静电纺丝装置以及系统的制作方法

本申请涉及静电纺丝领域，具体而言，涉及一种静电纺丝装置以及系统。

背景技术：

静电纺丝技术是一种制备纳米级直径纤维的常用方法，其具有原理简单、成本低廉等优势。

目前常规的静电纺丝技术可分为两大类：有针静电纺丝和无针静电纺丝。

有针静电纺丝的结构包括一个或多个充满静电纺丝液的针筒、针头以及金属收集器，纺丝液被针筒持续推注并在电场力作用下在针头处形成泰勒锥，然后被持续拉伸成直径为10～500nm的纳米纤维，最后被带静电的金属收集器收集并形成纳米纤维薄膜。有针静电纺丝结构简单，在实验室中得到了大量运用。但是，其缺点也很明显：在纺丝过程中针头极容易堵塞，增加了后期维护难度，使有针静电纺丝难以在工业生产中得到大规模应用。

无针静电纺丝原理更多被生产型静电纺丝设备所应用。无针的出丝装置多采用钢丝、带孔钢板或螺纹柱等结构，且通常和收集装置进行上下垂直排布设置，即出丝装置在下，收集装置水平放置在出丝装置上方，比如专利cn205821538u，又如专利cn210048886u。然而在实际生产中，这种水平放置的收集装置具有很多弊端：传统水平设置的收集基底，为保持基底织物的平直常常需要施加较大的张力，因此要求基底强度高，否则会拉裂基底，由此导致强度较低的基底无法纺丝。同样，传统水平纺丝设备需施加较大张力才能保持基布平直，因而需要较多辊轴，电纺纤维膜需与棍面接触，加上施加压力大，常发生纤维粘棍现象。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种静电纺丝装置以及系统，其旨在改善现有的生产用静电纺丝装置张力过大，强度较低的基底易拉裂无法纺丝、纺丝黏辊，接收面不可调节，产量较低的问题。

第一方面，本申请提供一种静电纺丝装置，包括：

第一定位辊轴，固定于安装面；

第二定位辊轴，用于与第一定位辊轴配合传输基底；

支架，转动连接于第一定位辊轴和第二定位辊轴；第二定位辊轴与支架能够绕第一定位辊轴转动，以使基底能够垂直于液槽开口方向；

收集电极，连接于支架，且位于基底的一侧；以及

喷头电极组件，设置在安装面，且位于基底的另一侧。

该静电纺丝装置第二定位辊轴与支架能够绕第一定位辊轴转动；且第二定位辊轴和第一定位辊轴的转动能够使基底垂直于安装面。当第二定位辊轴和第一定位辊轴传输无纺布等基底，基底处于垂直于液槽开口方向状态时，静电纺丝过程中，纤维更易收集，可以提升纳米纤维的产量。而且，传统水平纺丝设备需施加较大张力才能保持基布平直，因而需要较多棍轴，电纺纤维需与棍轴接触，常发生纤维粘棍现象，而垂直放置的基底可自然保持平直，不需施加大的张力，可使用最少两根辊轴，从而避免电纺纤维与滚轴的直接接触，解决纤维粘棍的问题。同时，由于垂直设置的基布可不需要施加大的张力即可保持平直，因而可避免拉裂基底的问题。

在本申请的其他实施例中，上述第二定位辊轴与支架能够在使基底垂直于安装面和倾斜于喷头电极组件的区间内转动；

可选地，转动角度在0～45°范围内。

在本申请的其他实施例中，上述静电纺丝装置包括推杆，推杆具有连接端和自由端，连接端连接于支架，自由端向背离基底的方向延伸。

在本申请的其他实施例中，上述支架包括第一板体、第二板体以及连杆，第一板体和第二板体相对设置，第一板体和第二板体之间形成容置空间，连杆连接于第一板体和第二板体；收集电极设置在容置空间内。

在本申请的其他实施例中，上述第一板体和第二板体的形状均为等边三角形；推杆连接于第一板体或第二板体的一个顶角处。

在本申请的其他实施例中，上述第二定位辊轴和第一定位辊轴上下间隔设置；

收集电极到第二定位辊轴和第一定位辊轴的垂直距离相等。

在本申请的其他实施例中，上述喷头电极组件包括针辊和液槽；

针辊可转动地设置在液槽内；液槽上设置有盖体，盖体遮挡部分的液槽开口。

在本申请的其他实施例中，上述静电纺丝装置包括壳体；

壳体内设置有隔板，隔板将壳体的腔体分隔成第一空间和第二空间；

支架、第一定位辊轴、第二定位辊轴、收集电极以及喷头电极组件均设置在第一空间；在第二空间设置有供液系统、废液回收系统以及连接管道，隔板上设置有孔，连接管道穿过孔连接供液系统、废液回收系统以及喷头电极组件。

