本發(fā)明涉及一種靜電紡絲裝置，特別是一種實心針頭靜電紡絲裝置，屬于納米纖維制備領域。

背景技術：

納米纖維狹義上是指直徑在100nm以下的纖維，具有比表面積大、孔隙率高等特點，被廣泛應用于高效過濾材料、創(chuàng)傷敷料、組織工程、復合材料、電池電極及微納米器件等領域。

靜電紡絲是通過高壓直流電源產(chǎn)生的電場力拉伸聚合物溶液或熔體來制備納米纖維的方法，是目前制備納米纖維的最有效技術之一。靜電紡絲包括溶液靜電紡絲和熔融靜電紡絲兩大類，其中溶液靜電紡絲由于其設備及工藝簡單而得到快速發(fā)展。

溶液靜電紡絲裝置主要包括高壓電源發(fā)生器、噴絲頭、供液系統(tǒng)和纖維接收裝置四部分。溶液靜電紡絲裝置可以采用單個金屬毛細針管作為噴絲頭實現(xiàn)紡絲，如專利200420020596.3、200410025622.6等所公開的技術。但是，由于傳統(tǒng)單個金屬毛細針管靜電紡絲產(chǎn)率較低，無法滿足工業(yè)化需求，成為制約其發(fā)展的瓶頸問題。

Theron等將多個金屬毛細針管按照直線排列或矩形排列的方式組成多針頭靜電紡絲裝置[S.A.THERON，A.L.YARIN，E.ZUSSMAN，E.KROLL.Multiple jets in electrospinning：experiment and modeling.Polymer，2005，46(9)：2889-2899.]，國內(nèi)及國際上也出現(xiàn)了很多類似專利，如200420107832.5、201510278266.7、WO2007035011等所公開的技術。多針頭靜電紡絲技術噴絲位置可控、喂液量可控、噴絲過程穩(wěn)定，且在產(chǎn)量上有了大幅提高，但是多針頭靜電紡絲過程中會出現(xiàn)嚴重的“邊緣效應(End effect)”現(xiàn)象，即由于同排多針頭之間存在靜電排斥，導致兩邊的針頭出來的射流會向兩側嚴重傾斜，使接收裝置只能接收到中間的部分纖維，導致靜電紡絲效率和產(chǎn)量大打折扣，同時，由于各針頭之間場強的相互干擾，使得場強分布不均勻，導致獲取的纖維膜均勻度不好；除此之外，針頭堵塞、不便清洗、注射泵容量有限以及針頭所帶電荷回流易導致電器元件損毀、輸液管路易發(fā)生爆炸和著火等問題，都在很大程度上阻礙了多針頭靜電紡絲工業(yè)化的進程。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種實心針頭靜電紡絲裝置，解決傳統(tǒng)針管式靜電紡絲裝置針頭堵塞、不便清洗以及場強不均勻和存在的“邊緣效應”等問題。

本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種實心針頭靜電紡絲裝置，包括供液系統(tǒng)、實心針頭噴絲系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、接收裝置和控制系統(tǒng)。

本發(fā)明所設計的核心部件是實心針頭噴絲系統(tǒng)，由實心針頭、金屬絲導線、絕緣導液棒、支撐板、噴絲頭儲液盒組成；所述實心針頭，其針頭為圓錐狀針尖，其尾部帶針眼兒，中間為圓柱針身；所述絕緣導液棒，材料為聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯等中的一種，其底部為圓錐狀，中間為圓柱狀，頂部為圓柱狀擋臺，軸心有中心孔，孔徑與實心針頭針身直徑相等；所述支撐板，其中間位置開有等間距排列的N行(N為大于等于1的正整數(shù))通孔，孔徑與絕緣導液棒中間圓柱直徑相等；所述噴絲頭儲液盒，底部開有等間距排列的N行圓錐沉頭通孔，孔徑與絕緣導液棒中間圓柱直徑相等，頂部開槽，開槽外形尺寸與支撐板外形尺寸相同，深度大于絕緣導液棒底部圓錐的高度，儲液部分外形尺寸比頂部開槽的外形尺寸小，從而在儲液池中間位置形成了一個擋臺；所述實心針頭插入絕緣導液棒中心孔中，針尖剛好露出絕緣導液棒底部，針眼兒剛好露出絕緣導液棒頂部；所述絕緣導液棒插入支撐板中，絕緣導液棒擋臺底面與支撐板頂面相接觸；所述支撐板置于噴絲頭儲液盒開槽中，其底面與噴絲頭儲液盒中間擋臺接觸，絕緣導液棒底部圓錐穿過噴絲頭儲液盒底部圓錐沉頭通孔，并緊密接觸；所述金屬絲導線穿過各實心針頭針眼兒中，均與實心針頭接觸。

