一种溶液微分静电纺丝喷头.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103911675 A (43)申请公布日 2014.07.09 C N 1 0 3 9 1 1 6 7 5 A (21)申请号 201410165961.8 (22)申请日 2014.04.23 D01D 5/00(2006.01) D01D 4/02(2006.01) (71)申请人北京化工大学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15 号 (72)发明人杨卫民 李好义 李小虎 张有忱 丁玉梅 (54) 发明名称 一种溶液微分静电纺丝喷头 (57) 摘要 本发明公开一种溶液微分静电纺丝喷头，主 要包括喷头套筒、喷头主轴、轴承、齿形带及电机， 其中喷头主轴下部

2、为一锥体，锥体外表面上有许 多均布的微小分流槽，锥体内部有一空腔，锥体外 表面与水平线成60角，内表面与水平线成30 角，使锥体边缘形成尖端，喷头主轴与喷头套筒通 过轴承进行配合且形成密封，喷头主轴可进行旋 转，且可上下调节位置，喷头主轴上端通过齿形带 与电机连接，喷头主轴在电机的带动下实现旋转。 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头，采用微分原 理，利用喷头表面分流槽对溶液进行分流，且喷头 主轴旋转，即解决了溶液单喷针产量低的问题，又 保证了泰勒锥的均匀，大大提高了静电纺丝的效 率，为溶液静电纺丝工业化奠定了一定的基础。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (19)中华人

3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103911675 A CN 103911675 A 1/1页 2 1.一种溶液微分静电纺丝喷头，其特征在于：主要包括喷头套筒、喷头主轴、轴承、齿 形带及电机，其中喷头主轴下部为一锥体，锥体外表面上有许多均布的微小分流槽，锥体内 部有一空腔，锥体外表面与水平线成B角，内表面与水平线成A角，B角大于A角，使锥体边 缘形成尖端；喷头主轴与喷头套筒通过轴承进行配合且形成密封，喷头主轴能够旋转，且喷 头主轴上下位置能够调节，进而调节锥体与套筒之间的缝隙，喷头主轴上端通过齿形带与 电机连接，在电

4、机的带动下实现旋转，齿形带为高分子材料，喷头套筒通过上端均布的四个 螺栓孔固定在纺丝机架上，筒身上有进料口。 2.根据权利要求1所述的一种溶液微分静电纺丝喷头，其特征在于：喷头主轴以10rpm 转速进行旋转。 3.根据权利要求1所述的一种溶液微分静电纺丝喷头，其特征在于：锥体外表面与水 平线成B角为60角，内表面与水平线成A角为30角。 4.根据权利要求1所述的一种溶液微分静电纺丝喷头，其特征在于：锥体外表面上的 微小分流槽的深度逐渐变浅。 权 利 要 求 书CN 103911675 A 1/3页 3 一种溶液微分静电纺丝喷头 技术领域 0001 本发明涉及一种静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。

5、 背景技术 0002 随着纳米技术的升温，利用静电纺丝制备纳米纤维成为当今研究热点之一。静电 纺丝技术自发明以来，经过近一百年的发展，在纺丝方法及纺丝材料上均有很大的进展，但 对于溶液静电纺丝而言，其产量低的缺陷始终制约着其产业化的进程。因此考虑如何提高 产量，将电纺纳米纤维相关产品投入市场成为必然。很多溶液静电纺丝仪器产业化装置简 单扩充纺丝针头数量，然而该方法仍然无法避免纺丝针头存在的难加工、易堵塞和电场互 相干扰的问题，如专利CN1962966A和CN101210352A等。有部分专利也提出了一些无针头 纺丝方案，在一定程度上解决了针头式纺丝的缺陷，专利CN102828259A中通过环状

6、锯齿旋 转进行纺丝，但该装置每次只有几个锯齿能同时出丝，纺丝效率仍然比较低，且残留的纺丝 液流入进料池，影响了溶液的浓度，质量不稳定，可纺材料有限。 0003 本发明针对纺丝针头存在的问题以及现有无针纺丝方法产量低的问题，提出一种 基于溶液微分静电纺丝方法的静电纺丝装置，特别是一种无针纺丝喷头，该结构避免了针 头加工的高成本及喷头易堵塞的问题，同时周向电场分布均匀，电荷集中，单喷头可产生数 十根射流，这种一分多方式称为微分，充分提高了单位纺丝头面积的纺丝产量。 发明内容 0004 本发明为克服单喷针溶液纺丝产量低的不足，在保证纺丝纤维直径细度的前提 下，提出了一种溶液微分静电纺丝喷头，通过此喷

7、头可以形成多股均一喷射流，仅利用喷头 主轴上的分流槽及其与喷头套筒之间的间隙获得多股喷射流，大大提高了静电纺丝的效 率，且避免了毛细管堵塞的问题。 0005 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头，它主要包括喷头套筒、喷头主轴、轴承、齿形 带及电机。其中喷头主轴下部为一锥体，锥体外表面上有许多均布的微小分流槽，微分的概 念即是表示锥体外表面上连续的溶液细分成微小分流，锥体内部有一空腔，锥体外表面与 水平线成B角，内表面与水平线成A角，B角大于A角，使锥体边缘形成尖端。喷头主轴与 喷头套筒通过轴承进行配合且形成密封，喷头主轴能够旋转，且可上下调节位置，以调节锥 体与套筒之间的缝隙大小，针对不同黏度的溶液

