一种静电法制备纳米纤维的装置的制作方法

本实用新型涉及静电纺丝的方法和装置，尤其涉及静电法制备纳米纤维及纳米纤维集合体的方法和装置。

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，如对于产生的纳米级超细纤维的收集方法等。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。

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，采用的均是收集板或接收板对产生的纤维进行收集；后者虽然对收集器或者说接收器进行了改进，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超细纤维进行收集。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种静电法制备纳米纤维的装置，通过改变收集器或接收器进而影响高压电场，使高压电场具有不同的分布强度，从而形成不同分布或形式的纳米纤维。

技术方案

一种静电法制备纳米纤维的装置，包括出丝装置和接收器，其特征在于：所述出丝装置连接静电发生器的正极，所述接收器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，所述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。

所述同轴连接组件包括与接收器的接头同轴连接的传动轴，传动轴外套装有同轴的空心轴，空心轴通过轴承设置在固定轴承架上，所述空心轴和传动轴之间通过调节螺丝固定。

所述空心轴侧壁开有通孔，孔内设置调节螺丝，通过松开调节螺丝调节传动轴与空心轴的相对位置，固定调节螺丝后将传动轴与空心轴之间固定，实现接收器位置的前后调节。

所述接收器采用具有一定分布面形状的接收器，包括塔板式接收器或者圆环式接收器，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。

所述接收器采用点状或线状接收器，包括针板式接收器或者锥形金属螺旋线接收器。

所述出丝装置采用点状出丝装置，包括单喷丝头或多喷丝头。

所述出丝装置为设置在喷丝头架上的双喷丝头，所述双喷丝头对称设置，两个喷丝头架的底部均垂直固定在长连杆一端，长连杆另一端采用定位销固定，在长连杆中部连接有短连杆，所述短连杆一端采用销轴固定在长连杆上，短连杆另一端连接一根拉杆，且通过销轴固定在所述拉杆一端，所述拉杆固定在导向座上，拉动拉杆，拉杆通过短连杆推动长连杆绕长连杆的固定端转动，带动两个喷丝头架上的喷丝头远离或接近接收器。

所述出丝装置采用具有一定分布面形状的出丝装置，包括开有多个集中的喷丝孔的喷丝板。

所述出丝装置设置在喷丝头臂前端，喷丝头臂由往复运动装置带动，实现沿接收器的接收面的往复运动。

所述往复运动装置包括滑轨和滑板，喷丝头臂安装在滑板上，驱动电机安装在滑轨两侧，带动平行于滑轨并设置在滑轨上方的同步带，从而带动设置在同步带上的滑板，在滑轨上滑动，滑板带动喷丝头臂在滑轨上往复运动。

所述喷丝头臂采用多段臂，出丝装置与喷丝头臂前端、以及喷丝头臂各段臂之间均采用销轴连接，以实现相互转动，喷丝头臂后端也以销轴连接在往复运动装置上，能够使出丝装置停留在设定的位置，调节出丝装置与接收器之间的距离。

有益效果

本实用新型提供的静电法制备纳米纤维的装置通过接收器的设置改变高压电场的强度或分布，从而控制带电液滴在高压电场内形成泰勒锥，以及在高压电场内后续的运动轨迹，形成特定要求的纳米纤维或者特定排列的纳米纤维；

本实用新型的制备纳米纤维的装置通过同轴连接组件连接接收器和高压静电发生器负极，使装置可以更换不同的接收器，从而可以根据需求的纳米纤维的结构和种类更换接收器，提高装置的通用性和适应性。

