一种实心针头静电纺丝设备的制作方法

本发明涉及一种静电纺丝设备，具体涉及一种实心针头静电纺丝设备。

背景技术：

纳米纤维是指纤维直径介于几十纳米到几百纳米范围内的超细纤维，与普通纤维相比，具有比表面积高、高孔隙率等特性，由纳米纤维堆积而成的具有三维立体多孔结构的纳米纤维膜材料具有孔径小、孔隙率高、连通性好、堆积密度可控等优点，因此能够作为纳米科学和技术的基本构筑基元；而通过静电纺丝方法进行纳米纤维的生产过程中，不但能够对纤维直径、纤维形貌、纤维结构进行调控，还能较容易地通过使用功能化聚合物或添加功能性化学物质来得到具有不同功能的功能性纳米纤维，由于该功能性纳米纤维具有众多的优异性能，因此目前已成功地应用到过滤、催化剂或酶载体、组织工程、药物释放、传感器、能源储存、纺织服装等领域中。

现有的静电纺丝装置中，为了提高生产效率，通常设有多个针喷丝头，工作时，多个针喷丝头同时进行静电纺丝任务，由于各针喷丝头都带电，各带点的针喷丝头都会产生静电场，因此多个针喷丝头产生的多个静电场间会相互干扰，使得从针喷丝头喷出的纳米纤维无规则地弯曲排列，导致纺丝不均匀，纺丝的质量大打折扣；并且，喷射时还会出现纳米纤维向外偏斜，从而无法被承接到接收基布上的情况。

为了克服上述问题，申请公布号为cn106119995a的专利申请文件公开了一种实心针喷丝头静电纺丝装置，该装置包括供液系统、实心针喷丝头喷丝系统、升降系统、供电系统、接收系统以及控制系统，其中，所述实心针喷丝头喷丝系统由实心针喷丝头、金属丝导线、绝缘导液棒、支撑板、喷丝喷丝头储液盒组成，所述绝缘导液棒轴心有中心孔，孔径与实心针喷丝头针身直径相等，所述实心针喷丝头插入绝缘导液棒中心孔中；所述支撑板的中间位置开有等间距排列的n行通孔，孔径与绝缘导液棒的中间圆柱直径相等，所述绝缘导液棒设置在支撑板上的通孔中；所述喷丝喷丝头储液盒的底部开有等间距排列的n行圆锥沉喷丝头孔，孔径与绝缘导液棒中间圆柱直径相等，顶部开槽，开槽外形尺寸与支撑板外形尺寸相等，所述支撑板置于喷丝喷丝头储液盒的开槽中，支撑板与升降系统连接，所述绝缘导液棒底部圆锥穿过喷丝喷丝头储液盒底部圆锥沉喷丝头通孔，并紧密接触。工作时，升降系统驱动支撑板向上运动，使得绝缘导液棒与圆锥沉喷丝头部分之间的间隙增大，从而使得液滴沿着绝缘导液棒底部圆锥流出，液滴在电场的激发下产生泰勒锥，形成纳米纤维。由于该装置中每个实心针喷丝头都设置在绝缘导向棒内，因此能够明显地减弱了静电排斥的干扰，使得纺丝更加均匀、纺丝效果更加好。

但该装置在实际生产中存在以下问题：由于实心针喷丝头置于绝缘导液棒内，绝缘导液棒的直径相对于实心针喷丝头大很多，因此导致实心针喷丝头的排布间距较大，当某些生产工艺要求实心针喷丝头以更小的间距排列时，现有的上述装置就无法做到。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实心针头静电纺丝设备，该设备既能避免纺丝针头静电排斥，又能让纺丝针头以较小的间距排列，以获得更好的静电纺丝产品。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种实心针头静电纺丝设备，包括喷丝系统、纤维接收系统、供液系统、供电系统以及控制系统；

所述喷丝系统包括多个喷丝头、用于固定多个喷丝头的导液固定管以及设置在每个喷丝头上的用于对喷丝头进行静电隔离的绝缘罩；其中，所述喷丝头包括喷丝头主体、位于喷丝头主体一端的用于与导液固定管连接的连接座以及位于喷丝头主体另一端的从喷丝头主体中延伸出来的多个实心针头，其中，所述绝缘罩包围在实心针头外，所述喷丝头主体内设有供液腔，所述连接座内设有与供液腔连通的进液管，所述实心针头的一端伸入供液腔内，另一端伸出喷丝头主体，每个实心针头与喷丝头主体间设有间隙；所述导液固定管内设有储液腔，该储液腔的腔壁上设有进液口和与每个喷丝头进液管一一导通的多个出液口；

