一种用于静电纺丝的静电场构建方法与流程

本发明涉及静电纺丝，尤其涉及用于静电纺丝的静电场构建方法。

背景技术：

静电纺丝作为一种纳米纤维制造技术，主要是利用高压电场下，液滴变成锥形，形成泰勒锥，然后在静电力的作用下延伸，形成纳米级超细纤维。静电纺丝以其可纺材料种类繁多、工艺可控性好等优点，已成为当前制备纳米纤维材料的研究热点。

基于目前对于静电纺丝的研究，认为静电纺丝的实质是快速产生喷射流，因此现在一系列对于静电纺丝的研究都主要集中于喷丝孔的结构形态对纤维成型的影响，具体体现在对于溶液或熔体的喷射针头的研究，如各种形状或型式的喷射针头，亦或是无针头的喷射筒或喷射装置等。

或者是对于静电纺丝技术工业化的研究，由于静电纺丝产生的纳米纤维喷发和沉积混乱，因此很多研究集中在对于纳米级超细纤维的收集方法上。如美国专利US6106913A中，利用气流沉积法将超细纤维引导到长丝上，经牵引卷绕形成高强力纳米纤维包芯纱；或者是中国专利CN201410280734.X中采用的动态旋转的喇叭形收集器，将超细纤维引导到长丝上及进行加捻的收集方法，都有利用长丝将纳米纤维进行引导性沉积，才能得到相对稳定和均匀的纳米纤维集合体。

在这些基于静电纺丝产生纳米超细纤维的产生方法和收集利用方法的研究中，前者主要研究的是利用不同的喷丝头或喷嘴产生不同形状的流体，均是采用收集板或接收板对产生的纤维进行自由收集，沉积是混乱的；而后者虽然对收集器或者接收器进行了改进，但是收集器就没有作为高压电场的组成部分，而是仅作为收集装置对在高压电场内产生的纳米纤维进行收集，而且其中的纳米纤维仍然是混乱的。

技术实现要素：

本发明提出了一种用于静电纺丝的静电场构建方法，通过改变电场或射流的发射端或接收端进而影响高压电场，使高压电场具有不同的分布强度，从而使静电场具有特定的分布，影响带电液滴在静电场内的运动，使产生的纳米纤维遵循一定的要求和轨迹，控制静电纺丝的过程。

技术方案

一种用于静电纺丝的静电场构建方法，其特征在于：通过改变电场或射流的接收端与电场或射流的发射端的形状及组合配置，在发射端和接收端之间形成特定强度分布的高压静电场，在高压静电场的作用下，带电液滴形成泰勒锥并产生鞭动效应，进而形成纳米纤维。