附图说明

图1为本实用新型的出丝装置与接收器形成点对面分布的静电场的示意图；

图2为本实用新型的出丝装置与接收器形成点对点分布的静电场的示意图；

图3为本实用新型的出丝装置与接收器形成面对点分布的静电场的示意图；

图4为本实用新型的出丝装置与接收器形成面对面分布的静电场的示意图；

图5为本实用新型中采用牵引长丝连续制备纳米纤维集合体的示意图；

图6为本实用新型的装置示意图，其中出丝装置采用点状出丝装置；

图7为接收器安装在同轴连接组件上的示意图；

图8为喷丝头架结构示意图；

图9为出丝装置为喷丝板时，往复运动装置示意图；

图10为图9的仰视示意图；

图11为喷丝头臂的侧视示意图；

图12为出丝装置为喷丝板时，箱体内出丝装置和接收器的设置示意图；

图13为塔板式接收器示意图；

图14为针板式接收器示意图；

图15为锥形金属螺旋线接收器示意图。

其中：1-封闭式箱体，2-控制电柜，3-接收器接头，4-安全开关，5-加热排风装置，6-储液装置，7-固定轴承架，8-喷丝头架，9-纳米纤维，10-静电发生器，11-磁眼，12-隔板底座，13-牵引长丝，14-丝架，15-卷绕装置，16-出丝装置，17-接收器，18-往复运动装置，19-转动电机，20-预处理装置，21-调节螺丝，22-空心轴，23-传动轴，24-轴承，25-接收器底板，26-接收器前端，181-驱动电机，182-喷丝头臂，183-销轴，184-同步带，185-滑轨，186-滑板，187-接近开关，81-喷丝头架，82-长连杆，83-短连杆，84-拉杆，85-回位弹簧，86-导向座，87-通孔星形把手。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本实用新型进一步说明。

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。

本实用新型提出了通过改变作为静电场一部分的接收器，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超细纤维，且接收器作为收集装置，使纳米超细纤维按照一定排列和要求进行收集，形成特定分布的纳米纤维和特定结构的纳米纤维集合体。

当接收器与出丝装置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方的毛细管时，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。

当出丝装置采用点状出丝装置，接收器采用具有一定分布面的形状时，在出丝装置和接收器之间形成点对面分布的静电场，如附图1所示意，16为出丝装置，17为接收器，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类锥形的射流区域，影响纳米纤维的形态和分布。

而当出丝装置采用点状出丝装置，接收器采用点状或线状接收器时，在出丝装置和接收器之间形成点对点分布的静电场，如附图2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纺锤形的射流区域。

当出丝装置采用具有一定分布面的形状，接收器采用点状或线状接收器时，在出丝装置和接收器之间形成面对点分布的静电场，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锥形的射流区域。

当出丝装置采用具有一定分布面的形状，接收器也采用具有一定分布面的形状时，在出丝装置和接收器之间形成面对面分布的静电场，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筒状的射流区域。

点状或成一定平面分布的出丝装置现在已经有多种，因此通过改变不同的接收器与出丝装置进行配合，形成不同的静电场，就能形成不同的射流区域，影响纳米纤维的形态和分布，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器和出丝装置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。

使接收器与出丝装置相对运动，使形成的纳米纤维更多更好或者按照一定序列沉积在与出丝装置相对运动的接收器上，形成需要的纳米纤维集合体。在收集过程中，使接收器绕中心轴线旋转，能够帮助收集。

还可以在接收器的中心轴线上设置一根牵引长丝，与以中心轴线为旋转轴旋转的接收器配合接收纳米纤维，纳米纤维在静电场力、牵引长丝的牵引力及接收器作用力下在牵引长丝表面形成纳米纤维集合体，牵引长丝一端连接卷绕装置，实现连续制备纳米纤维集合体。如附图5所示意，图中13为牵引长丝。

或者将出丝装置沿接收器的接收面往复运动，在接收器的接收面上形成薄片式纳米纤维集合体，接收器沿平行于出丝装置运动方向的旋转轴进行旋转，形成连续薄片式纳米纤维集合体。

基于上述的制备纳米纤维和纳米纤维集合体的方法，可以采用如附图6所示意的装置。将出丝装置和接收器设置在封闭式箱体内部，出丝装置连接静电发生器的正极，接收器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，所述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，所述同轴连接组件连接转动电机输出轴。

所述同轴连接组件包括与接收器的接头同轴连接的传动轴，传动轴外套装有同轴的空心轴，空心轴通过轴承设置在固定轴承架上，所述空心轴和传动轴之间通过调节螺丝固定。所述空心轴侧壁开有通孔，孔内设置调节螺丝，通过松开调节螺丝调节传动轴与空心轴的相对位置，固定调节螺丝后将传动轴与空心轴之间固定，实现接收器位置的前后调节。如附图7所示意。

在接收器的中心轴线上设置一根牵引长丝，所述接收器和同轴连接组件的中心均设置有联通的孔道，用于牵引长丝穿过，牵引长丝被卷绕装置带动，经过接收器和出丝装置之间的静电场区域，将在牵引长丝表面形成的纳米纤维集合体进行连续收集。如附图6所示意，图中13为牵引长丝，14为丝架，15为卷绕装置。

所述接收器可以采用具有一定接收面的形状，如塔板式接收器或者圆环式接收器，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。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，能够形成旋窝气流来束缚射流发散，使纳米纤维有序排列。如附图13为塔板式接收器示意图。

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14为针板式接收器示意图，附图15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和锥形金属螺旋线式，针板式的前端呈由点组成的直线状接收器。

