CN111441092B - 一种静电纺丝喷头及具有其的静电纺丝系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种静电纺丝喷头及具有其的静电纺丝系统及其工作方法，属于纺织机械和纳米纤维产业化制备技术领域。静电纺丝喷头包括圆柱形的喷头本体，喷头本体的一个底面上设有纺丝液通道，另一个底面上设有若干个同心的圆槽，纺丝液通道与每个圆槽均连通。结构设计合理，能够形成高产量和高质量的纳米纤维，提高纺丝液的利用率。静电纺丝系统，包括纺丝液供料系统、高压电源、纳米纤维接收平板、静电纺丝箱体、喷头横移装置、产品输送系统、烘燥系统和上述静电纺丝喷头；自动化程度高，覆盖从纺丝制备到成品加工的全流程，可以极大提高生产效率，实现纳米纤维的批量生产纳米纤维/基材非织造制品的工业化生产。

Description

一种静电纺丝喷头及具有其的静电纺丝系统及其工作方法

技术领域

本发明属于纺织机械和纳米纤维产业化制备技术领域，具体涉及一种静电纺丝喷头及具有其的静电纺丝系统及其工作方法。

背景技术

纤维的超细化研究是纺织工业原料制备领域的重要课题。超细纤维制品能够极大提升产品的功能性，增加纺织品的附加值，拓展纺织品的应用领域。微纳米纤维是超细纤维的典型代表，目前采用静电纺丝技术制备纳米纤维已成为研究热点，与传统纺织纤维原料相比，纳米纤维以其比表面积高、直径小和孔隙率高等优点在过滤、生物医用、传感器、储能材料和防护等领域均具有广阔的应用前景。根据美国BCC Research权威机构发布微纳米纤维技术及全球市场研究报告，预计到2023年纳米纤维技术的总产值将增加到43亿美元。因此，纳米纤维制品的市场价值非常巨大，应用前景十分广阔。

然而，纳米纤维产量低一直是静电纺丝技术发展的瓶颈问题。常规传统单针头静电纺丝装置制备的纳米纤维产量小仅能满足实验室研究需要，而且单针头存在针头易堵塞不易清理的缺点，这极大的限制了纳米纤维产业化发展和实际应用需求。无针式静电纺丝技术的出现为纳米纤维的产业化制备提供了新思路。当前，已有不少关于纳米纤维批量化制备装置的专利报道，但这些装置都各有其优点和不足。发明专利CN201310586614.8公开了一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法，这种方法采用的是阶梯状的无针式静电纺丝喷头，在喷头边缘可以形成多射流，提高纳米纤维的产量，但其缺点是喷头上的纺丝液面与大气环境完全接触，这就会导致纺丝溶液中溶剂极易挥发，随着纺丝时间的延长，喷头边缘处纺丝溶液由于溶剂的挥发，容易出现并丝和纺丝液发粘的现象，从而严重影响纺丝的顺利进行。发明专利CN201910099069.7公开了一种无针式静电纺丝装置，射流产生装置是旋转的螺旋形链轮，螺旋形链轮电极丝从纺丝溶液槽中通过后，在其表面会粘附一薄层纺丝溶液，在高压电场作用下，在螺旋形链轮电极丝表面就会形成多射流，这种装置也可以显著提高纳米纤维产量，但是这种电极丝在射流形成过程中由于处于运动状态，这容易到时候射流形成的不稳定性，同时敞口式的纺丝溶液液槽中所盛纺丝溶液也极易挥发，从而会影响到纺丝过程的顺利进行。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种静电纺丝喷头及具有其的静电纺丝系统及其工作方法，静电纺丝喷头的结构设计合理，能够形成高产量和高质量的纳米纤维，提高纺丝液的利用率；具有该静电纺丝喷头的静电纺丝系统的自动化程度高，覆盖从纺丝制备到成品加工的全流程，可以极大提高生产效率，实现纳米纤维的批量生产纳米纤维/基材非织造制品的工业化生产。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种静电纺丝喷头，包括圆柱形的喷头本体，喷头本体的一个底面上设有纺丝液通道，另一个底面上设有若干个同心的圆槽，纺丝液通道与圆槽连通。