进一步，通过调节接收端的形状从而调节高压静电场的分布，在发射端和接收端之间形成特定分布的高压静电场。

所述接收端采用点状接收器，在发射端和接收端之间形成接收端为单点分布的高压静电场。

所述接收端采用多点接收形式的接收器，在发射端和接收端之间形成接收端为多点分布的高压静电场。

所述接收端采用线形接收器，在发射端和接收端之间形成接收端为单线分布的高压静电场。所述线形接收器的线形为直线形或曲线形。

所述接收端采用多线接收形式的接收器，在发射端和接收端之间形成接收端为多线分布的高压静电场。

所述接收端采用具有一定分布面的形状的接收器，在发射端和接收端之间形成接收端为单面分布的高压静电场。所述接收器采用平面接收器或斜面接收器或曲面接收器。

所述接收端采用具有多个面的形状的接收器，在发射端和接收端之间形成接收端为多面分布的高压静电场。所述接收器采用多面拼接或者多面交错分布的接收器

进一步，所述发射端采用单点喷丝头，在发射端和接收端之间形成喷丝端为单点分布的高压静电场。

所述发射端采用多点喷丝头，在发射端和接收端之间形成喷丝端为多点分布的高压静电场。

所述发射端采用线形喷丝片，在发射端和接收端之间形成喷丝端为单线分布的高压静电场。所述线形喷丝片的线形为直线形或曲线形。

所述发射端采用多线喷发的喷丝片，在发射端和接收端之间形成喷丝端为多线分布的高压静电场。

所述发射端采用具有一定分布面的喷丝板或喷丝部件，在发射端和接收端之间形成喷丝端为单面分布的高压静电场。

所述发射端采用具有多个面的形状的喷丝部件，在发射端和接收端之间形成喷丝端为多面分布的高压静电场。

所述发射端采用平面或斜面或曲面的喷丝部件。所述发射端采用多面拼接或者多层次交错分布的喷丝部件。

进一步，所述发射端连接静电发生器的正极，所述接收端连接静电发生器的负极或接地。

所述接收端通过同轴连接组件与静电发生器的负极或零线相连，接收端一端设置有接头，所述同轴连接组件与接头同轴相连。

进一步，所述发射端的出丝孔采用单孔或者多层复合孔。

所述发射端的出丝孔的横截面为同心的形状或者偏心的形状。

进一步，所述接收器采用圆环式接收器，或轮盘式接收器，或圆盘网眼式接收器，或网眼式喇叭接收器。

所述接收器采用多层塔板式接收器。

所述接收器采用锥形金属螺旋线接收器。

所述接收器采用针板式接收器。

有益效果

本发明的用于静电纺丝的静电场构建方法通过改变电场或射流的发射端或接收端的设置和形状进而影响高压电场，使高压电场具有不同的分布强度，从而使静电场具有特定的分布，影响带电液滴在静电场内的运动，控制静电纺丝的过程；

本发明提出了基于接收端和发射端配合建立的静电场的构建方法，通过采用不同形式的接收端或发射端能够构建多种多样的静电场，在静电纺丝时，影响带电液滴在静电场内的运动轨迹，从而得到不同品种和不同排列的纳米纤维，为静电纺丝的过程控制及得到特定要求的纳米纤维提出了解决方案，直接通过构建静电场，使产生的纳米纤维遵循一定的要求和轨迹，就能解决纳米纤维沉积时混乱，排列不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明的对于发射端和接收端各形状配合构建静电场的构建原理示意图；