而出丝装置也可以采用点状出丝装置，包括单喷丝头或多喷丝头。本实施例里采用的出丝装置为设置在喷丝头架上的双喷丝头，所述双喷丝头对称设置，两个喷丝头架的底部均垂直固定在长连杆一端，长连杆另一端采用定位销固定，在长连杆中部连接有短连杆，所述短连杆一端采用销轴固定在长连杆上，短连杆另一端连接一根拉杆，且通过销轴固定在所述拉杆一端，所述拉杆固定在导向座上，拉动拉杆，拉杆通过短连杆推动长连杆绕长连杆的固定端转动，带动两个喷丝头架上的喷丝头远离或接近接收器。如附图8所示意。

所述出丝装置或者也可以采用具有一定分布面形状的出丝装置，如开有多个集中的喷丝孔的喷丝板。出丝装置设置在喷丝头臂前端，喷丝头臂由往复运动装置带动，实现沿接收器的接收面的往复运动。

所述往复运动装置包括滑轨和滑板，喷丝头臂安装在滑板上，驱动电机安装在滑轨两侧，带动平行于滑轨并设置在滑轨上方的同步带，从而带动设置在同步带上的滑板，在滑轨上滑动，滑板带动喷丝头臂在滑轨上往复运动。在滑轨两端分别设置有位置可调的接近开关，用于检测滑板运动中的边缘位置，限定喷丝头臂往复运动的移动幅度。所述喷丝头臂可以采用多段臂，出丝装置与喷丝头臂前端、以及喷丝头臂各段臂之间均采用销轴连接，以实现相互转动，喷丝头臂后端也以销轴连接在往复运动装置上，能够使出丝装置停留在设定的位置，调节出丝装置与接收器之间的距离。往复运动装置的结构如附图9～11所示意，图10为图9的仰视示意图，图11为侧视的喷丝头臂示意图。附图12为在封闭式箱体内设置喷丝板的出丝装置和圆筒状接收器的设置示意图。

所述封闭式箱体内主要为静电场区域，箱体内还设置有温湿度传感器和加热排风装置，用于调节箱体内部的温度、湿度和排风。如附图6中所示意，在箱体顶部设置有加热排风装置，采用均匀分布的多个加热模块对箱体内进行均匀加热，每个加热模块的边缘都设置有排风孔。采用封闭式箱体，既能减小环境对静电纺丝的影响，又提高了安全性，箱体侧面开有箱体门，箱体门与箱体接触的地方设置有安全开关，用于控制箱体门开启的情况下所述静电发生器停止工作。安全开关镶嵌在箱体边缘与箱体门接触的地方，并且与高压静电发生器相连，如果在高压静电发生器开启的时候打开箱门，高压静电发生器可以实现自动断电，从而确保操作时的安全性。

箱体侧壁还设置有储液装置，所述储液装置包括多个独立的储液罐，各储液罐分别连接所述出丝装置的不同的喷丝头。储液装置可以采用机械驱动出液或者气动驱动出液。

箱体底部设置有控制电柜，箱体侧面设置转动电机，控制电柜连接外接电源，控制电柜内设置有静电发生器及控制器，控制电柜内侧面设置有电缆履带，将连接线集束到电缆履带中，从控制电柜顶板后侧引出，分别连接至箱体内的装置和箱体侧面的装置上。

附图6所示意的装置工作时，牵引长丝由丝架推绕出后，经过开有通孔的传动轴进入箱体内部，传动轴通孔另一端连接接收器中心的通孔，使牵引长丝由接收器通孔穿出后进入到接收器和出丝装置的喷丝头之间的静电纺丝区域，然后由箱体对侧的侧壁上的磁眼导出，被箱体外部的卷绕装置收集。静电纺丝过程中，开启箱体外侧的推进系统和高压静电发生器，使喷丝头喷出溶液，并在静电场作用下形成纳米纤维，形成的纳米纤维沉积到牵引长丝上，形成纳米纤维集合体。连接接收器的传动轴外侧套装有同轴的空心轴，空心轴固定在固定轴承架上，并且传动轴另一端伸出箱体，并设置有从动轮与转动电机连接。在转动电机的驱动下，旋转的接收器带动沉积的纳米纤维不断旋转，然后通过牵引长丝将成型的纳米纤维集合体导出，缠绕到箱体外的卷绕装置上。

附图12所示意的装置工作时，圆筒状接收器旋转，采用喷丝板的出丝装置在往复运动装置带动下相对接收器的接收面往复运动，在接收器的接收面上形成薄片式纳米纤维集合体，接收器沿平行于出丝装置运动方向的旋转轴进行旋转，形成连续薄片式纳米纤维集合体，导出到箱体外后即可实现连续制备薄片式纳米纤维集合体。