优选地，纺丝液通道分别与每个圆槽连通。

优选地，纺丝液通道设在喷头本体底面的中心。

进一步优选地，圆槽的中心与喷头本体底面的中心重合。

优选地，圆槽的个数为3~5。

优选地，圆槽的宽度与喷头本体的直径之比为1：80~600，圆槽的深度与喷头本体的高度之比为4~9:12。

优选地，纺丝液通道的直径与喷头本体的直径之比为1:16~40，纺丝液通道的长度与喷头本体的高度之比为4~9:12。

本发明还公开了一种静电纺丝系统，包括纺丝液供料系统、高压电源、纳米纤维接收平板、静电纺丝箱体、喷头横移装置、产品输送系统、烘燥系统和上述的静电纺丝喷头；

静电纺丝喷头、纳米纤维接收平板和喷头横移装置设在静电纺丝箱体内，静电纺丝喷头与喷头横移装置连接，圆槽正对纳米纤维接收平板，纺丝液通道与纺丝液供料系统连接；高压电源的正极与喷头本体连接，纳米纤维接收平板接地；产品输送系统穿过静电纺丝箱体中的静电纺丝喷头与纳米纤维接收平板之间，烘燥系统设在产品输送系统的末端；静电纺丝箱体内设有温度控制装置和湿度控制装置。

本发明还公开了上述静电纺丝系统的工作方法，包括以下步骤：

1）打开温度控制装置和湿度控制装置设置静电纺丝箱体内的温度和湿度，打开烘燥系统设置烘燥温度；

2）打开高压电源，达到预定电压后打开产品输送系统、纺丝液供料系统和喷头横移装置，产品输送系统将基材送入静电纺丝箱体中的静电纺丝喷头与纳米纤维接收平板之间，纺丝液通过纺丝液通道进入圆槽后在喷头本体表面形成若干个环形纺丝液圈，若干个环形纺丝液圈形成多射流飞向基材，在基材上固化后形成纳米纤维沉积在基材上，得到纳米纤维/基材非织造布；

3）纳米纤维/基材非织造布经产品输送系统送出静电纺丝箱体后经烘燥系统烘干后得到纳米纤维/基材非织造布产品。

优选地，喷头横移装置的移动速度为500~1200mm/min，高压电源的电压调节范围为0~100kV，烘燥系统的温度调节范围为50~150℃，温度控制装置的温度调节范围10~50℃，湿度控制装置的湿度调节范围为10%~80%。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种静电纺丝喷头，采用多圆槽窄缝的特殊结构，纺丝液可以在喷头上形成多个环形纺丝液圈，与自由液面相比，环形纺丝液圈具有较小的曲率半径，液面弯曲弧度大，单位面积上分布的电荷密度更高，射流更容易在环形纺丝液圈表面形成，显著提升了纺丝溶液形成射流的数量，同时形成环形液圈可以减小纺丝溶液中溶剂的大量挥发，克服了自由液面溶剂大量挥发的问题，该喷头所形成的纳米纤维具有高产量（形成射流根数多）和高质量（纤维粗细均匀性好）的双重优点。

进一步地，纺丝液通道分别与每个圆槽连通，能够使每个圆槽中的纺丝液压力相等，形成的纳米纤维均匀，同时纺丝液能够均匀的充满每个圆槽，同步性好，便于精准控制纳米纤维的厚度和均匀性。

进一步地，纺丝液通道设在喷头本体底面的中心，能够使纺丝液快速、均匀地充满所有圆槽，便于精准控制纳米纤维的厚度和均匀性。

更进一步地，圆槽的中心与喷头本体底面的中心重合，使纺丝液能够同步均匀地充满所有圆槽，便于精准控制纳米纤维的厚度和均匀性。

进一步地，圆槽的个数一般为3~5，圆槽个数过多会引起相邻环形纺丝液圈电场的相互干扰，影响多射流的形成。圆槽个数过少会导致射流根数少，纳米纤维产量会降低。圆槽的具体个数可以根据喷头的直径来确定。

进一步地，圆槽宽度和深度的合理设置，圆槽宽度会影响到喷头上环形纺丝液圈弯曲弧度，圆槽宽度过小影响纺丝溶液的流动性，圆槽宽度过大会导致环形纺丝液圈弯曲弧度变小，纺丝液圈上电荷密度小，不利于多射流的形成。圆槽深度能够在一定程度上影响在喷头上形成纺丝液圈的时间的快慢，深度小，纺丝溶液流过的路径短，纺丝液圈形成较快，深度大，纺丝溶液流过的路径长，纺丝液圈形成慢。