與現(xiàn)有多針頭靜電紡絲裝置相比，本發(fā)明所設計的實心針頭靜電紡絲裝置利用絕緣導液棒包裹實心針頭，明顯減弱了針頭間的靜電排斥作用；絕緣導液棒與噴絲頭儲液盒底部圓錐沉頭通孔緊密接觸，絕緣導液棒在升降系統(tǒng)的帶動下往上運動，在圓錐沉頭部分兩者之間的間隙變大，從而有液滴沿著絕緣導液棒底部圓錐流出，在實心針頭針尖處被電場激發(fā)而產(chǎn)生泰勒錐，由于絕緣導液棒可以上下運動，可有效解決毛細管針式靜電紡絲堵塞現(xiàn)象；同時，通過調(diào)整絕緣導液棒的高度使每個實心針頭與接收電極處于合適的距離，可實現(xiàn)各實心針頭針尖處場強均勻，從而達到均勻紡絲的效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實心針頭靜電紡絲裝置一種實施例的整體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實心針頭靜電紡絲裝置一種實施例的實心針頭噴絲系統(tǒng)爆炸立體圖；

圖3為本發(fā)明實心針頭靜電紡絲裝置一種實施例的實心針頭噴絲系統(tǒng)俯視結構示意圖；

圖4為圖3中A-A面剖視結構示意圖；

圖5為本發(fā)明實心針頭靜電紡絲裝置一種實施例得到的PVDF納米纖維SEM照片圖。

具體實施方式

下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明：

本發(fā)明設計的實心針頭靜電紡絲裝置(簡稱裝置，參見圖1～4)，包括供液系統(tǒng)、實心針頭噴絲系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、接收裝置和控制系統(tǒng)。

所述供液系統(tǒng)為現(xiàn)有技術，包括紡絲計量泵(簡稱計量泵或紡絲泵)11和儲液器12，計量泵11的進液管口探入儲液器12內(nèi)的紡絲液液面以下，在計量泵11的作用下，供液系統(tǒng)向?qū)嵭尼橆^紡絲系統(tǒng)定量提供紡絲液。

所述實心針頭噴絲系統(tǒng)為本發(fā)明的核心或特征，主要包括實心針頭21、金屬絲導線22、絕緣導液棒23、支撐板24、噴絲頭儲液盒25組成；實心針頭21的針頭為圓錐狀針尖，尾部帶針眼兒，中間為圓柱針身(直徑1～2mm，長度35mm)；絕緣導液棒23材料為聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯等中的一種，其底部為圓錐狀，中間為圓柱狀(直徑10～12mm，長度23mm)，頂部為圓柱狀擋臺，軸心有中心孔，孔徑與實心針頭針身直徑相等；支撐板24中間位置開有等間距排列的N行通孔(間距為28～35mm)，孔徑與絕緣導液棒23中間圓柱直徑相等；噴絲頭儲液盒25底部開有等間距排列的N行圓錐沉頭通孔，孔徑與絕緣導液棒23中間圓柱直徑相等，頂部開槽，開槽外形尺寸與支撐板24外形尺寸相同，深度大于絕緣導液棒23底部圓錐的高度，儲液部分外形尺寸比頂部開槽的外形尺寸小，從而在噴絲頭儲液盒25中間位置形成了一個擋臺；支撐板24和噴絲頭儲液盒的材質(zhì)可為PTFE(聚四氟乙烯)、玻璃、陶瓷等高性能介電性材料，較好的選擇是玻璃或高性能有機玻璃，這樣便于觀察和工藝操作。實心針頭21插入絕緣導液棒23中心孔中，針尖剛好露出絕緣導液棒23底部，針眼兒剛好露出絕緣導液棒23頂部；絕緣導液棒23插入支撐板24中，絕緣導液棒23擋臺底面與支撐板24頂面相接觸；支撐板24置于噴絲頭儲液盒25開槽中，其底面與噴絲頭儲液盒25中間擋臺接觸，絕緣導液棒23底部圓錐穿過噴絲頭儲液盒25底部圓錐沉頭通孔，并緊密接觸；金屬絲導線22穿過各實心針頭21針眼兒中，均與實心針頭21接觸。

