针式喷头垂直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，涉及一种针式喷头垂直静电纺丝装置以及系统。

背景技术：

静电纺丝是制备高分子纳米纤维膜的主要方法，它是利用电场力对高压电场中的纺丝溶液或熔体液滴拉伸变形获得纳米纤维。液滴受到静电牵引力会由球形变成泰勒锥型，并从圆锥尖端延伸得到纤维细丝，这些细丝落在基底上，溶剂蒸发后固化，从而得到纳米级直径的高分子纤维膜。

在纳米纤维规模化生产中，静电纺丝法是一种不可或缺的生产技术。但目前静电纺丝技术和相关静电纺丝纳米纤维材料还处于研究阶段，仍然存在着许多待攻克的难题。由于生产设备的限制，绝大多数的纳米纤维无法单独成膜，需吸附在基底上，对于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，因而需要较多棍轴，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。

同时在静电纺丝生产过程中，丝束由于受电场强度，自身重力等因素的影响，长时间的纺丝过程中还会出现丝束纠缠互相缠绕，形成肉眼可见的挂丝现象，影响纺丝质量。本发明采用垂直设置纺丝可一举解决这些问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种针式喷头垂直静电纺丝装置以及系统，其旨在改善现有的静电纺丝装置容易出现的基底织物拉裂、膜面粘辊与挂丝的问题。

第一方面，本申请提供一种针式喷头垂直静电纺丝装置，包括：

定位辊轴，用于传输和定位接收基底；定位辊轴包括至少两个；

接收电极，沿竖直方向设置在两个定位辊轴之间，位于接收基底外侧且平行于接收基底；以及

针式喷头，设置在接收基底的另一侧，沿竖直方向排列且针式喷头的出丝方向垂直于接收基底。

这种垂直收集的结构，使得接收基底可自然保持平直，不需要施加很大的张力，从而能够避免过大张力拉裂基底的问题。同样，由于不需要施加大的张力基底即可保持平直，因而不需要使用很多辊轴，使用两根定位辊轴即可，从而可以避免电纺纤维与滚轴的直接接触，解决纤维粘棍的问题。同时垂直收集减小了丝束自身重力对纺丝效果的影响，从而避免挂丝现象，解决这个静电纺丝领域常见的顽固问题。

在本申请的其他实施例中，上述针式喷头作为喷丝电极所接电性与接收电极相反；针式喷头包括多个喷头本体，沿竖直方向规则排列，相邻的两列针式喷头交错设置。

在本申请的其他实施例中，上述每一个针式喷头的孔径大小均为0.1mm-1mm；每列中相邻的两个针式喷头之间的间距为20mm-50mm。

在本申请的其他实施例中，上述针式喷头与接收电极之间的水平距离为50mm-600mm。

在本申请的其他实施例中，上述接收电极包括导电金属；接收电极的形状为棒状、丝状或者板状；棒状或丝状电极放置时保持与水平面平行，板状电极放置时保持与水平面垂直。

在本申请的其他实施例中，上述板状的接收电极的长度为100mm-4000mm，宽度为100mm-2000mm厚度为0.5mm-5mm；

棒状或者丝状的接收电极的长度为100mm-2000mm，直径为0.1mm-100mm。

在本申请的其他实施例中，上述定位辊轴包括两个，接收电极竖直设置在两个定位辊轴之间。

在本申请的其他实施例中，上述定位辊轴的长度为100mm-2000mm；定位辊轴的直径为40mm-100mm。

在本申请的其他实施例中，上述定位辊轴的表面设置有绝缘高分子聚合物层；高分子聚合物选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚氧化聚甲醛或者丁腈橡胶中的任意一种；