图2为本发明的发射端与接收端形成点对点分布的静电场的示意图；

图3为本发明的发射端与接收端形成线对点分布的静电场的示意图；

图4为本发明的发射端与接收端形成面对点分布的静电场的示意图；

图5为本发明的发射端与接收端形成多点对点分布的静电场的示意图；

图6为本发明的发射端与接收端形成多线对点分布的静电场的示意图；

图7为本发明的发射端与接收端形成多面对点分布的静电场的示意图；

图8为本发明的发射端与接收端形成点对多点分布的静电场的示意图；

图9为本发明的发射端与接收端形成线对多点分布的静电场的示意图；

图10为本发明的发射端与接收端形成面对多点分布的静电场的示意图；

图11为本发明的发射端与接收端形成多点对多点分布的静电场的示意图；

图12为本发明的发射端与接收端形成多线对多点分布的静电场的示意图；

图13为本发明的发射端与接收端形成多面对多点分布的静电场的示意图；

图14为本发明的发射端与接收端形成点对线分布的静电场的示意图；

图15为本发明的发射端与接收端形成多点对线分布的静电场的示意图；

图16为本发明的发射端与接收端形成线对线分布的静电场的示意图；

图17为本发明的发射端与接收端形成多线对线分布的静电场的示意图；

图18为本发明的发射端与接收端形成面对线分布的静电场的示意图；

图19为本发明的发射端与接收端形成多面对线分布的静电场的示意图；

图20为本发明的发射端与接收端形成点对多线分布的静电场的示意图；

图21为本发明的发射端与接收端形成多点对多线分布的静电场的示意图；

图22为本发明的发射端与接收端形成线对多线分布的静电场的示意图；

图23为本发明的发射端与接收端形成多线对多线分布的静电场的示意图；

图24为本发明的发射端与接收端形成面对多线分布的静电场的示意图；

图25为本发明的发射端与接收端形成多面对多线分布的静电场的示意图；

图26为本发明的发射端与接收端形成点对面分布的静电场的示意图；

图27为本发明的发射端与接收端形成多点对面分布的静电场的示意图；

图28为本发明的发射端与接收端形成线对面分布的静电场的示意图；

图29为本发明的发射端与接收端形成多线对面分布的静电场的示意图；

图30为本发明的发射端与接收端形成面对面分布的静电场的示意图；

图31为本发明的发射端与接收端形成多面对面分布的静电场的示意图；

图32为本发明的发射端与接收端形成点对多面分布的静电场的示意图；

图33为本发明的发射端与接收端形成多点对多面分布的静电场的示意图；

图34为本发明的发射端与接收端形成线对多面分布的静电场的示意图；

图35为本发明的发射端与接收端形成多线对多面分布的静电场的示意图；

图36为本发明的发射端与接收端形成面对多面分布的静电场的示意图；

图37为本发明的发射端与接收端形成多面对多面分布的静电场的示意图；

图38为本发明的接收器是多层塔板式接收器示意图；

图39为本发明的接收器是多线针板式接收器示意图；

图40为本发明的接收器是锥形金属螺旋线接收器示意图；

图41为本发明的接收器是圆盘式网眼接收器示意图；

图42为本发明的接收器是网眼式喇叭接收器示意图；

图43为本发明的接收器是圆环式接收器接收器示意图；

图44为本发明的接收器是轮盘式接收器示意图。

其中：1-非金属底板，2-针式前端，3-锥形金属螺旋线前端，4-网眼。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明进一步说明。

基于泰勒提出的泰勒锥的电液运动模型，现在广泛的对于静电纺丝的研究均集中在对于溶液或熔体的喷射装置的研究或者是纤维收集装置的研究上，但是对于制备不同特性或不同结构要求的纳米纤维集合体，现在仍然是没有什么方法。尤其是在静电纺丝过程中，纳米纤维的产生和沉积都是混乱的，要想得到排列整齐有序的纳米纤维或者特定形态的纳米纤维都没有什么办法。

本发明提出了通过改变作为静电场一部分的射流接收端，以及结合电场或射流的发射端，构建特定的静电场，使高压电场在强度和分布上达到特定的要求，从而在带电液滴形成泰勒锥过程中，和在泰勒锥形成之后超过临界电荷密度，泰勒锥变得不稳定，形成射流喷射，及射流在电场中加速，直径变小，松弛形成超细纤维的这一系列运动过程中，影响带电液滴，形成特定形式的纳米纤维，和在静电场内进行特定轨迹的运动。电场或射流接收端作为收集装置，使纳米纤维按照一定排列和要求进行沉积或收集，能够形成特定分布的纳米纤维和特定结构的纳米纤维集合体。

当接收器(电场或射流的接收端)与出丝装置(电场或射流的发射端)分别接在高压静电发生器的负极和正极上时，在接收器和出丝装置之间形成高压静电场，出丝装置连接的储液装置内的溶液或熔体在经过出丝装置的喷丝头前端时，液滴已带电，且在接收器与出丝装置形成的静电场内受到静电力的作用。

当采用不同的电场或射流的接收端，和不同的电场或射流的发射端配合时，就能产生不同形式的静电场。由于接收端既是电场负极又是收集端，因此会对发射端喷发的射流有一定影响，尤其是对纳米纤维形成后，在静电场内的运动轨迹具有较大的影响，能够使纳米纤维按照一定的运动轨迹进行沉积和收集。附图1所示意的是发射端和接收端进行多种配合的原理示意图。

在发射端采用点状出丝装置，接收端也采用点状接收器时，在发射端和接收端之间形成点对点分布的静电场，具体静电场分布如附图2所示意，左边为发射端，右边为接收端，左边作为发射端的出丝装置喷出的射流在这种静电场中会形成图中虚线所示意的纺锤形的射流区域，影响纳米纤维的形态和分布。

