一种无针式静电纺丝装置的制作方法

本实用新型属于静电纺丝装置技术领域，具体涉及一种无针式静电纺丝装置。

背景技术：

目前，世界上许多国家和地区都在进行静电纺丝法制纳米纤维的研究，用静电纺丝法制得的纤维比传统的复合纺丝法制得的纤维细得多，直径一般在几十纳米至1μm之间，最小直径可达1nm。随着近年来纳米技术的不断发展，静电纺丝已成为制备纳米纤维的重要方法，因而备受关注。静电纺丝法应用广泛，从人工合成高分子到天然高分子，凡是可溶可熔高分子均可使用静电纺丝的方法进行加工，例如聚乙烯醇、聚丙烯腈、纤维素、胶原蛋白、DNA复合体等，并可以在纺丝过程中加入抗生物质、纳米粒子等功能材料，制备出各种功能性纤维。

众所周知，传统的针式静电纺丝，产量低是制约产业化的最大技术瓶颈。为此，相关企业与科研机构均投入大量的人力物力进行研究，根据国内外研究人员在静电纺丝产业化领域的相关研究来看，目前比较适合于规模化纺丝的设计方式主要有两种：

1)多针方式：多针方式是单针特定方式下数量的扩展，以便进行连续生产和获得面积大、均匀性好的纤维网。多针方式的规模化静电纺丝技术以德国的Freudenburg Nonowoven、美国的Finetex Technology Inc.、eSpin Technologies、Nanomatrix和韩国的TOPTECH等公司为代表。但是，多针方式最主要的问题是针头之间的电场存在相互干扰，不对称的电场会造成单针的射流呈现明显的偏移。虽然通过增加电场辅助装置和改变针头的布置形式，可以减小针头之间电场的相互影响，但并不能彻底避免，同时多针的设计还存在装置结构复杂，针头易堵塞、针头数量受限制、各针头的流量均匀性不易控制、供料系统复杂等问题，这些因素限制了多针式静电纺丝装置的大规模生产的应用。

2)无针方式：为克服针式纺丝方式的固有缺点，相关机构开始着手无针方式静电纺丝装置的研发。理论而言，要增加单位时间内静电纺丝的产量就要设法在聚合物溶液的自由表面制造尽可能多的泰勒锥，即自由表面扰动。例如国际专利W02005024101提供了一种无针静电纺丝设备。该设备包括一个部分浸泡于在聚合物溶液中的滚筒形电极(纤维发生器)和距纤维发生器一定距离的纤维收集器(对电极)。当加载的聚合物溶液位于滚筒电极和纤维收集器形成的电场中并且电场强到足以使滚筒表面的液体形成泰勒锥时，滚筒的表面就可以纺出纳米纤维。由于电场在滚筒中间部分的强度远远小于滚筒两端，制备的纳米纤维细度很不均匀。迪肯大学林童教授的国际专利WO2010/043002和发明人为赵晓利的国内专利201020650021.5，用弹簧和螺旋叶片代替了滚筒，虽然在某种程度上解决了滚筒式旋转电极电场强度分布不均的问题，改善了电场的分布的均匀性和稳定性，提高了单位长度纺丝电极的纺丝效率，提高了纤维直径分布的质量，但无论是弹簧状螺旋还是螺旋叶片都是一个连续的旋转的装置，这种装置固有的特征导致没有合适的方法对体系进行封闭，对于有机溶剂体系而言，纺丝过程中开放的料液体系会造成溶剂的过度挥发，从而难以保证料液粘度的一致性，影响纺丝工艺的稳定性。

目前国际社会中比较成熟的为捷克Elmacro设备“纳米蜘蛛”，其专利WO2012/139533A1技术最为便捷高效。其使用固定的金属线型电极作为喷丝装置，金属线型电极穿过刷料装置上的小孔，刷料装置通过其机械结构实现往复运动，并将聚合物溶液通过小孔涂抹至金属线型电极上，金属线型电极上的聚合物溶液在表面张力作用下形成均匀分布的小液珠，液珠静电场的牵引下形成泰勒锥并发生喷丝现象。但是其刷料装置通过往复运动实现不间断刷料目的，但是往复交替时，近刷料装置端残存料液较多，远刷料装置端残存料液较少，刷料装置从残存料液较多的近刷料装置端开始新的冲程而非远刷料装置端，造成刷料的不均匀。

