电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置、方法及应用

技术领域

本发明属于静电纺丝技术领域，尤其涉及电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置、方法及应用。

背景技术

静电纺丝是利用高压静电将聚合物溶液或者熔体制备成超细纤维的方法，由于其原理简单和操作容易，被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一，且具有工业化前景。静电纺丝的工作原理是在喷头和收集板之间建立高压电场，使喷头感应带电或者直接带电，喷头底部尖端处熔体或者溶液带电或者被极化受到电场力的强拉伸作用，当其所受到的电场力超过粘滞阻力和表面张力后，聚合物熔体或者溶液形成射流喷射至收集板上，射流冷却固化或者溶剂挥发形成纤维。在静电纺丝工业化应用中，大幅度提高纤维产率是重点和难点。

在传统单针静电纺丝技术中，一根针头产出一根纤维，电场强度越大则射流越快，纤维直径变小。为了提高生产效率，可采用多针头阵列排布的方法，但是在实践过程中发现阵列排布的针头在不同位置所受到的电场力是不相同的，一般情况下，外围的针头受到较强的电场作用，形成较强的电场力，这是因为电极板的尖端效应和静电屏蔽效应共同作用导致的，由于尖端效应，电极板边缘部位电荷密度大，场强大，所以对应的边缘分布的针头处场强大，相对内侧分布的针头处场强小。除此之外，还有一部分静电屏蔽效应，外围的针头对分布在内部的针头产生了一定的静电屏蔽效应，静电屏蔽是指导体外壳对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响。所以，不均匀的电场导致纤维分布和纤维直径不均匀等问题，影响最终产品质量。

如果把单针静电纺丝称为采用“点”纺丝，那么无针静电纺丝技术则是采用“线”和“面”来纺丝，由于没有针头的限制，同等条件下，无针静电纺丝技术可以产生更多的射流数量，从而大幅度提高纤维产出效率，喷头尖端处电场强度越强则射流数量越多，射流速度越快，从而纤维越细。在工业化应用中，一般同样也是采用多喷头阵列的方法进一步提高生产效率。由于静电屏蔽效应，同样也是外围的喷头受到更强的电场力，而且由于单个喷头尖端处的电场分布不均也会带来同一个喷头上射流分布不均匀的问题，进而加剧最终产品纤维膜薄厚不均和直径不均匀的问题。为了解决上述静电纺丝产业化过程中由于电场分布不均带来的纤维膜薄厚不均和纤维直径不均的问题，本发明提出了一种电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置及方法。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置及方法。所述技术方案如下：

电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置的纺丝喷头采用矩形阵列或圆形阵列，所述纺丝喷头的上端连接有起分流作用的分流板，所述分流板的顶部安装有方便纺丝溶液或者熔体进入的入口；

所述纺丝喷头的尖端上套设有电极环，一个所述电极环通过导线与高压静电发生器一连接，所述纺丝喷头的尖端下侧50mm-200mm处设置有电极板，所述电极板通过导线与高压静电发生器二连接，所述分流板接地。

在一个实施例中，所述电极环整体呈圆形，电极环的横截面为圆形结构。

在一个实施例中，所述纺丝喷头采用矩形阵列时，电极板采用矩形平板；所述纺丝喷头采用圆形阵列时，电极板采用圆形平板。

在一个实施例中，所述调节高压静电发生器一施加电压为5kV-30kV，高压静电发生器二施加电压为30kV-80kV，即高压静电发生器二施加电压大于高压静电发生器一施加电压。

在一个实施例中，所述纺丝喷头采用矩形阵列时，所述电极环与纺丝喷头同轴布置，所述电极环之间焊接或者由导线连接在一起，所有所述电极环位于同一平面内。

在一个实施例中，所述电极环横截面直径范围为1mm-10mm，电极环直径大于纺丝喷头直径4mm-20mm，电极环中心与纺丝喷头底部尖端距离为5mm-50mm。

在一个实施例中，所述纺丝喷头采用圆形阵列时，每一圈所述纺丝喷头底部尖端在同一高度，不同圈的所述纺丝喷头底部尖端不在同一高度，纺丝喷头从内圈到外圈高度逐渐逐圈升高，相邻圈的高度差2mm-20mm。

在一个实施例中，所述每一圈所述纺丝喷头外侧均包裹有电极环，每一圈电极环高度都位于上下两圈相邻纺丝喷头底部尖端高度差的中间位置，电极环的直径为上下两圈相邻纺丝喷头的直径差的中间位置。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置的方法，该电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布方法包括：

步骤一、当所有纺丝喷头采用在同一个平面的布置形式时，采用双电极方式设置，将每个纺丝喷头尖端上部外侧套设电极环，纺丝喷头下面放置平板电极板；

步骤二、将纺丝喷头圆形阵列，采用阶梯布置方式设置，将每一圈所述纺丝喷头底部尖端在同一高度，不同圈的所述纺丝喷头底部尖端不在同一高度，纺丝喷头从内圈到外圈高度逐渐逐圈升高，每一圈所述纺丝喷头外侧均包裹有电极环，每一圈电极环高度都位于上下两圈相邻纺丝喷头底部尖端高度差的中间位置，电极环的直径为上下两圈相邻纺丝喷头的直径差的中间位置。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布方法在纤维膜制备中的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

