[发明专利]一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备

说明书

本发明公开了一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，包括高压电源、溶液供给装置、喷丝装置以及接收板；所述溶液供给装置包括输送器以及溶液槽；所述喷丝装置包括多根针头；所述高压电源的正极与所述针头连接，负极与所述接收板连接，所述接收板位于所述喷丝口的下方；还包括与所述针头混合设置的辅助电极，该辅助电极为与高压电源的正极连接的正电极或接地电极；当所述辅助电极为正电极时，该正电极分布在所述针头的外围；当所述辅助电极接地电极时，该接地电极设置在针头内部的中间区域。本发明的多针头静电纺丝设备解决了静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不均匀的问题，进而提高纳米纤维制备效率和质量。

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝设备，具体涉及一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备。

背景技术

近年来，纳米材料发展迅速，应用非常广泛，是推动当代科技进步的重要力量。在纳米材料中，纳米纤维由于具有比图面积较高、孔隙率较高，同时具有纤维膜孔径小、图面能高、纤维连续性好等特性，已成为纺织工业及相关产业共同关注的重要课题。

静电纺丝技术是近年来用于制备纳米纤维及其应用领域中被研究最多、应用最广的技术之一。静电纺丝是一种通过在高压静电场下使聚合物溶液带电，随着电压的升高，电场力克服图面张力和粘滞力使得微小液体流从溶液图面高速喷出，并在电场作用下拉伸细化最终固化成直径从几十纳米到数百纳米不等的纳米纤维。

传统的静电纺丝装置中使用的喷丝头主要为针式毛细管，具有设备简单、操作方便等优点。用静电纺丝这种方法可以制备有机、无机/有机复合和无机纳米纤维等等，静电纺丝技术制备的纳米纤维材料已在组织工程、神经再生、催化、过滤、防护、能源、传感器、食品工程及化妆品等领域取得了成功应用，并成为国内外相关领域研究的重要热点问题，预计2020年全球纳米纤维的市场规模将达到400亿美元。但是，传统单针头静电纺丝法生产纳米纤维的产量较低约为0.02-0.3g/h,限制了静电纺纳米纤维的工业化生产，影响其产品的推广应用。因此探索提高静电纺纳米纤维效率的新方法，是未来静电纺丝技术研究的一个重要方向，国内外学者对静电纺丝装置和技术进行了改进研究，用来提高静电纺纳米纤维的产量。

目前，非针式静电纺丝技术和多针头静电纺丝技术是实现静电纺纳米纤维批量化生产的两个主要研究方向。非针式静电纺丝技术的研究主要是通过不同的介质使聚合物溶液的图面产生大量多股射流，从而提高纳米纤维制备效率。由于这些技术摒弃了传统的针式喷丝头，因而一般统称为非针式静电纺丝技术。在非针式静电纺丝领域中，捷克Elmarco公司的Nanospider技术(旋转滚筒技术)较为有名，可以取得商业化生产。但是，这些非针式静电纺丝技术还存在许多问题，首先是自由液面纺丝其溶剂挥发速度快，容易造成纺丝液性质发生变化而导致纤维直径离散较大，其次是能耗相对较大(需要电压较高，如传统静电纺丝电压一般为5-20kV，而非针式静电纺一般需30-120kV)、设备成本高等问题，这些问题使得非针式静电纺丝技术在工业化生产和推广时有一定难度。

此外，由多个喷丝头组合的多针头静电纺丝方法是制备纳米纤维的另一个重要途径。近年来，国内外也陆续出现了一些多喷头式静电纺丝商业化生产设备，如我国江西先材纳米纤维科技有限公司的静电纺丝设备、韩国Cluster公司的电喷射成型设备、西班牙Yflow公司的模块化多喷头静电纺丝设备等。这类技术的主要优点是利用多喷头实现多泰勒锥到多射流从而提高纳米纤维产量。增加喷头数量是提高传统静电纺丝产量最直接的方法，但增加针头数量以后，造成不同位置针头电场力差异的增加，多喷头之间的存在静电干扰问题，特别是当喷头数量增加到一定规模时，某些喷头无法纺丝或者以液滴形式滴落，容易造成纳米纤维膜结构不匀或穿孔等问题。为了克服这一缺陷，出现了改变多针头的排列方式、调整喷头间距、调整喷头长度等方法，并取得了一定进展，但问题仍未得到彻底解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有均匀电场分布的多针头静电纺丝设备，解决了静电干扰造成部分针头不能连续纺丝以及纤维膜结构不均匀的问题，进而提高纳米纤维制备效率和质量。