在本申请的其他实施例中，上述静电纺丝装置还包括温湿度调控装置以及烘干机；

温湿度调控装置和烘干机均设置在第一空间内。

第二方面，本申请提供一种静电纺丝系统，包括前述的静电纺丝装置；以及

收放卷装置，收放卷装置包括放卷定位辊轴和收卷定位辊轴，放卷定位辊轴用于与第二定位辊轴配合传输基底；收卷定位辊轴用于与第一定位辊轴配合传输基底。

本申请的静电纺丝系统不需要高张力条件就可解决平行接收板基底下垂的问题，即使在低张力条件也能维持基底平整，确保了纺丝膜不会在高张力的基底上变形甚至撕裂，有效改善了纺丝膜和基底不均匀问题。同时采用简化的收放卷装置，相比以往的收放卷同时安装于工作间底部的设计，大大缩短了基底行进距离，减少了定位辊轴的使用数量，解决了纺丝膜输出工作间后容易粘辊的问题，确保了纺丝膜表面的完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的静电纺丝装置的结构示意图，其中，基底处于垂直于安装面的状态；

图2为本申请实施例提供的静电纺丝装置的基底转动到倾斜于喷头电极组件时的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的静电纺丝系统的结构示意图。

图标：100-静电纺丝装置；101-壳体；102-隔板；103-第一空间；104-第二空间；110-支架；111-基底；112-收集电极；113-第一板体；120-第一定位辊轴；130-第二定位辊轴；140-喷头电极组件；141-座体；142-针辊；143-液槽；144-盖体；145-液槽开口；150-推杆；160-温湿度调控装置；170-烘干机；181-供液系统；182-废液回收系统；183-连接管道；184-供液蠕动泵；185-供液桶；186-出液蠕动泵；187-废液回收桶；200-静电纺丝系统；210-收放卷装置；211-放卷定位辊轴；212-收卷定位辊轴。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1～图2，本申请实施方式提供了一种静电纺丝装置100，包括：支架110、收集电极112、第一定位辊轴120、第二定位辊轴130以及喷头电极组件140。第二定位辊轴130和第一定位辊轴120用于传输无纺布等基底。进一步地，支架110与第一定位辊轴120和第二定位辊轴130转动连接，第一定位辊轴120和第二定位辊轴130上下相对设置。第一定位辊轴120固定在安装面。第二定位辊轴130可活动。喷头电极组件140设置在安装面。第二定位辊轴130与支架110能够绕第一定位辊轴120转动，以使基底111能够垂直于安装面。

上述的安装面可以为地面等。

进一步地，收集电极112连接于支架110，且位于基底111的一侧；喷头电极组件140设置在基底111的另一侧。

在喷头电极组件140和收集电极112的电场力的作用下，纳米纤维丝从正极射出后，直接吸附在垂直的基底上，避免了出现基底挂丝、基底不平整、纺丝膜面不均的问题。

进一步地，在本申请一些实施方式中，静电纺丝装置100包括壳体101、支架110、第一定位辊轴120、第二定位辊轴130、喷头电极组件140、推杆150、温湿度调控装置160以及烘干机170。

进一步地，上述的壳体101内设置有隔板102，隔板102将壳体101的腔体分隔成第一空间103和第二空间104。

进一步地，支架110、第一定位辊轴120、第二定位辊轴130、收集电极112以及喷头电极组件140均设置在第一空间103；在第二空间104内设置有供液系统181、废液回收系统182以及连接管道183，隔板102上设置有孔连接管道183穿过孔，连接供液系统181、废液回收系统182以及喷头电极组件140。

参照图1，在图示的实施例中，喷头电极组件140设置在第一空间103，且安装在座体141上，座体141固定在隔板102上。座体141下方的隔板102上设置孔，连接管道183一端穿过该孔连接于喷头电极组件140，另一端延伸至第二空间104内。

进一步地，供液系统181包括供液蠕动泵184、供液桶185。供液桶185通过连接管道183连接于供液蠕动泵184，供液蠕动泵184通过连接管道183穿过隔板102上设置的孔连接于喷头电极组件140。从而能够在供液蠕动泵184的作用下，不断地将供液桶185中的静电纺丝液泵入到喷头电极组件140。

进一步地，废液回收系统182包括出液蠕动泵186和废液回收桶187。进一步地，废液回收桶187通过连接管道183连接于出液蠕动泵186，出液蠕动泵186通过连接管道183穿过隔板102上设置的孔连接于喷头电极组件140。从而能够在出液蠕动泵186的作用下，不断地将喷头电极组件140中产生的废液回收至废液回收桶187。