绝缘高分子聚合物层的厚度为5mm-10mm。

第二方面，本申请提供一种针式喷头垂直静电纺丝系统，包括前述的静电纺丝装置；以及

收放卷装置，与定位辊轴配合，用于传输接收基底。

本申请的静电纺丝系统，通过设置上述的静电纺丝装置，能够使得纳米纤维膜分布更为均匀，解决了传统水平纺丝收集过程中挂丝、膜面的不均匀和膜面的长距离下垂的问题。可以减少滚轴数量，同时纤维膜面不与滚轴接触从而有效解决了纳米纤维的粘辊问题。此外，还能降低接收基底的张力，可采用强度较低的接收基底进行收集。大大的提高了纺丝效率与纺丝质量。而且，该系统具有结构简单，造价成本低和操作灵活方便等优势。无需对静电纺丝设备其他部件进行改动，能根据实际应用灵活调节，可以显著降低设备的维护难度及维护成本。

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针式喷头垂直静电纺丝装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的针式喷头垂直静电纺丝装置的针式喷头排布示意图；

图3为本申请实施例提供的针式喷头垂直静电纺丝装置的棒状或者丝状接收电极排布示意图；

图4为本申请实施例提供的针式喷头垂直静电纺丝系统的结构示意图；

图5为本申请实施实例1～4制得的纳米纤维的扫描电镜图片。

图标：100-针式喷头垂直静电纺丝装置；101-壳体；102-隔板；103-进布口；104-出布口；110-定位辊轴；120-接收电极；130-针式喷头；131-喷头本体；140-高压直流电源；150-接收基底；200-静电纺丝系统；210-放卷系统；220-收卷系统。

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。

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3，本申请实施方式提供了一种针式喷头垂直静电纺丝装置100，包括：定位辊轴110、接收电极120以及针式喷头130。

进一步地，定位辊轴110用于传输接收基底150。定位辊轴110包括至少两个。

参照图1，在图示的实施例中，上述的定位辊轴110包括两个。两个定位辊轴110上下相对设置。

进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的针式喷头垂直静电纺丝装置100包括壳体101。上述的定位辊轴110、接收电极120以及针式喷头130设置在壳体101中。

进一步地，在壳体101内部设置有隔板102。上述的接收电极120垂直于该隔板102，两个定位辊轴110平行于隔板102设置，接收电极120竖直设置在两个定位辊轴110的中间。两个定位辊轴110用于传输用作静电纺丝成膜的接收基底150。

进一步地，在壳体101的顶部设置有进布口103，在隔板102上设置有出布口104，用作静电纺丝成膜的基底接收基底150能够从进布口103进入到壳体101内，然后经过定位辊轴110的传输，在传输的过程中在接收基底150上接收针式喷头130喷出的纳米纤维丝，并在电场的作用下，吸附在接收基底150上形成纳米纤维膜。然后，经过出布口104传输出已经成型的纳米纤维膜。

上述的接收基底150可以选择无纺布、熔喷布和水刺棉中的任意一种。

进一步可选地，接收基底150克重为30g-100g。进一步可选地，接收基底150克重为35g-90g。示例性地，接收基底150克重为40g、50g、60g或者80g。

进一步可选地，接收基底150宽幅长为100mm-1800mm。进一步可选地，接收基底150宽幅长为200mm-1700mm。示例性地，接收基底150宽幅长为300mm、500mm、800mm、1000mm、1500mm或者1600mm。

针式喷头130喷出的纳米纤维丝在电场的作用下，能够吸附在上述各种材料的接收基底150上，形成纳米纤维膜。

进一步地，接收电极120设置在接收基底150的一侧，针式喷头130设置在接收基底150的另一侧。接收电极120竖直设置在至少两个定位辊轴110之间，且平行于接收基底150。

在图示的实施例中，上述的针式喷头130设置在朝向接收基底150接收面的一侧，上述的接收电极120设置在接收基底150接收面的背面。

进一步地，上述的针式喷头130的出丝方向垂直于接收基底150。

发明人发现，目前，常规技术中的静电纺丝装置容易出现对膜面的摩擦带来的损坏，是由于常见的水平布置的接收基底，接收基底布置在针式喷头130的正上方，膜面朝下，定位辊轴110设置在膜面侧，定位辊轴110在收卷的过程中，不可避免地会对膜面造成摩擦，从而会对膜面造成一定的损伤。

本申请的针式喷头垂直静电纺丝装置100通过将接收电极120竖直设置在至少两个定位辊轴110之间，且平行与接收基底150，针式喷头130的出丝方向垂直于接收基底150。这种结构，能够保证接收基底150上的纳米纤维膜始终不会接触定位辊轴110，避免定位辊轴110对膜面的摩擦带来的损坏，从而有效地解决这一问题。

