專利名稱：氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種靜電紡絲裝置，屬于靜電紡絲領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
靜電紡絲過程就是在噴頭和接收裝置間施加高壓靜電場，使帶電或被極化的流體在電場力的作用下克服表面張力和粘滯阻力，形成射流，在接收板上獲得超細(xì)纖維的過程。隨著納米技術(shù)的升溫，利用靜電紡絲制備納米纖維成為當(dāng)今實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)化應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。目前關(guān)于靜電紡絲的研究大多集中在溶液靜電紡絲方面，在產(chǎn)業(yè)化方面也形成了多個單針頭的集成和無噴頭溶液靜電紡絲兩種路線，目前國內(nèi)外都正在產(chǎn)業(yè)化試水，但是單個針頭存在噴頭易堵塞以及紡絲纖維均一性差的缺陷，后者捷克無噴頭工業(yè)化紡絲設(shè)備的產(chǎn)量仍然有限。溶液靜電紡絲雖然可以紡出小至幾十納米的纖維，但溶劑的使用使它出現(xiàn)了一系列的問題，如溶劑的回收問題、應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的安全問題、聚合物和溶劑的搭配問題、溶劑蒸發(fā)引起纖維表面缺陷、使用溶劑的昂貴成本和產(chǎn)量低等問題。而熔體靜電紡絲由于對加熱裝置、靜電隔離裝置、熔體均分裝置的要求相對較高，紡制的纖維相對較粗，因而對于它的研究相對較少，但與溶液靜電紡絲法相比，熔體靜電紡絲是一種比溶液靜電紡絲更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、安全的制備超細(xì)纖維的方法，因而熔體靜電紡絲更有希望使靜電紡絲技術(shù)走向本質(zhì)安全的工業(yè)化道路。目前關(guān)于熔體靜電紡絲要解決的關(guān)鍵問題就是使微米級的纖維直徑進(jìn)一步減小至百納米級(亞微米級)，并且進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率使其工業(yè)化。日本的Naoki SHIMADA等人通過定制的線激光光源將薄膜加熱到極低粘度，制備出一排纖維，在原有點(diǎn)光源基礎(chǔ)上提高了纖維的產(chǎn)量，但是其高成本和相對的低產(chǎn)量仍然難以用于批量化生產(chǎn)。捷克的利貝雷茨科技大學(xué)利用狹縫式設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了無噴頭多根纖維的制備，但是其穩(wěn)定性仍需要繼續(xù)探索，并且單排纖維的產(chǎn)量很低。美國專利US6616435中提到了實(shí)現(xiàn)靜電紡絲法工業(yè)化生產(chǎn)非織造超細(xì)纖維的裝置。但是，在該專利中還存在一些不足。該專利中描述的主要是溶液靜電紡絲法，對熔體靜電紡絲法只是粗略提及，并沒有給出熔體靜電紡絲法生產(chǎn)非織造材料的具體方案和裝置。美國專利US20090121379A1提出了電輔助熔噴和熱風(fēng)輔助的電紡絲提出將熱空氣的高速拉伸和電場力的不穩(wěn)定細(xì)化作用結(jié)合起來，通過熱風(fēng)吹拉的作用提高了單根絲的射流速度，再附加電場力的作用，使得纖維細(xì)度達(dá)到了 200nm左右，但是該專利中使用的噴頭仍然是單噴頭，對單股射流的改進(jìn)，而且實(shí)施例只針對了溶液紡絲，熔體紡絲只提出了方法，對于工業(yè)化應(yīng)用仍有其局限性。中國發(fā)明專利CN201010556163.X中提到了傘形噴頭，利用錐形結(jié)構(gòu)很好地將單股流均勻的分散成多股流，解決了批量化難題，但是熔體射流的平均速度仍然小于2m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔噴纖維每秒上百米的射流平均速度，限制了熔體靜電紡絲的產(chǎn)量。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提出了氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，通過此噴嘴內(nèi)錐面的分流可以實(shí)現(xiàn)單個噴嘴產(chǎn)生多根纖維的功能，減少了單噴針加工難度，實(shí)現(xiàn)了噴嘴溫度的精確穩(wěn)定控制；同時中心發(fā)散式氣流噴射的輔助作用，實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)錐面上紡絲介質(zhì)的剪薄、在射流路徑上對射流的加速拉伸以及對射流路徑溫度的間接控制，有效實(shí)現(xiàn)了纖維的細(xì)化，提高了單個噴嘴靜電紡絲的效率。