进一步可选地，上述的连接管道183采用螺纹快插的方式连接于供液系统181、废液回收系统182以及喷头电极组件140。

进一步地，本申请一些实施方式中，前述的支架110包括第一板体113、第二板体(图未示)以及连杆(图未示)。第一板体113和第二板体大小形状均相同。在图示的实施例中，第一板体113和第二板体相对设置，第一定位辊轴120的两端连接于第一板体113和第二板体的底端，第一板体113和第二板体的底端固定在隔板102上。第一定位辊轴120的两端连接于第一板体113和第二板体的顶端。第一板体113和第二板体之间形成容置空间，连杆连接于第一板体113和第二板体；收集电极112设置在容置空间内。

进一步地，推杆150具有连接端和自由端。连接端连接于支架110，自由端向背离基底111的方向延伸。

进一步地，在图示的实施例中，第一板体113和第二板体的形状均为等边三角形。推杆150连接在第一板体113或第二板体的一个顶角处，基底沿第一板体113或第二板体相对的底边传输。

将上述的支架110的形状设置为等边三角形，并在其顶角处设置推杆150，能够使用推杆150稳定地转动支架110，从而调整基底与喷头电极组件140之间的夹角，进而能够根据纳米纤维丝的喷出角度调整基底。

进一步地，第二定位辊轴130和第一定位辊轴120上下间隔设置。

进一步地，收集电极112到第二定位辊轴130和第一定位辊轴120的垂直距离相等。即设置在二者垂直方向的中点位置处，从而能够保证基底上均匀地收集纳米纤维丝。

进一步地，收集电极112靠近基底111设置，但间隔微小距离，避免接触传输的基底。

进一步地，收集电极112由导电金属材料制成，进一步可选地，收集电极112的长度不应小于1000mm。

进一步地，第一定位辊轴120和第二定位辊轴130的外表面应进行绝缘处理，示例性地，包裹橡胶、泡沫胶等。通过进行绝缘处理，能够防止影响负极收集纤维丝。

在本申请其他可选的实施例中，上述的支架110的形状也可以设置为其他形状，例如四边形等，此时可以将上述的推杆150安装在基底111的对边的中点上。

进一步地，上述的支架110的材料选择绝缘材料制成。进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的支架110的材料可以选择聚合物。

进一步地，收集电极112设置在基底111的中点位置。

参照图1，在图示的实施例中，此时，支架110处于垂直于安装面的状态，即垂直于图示中的隔板102。此时，基底111垂直于隔板102，第二定位辊轴130设置在第一定位辊轴120的正上方。当通过第二定位辊轴130和第一定位辊轴120传输无纺布(作为纳米纤维丝的收集面)等基底时，能够容易地控制纳米纤维丝的收集面与喷头电极组件140相互平行，进而保证纳米纤维丝垂直吸附在无纺布上。

需要特别强调的是，使用时，保证纳米纤维丝的收集面的角度调整至和喷头电极组件140的针辊切线平行的最大接收面。

进一步地，第二定位辊轴130与支架110能够在使基底111垂直于安装面(图示实施例中的隔板102)和倾斜于喷头电极组件140的区间内转动。

进一步地，基底111的转动角度在0～45°范围内。

进一步可选地，基底111的转动角度在5～40°范围内。

示例性地，基底111的转动角度为15°、20°、25°、30°或者40°。

进一步地，喷头电极组件140包括针辊142和液槽143。

进一步地，针辊142可转动地设置在液槽143内；液槽143上设置有盖体144，盖体144遮挡部分的液槽开口145。在图示的实施例中，盖体144遮挡远离基底111的部分的液槽开口145。

在本申请一些实施例中，上述的针辊142包括轴心，套筒组成，套筒上设置有多个钢丝喷头。进一步可选地，上述的轴心的材料为不锈钢。上述的套筒的材料为聚丙烯，上述的钢丝喷头的材料为不锈钢。

进一步地，在图示的实施例中，上述的盖体144遮挡液槽143一半的开口。

上述的针辊142由电机等驱动件驱动其转动，且针辊142的转动方向与第一定位辊轴120和第二定位辊轴130的转动方向相反。

进一步地，温湿度调控装置160以及烘干机170均设置前述的第一空间103内。

通过设置上述的温湿度调控装置160以及烘干机170，能够更好地控制静电方式的环境温度，避免由于环境湿度过高等问题，导致的丝束提前成丝、互相缠绕形成挂丝，甚至出现短路、起火等危险现象的发生。

参照图1，在图示的实施例中，上述的温湿度调控装置160设置在壳体101左侧壁体与喷头电极组件140之间的区域内，上述的烘干机170设置在壳体101右侧壁体与支架110之间的区域内。

