用于静电纺丝的离子风刀及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种用于静电纺丝的离子风刀，用于在静电纺丝成膜时对带有静电积累的膜表面进行静电中和，所述离子风刀包括：放电极，由多个金属放电针排列而成，用于在接通静电高压后，将针尖附近的空气电离；输入口，用于输入压缩空气；狭缝，用于吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述放电针针尖附近区域的离子带到所述有静电积累的膜表面。本发明还提供一种用于静电纺丝的离子风刀的控制方法。本发明可以通过离子风刀的放电极将空气电离，并由压缩空气形成层流风，将离子吹至膜表面用以中和静电积累，方向准确，且安全可控。
【专利说明】用于静电纺丝的离子风刀及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及静电纺丝工艺，尤其涉及一种应用于静电纺丝的离子风刀及其控制方法。
【背景技术】
[0002]自然界中的物质，可经由某种过程而获得或失去电荷(如摩擦或感应起电)，这类电荷即称为静电。当这些正电荷或负电荷逐渐累积时，会与周围环境产生电位差，电荷若是经由放电路径而产生在不同电位之间移转现象，即称此为静电放电现象，简称为ESD(Electrostatic Discharge)。工业生产过程中如薄膜生产、包装过程、纸张生产和化纤布匹生产过程中都会发生。特别是半导体工业，防止ESD更为重要。在非半导体工业生产中，通常防止ESD的方法是适当改变和调节空气湿度，另外一个重要的方法是在产品周围的空间里营造大量的自由的正、负离子，以中和产品表面的静电荷使产品表面最终呈电中性。
[0003]在静电纺丝过程中，高分子溶液在高压静电场的作用下，首先形成“泰勒锥”，由于高分子链上带上电荷，在泰勒锥里高分子溶液中的高分子链由电荷的静电排斥作用将其不断拉长，与此同时溶剂不断挥发，最终在收集板(极)形成直径在微米以下(几十到几百纳米)的纤维。实际的大规模静电纺丝过程中，纳米纤维通常是沉积在作为增强机械强度的衬垫上的，在水过滤处理和空气过滤处理的应用中，衬垫通常是采用常规方法如熔融吹气纺丝等生产的无纺布，通常是不导电的。另一方面，用于静电纺丝的高分子材料通常也都是电绝缘的。由于在实际生产过程中，纳米纤维需要积累一定的厚度(与具体的应用有关，空气过滤约为几微米，水过滤处理需要几十到几百微米)因此，工业生产的纳米纤维膜实际上是由多层纳米纤维叠加而成的。
[0004]由于所选用的高分子材料不导电，而无纺布衬底导电性能差，因此在多喷头大规模静电纺丝生产过程中，沉积在收集极的纳米纤维中的电荷不能有效地被中和，这样就造成静电积累。静电积累造成如下两个方面的后果:
[0005]1、静电纺丝中的电场强度是由喷丝头和收集极之间的电压所确立的，通常视其他条件而定由几千伏到几万伏。但是静电纺丝的动态过程的电场强度是由喷丝头与沉积了纳米纤维的薄膜最顶层表面的电势差所确立的。若假定这两者的电压差为(U1-U0)，其中Ul为喷丝头电压(势)，UO为膜表面电压(势)；喷丝头到收集极的距离为D，那么电场强度E=(Ul-UO)/D。由于电荷积累，膜表面的电势(UO)会逐渐增加，因此，动态过程中的电场强度将逐渐减弱。最终将影响静电纺丝过程。
[0006]2、由于最后的成膜是由多层纳米纤维叠加而成，表面电荷积累会产生层与层之间的结合度变弱，使得成膜的(厚度上)致密度降低。严重时，将形成蓬松的结构。这对于水过滤处理的应用而言是极为不利的。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供一种应用于静电纺丝的离子风刀及其控制方法，用于中和纺丝过程中产生的静电。
[0008]本发明的用于静电纺丝的离子风刀，用于在静电纺丝成膜时对带有静电积累的膜表面进行静电中和，所述离子风刀包括:放电极，由多个金属放电针排列而成，用于在接通静电高压后，将针尖附近的空气电离；输入口，用于输入压缩空气；狭缝，用于吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述放电针针尖附近区域的离子带到所述有静电积累的膜表面。
[0009]优选地，还包括控制模块，用于通过所述放电极的静电高压、所述输入口的空气流量、及所述狭缝距所述膜表面的距离来调节到达所述膜表面的离子浓度。
