專利名稱：氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種靜電紡絲裝置，屬于靜電紡絲領域。
背景技術：
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カ的作用下克服表面張カ和粘滯阻力，形成射流，在接收板上獲得超細纖維的過程。隨著納米技術的升溫，利用靜電紡絲制備納米纖維成為當今實驗研究和エ業化應用的熱點之一。目前關于靜電紡絲的研究大多集中在溶液靜電紡絲方面，在產業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，目前國內外都正在產業化試水，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，后者捷克無噴頭エ業化紡絲設備的產量仍然有限。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 用使它出現了一系列的問題，如溶劑的回收問題、應用于生物醫藥領域的安全問題、聚合物和溶劑的搭配問題、溶劑蒸發引起纖維表面缺陷、使用溶劑的昂貴成本和產量低等問題。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，熔體靜電紡絲是ー種比溶液靜電紡絲更加經濟、環保、高效、安全的制備超細纖維的方法，因而熔體靜電紡絲更有希望使靜電紡絲技術走向本質安全的エ業化道路。目前關于熔體靜電紡絲要解決的關鍵問題就是使微米級的纖維直徑進ー步減小至百納米級(亞微米級)，并且進一步提高其生產效率使其エ業化。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，在原有點光源基礎上提高了纖維的產量，但是其高成本和相対的低產量仍然難以用于批量化生產。捷克的利貝雷茨科技大學利用狹縫式設備，實現了無噴頭多根纖維的制備，但是其穩定性仍需要繼續探索，并且單排纖維的產量很低。美國專利US6616435中提到了實現靜電紡絲法エ業化生產非織造超細纖維的裝置。但是，在該專利中還存在ー些不足。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輔助的電紡絲提出將熱空氣的高速拉伸和電場カ的不穩定細化作用結合起來，通過熱風吹拉的作用提高了單根絲的射流速度，再附加電場カ的作用，使得纖維細度達到了 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，而且實施例只針對了溶液紡絲，熔體紡絲只提出了方法，對于エ業化應用仍有其局限性。中國發明專利CN201010556163.X中提到了傘形噴頭，利用錐形結構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，遠遠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量。

發明內容
本發明提出了氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，通過此噴嘴內錐面的分流可以實現單個噴嘴產生多根纖維的功能，減少了單噴針加工難度，實現了噴嘴溫度的精確穩定控制；同時中心發散式氣流噴射的輔助作用，實現了對內錐面上紡絲介質的剪薄、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，有效實現了纖維的細化，提高了單個噴嘴靜電紡絲的效率。為實現上述功能的技術方案是，氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，主要包括接收板、電加熱裝置、氣流導流柱、螺釘、氣接□塊、分流板、阻流塊、內錐面噴嘴體、噴嘴體定位銷、溫度傳感器、氣流噴頭、接地電極、高壓靜電發生器，接收板固定在與內錐面噴嘴體噴絲邊緣有一定距離的下方，內錐面噴嘴體通過噴嘴體定位銷與分流板定位并固定連接，氣流導流柱位于內錐面噴嘴體和分流板的內孔中，氣流導流柱與分流板緊配合，氣流導流柱外表面與內錐面噴嘴體內圓柱孔形成間隙，熔體在間隙內流動；阻流塊套在氣流導流柱外面，并與內錐面噴嘴體內孔配合，即氣流導流柱通過阻流塊和內錐面噴嘴體同心安裝，內錐面噴嘴體與分流板接觸的平面上斜向開有與內錐面噴嘴體內圓柱面相通的紡絲介質入 ロ，分流板上開有分流板流道，紡絲介質入ロ和分流板流道相通；氣接ロ塊上有氣體入ロ，氣體入口與氣流導流柱內孔相通，分流板和氣接ロ塊通過螺釘連接；在氣流導流柱下端通過螺紋連接氣流噴頭，氣流噴頭通過多個均布氣孔將氣流引導到內錐面上的紡絲介質上，起到對紡絲介質流體減薄和保溫的作用；接收板連接高壓靜電發生器，內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，紡絲介質流體形成多股射流沉積到接收板上；在分流板、內錐面噴嘴體、氣接ロ塊上分別設置電加熱裝置和溫度傳感器，起到精確控溫作用。