本發(fā)明涉及靜電紡絲，尤其是涉及一種用于制備復(fù)合纖維膜的同軸電紡多射流噴頭。

背景技術(shù)：

近年來，靜電紡絲技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)移到制備復(fù)合纖維膜。納米復(fù)合材料的研究是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力的內(nèi)容，其不僅具有納米材料的剛性和特殊性能，還具有高分子材料的韌性、易加工性、形貌可控、比表積大、透氣性好等諸多優(yōu)勢(shì)，己在過濾材料、防護(hù)材料、酶載體、傳感器膜、組織工程等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

復(fù)合纖維材料的性能不僅與納米粒子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與納米粒子的聚集方式和協(xié)同性能、聚合物基體的結(jié)構(gòu)性能、粒子與基體的界面結(jié)構(gòu)性能及加工復(fù)合工藝等有關(guān)。因此，如何大量制備出適合需要的、高性能、多功能的有機(jī)高分子和無機(jī)金屬/非金屬氧化物納米復(fù)合纖維是該研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

在靜電紡絲早期研究領(lǐng)域中，主要是應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)直接將單一的聚合物制備成納米纖維，并通過高溫鍛造等方式把金屬、無機(jī)氧化物、半導(dǎo)體等納米粒子添加到高分子基質(zhì)中，以獲得具有相應(yīng)功能的米復(fù)合纖維。這種方式，效率低下，批量生產(chǎn)納米復(fù)合纖維工藝過為復(fù)雜，所以提高靜電紡絲納米復(fù)合纖維的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)多物料、多射流噴射是目前研發(fā)重點(diǎn)。多噴嘴紡絲噴射是實(shí)現(xiàn)制備復(fù)合纖維膜的最簡(jiǎn)單、最方便的手段。但靜電紡絲中多噴頭紡絲噴嘴上加載有高壓靜電紡，每個(gè)射流均存在類似單根針頭體系靜電紡絲的鞭動(dòng)不穩(wěn)定性，并且各噴頭之間易產(chǎn)生電場(chǎng)抑制干擾，同時(shí)空間電場(chǎng)分布不均勻也會(huì)導(dǎo)致各個(gè)噴頭的噴射狀態(tài)不一致，難以保證各個(gè)噴嘴同時(shí)進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的射流噴射；其次，射流之間的靜電排斥作用也增加了射流的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致各個(gè)噴頭所噴射獲得的納米纖維形態(tài)尺寸差異很大，影響了所制備納米纖維品質(zhì)的提高；再者，單一塑料材質(zhì)供液裝置難以滿足有機(jī)溶液和無機(jī)溶液分別均勻混合并同軸噴射的需求，也無法調(diào)節(jié)有機(jī)溶液和無機(jī)溶液的供液速度和質(zhì)量比，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)合納米纖維的快速批量生產(chǎn)。

使有機(jī)溶液和無機(jī)溶液均勻同軸噴射，調(diào)節(jié)有機(jī)溶液和無機(jī)溶液的質(zhì)量比和供液速度，提高各個(gè)噴頭紡絲液的均勻性以確保各噴頭進(jìn)行均勻射流噴射，是靜電紡絲技術(shù)研究的重點(diǎn)。

中國(guó)專利CN203238353U公開一種可更換內(nèi)、外針頭的同軸電紡噴頭，是由內(nèi)管、固定接頭、外管及外層溶液導(dǎo)管所組成；其特征在于所述的內(nèi)管插入到外管中，固定接頭套在內(nèi)管的外部，并通過螺紋與外管螺接；外層溶液導(dǎo)管裝于外管中部的通孔上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供用于制備復(fù)合纖維膜的同軸電紡多射流噴頭。

本發(fā)明設(shè)有多種無機(jī)溶液可控注射裝置、多種有機(jī)溶液可控注射裝置、可控供氣裝置、氣流通道、有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道、鞘氣氣孔陣列、輔助氣體出氣口、可獨(dú)立供電的高壓電源、接收裝置、紡絲噴頭組、二級(jí)氣流緩沖腔、緩沖室、夾持板、無機(jī)溶液進(jìn)液口、一級(jí)氣流緩沖室、無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道、分液配液器；