需要说明的是，工作时温湿度调控装置160和烘干机170均应保持开启，烘干温度范围在40至60℃之间，不应超过70℃。

在本申请一些实施方式汇总，上述的温湿度调控装置160包括抽湿机、温度湿度计、排气部件。进一步可选地，抽湿机通过管道连接于第一空间103内。管道抽湿机有温控功能，可实现控制壳体101内部温度介于25至35℃、控制湿度介于20％至60％。

参照图3，本申请一些实施方式还提供一种静电纺丝系统200，包括前述任一实施方式提供的静电纺丝装置100以及收放卷装置210。

进一步地，收放卷装置210包括放卷定位辊轴211和收卷定位辊轴212，放卷定位辊轴211用于与第二定位辊轴130配合传输基底；收卷定位辊轴212用于与第一定位辊轴120配合传输基底。

在图示的实施例中，放卷定位辊轴211设置在壳体101的顶部，通过在壳体101的顶壁上开孔，将无纺布等基底传输至壳体101内，依次到达第二定位辊轴130和第一定位辊轴120进行传输。收卷定位辊轴212设置在前述的第二空间104内，在隔板102上开设孔，将无纺布等基底从第一定位辊轴120传输穿过该孔，传输至收卷定位辊轴212进行收卷。

本申请的静电纺丝系统不需要高张力条件就可解决平行接收板基底下垂的问题，即使在低张力条件也能维持基底平整，确保了纺丝膜不会在高张力的基底上变形甚至撕裂，有效改善了纺丝膜和基底不均匀问题。同时采用简化的收放卷装置，相比以往的收放卷同时安装于工作间底部的设计，大大缩短了布料基底行进距离，减少了定位辊轴的使用数量，解决了纺丝膜输出工作间后容易粘辊的问题，确保了纺丝膜表面的完整性。

下面结合具体的实施实例，示例性地说明该静电纺丝系统200的使用过程：

实施实例1：聚乙烯醇(pva)大规模连续型无纺布生产制造。

1.开启温湿度调控装置160，控制静电纺丝装置100内的温度在30～32℃、湿度在35％～40％。

2.安装纺丝机无纺布基底，将布卷固定在放卷定位辊轴211的11/12后，通过壳体101的进布口进入，穿过第一定位辊轴120；第二定位辊轴130后，从出布口穿出并连接收卷定位辊轴212。

3.安装液槽143和针辊142，连接液槽143和供液系统181，将两根长度约2m的硅胶管分别连接液槽143的两个接口，连接废液回收系统182。往供液桶185中添加约5l聚乙烯醇溶液(pva，分子质量为1799，溶剂为去离子水，质量分数约12％)。关闭壳体101密封门，往液槽143内注入约1l纺丝液，直至液面高过正极针辊142最低的钢丝喷头。启动针辊142转动电极，设置转速为7rpm。

4.调节基底角度，使针辊142外切面和基底垂直，设置两者间距为35cm。启动放卷定位辊轴211，设置进布速度为50cm/min。开启烘干机170，设置功率为900w。

5.开启壳体101内的高压直流电源，设置正极电压为52kv，负极电压为48kv。开启led射灯，可观察出连续致密的高分子纳米纤维丝在电场力的拉伸下从针辊142射出，然后吸附在垂直收集的基底上。

结果表明，垂直收集系统和喷头电极组件140运行稳定。通过连续化收集，最终形成了贴附有pva纳米纤维的无纺布布卷。

实施实例2：聚丙烯腈(pan)大规模连续型无纺布生产制造。

1.开启温湿度调控装置160，控制静电纺丝装置100内的温度在28～30℃、湿度在32％～35％；

2.安装纺丝机无纺布基底，将布卷固定在放卷定位辊轴211的11/12后，通过壳体101的进布口进入，穿过第一定位辊轴120；第二定位辊轴130后，从出布口穿出并连接收卷定位辊轴212。

3.安装液槽143和针辊142，连接液槽143和供液系统181，将两根长度约2m的硅胶管分别连接液槽143的两个接口，连接废液回收系统182。往供液桶185中添加约5l聚丙烯腈溶液(pan平均分子量为150，000)，溶剂为去离子水，质量分数约11％)。关闭壳体101密封门，往液槽内注入约1l溶液，直至液面高过正极针辊142最低的钢丝喷头。启动针辊142转动电极，设置转速为8.5rpm。

4.调节垂直收集系统角度，调节基底角度，使针辊142外切面和基底垂直，设置两者间距为340cm。启动放卷定位辊轴211，设置进布速度为30cm/min。开启烘干机170，设置功率为1200w。

5.开启高压直流电源，设置正极电压为55kv，负极电压为45kv。开启led射灯，可观察出连续致密的高分子纳米纤维丝在电场力的拉伸下从正极射出，然后吸附在垂直收集的基底上。

结果表明，垂直收集系统和喷头电极组件140运行稳定。通过连续化收集，最终形成了贴附有pan纳米纤维的无纺布布卷。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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