為實(shí)現(xiàn)上述功能的技術(shù)方案是，氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，主要包括接收板、電加熱裝置、氣流導(dǎo)流柱、螺釘、氣接□塊、分流板、阻流塊、內(nèi)錐面噴嘴體、噴嘴體定位銷、溫度傳感器、氣流噴頭、接地電極、高壓靜電發(fā)生器，接收板固定在與內(nèi)錐面噴嘴體噴絲邊緣有一定距離的下方，內(nèi)錐面噴嘴體通過噴嘴體定位銷與分流板定位并固定連接，氣流導(dǎo)流柱位于內(nèi)錐面噴嘴體和分流板的內(nèi)孔中，氣流導(dǎo)流柱與分流板緊配合，氣流導(dǎo)流柱外表面與內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)圓柱孔形成間隙，熔體在間隙內(nèi)流動；阻流塊套在氣流導(dǎo)流柱外面，并與內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)孔配合，即氣流導(dǎo)流柱通過阻流塊和內(nèi)錐面噴嘴體同心安裝，內(nèi)錐面噴嘴體與分流板接觸的平面上斜向開有與內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)圓柱面相通的紡絲介質(zhì)入口，分流板上開有分流板流道，紡絲介質(zhì)入口和分流板流道相通；氣接口塊上有氣體入口，氣體入口與氣流導(dǎo)流柱內(nèi)孔相通，分流板和氣接口塊通過螺釘連接；在氣流導(dǎo)流柱下端通過螺紋連接氣流噴頭，氣流噴頭通過多個均布?xì)饪讓饬饕龑?dǎo)到內(nèi)錐面上的紡絲介質(zhì)上，起到對紡絲介質(zhì)流體減薄和保溫的作用；接收板連接高壓靜電發(fā)生器，內(nèi)錐面噴嘴體與接地電極相連，在兩電極建立的電場力作用下，紡絲介質(zhì)流體形成多股射流沉積到接收板上；在分流板、內(nèi)錐面噴嘴體、氣接口塊上分別設(shè)置電加熱裝置和溫度傳感器，起到精確控溫作用。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，內(nèi)錐面噴嘴體上端側(cè)面留有紡絲介質(zhì)入口，用以同分流板流道連接，內(nèi)錐面噴嘴體與氣流導(dǎo)流柱外表面之間的間隙用于引導(dǎo)紡絲介質(zhì)，使其均勻分布到內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面上，在內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面有一定的錐度，表面光滑，錐面下端成一定的尖端。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，在內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面上均勻分布導(dǎo)流槽，或在內(nèi)錐面噴嘴體下端邊緣設(shè)置延長的絲刷用于導(dǎo)流，這些結(jié)構(gòu)都有利于熔體均勻分布與引流，在內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面下端的尖端有利于形成電荷在紡絲介質(zhì)上的聚集，有利于在其附近形成更密的電場線分布，引導(dǎo)射流。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其氣流導(dǎo)流柱同軸安裝在內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)腔，氣流溫度可以調(diào)節(jié)，在氣流導(dǎo)流柱下端是可更換氣流噴頭，氣流噴頭周面均勻排布多個氣流出口，氣流噴頭長度及開口方向可根據(jù)工藝需求調(diào)節(jié)，不同長度的氣流噴頭可將氣流送到內(nèi)錐面不同的高度位置，氣流噴頭下端均布?xì)饪椎慕嵌瓤梢允沟脷饬鲊姷絻?nèi)錐面的不同位置，氣流在氣流噴頭的出口速度可以將紡絲介質(zhì)進(jìn)行不同程度的減薄。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其加熱裝置可以是電加熱裝置，也可以通過氣流或者熱液流介質(zhì)間接加熱，通過溫度傳感器對噴嘴裝置進(jìn)行精確的溫控，同一個噴嘴，也可以分為幾部分溫區(qū)，實(shí)現(xiàn)多段溫控，使得熔體獲得最佳溫度控制。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，可以直接給紡絲介質(zhì)入口加料，作為單個噴嘴單獨(dú)紡絲，也可以通過擠出機(jī)及熔體計(jì)量泵將熔體加入到分流板，分流板以均勻一分多的形式通過多個噴嘴進(jìn)行批量紡絲，其中分流板流道和內(nèi)錐面噴嘴體側(cè)面的紡絲介質(zhì)入口連接。