所述升降系統(tǒng)30主要通過手動擰動或者采用步進電機驅(qū)動絲杠升降臺實現(xiàn)垂直升降運動，該升降系統(tǒng)與支撐板24相連，可以根據(jù)需要控制支撐板24升降，以調(diào)節(jié)絕緣導液棒23與噴絲頭儲液盒底部圓錐沉頭通孔之間的縫隙，實現(xiàn)合適的供液流量，垂直升降運動的距離為3～8mm。

所述供電系統(tǒng)包括正高壓直流電源41和負高壓直流電源42；所述接收裝置主要包括接收電極51、基布、導輥52、退繞輥和卷繞輥等常規(guī)傳動機構和負壓吸風機(退繞輥和卷繞輥、負壓吸風機等未在圖1中示出)；所述控制系統(tǒng)主要包括對供液系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和接收裝置的控制。

本發(fā)明裝置的工作原理和過程是(參見圖1)：通過升降系統(tǒng)30降低支撐板24使絕緣導液棒23底部圓錐穿過噴絲頭儲液盒25底部圓錐沉頭通孔，以保證噴絲頭儲液盒25處于密封狀態(tài)；將配制好的聚合物紡絲液放入儲液器12中，聚合物紡絲液由紡絲計量泵11計量后經(jīng)進液口喂入噴絲頭儲液盒25內(nèi)，形成紡絲液存儲區(qū)；將金屬絲導線22連入正高壓直流電源41，接收電極51接地或連入負高壓直流電源42，在實心針頭21和接收電極51間形成高壓靜電場；控制升降系統(tǒng)30調(diào)整支撐板24的高度，使絕緣導液棒23底部圓錐與噴絲頭儲液盒25底部圓錐沉頭通孔的間隙逐漸變大，到達預定流量，聚合物紡絲液開始流出噴絲頭儲液盒25底部小孔，并在露出的實心針頭針尖處形成聚合物液滴；調(diào)節(jié)電壓達到臨界紡絲電壓時，各實心針頭針尖處出現(xiàn)泰勒錐，并進一步拉伸成紡絲射流60，向著接收電極51運動。與此同時，聚合物紡絲液中的溶劑不斷揮發(fā)，聚合物逐漸冷卻，到達接收裝置時，聚合物固化，形成納米纖維，包括纖維網(wǎng)、薄膜或非織造布材料。

本發(fā)明裝置有效避免了傳統(tǒng)針頭式靜電紡絲過程中存在的靜電排斥(“End effect”現(xiàn)象)、針頭堵塞和不便清洗等問題，且可以極大地提高單個紡絲單元的表面電荷密度，從而提高電能利用率、降低了生產(chǎn)成本和費用，所得納米纖維產(chǎn)品的細度更細，且更均勻，并大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術。

下面給出本發(fā)明實施例的紡絲實驗。實施例的紡絲實驗僅用于進一步說明本發(fā)明，不構成對本發(fā)明申請權利要求的限制。

實施例的紡絲實驗采用本發(fā)明實心針頭靜電紡絲裝置(參見圖1)，紡絲溶液是濃度為15％的PVDF。實施例實驗具體過程如下：

1、紡絲溶液配制：

將PVDF放入真空干燥箱中真空80℃干燥12h，將稱量的PVDF放入DMF/丙酮混合溶劑中，溶劑混合比例為7∶3，放入磁性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)移至恒溫水浴鍋中50℃勻速攪拌，直至溶液澄清透明、均一穩(wěn)定靜止待用。

2、實驗：

將紡絲溶液放于儲液器中，正極高壓直流電源與實心針頭相連，接收電極及基布為鋁箔紙，與負高壓直流電源相連，正高壓直流電源輸出電壓為20kV，負高壓電源輸出電壓為10kV，接收距離為30cm，獲得平均直徑為1.15μm、CV＝12％的PVDF納米纖維薄膜，其納米纖維的SEM照片參見圖4，可以通過優(yōu)化紡絲溶液參數(shù)及紡絲過程參數(shù)獲得直徑更細的納米纖維。