所述多種無機(jī)溶液可控注射裝置由至少兩個(gè)可控注射裝置組成，各個(gè)可控注射裝置經(jīng)液體導(dǎo)管連接到分液配液器，多種有機(jī)溶液可控注射裝置由至少兩個(gè)可控注射裝置組成，各個(gè)可控注射裝置經(jīng)液體導(dǎo)管連接到分液配液器；分液配液器分別與有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道和無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道相連；有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道與紡絲噴頭組的有機(jī)進(jìn)液口相連，無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道與紡絲噴頭組的無機(jī)溶液進(jìn)液口相連，紡絲噴頭組固定在夾持板上；紡絲噴頭組包含至少兩個(gè)噴頭；紡絲噴頭組包含的噴頭與可獨(dú)立供電的高壓電源的正極相連接，接收裝置與可獨(dú)立供電的高壓電源的負(fù)極相連接，且負(fù)極接地。紡絲噴頭組的各噴頭下方均設(shè)有鞘氣氣孔陣列，可控供氣裝置與鞘氣氣孔陣列通過氣流通道連接，鞘氣氣孔陣列與輔助氣體出氣口同軸布置；氣流通道經(jīng)一級(jí)氣流緩沖室接二級(jí)氣流緩沖腔，有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道的出口接緩沖室，無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道的出口接緩沖室；輔助氣流通過氣流通道進(jìn)入一級(jí)氣流緩沖室，向下傳輸過程中通過二級(jí)氣流緩沖室進(jìn)行分流，最終輔助氣體經(jīng)鞘氣氣孔陣列流出后經(jīng)由輔助氣體出氣口排出。

本發(fā)明提供一種靜電紡絲裝置，包括多種無機(jī)溶液可控注射裝置、多種有機(jī)溶液可控注射裝置、有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道、無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道、紡絲噴頭組、高壓電源、接收裝置以及大規(guī)模輔助鞘層氣流供均勻供氣流道結(jié)構(gòu)；紡絲噴頭組固定在夾持板上；可調(diào)高壓電源正極分別與每個(gè)噴頭相連接，負(fù)極接地；通過多種無機(jī)溶液可控注射裝置、多種有機(jī)溶液可控注射裝置、分液配液器、有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液裝置和無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液裝置，給紡絲噴頭組提供紡絲液；通過高壓電源與紡絲噴頭組連接提供高壓，使紡絲噴頭組與接收裝置之間形成高壓電場(chǎng)；通過可控供氣裝置、一級(jí)氣流緩沖室與二級(jí)氣流緩沖室提供輔助鞘層氣流，以保證輔助氣流傳輸過程中流速分布的均勻性；紡絲噴嘴周圍布置有鞘氣氣孔，鞘氣氣孔由圓錐臺(tái)和圓柱組成狹長(zhǎng)型氣體通道，具有很強(qiáng)的約束聚焦作用，可以減小多針頭靜電紡絲射流之間的靜電干擾。

本發(fā)明通過多個(gè)噴嘴進(jìn)行噴射批量連續(xù)制備復(fù)合納米纖維，顯著提高靜電紡絲的效率，通過引入多種無機(jī)溶液可控注射裝置、多種有機(jī)溶液可控注射裝置、分液配液器、有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道及無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道、使不同質(zhì)量比的有機(jī)紡絲液和無機(jī)紡絲液分別均勻混合；通過高壓電源與接收裝置形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，作用于靜電紡絲射流，同時(shí)結(jié)合鞘氣氣孔陣列的約束聚焦作用，減小射流之間的靜電干擾，改善靜電紡絲過程中射流的不穩(wěn)定性，加快靜電紡絲的速度，進(jìn)一步提高靜電噴霧效率并且進(jìn)一步細(xì)化射流和納米纖維，減小靜電紡絲納米纖維的直徑，改善靜電紡絲納米纖維的質(zhì)量。