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其氣接口塊在分流板上端通過螺釘安裝，用于供給具有設(shè)定溫度的氣流，如果是溶液靜電紡絲，供給常溫氣流，起到流體減薄和輔助牽伸作用；如果是熔體靜電紡絲，可以使用高溫氣流，起到對熔體保溫及提高射流路徑溫度和射流噴射速度的作用，使用的氣體可以是空氣或其他惰性氣體，惰性氣體可以減少空氣電離引起的靜電干擾，也可以對紡絲介質(zhì)起到保護(hù)作用。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其紡絲介質(zhì)阻流塊安裝于內(nèi)錐面噴嘴體的流道入口上端，防止紡絲介質(zhì)向上流動，同時還起到對氣流導(dǎo)流柱的定位作用，保證紡絲介質(zhì)流道周向間隙的均一。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其接地電極用于連接零電勢點(diǎn)，接收板連接高壓靜電發(fā)生器高壓輸出端子，構(gòu)成靜電紡絲系統(tǒng)后，和高壓靜電發(fā)生器形成高壓靜電場，當(dāng)噴嘴使用絕緣材料時，高壓電極可以接噴嘴，接收板可接地。本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，采用內(nèi)錐面結(jié)構(gòu)的均勻分流，利用內(nèi)錐面上的氣流對紡絲介質(zhì)的減薄作用、氣流對射流的高速拉伸作用、熱氣流余熱對環(huán)境溫度的保持作用，很好地解決了纖維細(xì)化和高效紡絲的問題，尤其是在熔體靜電紡絲批量化裝置中，該結(jié)構(gòu)可以作為紡絲噴嘴單元，實(shí)現(xiàn)多個噴嘴不同形式的擴(kuò)展組合，作為熔體靜電紡絲產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)組件。

圖I是本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴的剖視示意圖。圖2是本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴中內(nèi)錐面及氣流噴頭局部A的放大示意圖。圖中1_接收板；2_射流；3_內(nèi)錐面；4_電加熱裝置；5_氣流導(dǎo)流柱；6_紡絲介質(zhì)入口 ；7_分流板流道；8-螺釘；9_氣流入口 ；10_氣接口塊；11_分流板；12_阻流塊；13_噴嘴體定位銷子；14_內(nèi)錐面噴嘴體；15-溫度傳感器；16-氣流噴頭；17-接地電極；18_高壓靜電發(fā)生器；19_均布?xì)饪祝?br> 具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴如圖I和圖2所示，主要包括接收板I、電加熱裝置4、氣流導(dǎo)流柱5、螺釘8、氣接口塊10、分流板11、阻流塊12、內(nèi)錐面噴嘴體14、噴嘴體定位銷13、溫度傳感器15、氣流噴頭16、接地電極17、高壓靜電發(fā)生器18，接收板I固定在和內(nèi)錐面噴嘴體14有一定距離的下方，內(nèi)錐面噴嘴體14通過噴嘴體定位銷子13和分流板11定位并固定連接，接通紡絲介質(zhì)入口 6和分流板流道7，分流板11和氣接口塊10通過螺釘8連接，氣流導(dǎo)流柱5通過阻流塊12和內(nèi)錐面噴嘴體14同心安裝，在氣流導(dǎo)流柱5下端通過螺紋連接氣流噴頭16，氣流噴頭16通過多個均布?xì)饪?9將熱氣流作用于引導(dǎo)到內(nèi)錐面3上的紡絲介質(zhì)上，起到對紡絲介質(zhì)減薄及保溫的作用，接收板I連接高壓靜電發(fā)生器18，內(nèi)錐面噴嘴體14接接地電極17，在兩電極建立的電場力作用下，紡絲介質(zhì)形成多股射流2沉積到接收板I，在分流板11、內(nèi)錐面噴嘴體14、氣接口快10上分別設(shè)置電加熱裝置4和溫度傳感器15，起到精確控溫作用。[0024]一個實(shí)施例如圖I所示，內(nèi)錐面噴嘴體14下端內(nèi)錐面3半錐角為37°，內(nèi)錐面噴嘴體14高60_，氣流導(dǎo)流柱5內(nèi)徑為8_，電加熱裝置4對內(nèi)錐面噴嘴體14精確控溫，分流板流道7直徑為6mm，紡絲介質(zhì)入口 6直徑為4mm，內(nèi)錐面噴嘴體14與氣流導(dǎo)流柱5外表面之間的間隙0. 5mm,用于紡絲介質(zhì)的導(dǎo)流，內(nèi)錐面噴嘴體14和分流板11用噴嘴體定位銷子13定位，氣流供給的氣接口塊10使用DN15的接口，紡絲時利用分流板11沿內(nèi)錐面噴嘴體14側(cè)面紡絲介質(zhì)入口 6加入熔噴用聚丙烯(PP6315)熔體，熔體溫度200°C，熔體通過內(nèi)錐面噴嘴體14與氣流導(dǎo)流柱5外表面之間的間隙在內(nèi)錐面3上形成Imm厚的熔體層，在氣流噴頭16上有72小孔內(nèi)徑為0. 2mm的均布?xì)饪讎姵龅?00m/s的300°C的熱空氣作用下，熔體層被減薄到了 0. 25-0. 5mm，此時將內(nèi)錐面噴嘴體14下端和接收板I間距調(diào)整為13cm，高壓靜電發(fā)生器18加電50kv，在電場力及熱空氣氣流作用下，60-80根超細(xì)射流沿著內(nèi)錐面3切線方向噴出，在高壓靜電發(fā)生器接收板沉積。此時紡絲射流2平均速度可達(dá)10-20m/s,纖維直徑可達(dá)500nm左右,紡絲效率約為350g/h。