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，內錐面噴嘴體上端側面留有紡絲介質入ロ，用以同分流板流道連接，內錐面噴嘴體與氣流導流柱外表面之間的間隙用于引導紡絲介質，使其均勻分布到內錐面噴嘴體下端的內錐面上，在內錐面噴嘴體下端的內錐面有一定的錐度，表面光滑，錐面下端成一定的尖端。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，在內錐面噴嘴體下端的內錐面上均勻分布導流槽，或在內錐面噴嘴體下端邊緣設置延長的絲刷用于導流，這些結構都有利于熔體均勻分布與引流，在內錐面噴嘴體下端的內錐面下端的尖端有利于形成電荷在紡絲介質上的聚集，有利于在其附近形成更密的電場線分布，引導射流。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其氣流導流柱同軸安裝在內錐面噴嘴體內腔，氣流溫度可以調節，在氣流導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ロ，氣流噴頭長度及開ロ方向可根據エ藝需求調節，不同長度的氣流噴頭可將氣流送到內錐面不同的高度位置，氣流噴頭下端均布氣孔的角度可以使得氣流噴到內錐面的不同位置，氣流在氣流噴頭的出口速度可以將紡絲介質進行不同程度的減薄。本發明氣流輔助內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間接加熱，通過溫度傳感器對噴嘴裝置進行精確的溫控，同ー個噴嘴，也可以分為幾部分溫區，實現多段溫控，使得熔體獲得最佳溫度控制。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，可以直接給紡絲介質入口加料，作為單個噴嘴單獨紡絲，也可以通過擠出機及熔體計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行批量紡絲，其中分流板流道和內錐面噴嘴體側面的紡絲介質入口連接。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其氣接ロ塊在分流板上端通過螺釘安裝，用于供給具有設定溫度的氣流，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，也可以對紡絲介質起到保護作用。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其紡絲介質阻流塊安裝于內錐面噴嘴體的流道入口上端，防止紡絲介質向上流動，同時還起到對氣流導流柱的定位作用，保證紡絲介質流道周向間隙的均一。本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其接地電極用于連接零電勢點，接收板連接高壓靜電發生器高壓輸出端子，構成靜電紡絲系統后，和高壓靜電發生器形成高壓靜電場，當噴嘴使用絕緣材料吋，高壓電極可以接噴嘴，接收板可接地。
本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，采用內錐面結構的均勻分流，利用內錐面上的氣流對紡絲介質的減薄作用、氣流對射流的高速拉伸作用、熱氣流余熱對環境溫度的保持作用，很好地解決了纖維細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，該結構可以作為紡絲噴嘴単元，實現多個噴嘴不同形式的擴展組合，作為熔體靜電紡絲產業化的基礎組件。


圖I是本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴的剖視示意圖。圖2是本發明氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴中內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_內錐面；4_電加熱裝置；5_氣流導流柱；6_紡絲介質入口 ；7_分流板流道；8-螺釘；9_氣流入口 ；10_氣接ロ塊；11_分流板；12_阻流塊；13_噴嘴體定位銷子；14_內錐面噴嘴體；15-溫度傳感器；16-氣流噴頭；17-接地電極；18_高壓靜電發生器；19_均布氣孔；