本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)合理的多種無機(jī)溶液可控注射裝置，多種有機(jī)溶液可控注射裝置，大規(guī)模輔助鞘層氣流供均勻供氣流道結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶液和無機(jī)溶液各自的均勻混合噴射，提高各個(gè)紡絲噴頭供液的均勻性，減弱射流間的排斥作用，并通過調(diào)節(jié)有機(jī)溶液和無機(jī)溶液的供液速度和質(zhì)量比，適應(yīng)大批量生產(chǎn)納米復(fù)合材料的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有多種無機(jī)溶液可控注射裝置1、多種有機(jī)溶液可控注射裝置2、可控供氣裝置3、氣流通道4、有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5、鞘氣氣孔陣列6、輔助氣體出氣口7、可獨(dú)立供電的高壓電源8、接收裝置9、紡絲噴頭組10、二級(jí)氣流緩沖腔11、緩沖室12、夾持板13、無機(jī)溶液進(jìn)液口14、一級(jí)氣流緩沖室15、無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16、分液配液器17；所述多種無機(jī)溶液可控注射裝置1由至少兩個(gè)可控注射裝置組成，各個(gè)可控注射裝置經(jīng)液體導(dǎo)管連接到分液配液器17，多種有機(jī)溶液可控注射裝置2由至少兩個(gè)可控注射裝置組成，各個(gè)可控注射裝置經(jīng)液體導(dǎo)管連接到分液配液器17；分液配液器分別與有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5和無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16相連；有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5與紡絲噴頭組10的有機(jī)進(jìn)液口相連，無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16與紡絲噴頭組10的無機(jī)溶液進(jìn)液口14相連，紡絲噴頭組10固定在夾持板13上；紡絲噴頭組10包含至少兩個(gè)噴頭；紡絲噴頭組10包含的噴頭與可獨(dú)立供電的高壓電源8的正極相連接，接收裝置9與可獨(dú)立供電的高壓電源8的負(fù)極相連接，且負(fù)極接地。紡絲噴頭組10的各噴頭下方均設(shè)有鞘氣氣孔陣列6，可控供氣裝置3與鞘氣氣孔陣列6通過氣流通道4連接，鞘氣氣孔陣列6與輔助氣體出氣口7同軸布置；氣流通道4經(jīng)一級(jí)氣流緩沖室15接二級(jí)氣流緩沖腔11，有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5的出口接緩沖室12，無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16的出口接緩沖室12；輔助氣流通過氣流通道4進(jìn)入一級(jí)氣流緩沖室15，向下傳輸過程中通過二級(jí)氣流緩沖室11進(jìn)行分流，最終輔助氣體經(jīng)鞘氣氣孔陣列6流出后經(jīng)由輔助氣體出氣口7排出。

在圖1中，多種無機(jī)溶液可控注射裝置1可以控制多種無機(jī)紡絲液供給的速度，使多種無機(jī)紡絲液進(jìn)入分液配液器17均勻混合后進(jìn)入無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16；多種有機(jī)溶液可控注射裝置2可以控制多種有機(jī)紡絲液供給的速度，使有機(jī)紡絲液進(jìn)入分液配液器均勻混合后進(jìn)入有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5。不同配比的多種無機(jī)紡絲液在分液配液器17中均勻混合；不同配比的有機(jī)紡絲液在分液配液器中均勻混合；混合有機(jī)紡絲液進(jìn)入有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5后進(jìn)入緩沖室12，混合無機(jī)紡絲液進(jìn)入無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16后進(jìn)入緩沖室12；有機(jī)溶液和無機(jī)溶液經(jīng)緩沖室12和出液口同軸噴射紡絲。通過控制多種無機(jī)溶液可控注射裝置1和多種有機(jī)溶液可控注射裝置2的流速，還可以生產(chǎn)有機(jī)溶液和無機(jī)溶液質(zhì)量比不同的同軸復(fù)合纖維。