8、实现流量的控制，喷头主轴上端通过齿形 带与电机连接，在电机的带动下可实现旋转，齿形带为高分子材料，喷头套筒通过上端均布 的四个螺栓孔固定在纺丝机架上，筒身上有进料口。 0006 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头，喷头主轴上端通过齿形带与电机连接，在电 机的带动下可实现旋转，使溶液均布于锥体表面。溶液的粘度低，如果锥体与套筒之间的缝 隙太大，溶液流量大，难于纺制出很细的纤维，锥体与套筒之间的缝隙太小，在电场力作用 下，溶液容易被一股一股拉出，纺制的纤维易呈串珠型，所以为了克服溶液在锥体、套筒之 间粘着，喷头主轴以10rpm转速进行旋转，更利于溶液从锥体与套筒之间的缝隙流出，形成 说 明 书CN 1

9、03911675 A 2/3页 4 均匀连续的细丝。 0007 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头，喷头主轴下部为一锥体，锥体外表面上有许 多均布的微小分流槽，锥体内部有一空腔，锥体外表面与水平线成60角，内表面与水平线 成30角，使锥体边缘形成尖端，锥体外表面上的微小分流槽的深度逐渐变浅，以在尖端形 成更细的泰勒锥。该结构使得电场力集中作用于锥体边缘，作用力更易于调节。 0008 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头，改变了传统的毛细管结构，采用微分原理，利 用喷头表面的分流槽对溶液进行分流及喷头主轴旋转且可上下调节位置，即解决了溶液单 喷针产量低的问题，又保证了泰勒锥的均匀，大大提高了静电纺丝的效率

10、，为溶液静电纺丝 的工业化奠定了一定的基础。 附图说明 0009 图1是本发明一种溶液微分静电纺丝喷头的剖视示意图； 0010 图2是本发明一种溶液微分静电纺丝喷头的喷头主轴等轴示意图； 0011 图3是本发明一种溶液微分静电纺丝喷头的喷头主轴俯视图； 0012 图4是本发明一种溶液微分静电纺丝喷头的喷头套筒俯视图。 0013 图中：1-喷头套筒；2-喷头主轴；3-轴承；4-齿形带；5-电机；1-1-螺栓孔； 1-2-进料口；2-1-分流槽；2-2-喷头外锥面；2-3-喷头内锥面；2-4-锥体边缘。 具体实施方式 0014 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头，如图14所示的示意图，主要包括喷头套筒

11、 1、喷头主轴2、轴承3、齿形带4及电机5。喷头主轴2与喷头套筒1通过轴承3进行配合及 密封，喷头主轴2可进行旋转，且可上下调节位置，喷头主轴上端通过齿形带4与电机5连 接，喷头主轴2在电机5的带动下可实现旋转，齿形带4为尼龙材料等高分子材料，可避免 喷头加高压电击穿，喷头套筒1通过上端均布的四个螺栓孔1-1固定在纺丝机架上，筒身上 有进料口1-2。喷头主轴下部为一锥体，锥体外表面2-2上有许多均布的微小分流槽2-1， 且微小分流槽的深度逐渐变浅，锥体内部有一空腔，锥体外表面2-2与水平线成B角为60 角，内表面2-3与水平线成A角为30角，这两个角度便于分度和测量，锥体外表面2-2与 水平线

12、成60角使溶液受重力作用影响减小，溶液的流量易于控制，该两个角度使锥体边 缘2-4形成尖端，利于泰勒锥形成。纺丝过程中，溶液从进料口1-2进入喷头套筒与喷头主 轴之间，如果进料流量小，原料直接进入各分流槽2-1到达锥体边缘2-4，如果进料流量大， 液体便会分布于锥体外表面2-2，此时通过喷头主轴2旋转可使溶液均布于锥体表面，喷头 锥体2可以相对于喷头套筒1上下调节位置，以调节锥体与套筒之间的缝隙大小，针对不同 黏度的溶液实现流量的控制，在电场力作用下，获得超细纳米纤维。如果不设置分流槽，电 场力沿锥体边缘2-4稍不均匀，溶液就会分布很不均匀，纺制的丝就会粗细差别很大，使得 纺丝过程很难控制。锥

13、体外表面2-2上有许多均布的微小分流槽2-1，使得丝间的干扰减 低，所制的丝的直接更均匀，纺丝过程更易于控制。 0015 本发明一种溶液微分静电纺丝喷头的一个具体实施例如图1所示，调节喷头主轴 2的位置，使得喷头锥体与套筒形成细小的缝隙，锥体外表面2-2均布有30个直径1mm的半 圆形分流槽，分流槽的深度逐渐变浅，锥体边缘2-4处的深度为0.5mm，外锥面2-2呈60 说 明 书CN 103911675 A 3/3页 5 角，内锥面2-3呈30角，套筒内径为17mm，主轴直径为10mm。将该纺丝喷头固定在纺丝 机架上，将进料装置与进料口对接，使用聚乙烯醇溶液进行纺丝，打开电机使纺丝主轴以 10rpm进行慢速旋转，待到溶液均布于锥体边缘时，向喷头上加上正极高压电压，接收板接 地，至少出现50股喷射流沿着锥体边缘均匀喷出。 说 明 书CN 103911675 A 1/2页 6 图1 说 明 书 附 图CN 103911675 A 2/2页 7 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 103911675 A