进一步地，针式喷头130的出丝方向垂直于接收基底150，相对于现有技术中，接收基底150设置在针式喷头130正上方的方案，能够避免接收基底150挂丝等现象的发生。

进一步地，发明人发现，目前常规的静电纺丝装置由于接收基底上水平设置在针式喷头130的正上方，因此，需要较大的张力，将接收基底拉平，才能保证在接收基底上形成均匀的纳米纤维膜。但是当接收基底的张力过大时，容易将膜面拉裂。而本申请的方案，由于接收基底竖直设置，因此不需要很大的张力，就可以将接收基底张拉平整，从而也避免了过大张力拉裂膜面的问题。

进一步地，上述的针式喷头130包括多个喷头本体131。

通过设置多个喷头能够有效地提高作业效率。

进一步地，上述的多个喷头本体131包括多列，相邻的两列喷头本体131交错设置。

通过将上述的多个针式喷头交错排布，能够使得在接收基底行形成的膜更加地均匀。

参照图1和2，在图示的实施例中，上述的多个喷头本体131包括多列。相邻的两列喷头本体131交错设置。

进一步地，每一个喷头本体131的孔径大小均为0.1mm-1mm；每列中相邻的两个喷头本体131之间的间距为20mm-50mm。

通过将每一个喷头本体131的孔径大小均为0.1mm-1mm，能够喷出细度适中，且强度较高的纳米纤维丝。通过将上述的每列中相邻的两个喷头本体131之间的间距为20mm-50mm，能够使得成膜效果更好，均匀平整性更好。

进一步可选地，每一个喷头本体131的孔径大小均为0.2mm-0.9mm；每相邻的两个喷头本体131之间的间距为25mm-45mm。

进一步可选地，每一个喷头本体131的孔径大小均为0.3mm-0.8mm；每相邻的两个喷头本体131之间的间距为30mm-40mm。

示例性地，每一个喷头本体131的孔径大小均为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm或者0.8mm。

示例性地，每相邻的两个喷头本体131之间的间距为25mm、30mm。35mm或者40mm。

进一步地，针式喷头130与接收电极120之间的水平距离为50mm-600mm。

通过将上述的针式喷头130与接收电极120之间的水平距离设置为50mm-600mm，能够保证针式喷头喷出的纳米纤维丝有足够的距离形成纳米纤维丝，并良好地到达接收基底150。

进一步可选地，针式喷头130与接收电极120之间的水平距离为100mm-550mm。

进一步可选地，针式喷头130与接收电极120之间的水平距离为150mm-500mm。

示例性地，针式喷头130与接收电极120之间的水平距离为150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm或者500mm。

进一步地，接收电极120包括导电金属；接收电极120的形状为棒状、丝状或者板状。

需要说明的是，当接收电极120的形状为棒状、丝状时，接收电极120设置为多根。

结合图2和图3，在图示的实施例中，每一行喷头本体131对应设置一根丝状或者棒状的接收电极120。

进一步地，板状的接收电极120的长度为100mm-4000mm,宽度为100mm-2000mm，厚度为0.5mm-5mm。

进一步地，棒状或者丝状的接收电极120的长度为100mm-2000mm。进一步可选地，棒状或者丝状的接收电极120的长度为200mm-1500mm。示例性地，棒状或者丝状的接收电极120的长度为300mm、500mm、800mm或者1000mm。

进一步地，棒状或者丝状的接收电极120的直径为0.1mm-100mm。进一步可选地，棒状或者丝状的接收电极120的直径为0.2mm-90mm。示例性地，棒状的接收电极120的直径为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm或者90mm。示例性地，丝状的接收电极120的直径为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm或者1mm。

进一步地，该针式喷头垂直静电纺丝装置100内设置有高压直流电源140，用于对针式喷头130和接收电极120施加电压，以形成电场，从而使得针式喷头130喷出的纳米纤维丝在电场的作用下，被吸附在接收电极120处的接收基底150上。