以PVDF/Al₂O₃復(fù)合鋰離子電池隔膜為例，將PVDF和DMF/丙酮(體積比7∶3)混合溶劑按質(zhì)量比為16∶84配成16％的PVDF有機(jī)紡絲液；稱取3g的PVP和3g氧化鋁，加入到24mLDMF和甘油的混合液體積比5:1中配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的Al₂O₃無機(jī)紡絲液。在圖中，多種無機(jī)溶液可控注射裝置1控制Al₂O₃無機(jī)紡絲液供給的速度，使Al₂O₃無機(jī)紡絲液進(jìn)入分液配液器17均勻混合后進(jìn)入無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16；多種有機(jī)溶液可控注射裝置2控制PVDF有機(jī)紡絲液供給的速度，使PVDF有機(jī)紡絲液進(jìn)入分液配液器均勻混合后進(jìn)入有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5。PVDF有機(jī)紡絲液進(jìn)入有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液流道5后進(jìn)入緩沖室12，Al₂O₃無機(jī)紡絲液進(jìn)入無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液流道16后進(jìn)入緩沖室12；PVDF有機(jī)溶液和Al₂O₃無機(jī)溶液經(jīng)緩沖室12和出液口同軸噴射PVDF/Al₂O₃復(fù)合納米纖維；復(fù)合納米纖維外層為PVDF有機(jī)纖維材料，內(nèi)層為Al₂O₃溶膠，形成核-殼結(jié)構(gòu)。通過控制電紡裝置的平臺(tái)程序，可通過此多射流噴頭裝置批量生產(chǎn)PVDF/Al₂O₃復(fù)合鋰離子電池隔膜，核-殼結(jié)構(gòu)PVDF/Al₂O₃復(fù)合鋰離子電池隔膜相比于商業(yè)化的鋰離子電池隔膜常用的聚烯烴類微孔膜，其耐熱收縮率、抗拉伸斷裂能力和電化學(xué)性能均有明顯提高。

本實(shí)施例中紡絲噴頭組10固定在夾持板13上；紡絲噴頭組10包含兩個(gè)或兩個(gè)以上多個(gè)噴頭。紡絲噴頭組10包含的噴頭與可獨(dú)立供電的高壓電源8的正極相連接，接收裝置9與可獨(dú)立供電的高壓電源8的負(fù)極相連接，且負(fù)極接地?？瑟?dú)立供電的高壓電源8使紡絲噴頭組10與接收裝置9之間形成與靜電紡絲射流方向相同的勻強(qiáng)電場(chǎng)，作用于紡絲射流，即可減小射流之間的靜電干擾，改善靜電紡絲過程中射流的不穩(wěn)定性，加快靜電紡絲的速度，提高靜電紡絲的效率，改善靜電紡絲納米纖維的質(zhì)量。

本發(fā)明中紡絲噴頭組的各噴頭下方均設(shè)有鞘氣氣孔陣列6，與紡絲針頭同軸布置。通過可控供氣裝置3給鞘氣氣孔供氣，輔助氣流通過氣流通道4進(jìn)入一級(jí)氣流緩沖室15，向下傳輸過程中通過二級(jí)氣流緩沖室11進(jìn)行分流，最終輔助氣體經(jīng)鞘氣氣孔陣列6流出后經(jīng)由輔助氣體出氣口7排出。狹長(zhǎng)型輔助氣體出氣口7能夠?qū)o助氣流起到聚焦作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電紡絲射流的約束，以減弱靜電紡絲射流之間的干擾。

本發(fā)明提供一種具有多種無機(jī)溶液可控注射裝置、多種有機(jī)溶液可控注射裝置、大規(guī)模輔助鞘層氣流供均勻供氣流道結(jié)構(gòu)、有機(jī)紡絲液均勻輸液的金屬分液裝置，無機(jī)紡絲液均勻輸液的分液裝置的多噴嘴靜電紡絲裝置，使多種有機(jī)溶液和無機(jī)溶液分別均勻混合并同軸噴射，同時(shí)通過調(diào)節(jié)有機(jī)溶液和無機(jī)溶液的質(zhì)量比和供液速度，提高各個(gè)噴頭紡絲液的均勻性，確保多噴射流的穩(wěn)定快速噴射，大面積進(jìn)行紡絲以進(jìn)一步提高靜電紡絲效率。紡絲噴頭組的各噴頭下方均設(shè)有鞘氣氣孔陣列，與紡絲針頭同軸布置。通過可控供氣裝置給鞘氣氣孔供氣，狹長(zhǎng)型輔助氣體出氣口能夠?qū)o助氣流起到聚焦作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電紡絲射流的約束，減小射流之間靜電干擾，促進(jìn)靜電紡絲在收集裝置上的均勻分布，提高所收集到復(fù)合納米纖維的均勻性，改善復(fù)合納米纖維邊緣收集的不規(guī)則度，并能細(xì)化射流的直徑，改善靜電紡絲的質(zhì)量。