进一步地，纺丝液通道直径和长度的合理设置，便于控制出液量和出液速度。

本发明公开的具有上述静电纺丝喷头的静电纺丝系统，自动化程度高，覆盖从纺丝制备到成品加工的全流程，可以极大提高生产效率，烘燥系统能够进一步使纳米纤维中的残留溶剂挥发以降低产品在使用过程中溶剂对人体的危害，实现了纳米纤维的批量生产纳米纤维/基材非织造制品的工业化生产。

本发明公开的上述静电纺丝系统的工作方法，操作简便，自动化程度高，能够实现高效的连续工业化生产，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的静电纺丝系统的整体结构示意图；

图2为本发明的静电纺丝喷头的俯视示意图；

图3为本发明的一种结构的静电纺丝喷头的正视示意图；

图4为本发明的另一种结构的静电纺丝喷头的正视示意图；

图5为本发明制得的纳米纤维/基材复合非织造布成品图。

图中：1为基材退绕辊，2为高压电源，3为贮液罐，4为纺丝溶液控制泵，5为输液管，6为喷头横移装置，7为导线，8为静电纺丝喷头，8-1为喷头本体，8-2为纺丝液通道，8-3为圆槽，9为温度控制装置，10为湿度控制装置，11为第一导布辊，12为多射流，13为第二导布辊，14为纳米纤维接收平板，15为静电纺丝箱体，16为压辊，17为烘燥系统，18为成品收卷辊，19为喷头横移装置，20为基材，21为沉积有纳米纤维的基材，22为纳米纤维/基材复合非织造布，23为纳米纤维/基材复合非织造布成品。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：

如图2、图3，本发明的静电纺丝喷头，包括圆柱形的喷头本体8-1，喷头本体8-1的一个底面上设有纺丝液通道8-2，优选地，纺丝液通道8-2设在喷头本体8-1底面的中心；另一个底面上设有若干个同心的圆槽8-3，纺丝液通道8-2与每个圆槽8-3均连通，优选地，圆槽8-3的中心与喷头本体8-1底面的中心重合。

圆槽8-3的个数一般设置为3~5个；圆槽8-3的宽度与喷头本体8-1的直径之比为1：80~600，圆槽8-3的深度与喷头本体8-1的高度之比为4~9:12；纺丝液通道8-2的直径与喷头本体8-1的直径之比为1:16~40，纺丝液通道8-2的长度与喷头本体8-1的高度之比为4~9:12。

如图4，在本发明的另一个实施例中，纺丝液通道8-2分别与每个圆槽8-3连通，纺丝液填充各圆槽8-3时的同步性好，各圆槽8-3内的纺丝液独立流通。

如图1，本发明的静电纺丝系统，静电纺丝喷头8、纳米纤维接收平板14和喷头横移装置19设在静电纺丝箱体15内；静电纺丝箱体15内设有温度控制装置9和湿度控制装置10。喷头横移装置19包括导向装置和动力源，静电纺丝喷头8与导向装置连接，通过动力源提供动力做直线往复运动。

圆槽8-3正对纳米纤维接收平板14，纺丝液供料系统包括贮液罐3、纺丝溶液控制泵4和输液管5，纺丝液通道8-2与输液管5连接，输液管5与贮液罐3连接，纺丝溶液控制泵4设在输液管5上。

高压电源2的正极通过导线7与喷头本体8-1连接，纳米纤维接收平板14接地；产品输送系统包括依次排布的基材退绕辊1、第一导布辊11、第二导布辊13、压辊16和成品收卷辊18，将基材20穿过静电纺丝箱体15中的静电纺丝喷头8与纳米纤维接收平板14之间，烘燥系统17设在产品输送系统的末端，即压辊16与收卷辊18之间。

上述静电纺丝系统的工作方法，包括以下步骤：

1）打开基材退绕辊1的开关，打开静电纺丝箱体15中第一导布辊11和第二导布辊13的开关，打开成品收卷辊18的开关，打开烘燥系统17的开关，调整好烘燥温度；

2）将静电纺丝喷头8固定在喷头横移装置19上，喷头横移装置19可以沿着第一导布辊11的长度方向往复匀速移动，静电纺丝喷头8底部与高压电源2正极用导线7相连接，纳米纤维接收平板14接地；