具體實施例方式本發明氣流輔助內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、氣流導流柱5、螺釘8、氣接ロ塊10、分流板11、阻流塊12、內錐面噴嘴體14、噴嘴體定位銷13、溫度傳感器15、氣流噴頭16、接地電極17、高壓靜電發生器18，接收板I固定在和內錐面噴嘴體14有一定距離的下方，內錐面噴嘴體14通過噴嘴體定位銷子13和分流板11定位并固定連接，接通紡絲介質入口 6和分流板流道7，分流板11和氣接ロ塊10通過螺釘8連接，氣流導流柱5通過阻流塊12和內錐面噴嘴體14同心安裝，在氣流導流柱5下端通過螺紋連接氣流噴頭16，氣流噴頭16通過多個均布氣孔19將熱氣流作用于引導到內錐面3上的紡絲介質上，起到對紡絲介質減薄及保溫的作用，接收板I連接高壓靜電發生器18，內錐面噴嘴體14接接地電極17，在兩電極建立的電場力作用下，紡絲介質形成多股射流2沉積到接收板1，在分流板11、內錐面噴嘴體14、氣接ロ快10上分別設置電加熱裝置4和溫度傳感器15，起到精確控溫作用。
一個實施例如圖I所示，內錐面噴嘴體14下端內錐面3半錐角為37°，內錐面噴嘴體14高60_，氣流導流柱5內徑為8_，電加熱裝置4對內錐面噴嘴體14精確控溫，分流板流道7直徑為6mm，紡絲介質入ロ 6直徑為4mm，內錐面噴嘴體14與氣流導流柱5外表面之間的間隙0. 5mm,用于紡絲介質的導流，內錐面噴嘴體14和分流板11用噴嘴體定位銷子13定位，氣流供給的氣接ロ塊10使用DN15的接ロ，紡絲時利用分流板11沿內錐面噴嘴體14側面紡絲介質入口 6加入熔噴用聚丙烯(PP6315)熔體，熔體溫度200°C，熔體通過內錐面噴嘴體14與氣流導流柱5外表面之間的間隙在內錐面3上形成Imm厚的熔體層，在氣流噴頭16上有72小孔內徑為0. 2mm的均布氣孔噴出的300m/s的300°C的熱空氣作用下，熔體層被減薄到了 0. 25-0. 5mm，此時將內錐面噴嘴體14下端和接收板I間距調整為13cm，高壓靜電發生器18加電50kv，在電場カ及熱空氣氣流作用下，60-80根超細射流沿著內錐 面3切線方向噴出，在高壓靜電發生器接收板沉積。此時紡絲射流2平均速度可達10-20m/s,纖維直徑可達500nm左右,紡絲效率約為350g/h。
權利要求
1.氣流輔助內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、氣流導流柱、螺釘、氣接ロ塊、分流板、阻流塊、內錐面噴嘴體、噴嘴體定位銷、溫度傳感器、氣流噴頭、接地電極、高壓靜電發生器，接收板固定在與內錐面噴嘴體噴絲邊緣有一定距離的下方，內錐面噴嘴體通過噴嘴體定位銷與分流板定位并固定連接，氣流導流柱位于內錐面噴嘴體和分流板的內孔中，氣流導流柱與分流板緊配合，氣流導流柱外表面與內錐面噴嘴體內圓柱孔形成間隙，熔體在間隙內流動；阻流塊套在氣流導流柱外面，并與內錐面噴嘴體內孔配合，內錐面噴嘴體與分流板接觸的平面上斜向開有與內錐面噴嘴體內圓柱面相通的紡絲介質入ロ，分流板上開有分流板流道，紡絲介質入口和分流板流道相通；氣接ロ塊上有氣體入ロ，氣體入口與氣流導流柱內孔相通，分流板和氣接ロ塊通過螺釘連接；在氣流導流柱下端通過螺紋連接氣流噴頭，氣流噴頭通過多個均布氣孔將氣流引導到內錐面上的紡絲介質上；接收板連接高壓靜電發生器，內錐面噴嘴體與接地電極相連，在兩電極建立的電場カ作用下，紡絲介質流體形成多股射流沉積到接收板上；在分流板、內錐面噴嘴體、氣接ロ塊上分別設置電加熱裝置和溫度傳感器；內錐面噴嘴體上端側面留有紡絲介質入口，用以同分流板流道連接，內錐面噴嘴體與氣流導流柱外表面之間的間隙用于引導紡絲介質，使其均勻分布到內錐面噴嘴體下端的內錐面上，在內錐面噴嘴體下端的內錐面有一定的錐度，表面光滑，錐面下端成一定的尖端。
2.根據權利要求I所述的氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其特征在于在內錐面噴嘴體下端的內錐面上均勻分布導流槽，或在內錐面噴嘴體下端邊緣設置延長的絲刷用于導流。
3.根據權利要求I所述的氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，其特征在于氣流溫度能夠調節。
全文摘要
本發明公開了氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴，屬于靜電紡絲領域。它主要包括接收板、電加熱裝置、氣流導流柱、螺釘、氣接口塊、分流板、阻流塊、內錐面噴嘴體、噴嘴體定位銷、溫度傳感器、氣流噴頭、接地電極、高壓靜電發生器。內錐面噴嘴體上端側面留有紡絲介質入口，用以同分流板流道連接，內錐面噴嘴體與氣流導流柱外表面之間的間隙用于引導紡絲介質，使其均勻分布到內錐面噴嘴體下端的內錐面上。采用內錐面結構的均勻分流，利用內錐面上的氣流對紡絲介質的減薄作用、氣流對射流的高速拉伸作用、熱氣流余熱對環境溫度的保持作用，很好地解決了纖維細化和高效紡絲的問題，多個噴嘴不同形式的擴展組合，可作為熔體靜電紡絲產業化的基礎組件。
文檔編號D01D5/00GK102864502SQ201210371918
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者楊衛民, 李好義, 焦志偉, 陳宏波, 閻華 , 丁玉梅 申請人:北京化工大學