[0010]优选地，所述静电高压在5k_50kv，所述输入口的空气流量在500-3000mVh，所述狭缝距所述膜表面距离在5-40cm。
[0011]优选地，所述压缩空气的气压为3-5大气压。
[0012]优选地，放置于静电纺丝模块之间的空隙中。
[0013]本发明的用于静电纺丝的离子风刀的控制方法，包括如下步骤:将放电极接通静电高压，使其中的金属放电针将附近的空气电离；通过输入口输入压缩空气；通过狭缝吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述金属放电针针尖附近区域的离子带到有静电积累的膜表面。
[0014]优选地，通过控制所述放电极的静电高压、所述输入口的空气流量、及所述狭缝距所述膜表面的距离来调节到达所述膜表面的离子浓度。
[0015]优选地，所述静电高压在5k_50kv，所述输入口的空气流量在500-3000m3/h，所述狭缝距膜表面的距离在5-40cm。
[0016]优选地，所述压缩空气的气压为3-5大气压。
[0017]本发明可以通过离子风刀的放电极将空气电离，并由压缩空气形成层流风将离子吹至所述膜表面以中和静电积累，方向准确，且安全可控。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明中用于静电纺丝的离子风刀的正视图。
[0019]图2是本发明中用于静电纺丝的离子风刀的控制方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]实施例1
[0022]请参阅图1，所示为本发明中离子风刀的正视图。所述离子风刀放置于静电纺丝模块之间的空隙中，用于在静电纺丝成膜时对带有静电积累的膜表面进行静电中和。
[0023]所述离子风刀，包括放电极、输入口 1、狭缝3、及控制模块(未标示)。
[0024]其中，放电极，由多个金属放电针2排列而成，用于在接通静电高压后，进行放电，并将针尖附近的空气电离。具体而言，所述放电针2可以按照一定的几何规则或者密度进行排列。而所述静电高压通常可以达到5K到50KV。[0025]输入口 1，用于输入压缩空气，且所述压缩空气的流量及气压是可控的，可以根据实际由控制模块进行调整。通常，所述压缩空气的气压为3-5个大气压，此气压值在压缩空气中属于低压、常压，普通的空气压缩机就能够达到，一方面可以减少设备投入，减少设备损伤；另一方面可以降低能耗。
[0026]狭缝3，用于吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述放电针2针尖附近区域的离子带到所述有静电积累的膜表面。由于狭缝3形状为长长的扁平状，类似一把刀，因此，设备被称为离子风刀。具体而言，狭缝应处于放电极的上游处，即远离膜表面的一端，因此形成的层流风可以将放电针电离的离子吹至所述膜表面方向。
[0027]控制模块，通过所述放电极的静电高压、所述输入口的空气流量及所述狭缝距所述膜表面的距离，来调节到达所述膜表面的离子浓度。其中，所述静电高压通常在5k_50kv之间，所述输入口的空气流量通常在500-3000m3/h之间，所述狭缝距所述膜表面的距离通常在15-100cm之间或5-40cm之间进行选择。
[0028]上述数值范围在实际应用中的优势在于:在中和静电纺膜表面电荷的同时不会干扰到静电纺丝的平稳进行。高电压、高气体流量和小的距离使得中和效果较好，但是这也会对静电纺的进行产生扰动，所以，上述工艺参数的调整是在静电纺丝和中和效果之间的平衡范围。
[0029]实施例2
[0030]请参阅图2，所示为本发明中用于静电纺丝的离子风刀的控制方法，主要包括如下步骤:
[0031]在步骤S201中，将放电极接通静电高压，使金属放电针将其附近的空气电离。具体而言，所述放电针可以按照一定的几何规则或者密度进行排列。而所述静电高压通常在5k_50kv 之间 ο
[0032]在步骤S202中，通过输入口输入压缩空气。且所述压缩空气的流量及气压是可控的，可以根据实际需求由控制模块进行调整。
[0033]通常，所述输入口的空气流量通常在500_3000m3/h之间。所述压缩空气的气压为3-5个大气压，此气压值在压缩空气中属于低压、常压，普通的空气压缩机就能够达到，一方面可以减少设备投入，减少设备损伤；另一方面可以降低能耗。
[0034]在步骤S203中，通过狭缝吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述放电针针尖附近区域的离子带到有静电积累的膜表面。具体而言，狭缝应处于放电极的上游处，即远离膜表面的一端，因此形成的层流风可以将放电针电离的离子吹至所述膜表面方向。