而当发射端采用多点状出丝装置，接收端采用点状接收器时，在出丝装置和接收器之间形成多点对点分布的静电场，如附图5所示意，出丝装置喷出的射流在这种静电场中会形成图中虚线所示意的多个纺锤形排列的射流区域。

当发射端采用线状出丝装置，接收端采用点状接收器时，在出丝装置和接收器之间形成线对点分布的静电场，如附图3所示意，出丝装置喷出的射流在这种静电场中会形成图中虚线所示意的倒三角形的射流区域。

发射端与接收端可以分别采用点，多点，线，多线，面，多面的设置方式，从而组合出如附图2至附图37的三十六种静电场，不同的静电场进而影响从发射端喷出的射流在静电场中形成与静电场分布相关的射流走向和射流区域，分别如各附图中虚线所示意的射流区域。

不同的射流区域影响纳米纤维的产生和收集，产生的纳米纤维的形态和分布，从而就能够通过设置不同的静电场，得到特定需求的纳米纤维或特定分布排列的纳米纤维。

还可以同时通过调节接收端和发射端之间的距离调节高压静电场的强度，形成特定强度的高压静电场，辅助形成不同的纳米纤维。

出丝装置的出丝孔可以采用单孔或者多层复合孔，成型出单一纤维或复合纤维，出丝孔的横截面可以为同心的形状或者偏心的形状，从而在带电液滴形成泰勒锥时控制纳米纤维的形状。

发射端即出丝装置可以连接静电发生器的正极，接收端即接收器可以连接静电发生器的负极或接地，在出丝装置和接收器之间形成高压静电场，接收器通过同轴连接组件与静电发生器的负极或零线相连，接收器一端设置有接头，所述同轴连接组件与接头同轴相连。这种结构设置，只要接收器均安装相同接头，既可以更换上去，从而能够实现任意更换接收器，使用就更方便，节约成本，提高利用率。

所述接收器可以采用如塔板式接收器的多面叠加的接收端，或者圆环式接收器，或轮盘式接收器，或圆盘网眼式接收器，或网眼式喇叭接收器这些不同形状和结构的单面接收器。多种接收器均能使纳米纤维更加有序，结合紧密。轮盘式接收器、网眼式喇叭接收器和圆盘网眼式接收器主要借助接收器两侧开有气流孔，能够形成漩涡气流来束缚射流发散，使纳米纤维有序排列。如附图38为塔板式接收器示意图，图41为圆盘式网眼接收器示意图，图42为网眼式喇叭接收器示意图，图43为圆环式接收器示意图，图44为轮盘式接收器示意图。

所述接收器也可以采用点状或线状接收器，如针板式接收器或者锥形金属螺旋线接收器。当采用针式点阵的接收器时，能使纳米纤维分成若干股，避免了纳米纤维杂乱无章，而是分别依附在不同接收针上，实现有序排列；而采用锥形螺旋金属线接收器时，电荷集中在螺旋金属线上，会使锥形金属螺旋线的顶端接收的纳米纤维更加密集，沉积的纳米纤维密度更大，而后面纳米纤维密度逐渐变小，实现特定结构的纳米纤维。如附图39为针板式接收器示意图，附图40为锥形金属螺旋线接收器示意图，这两种接收器均是包括非金属的接收器底板和金属的接收器前端，接收器前端分别为针板式多直线接收器和锥形金属螺旋线式单曲线接收器。

而出丝装置也可以采用点状,线状及具有一定面结构的出丝装置，包括单喷丝头或多喷丝头，从而配合接收端一起构建静电场。所谓点状的出丝装置或接收器可以理解为：零维结构元件，可拓展到点的空间组合，比如：多个点，仍然归属于点状的装置。而线状的出丝装置或接收器，可以理解为：一维或仿一维结构元件，可以拓展到线的各类空间组合，比如：多根线，直线、曲线，都属于线的范畴。以及具有一定面的形状的出丝装置或接收器，可以理解为：二维或者仿二维结构元件，可以拓展到面的各类空间组合，比如：多个面拼接，平面、斜面、曲面等，也都属于面的范畴。