进一步地，上述的高压直流电源的工作电压为30kv-100kv，工作电流为1ma-8ma，针式喷头130和接收电极120分别与高压直流电源140的正接收电极连接。进一步可选地，上述的高压直流电源的工作电压为35kv-95kv，工作电流为2ma-7ma。

进一步地，定位辊轴110的长度为100mm-2000mm。

进一步地，定位辊轴110的直径为40mm-100mm。进一步可选地，定位辊轴110的直径为50mm-90mm。示例性地，定位辊轴110的直径为50mm、60mm、70mm或者80mm。

进一步地，定位辊轴110的表面设置有绝缘高分子聚合物层；高分子聚合物选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚氧化聚甲醛或者丁腈橡胶中的任意一种。

进一步地，绝缘高分子聚合物层的厚度为5mm-10mm。进一步可选地，绝缘高分子聚合物层的厚度为6mm-9mm。示例性地，绝缘高分子聚合物层的厚度为6mm、7mm、8mm或者9mm。

参照图4，本申请的一些实施方式还提供一种静电纺丝系统200，包括前述任一个实施方式提供的针式喷头垂直静电纺丝装置100以及收放卷装置。收放卷装置与定位辊轴110配合，用于传输接收基底。

在图示的实施例中，上述的收放卷装置包括放卷系统210和收卷系统220。放卷系统210设置在壳体101的顶部，从顶部的放布口将基底接收基底放入到壳体101内，与定位辊轴110配合，进行传输接收基底，待接收基底附着纳米纤维膜后，从隔板102上的出布口将接收基底传输至收卷系统220。

在本申请一些实施方式中，上述的放卷系统210和收卷系统220均包括气胀轴、张力调节器、纠偏系统、气动系统和电机。接收基底设置在气胀轴上，通过电机驱动放卷系统210和收卷系统220转动。并通过张力调节器控制接收基底的张力。放卷系统210不断地接收纳米纤维形成大规模纳米纤维膜。接收基底经定位辊轴110调整方向后受纠偏系统的作用，不断调整位置，最后绕卷在收卷系统220的气胀轴上收集。

进一步地，上述的张力调节器范围为10kg-60kg。气胀轴长度为500mm-2000mm。气胀轴直径为50mm-120mm。进一步可选地，上述的张力调节器范围为20kg-50kg。气胀轴长度为600mm-1800mm。示例性地，上述的张力调节器范围为20kg、30kg、40kg或者50kg。气胀轴长度为600mm、800mm、1000mm或者1500mm。

以下结合实施实例对前述实施方式提供的静电纺丝系统的使用过程进行示例性地说明：

实施实例1：

针式喷头130包括多个针式喷头，每个针式喷头孔径0.1mm，每相邻的两个针式喷头之间间隔为20mm，多个针式喷头交错排布。接收电极采用不锈钢材质，板状结构，尺寸为100mm*100mm，厚度为4mm，连接高压直流电源的接收电极用于控制纳米纤维的牵引方向；接收基底采用无纺布，宽幅为100mm，克重为30g；定位辊轴110长度为1200mm，直径为40mm，其表皮材质采用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯层厚度为5mm；气胀轴的长度为500mm，直径为50mm。

利用此针式喷头垂直静电纺丝装置100，进行静电纺丝并收集的过程包括：

使用质量分数10％的pva溶液，将高压直流电源与针式喷头130和接收电极120连接；针式喷头130和接收电极120两者间距50mm,针式电压为55kv，接收电极电压为30kv；接收基底的移动速度为6米/分钟。定位辊轴110与气胀轴所在平面的夹角为120°。两个定位辊轴110的间距为1200mm，张力调节器为10kg。

结果表明，针式喷头垂直静电纺丝装置100运行稳定。由图5可以看出，最终收集在无纺布上的纳米纤维膜连续均匀无缺陷。

实施实例2

针式喷头130包括多个针式喷头，每个针式喷头孔径0.3mm，每相邻的两个针式喷头之间间隔为20mm，多个针式喷头交错排布。接收电极采用铝材质，板状结构，尺寸为1500mm*500mm，厚度为15mm，连接高压直流电源的接收电极用于控制纳米纤维的牵引方向；接收基底采用无纺布，宽幅为1400mm，克重为30g；定位辊轴110长度为1600mm，直径为50mm，其表皮材质采用聚丙烯，聚丙烯层厚度为10mm；气胀轴的长度为1000mm，直径为50mm。