在静电纺丝产业化过程中，为了大幅度提高纤维生产效率，通常采用多喷头阵列的生产方式。但是在多喷头阵列排布中，如果采用常用的电极施加方式，会带来电场分布不均的问题，进而导致纤维膜薄厚不均和直径分布不均等缺陷，最终产品纤维膜呈现出大面积无法使用的废品，严重影响产品质量。为了解决上述问题，本发明“化整为零”，将传统整体式电场施加方式改变为单个喷头分布式电场施加方式，或者根据匀强电场分布规律，将喷头圆形阵列后，逐圈强化电场分布。本发明能大幅度改善静电纺丝多喷头阵列排布中的电场分布不均的问题并强化内侧分布喷头的电场强度，提高产品质量。

第二、本发明着重解决静电纺丝产业化中目的产品纤维膜质量不高的问题，现有装置由于采用传统的电极施加方式，导致产品良品率较低。本发明技术方案可以改善电场分布，强化内侧喷头电场强度，从而改善产品质量。

第三、本发明技术方案转化后可以大幅度促进静电纺丝产业化进程，在现阶段静电纺丝从实验室走向产业化过程中，纤维膜均匀性差一直是亟待解决的重点和难点问题，本发明技术方案能够很好的解决这一问题，填补了国内外行业技术空白。本发明突破了传统静电纺丝中电极和喷头位于两侧以及单一大平板式电极等电极施加方式思维定式，采用双电极及分布式电极施加方式，改善电场分布状况，进而改善产品质量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本发明实施例提供的矩形阵列的电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的圆形阵列的电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的未采用电极环，只采用纺丝喷头下面电极板后的喷头尖端附近感应电场强度模拟云图。

图4是本发明实施例提供的采用上述电极环和电机板双电极布置形式后的喷头尖端附近感应电场强度的模拟云图。

图5是本发明实施例提供的未采用电极环，只采用纺丝喷头下面电极板后的喷头尖端附近感应电场强度模拟等值线图。

图6是本发明实施例提供的采用上述电极环和电机板双电极布置形式后的喷头尖端附近感应电场强度的模拟等值线图。

图7是本发明实施例提供的电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布方法流程图。

图中：1、入口；2、分流板；3、纺丝喷头；4、电极环；5、高压静电发生器一；6、电极板；7、高压静电发生器二。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明与现有技术的最大区别为电极布置形式不同，方法不同，分为两种多喷头排布方式：矩形阵列和圆形阵列。

当静电纺丝多喷头采用矩形阵列时，现行高压静电施加方式是在喷头下面一定距离放置金属平面电极板6，电极板6与高压静电发生器连接，打开高压静电发生器，电极板6带电，使喷头感应带电，喷头尖端处溶液或者熔体感应带电或者被极化形成射流。但是由于尖端效应，电极板6的电荷大多集中在边缘处，电极板6的边缘部分电场强度较大。所谓尖端效应是指在同一带电导体上，与平滑部位相比，其尖端部位面电荷密度较大，尖端附近的电场强度较强，且容易由尖端向周围空气或邻近的接地体放电的现象。由于电荷分布的尖端效应，电极板6电场强度呈现中间弱，四周强的特点，从而导致不同位置的喷头感应场强也不相同，也呈现出中间部分的喷头感应场强较弱，四周喷头感应场强较强。再加上静电屏蔽效应，四周的喷头对内部喷头形成一定程度的屏蔽，最终导致矩形阵列喷头感应场强分布不均匀，对于无针喷头，则呈现出四周喷头射流个数较多，纤维直径较小，越靠近中心处喷头感应场强越小，从而导致最终纤维膜薄厚不均匀，纤维直径也不均匀。针对多喷头矩形阵列排布电场强度分布不均匀的现象，本发明提出以下解决方案：

分流板2起分流作用，由入口1进入的纺丝溶液或者熔体流过分流板2后被均匀分布在每个纺丝喷头3上，纺丝喷头3为矩形阵列形式排布，电极环4套设在每个纺丝喷头3上，电极环4整体呈圆形，横截面也为圆形，电极环4横截面直径范围为1-10mm，电极环4直径大于纺丝喷头3直径4-20mm，电极环4置于纺丝喷头3尖端上面，电极环4中心与纺丝喷头3底部尖端距离为5-50mm，电极环4与纺丝喷头3同轴布置，电极环4之间焊接或者由导线连接在一起，所有电极环4位于同一平面，其中一个电极环4通过导线与高压静电发生器一5连接，电极板6位于纺丝喷头3尖端下面，电极板6上表面与纺丝喷头3尖端距离为50-200mm，电极板6通过导线与高压静电发生器二7连接，分流板2接地。调节高压静电发生器一5施加电压为5-30kV，高压静电发生器二7施加电压为30kV-80kV，即高压静电发生器二7施加电压大于高压静电发生器一5施加电压，如此才能确保纤维被电极板6吸引，避免纤维飘向电极环4，此时每个喷头均可以产生稳定75-80个射流。静电纺丝多喷头矩形阵列排布时，采用此种电极施加方式，可以使每个喷头尖端感应场强得到均匀分布，从而产生稳定均匀射流，改善纤维膜薄厚不均和纤维直径分布不均等质量问题。图3是未采用上述电极环4，只采用纺丝喷头3下面电极板6后的喷头尖端附近电场强度模拟云图(底色越亮，场强越强)，可以看出外围边缘处的纺丝喷头3尖端场强较强，而内侧分布的纺丝喷头3尖端感应场强被削弱。图4是采用上述电极环4和电极板双电极布置形式后的喷头尖端附近感应电场强度的模拟云图照片，可以看出内侧分布的纺丝喷头3尖端感应场强得到了较大增强且整体电场分布均匀性得到较大改善，可以证实本发明的有益效果。