[0035]在步骤S204中，通过静电高压、所述输入口的空气流量及所述狭缝距所述膜表面的距离，来调节到达所述膜表面的离子浓度。其中，所述静电高压通常在5k-50kv之间，所述输入口的气体流量通常在500-3000m3/h之间，所述狭缝距所述膜表面距离通常在15-100cm之间或5_40cm之间进行选择。
[0036]需要说明的是:上述步骤并无先后顺序，可以在离子风刀的使用过程中，通过对离子浓度的需求，对上述静电高压、所述输入口的空气流量及所述狭缝距所述膜表面的距离进行调节。
[0037]实验数据I
[0038]在静电纺丝的过程中，为中和膜表面的静电积累，采用离子风刀进行控制，静电纺丝的喷丝头喷出的是10wt%的聚乙烯醇/ 二甲基亚砜溶液。具体实验参数如下:金属放电针的电压(等同于静电高压)为5kv，压缩空气的气压为3个大气压，狭缝距所述膜表面为20cm，输入口的空气流量为1000m3/h。当采用上述离子风刀后，静电纺丝机可以连续运行48小时而没有出现纺丝无法进行的情况；而在使用离子风刀之前，静电纺丝机每运行3小时就无法继续稳定地工作。
[0039]实验数据2
[0040]在静电纺丝的过程中，为中和膜表面的静电积累，采用离子风刀进行控制，静电纺丝的喷丝头喷出的是PE熔体，熔体温度为250°C。具体实验参数如下:金属放电针的电压(等同于静电高压)为30kv，压缩空气的气压为5个大气压，所述狭缝距所述膜表面为40cm，输入口的空气流量为2000m3/h。当采用上述离子风刀后，静电纺丝机可以连续运行48小时而没有出现纺丝无法进行的情况；而在使用离子风刀之前，静电纺丝机每运行2小时就无法继续稳定地工作。
[0041]本发明可以通过离子风刀的放电极将空气电离，并由压缩空气形成层流风将离子吹至所述膜表面以中和静电积累，方向准确，且安全可控。
[0042]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于静电纺丝的离子风刀，用于在静电纺丝成膜时对带有静电积累的膜表面进行静电中和，其特征在于，所述离子风刀包括: 放电极，由多个金属放电针排列而成，用于在接通静电高压后，将针尖附近的空气电离； 输入口，用于输入压缩空气； 狭缝，用于吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述放电针针尖附近区域的离子带到所述有静电积累的膜表面。
2.如权利要求1所述的用于静电纺丝的离子风刀，其特征在于，还包括控制模块，用于通过所述放电极的静电高压、所述输入口的空气流量、及所述狭缝距所述膜表面的距离来调节到达所述膜表面的离子浓度。
3.如权利要求2所述的用于静电纺丝的离子风刀，其特征在于，所述静电高压在5k-50kv,所述输入口的空气流量在500-3000m3/h，所述狭缝距所述膜表面距离在5_40cm。
4.如权利要求1所述的用于静电纺丝的离子风刀，其特征在于，所述压缩空气的气压为3-5大气压。
5.如权利要求1所述的用于静电纺丝的离子风刀，其特征在于，放置于静电纺丝模块之间的空隙中。
6.一种用于静电纺丝的离子风刀的控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 将放电极接通静电高压，使其中的金属放电针将附近的空气电离； 通过输入口输入压缩空气； 通过狭缝吹出所述压缩空气，以形成层流风，用于将在所述金属放电针针尖附近区域的离子带到有静电积累的膜表面。
7.如权利要求6所述的用于静电纺丝的离子风刀的控制方法，其特征在于，通过控制所述放电极的静电高压、所述输入口的空气流量、及所述狭缝距所述膜表面的距离来调节到达所述膜表面的离子浓度。
8.如权利要求7所述的用于静电纺丝的离子风刀的控制方法，其特征在于，所述静电高压在5k-50kv，所述输入口的空气流量在500-3000m3/h，所述狭缝距所述膜表面的距离在5_40cmo
9.如权利要求6所述的用于静电纺丝的离子风刀的控制方法，其特征在于，所述压缩空气的气压为3-5大气压。
【文档编号】D01D5/00GK103741232SQ201410035758
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月30日
【发明者】张秀芳, 方渡飞 申请人:上海洁晟环保科技有限公司