Freudenburg Nonowoven、美国的Finetex Technology Inc.、eSpin Technologies、Nanomatrix和韩国的TOPTECH等公司的多针式静电纺丝装置存在装置结构复杂，针头易堵塞、针头数量受限制、各针头的流量均匀性不易控制、供料系统复杂，针头间的电场会相互影响等问题；

专利W0200502410、WO2010/043002、国内专利201020650021.5无针式静电纺丝(例如辊状、盘状、弹簧、螺旋叶片纺丝电极)装置没有合适的方法对体系进行封闭，对于有机溶剂体系而言，纺丝过程中开放的料液体系会造成溶剂的过度挥发，从而难以保证料液粘度的一致性，影响纺丝工艺的稳定性；

Elmacro设备“纳米蜘蛛”刷料系统缺陷造成的刷料不均匀；

专利CN102383204A狭缝纺丝无液面控制装置，难以长时间稳定纺丝；专利CN 201420031385和专利CN102071484A尽管加入了液面控制，但是其基本原理是往喷丝头过量供料，然后收集溢出的残料实现料液控制，影响喷丝头处料液稳定性；专利CN105506758A通过连通器原理实现了料液的液面控制，但是通过调整储液瓶高度的形式供料难以实现连续均匀供料，无法连续化生产。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的无针式静电纺丝装置。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种无针式静电纺丝装置，包括高压电源1、料液槽2、接收装置3、液面控制装置4、储料罐10，料液槽2和接收装置3分别与高压电源1相连，料液槽2的上侧设置有多个狭缝纺丝头9，液面控制装置4的内腔分为料液供给腔体41和料液回收腔体42，料液供给腔体41和料液回收腔体42之间设置有液位控制阀5，料液供给腔体41与料液槽2通过输料管6相连通，料液供给腔体41通过供给管8与储料罐10相连通，料液回收腔体42通过回收管7与储料罐10相连通。

进一步地，所述狭缝纺丝头9包括左半纺丝头91和右半纺丝头92，左半纺丝头91和右半纺丝头92之间存在狭缝。

进一步地，所述狭缝宽度可调，宽度范围为0.1mm-2mm。

进一步地，在所述狭缝内设置有液面弧度辅助控制装置12。

进一步地，所述液面弧度辅助控制装置12为金属丝或非金属丝。

进一步地，左半纺丝头91和右半纺丝头92均为料液不浸润材料制成。

进一步地，狭缝纺丝头9上设有水平调节装置。

本实用新型提供的无针式静电纺丝装置，是一种全密封狭缝纺丝装置，简化了纺丝头机械结构，降低了密封难度；其包括连续供液的液面控制装置，能直接控制料液槽内的液面高度，保证了狭缝纺丝头处的料液稳定性；其具有金属丝或者非金属丝的液面弧度辅助控制装置，其能通过表面张力的虹吸作用，拉出“类三角”纺丝尖端，大幅降低了纺丝工艺电压，提高了泰勒锥稳定性，解决了现有技术的刷料不均匀、狭缝纺丝(高压静电梭纺丝)难以保持料液面的稳定性、密封困难，所需电压较高、产能较低、纺丝均匀性差的问题，可以很好地满足工业化需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为料液槽和狭缝纺丝头的结构示意图，其中的液面弧度辅助控制装置为金属丝；