当所述静电纺丝喷头采用圆形阵列时，电极布置也可以采用与上述纺丝喷头矩形阵列相同的施加方式，即在每个纺丝喷头3的尖端上套设电极环4，一个所述电极环4通过导线与高压静电发生器一5连接，电极环4与纺丝喷头3同轴布置，电极环4之间焊接或者由导线连接在一起，所有所述电极环4位于同一平面内。

当静电纺丝多喷头采用圆形阵列时，相应的电极板6也采用圆形平板，分流板2同样起分流作用，与上述矩形阵列排布装置不同的地方包括纺丝喷头3高度和电极环4布置方式。纺丝喷头3圆形阵列时，每一圈纺丝喷头3底部尖端在同一高度，但是不同圈的纺丝喷头3底部尖端不在同一高度，纺丝喷头3从内圈到外圈高度逐渐逐圈升高，相邻圈的高度差2-20mm，且每一圈纺丝喷头3外侧包裹一个电极环4，每一圈电极环4高度都位于上下两圈相邻纺丝喷头3底部尖端高度差的中间位置，电极环4的直径为上下两圈相邻纺丝喷头3的直径差的中间位置，电极环4用导线连接在一起，最外侧电极环4与高压静电发生器一5相连，比起矩形阵列，本排列方法可以在减少电极环4数量的前提下，使纺丝喷头3底部尖端感应场强均匀分布，减少电极环4数量可以降低设备制造、维护及调试成本。本发明所述纺丝喷头3同样适用于针头等纺丝设备。9、一种实现权利要求1-8任一项所述电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置的方法，其特征在于，该电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布方法包括：

本发明的还提供了一种实现所述电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布装置的方法，该电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布方法包括：

S101、当所有纺丝喷头3采用在同一个平面的布置形式时，采用双电极方式设置，将每个纺丝喷头3尖端上部外侧套设电极环4，纺丝喷头3下面放置平板电极板6；

S102、将纺丝喷头3圆形阵列，采用阶梯布置方式设置，将每一圈所述纺丝喷头3底部尖端在同一高度，不同圈的所述纺丝喷头3底部尖端不在同一高度，纺丝喷头3从内圈到外圈高度逐渐逐圈升高，每一圈所述纺丝喷头3外侧均包裹有电极环4，每一圈电极环4高度都位于上下两圈相邻纺丝喷头3底部尖端高度差的中间位置，电极环4的直径为上下两圈相邻纺丝喷头3的直径差的中间位置。

本发明还提供了一种基于所述电场均布和强化的静电纺丝多喷头排布方法在纤维膜制备中的应用。

图3和图4是喷头尖端感应电场强度的模拟云图，底色越亮则代表电场强度越强。从图3可以看出，当纺丝喷头矩形阵列且采用常用的单平板电极板时，外围一圈的纺丝喷头尖端附近感应电场强度较强，在内部分布的纺丝喷头尖端感应电场强度普遍较弱，且在外围一圈的单个纺丝喷头尖端上感应电场强度也分布不均匀，靠近外围的半圈电场强度较强。电场强度分布不均直接导致产品纤维数量和直径分布不均。图4是经过改进后的喷头尖端感应场强云图，从图中可以看出，所有纺丝喷头尖端感应电场强度都较强，喷头尖端感应电场强度分布得到了较大改善，即喷头尖端感应电场强度变得均匀，如此也将使得产品质量得到较大改观。

图5和图6是喷头尖端感应电场强度的模拟等值线图，右侧带数值的图例条代表喷头尖端处感应电场强度数值。从图5可以看出，当纺丝喷头矩形阵列且采用常用的单平板电极板时，外圈纺丝喷头尖端附近感应电场强度远远高于内部分布喷头，代表电场分布不均。采用本发明技术方案改进后，从图6可以看出，内外圈纺丝喷头尖端附近感应电场强度分布趋于一致，且场强数值约增大了1倍，最大值从1.84×10^6V/m增大到3.6×10^6V/m，因此，采用本发明技术方案后，电场趋于分布均匀的同时其强度也得到了较大增加。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。