利用此针式喷头垂直静电纺丝装置100，进行静电纺丝并收集的过程包括：

使用质量分数10％的pva溶液，将高压直流电源与针式喷头130和接收电极120连接；针式喷头130和接收电极120两者间距500mm,针式电压为80kv，接收电极电压为40kv；接收基底的移动速度为5米/分钟。定位辊轴110与气胀轴所在平面的夹角为120°。两个定位辊轴110的间距为1200mm，张力调节器为60kg。

结果表明，针式喷头垂直静电纺丝装置100运行稳定，由图5可以看出，最终收集在无纺布上的纳米纤维膜连续均匀无缺陷。

实施实例3

针式喷头130包括多个针式喷头，每个针式喷头孔径0.6mm，每相邻的两个针式喷头之间间隔为40mm，多个针式喷头交错排布。接收电极采用铝材质，丝状结构，长度为1200mm，直径0.1mm，连接高压直流电源的接收电极用于控制纳米纤维的牵引方向；接收基底采用熔喷布，宽幅为1000mm，克重为80g；定位辊轴110长度为1300mm，直径为60mm，其表皮材质采用聚乙烯，聚乙烯层厚度为7mm；气胀轴的长度为1000mm，直径为50mm。

利用此针式喷头垂直静电纺丝装置100，进行静电纺丝并收集的过程包括：

使用质量分数10％的pva溶液，将高压直流电源与针式喷头130和接收电极120连接；针式喷头130和接收电极120两者间距400mm,喷头电压为65kv，接收电极电压为40kv；接收基底的移动速度为6米/分钟。定位辊轴110与气胀轴所在平面的夹角为120°。两个定位辊轴110的间距为1200mm，张力调节器为60kg。

结果表明，针式喷头垂直静电纺丝装置100运行稳定，由图5可以看出，最终收集在熔喷布上的纳米纤维膜连续均匀无缺陷。

实施实例4

针式喷头130包括多个针式喷头，每个针式喷头孔径1mm，每相邻的两个针式喷头之间间隔为50mm，多个针式喷头交错排布。接收电极采用铝材质，棒状结构，长度为2000mm，直径100mm，连接高压直流电源的接收电极用于控制纳米纤维的牵引方向；接收基底采用无纺布，宽幅为1800mm，克重为100g；定位辊轴110长度为2000mm，直径为100mm，其表皮材质采用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯层厚度为10mm；气胀轴的长度为2000mm，直径为120mm。

利用此针式喷头垂直静电纺丝装置100，进行静电纺丝并收集的过程包括：

使用质量分数10％的pva溶液，将高压直流电源与针式喷头130和接收电极120连接；针式喷头130和接收电极120两者间距600mm,针式电压为100kv，接收电极电压为100kv；接收基底的移动速度为6米/分钟。定位辊轴110与气胀轴所在平面的夹角为120°。两个定位辊轴110的间距为1200mm，张力调节器为60kg。

结果表明，针式喷头垂直静电纺丝装置100运行稳定，由图5可以看出，最终收集在无纺布上的纳米纤维膜连续均匀无缺陷。

综上，本申请的针式喷头垂直静电纺丝装置100，能够使得纳米纤维膜分布更为均匀，解决了传统水平纺丝收集过程中膜面的不均匀和膜面的长距离下垂的问题。可以减少滚轴数量，同时纤维膜面不与滚轴接触从而有效解决了纳米纤维的粘辊问题。此外，还能降低接收基底的张力，可采用强度较低的接收基底进行收集。大大的提高了纺丝效率与纺丝质量。

本申请的静电纺丝装置，具有结构简单，造价成本低和操作灵活方便等优势。无需对静电纺丝设备其他部件进行改动，能根据实际应用灵活调节，可以显著降低设备的维护难度及维护成本。

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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