3）将输液管5一端插入纺丝溶液贮液罐3中，输液管5的另一端与静电纺丝喷头8底部中心的纺丝液通道8-2相连接，在输液管5中间有纺丝溶液控制泵4；

4）打开纺丝溶液控制泵4，调节供液流量可以实现对静电纺丝喷头8的自动精准供液，纺丝溶液通过输液管5输入纺丝液通道8-2进入静电纺丝喷头8内部顺着圆槽8-3可以在静电纺丝喷头8上表面形成多个环形纺丝液圈；

5）打开静电纺丝箱体15内的温度控制装置9，调节好纺丝温度，打开静电纺丝箱体15内的湿度控制装置10，调节好纺丝湿度；

6）打开高压电源2，逐渐增大施加电压，当施加电压增加到一定数值后，在每个环形纺丝液圈上就会形成多射流12，多射流12在飞向纳米纤维接收平板14的过程中，溶剂挥发，射流固化形成沉积有纳米纤维的基材21；

7）沉积有纳米纤维的基材21从静电纺丝箱体15中出来后进入烘燥系统17中，沉积有纳米纤维的基材21经过烘干可以使纳米纤维中残余的有机溶剂完全挥发，形成纳米纤维/基材复合非织造布22，卷绕在成品收卷辊18上后成为纳米纤维/基材复合非织造布成品23。

主要设计参数和选型：

静电纺丝喷头8的材质为银、铜、金或铝；喷头本体8-1的直径为80~120mm，高度为20~30mm。圆槽8-3宽度为0.2~1.0mm，深度为10~15mm；纺丝液通道8-2的直径为3~5mm，纺丝液通道8-2由喷头本体8-1下表面中心向上表面垂直延伸10~15mm。

喷头横移装置19的速度为500~1200mm/min。

所述高压电源2电压调节范围为0kV-100kV。

纳米纤维接收平板14材质为银、铜、金或铝；所述纳米纤维接收平板14厚度为0.5~1.0mm，宽度为30~50mm，长度为1000~1500mm。

基材退绕辊1的退绕速度为500~1000mm/min；成品收卷辊18的收卷速度为500~1000mm/min。

烘燥系统17的温度调节范围为50~150℃。

静电纺丝箱体15的长度为1500~2000mm，宽度为1000~1500mm，高度为1500~2000mm。

温度控制装置9的温度调节范围为10~50℃。

湿度控制装置10的湿度调节范围为10%-80%。

基材20为熔喷非织造布、纺粘非织造布、针刺非织造布和水刺非织造布中的一种或几种。

下面为一个具体实施例：

采用聚丙烯腈与N, N二甲基甲酰胺来配置纺丝溶液制备纳米纤维。配制纺丝溶液的质量分数为10 wt%。具体纺丝方法如下：静电纺丝喷头8固定于喷头横移装置19上，喷头横移装置19可以沿着第一导布辊11的长度方向往复横移，横移速度为900mm/min。静电纺丝喷头8底部纺丝液通道8-2通过输液管5与贮液罐3相连接，纺丝溶液控制泵4可以控制纺丝溶液流量，质量分数为10 wt%的纺丝溶液通过纺丝液通道8-2进入静电纺丝喷头8的内部，静电纺丝喷头8内部与圆槽8-3相互连通，纺丝溶液可以在静电纺丝喷头8的表面上形成多个环形纺丝液圈，静电纺丝喷头8底部与高压电源2正极相连接，铝制的纳米纤维接收平板14与地线连接，打开基材退绕辊1，基材20退绕速度为800mm/min，打开成品收卷辊18，成品收卷速度为800mm/min，基材20进入静电纺丝箱体15，经过第一导布辊11和第二导布辊13，第一导布辊11和第二导布辊13可以在摩檫力作用下自由旋转。设置静电纺丝箱体15里面的温度控制装置9和湿度控制装置10，温度设定为20℃，湿度设定为45%。打开高压电源2，调节施电压数值到65kV，静电纺丝喷头8可以形成多射流12，多射流12在飞向基材20下表面过程中，溶剂挥发，射流固化形成沉积有纳米纤维的基材21。沉积有纳米纤维的基材21从静电纺丝箱体15中出来后进入烘燥系统17中进行烘燥，使纳米纤维残余的溶剂完全挥发，烘燥系统17中温度设定为90℃，烘燥后形成纳米纤维/基材复合非织造布22，最后在成品收卷辊18上卷绕成纳米纤维/基材复合非织造布成品23。