图3为狭缝纺丝头的局部结构示意图，其中的液面弧度辅助控制装置为非金属丝；

图中，1-高压电源，2-料液槽，3-接收装置，4-液面控制装置，41-料液供给腔体，42-料液回收腔体，5-液位控制阀，6-输料管，7-回收管，8-供给管，9-狭缝纺丝头，91-左半纺丝头，92-右半纺丝头，10-储料罐，11-输料泵，12-液面弧度辅助控制装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种无针式静电纺丝装置，包括高压电源1、料液槽2、接收装置3、液面控制装置4、储料罐10，料液槽2和接收装置3分别与高压电源1相连，料液槽2的上侧面上设置有多个狭缝纺丝头9，液面控制装置4的内腔分为料液供给腔体41和料液回收腔体42，料液供给腔体41和料液回收腔体42之间设置有液位控制阀5，料液供给腔体41与料液槽2通过输料管6相连通，料液供给腔体41通过供给管8与储料罐10相连通，料液回收腔体42通过回收管7与储料罐10相连通。供给管8上设置有泵11，储料罐10内的料液通过供给管8输入到料液供给腔体41内，当料液供给腔体41内的料液液面高度高于液位控制阀5的阀门高度时，料液会溢流流入料液回收腔体42内，从而可以通过调整液位控制阀5的高度来实现料液供给腔体41内的液位高度的控制。

也可以将料液供给腔体41与料液槽2连通为一个整体，从而减少料液流动过程中的压力损失。

如图2和图3所示，所述狭缝纺丝头9包括左半纺丝头91和右半纺丝头92，左半纺丝头91和右半纺丝头92之间存在狭缝，狭缝与料液槽2的内腔相连通，料液槽2内的料液液面达到一定高度后接触到狭缝，料液即进入狭缝；所述狭缝的宽度可调，宽度范围为0.1mm-2mm。左半纺丝头91和右半纺丝头92均为料液不浸润材料制成的，这样料液充满狭缝时，液面会凸起，有利于泰勒锥的形成，并降低纺丝电压；可供选择的料液不浸润材料有不锈钢、聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龙、硅片和玻璃等。狭缝纺丝头9上设有水平调节装置，保证狭缝处于水平位置，有利于狭缝纺丝头9中的料液均匀充满狭缝。

如图2和图3所示，在所述狭缝内设置有高度可调的液面弧度辅助控制装置12，液面弧度辅助控制装置12与狭缝间通过表面张力的虹吸作用拉出“类三角”纺丝尖端，降低纺丝工艺电压，提高泰勒锥稳定性。所述液面弧度辅助控制装置12为金属丝(如图2所示)或非金属丝(如图3所示)，材质为料液可浸润材料，可供选择的料液可浸润材料有不锈钢丝、尼龙丝、玻璃纤维等，纤维直径0.1-0.5mm。

料液供给腔体41与料液槽2通过输料管6相连通，输料管6形成一个连通器，因为狭缝的宽度d很小，在狭缝口形成的料液凸起基本上是球形的，并且当料液凸起为半球时，球的曲率半径最小，等于狭缝宽度d的一半，即r＝d/2，在其前后曲率半径都比r大；当料液凸起为半球时，料液凸起内部压力最大，根据弯曲液面内外压差与表面张力的关系：△P＝2α/r，其中α表示料液的表面张力，△P表示弯曲液面内外压差，r为料液凸起的曲率半径；根据连通器原理，弯曲液面内外压差引起了连通器两端液面的高度差，有：△P＝ρgh，h＝4α/dgρ，其中，d表示狭缝的宽度，g为重力加速度，ρ为料液密度。液位控制阀5的阀门高度h的可调节范围为0≤h≤4α/dgρ，液位控制阀5的阀门高度h越大，料液凸起的曲率半径越小，越利于纺丝的稳定，临界电压越低。料液表面张力和浓度可以通过相关仪器设备测试出来，因此可以很容易得出液位控制阀5的阀门高度h的理论最优值。

本实用新型提供的无针式静电纺丝装置，采用全封闭结构，无溶剂挥发，有助于料液的均一稳定；通过控制狭缝宽度和纺丝电压就可以实现显微形貌和产能的控制；设备结构简单，易于清洗和维护；电场分布相对于针状、辊状、盘状、弹簧和螺旋叶片纺丝电极来说十分均匀；狭缝料液液面稳定，能连续不断地拉出泰勒锥，易于工业化生产；使用液面弧度辅助控制装置时，刷料均匀性要优于目前的Elmacro设备；液面弧度辅助控制装置的“类三角”结构有助于降低纺丝临界电压，提高生产过程中的安全性。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。