8所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述气流喷嘴上任意相邻的两个所述气流喷口间距相同。

10.如权利要求8所述的静电纺丝辅助装置，其特征在于，所述气流喷嘴与竖直方向的夹角范围为5°-85°。

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