如图5，本发明制得的纳米纤维/基材复合非织造布成品，从图中可以看出纳米纤维能够稳定的贴附在基材上，纳米纤维与基材没有分离，二者复合良好，因此，通过本发明的装置与工作方法能够连续制备纳米纤维、基材复合非织造布成品。

需要说明的是，实施例中所述仅是本发明的部分实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种静电纺丝喷头，其特征在于，包括圆柱形的喷头本体（8-1），喷头本体（8-1）的一个底面上设有纺丝液通道（8-2），另一个底面上设有若干个同心的圆槽（8-3），纺丝液通道（8-2）与圆槽（8-3）连通；纺丝液通道（8-2）设在喷头本体（8-1）底面的中心；圆槽（8-3）的宽度与喷头本体（8-1）的直径之比为1：80~600，圆槽（8-3）的深度与喷头本体（8-1）的高度之比为4~9:12。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝喷头，其特征在于，纺丝液通道（8-2）分别与每个圆槽（8-3）连通。

3.根据权利要求1所述的静电纺丝喷头，其特征在于，圆槽（8-3）的中心与喷头本体（8-1）底面的中心重合。

4.根据权利要求1所述的静电纺丝喷头，其特征在于，圆槽（8-3）的个数为3~5。

5.根据权利要求1所述的静电纺丝喷头，其特征在于，纺丝液通道（8-2）的直径与喷头本体（8-1）的直径之比为1:16~40，纺丝液通道（8-2）的长度与喷头本体（8-1）的高度之比为4~9:12。

6.一种静电纺丝系统，其特征在于，包括纺丝液供料系统、高压电源（2）、纳米纤维接收平板（14）、静电纺丝箱体（15）、喷头横移装置（19）、产品输送系统、烘燥系统（17）和权利要求1~5任意一项所述的静电纺丝喷头（8）；

静电纺丝喷头（8）、纳米纤维接收平板（14）和喷头横移装置（19）设在静电纺丝箱体（15）内，静电纺丝喷头（8）与喷头横移装置（19）连接，圆槽（8-3）正对纳米纤维接收平板（14），纺丝液通道（8-2）与纺丝液供料系统连接；高压电源（2）的正极与喷头本体（8-1）连接，纳米纤维接收平板（14）接地；产品输送系统穿过静电纺丝箱体（15）中的静电纺丝喷头（8）与纳米纤维接收平板（14）之间，烘燥系统（17）设在产品输送系统的末端；静电纺丝箱体（15）内设有温度控制装置（9）和湿度控制装置（10）。

7.根据权利要求6所述的静电纺丝系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）打开温度控制装置（9）和湿度控制装置（10）设置静电纺丝箱体（15）内的温度和湿度，打开烘燥系统（17）设置烘燥温度；

2）打开高压电源（2），达到预定电压后打开产品输送系统、纺丝液供料系统和喷头横移装置（19），产品输送系统将基材（20）送入静电纺丝箱体（15）中的静电纺丝喷头（8）与纳米纤维接收平板（14）之间，纺丝液通过纺丝液通道（8-2）进入圆槽（8-3）后在喷头本体（8-1）表面形成若干个环形纺丝液圈，若干个环形纺丝液圈形成多射流飞向基材（20），在基材上固化后形成纳米纤维沉积在基材（20）上，得到纳米纤维/基材非织造布；

3）纳米纤维/基材非织造布经产品输送系统送出静电纺丝箱体（15）后经烘燥系统（17）烘干后得到纳米纤维/基材非织造布产品。

8.根据权利要求7所述的静电纺丝系统的工作方法，其特征在于，喷头横移装置（19）的移动速度为500~1200mm/min，高压电源（2）的电压调节范围为0~100kV，烘燥系统（17）的温度调节范围为50~150℃，温度控制装置（9）的温度调节范围10~50℃，湿度控制装置（10）的湿度调节范围为10%~80%。