權(quán)利要求1.氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其特征在于主要包括接收板、電加熱裝置、氣流導(dǎo)流柱、螺釘、氣接口塊、分流板、阻流塊、內(nèi)錐面噴嘴體、噴嘴體定位銷、溫度傳感器、氣流噴頭、接地電極、高壓靜電發(fā)生器，接收板固定在與內(nèi)錐面噴嘴體噴絲邊緣有一定距離的下方，內(nèi)錐面噴嘴體通過噴嘴體定位銷與分流板定位并固定連接，氣流導(dǎo)流柱位于內(nèi)錐面噴嘴體和分流板的內(nèi)孔中，氣流導(dǎo)流柱與分流板緊配合，氣流導(dǎo)流柱外表面與內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)圓柱孔形成間隙，熔體在間隙內(nèi)流動；阻流塊套在氣流導(dǎo)流柱外面，并與內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)孔配合，內(nèi)錐面噴嘴體與分流板接觸的平面上斜向開有與內(nèi)錐面噴嘴體內(nèi)圓柱面相通的紡絲介質(zhì)入口，分流板上開有分流板流道，紡絲介質(zhì)入口和分流板流道相通；氣接口塊上有氣體入口，氣體入口與氣流導(dǎo)流柱內(nèi)孔相通，分流板和氣接口塊通過螺釘連接；在氣流導(dǎo)流柱下端通過螺紋連接氣流噴頭，氣流噴頭通過多個均布?xì)饪讓饬饕龑?dǎo)到內(nèi)錐面上的紡絲介質(zhì)上；接收板連接高壓靜電發(fā)生器，內(nèi)錐面噴嘴體與接地電極相連，在兩電極建立的電場力作用下，紡絲介質(zhì)流體形成多股射流沉積到接收板上；在分流板、內(nèi)錐面噴嘴體、氣接口塊上分別設(shè)置電加熱裝置和溫度傳感器；內(nèi)錐面噴嘴體上端側(cè)面留有紡絲介質(zhì)入口，用以同分流板流道連接，內(nèi)錐面噴嘴體與氣流導(dǎo)流柱外表面之間的間隙用于引導(dǎo)紡絲介質(zhì)，使其均勻分布到內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面上，在內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面有一定的錐度，表面光滑，錐面下端成一定的尖端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其特征在于在內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面上均勻分布導(dǎo)流槽，或在內(nèi)錐面噴嘴體下端邊緣設(shè)置延長的絲刷用于導(dǎo)流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其特征在于氣流溫度能夠調(diào)節(jié)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了氣流輔助內(nèi)錐面分流式靜電紡絲噴嘴，屬于靜電紡絲領(lǐng)域。它主要包括接收板、電加熱裝置、氣流導(dǎo)流柱、螺釘、氣接口塊、分流板、阻流塊、內(nèi)錐面噴嘴體、噴嘴體定位銷、溫度傳感器、氣流噴頭、接地電極、高壓靜電發(fā)生器。內(nèi)錐面噴嘴體上端側(cè)面留有紡絲介質(zhì)入口，用以同分流板流道連接，內(nèi)錐面噴嘴體與氣流導(dǎo)流柱外表面之間的間隙用于引導(dǎo)紡絲介質(zhì)，使其均勻分布到內(nèi)錐面噴嘴體下端的內(nèi)錐面上。采用內(nèi)錐面結(jié)構(gòu)的均勻分流，利用內(nèi)錐面上的氣流對紡絲介質(zhì)的減薄作用、氣流對射流的高速拉伸作用、熱氣流余熱對環(huán)境溫度的保持作用，很好地解決了纖維細(xì)化和高效紡絲的問題，多個噴嘴不同形式的擴(kuò)展組合，可作為熔體靜電紡絲產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)組件。
文檔編號D01D5/00GK202809023SQ20122050578
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者楊衛(wèi)民, 李好義, 焦志偉, 陳宏波, 閻華 , 丁玉梅 申請人:北京化工大學(xué)