所述纤维接收系统包括接收基布、位于接收基布两端的放卷辊和收卷辊、用于驱动收卷辊运动的收卷辊驱动机构以及用于驱动接收基布上下运动的升降驱动机构；

所述供液系统包括高压瓶和储液盒，其中，所述高压瓶和储液盒之间通过输气管连接，所述储液盒通过输液管和导液固定管的进液口连通；

所述供电系统包括高压直流电源，该高压直流电源的正极通过导线与每个喷丝头中的实心针头连接，所述接收基布接地；所述控制系统与收卷辊驱动机构以及升降驱动机构的控制端连接。

本发明的一个优选方案，其中，所述供液腔内设有用于驱动实心针头上下运动的浮板密封圈，多个实心针头固定在该浮板密封圈上，当供液腔内的聚合物纺丝液未充满时，浮板密封圈与供液腔的腔壁接触；当供液腔内充满聚合物纺丝液时，浮板密封圈与供液腔的腔壁脱离接触。上述结构适用于喷丝头向下喷丝的场合，其好处在于：当整个静电设备处于工作状态时，供液腔内充满聚合物纺丝液，浮板密封圈在浮力的作用下(此时浮板密封圈的浮力大于浮板密封圈以及实心针头的重力)与供液腔的腔壁脱离接触，将实心针头与喷丝头主体间的间隙打开，从而使得聚合物纺丝液能够通过该间隙流出，进行正常的喷丝作业；而当整个静电设备处于非工作状态时，由供液腔内的聚合物纺丝液内缺少补给，因此浮板密封圈在重力的作用下(此时浮板密封圈的浮力小于浮板密封圈以及实心针头的重力)与供液腔的腔壁接触，将实心针头与喷丝头主体间的间隙密封关闭，从而能够防止聚合物纺丝液从供液腔中流出造成污染浪费。

本发明的一个优选方案，其中，所述喷丝头的连接座为螺杆，所述导液固定管设有与螺杆配合的螺孔。所述喷丝头通过螺杆与螺孔配合的方式实现与喷丝头固定件之间的连接，从而使得喷丝头具有安装更换方便、密封性好的优点。

优选地，所述收卷辊驱动机构包括电机、与收卷辊同轴设置的主动带轮以及与放卷辊同轴设置的从动带轮，其中，所述电机的输出轴通过联轴器或输送带与主动带轮连接，所述从动带轮与主动带轮通过传送带连接。工作时，电机的输出轴转动带动主动带轮转动，进而一方面带动与主动带轮同轴的和收卷辊转动，另一方面带动与主动带轮通过传送带连接的从动带轮转动，从而带动放卷辊转动，实现接收布基的收放任务。

优选地，所述输气管上设有气体流量调节阀和压力表。工作时，可以利用气体流量调节阀来控制储液箱内压力的大小，当压力较大时，聚合物纺丝液的流速大，单位时间内的供液量多，当压力较小时，聚合物纺丝液的流速小，单位时间内的供液量少，从而能够根据实际需求进行调节。

优选地，所述导液固定管为圆柱形的空心密封管，该空心密封管的内腔构成所述储液腔，所述进液口设置在空心密封管的一端面上，所述出液口设置在空心密封管的圆柱面上。由于空心密封管的内腔面为圆柱面，因此能够对聚合物纺丝液起到汇聚作用，这样，聚合物纺丝液经过汇聚到底部后再从设置在圆柱面的出液口中流出，从而使液体更加顺利地流入到喷丝头中；并且，圆柱形的空心密封管也便于对其内腔进行清洗。

优选地，所述导液固定管为矩形盒，该矩形盒的内腔构成所述储液腔。这样设置的目的在于，矩形盒的表面为平面结构，既能够在横向上设置喷丝头，又能够在纵向上设置喷丝头，从而能够根据实际需求合理安排喷丝头的数量和排列方式。

优选地，所述喷丝头主体为圆柱体，所述实心针头在喷丝头主体上沿圆周方向排列，且沿径向分成多组。

优选地，所述绝缘罩为中空的圆柱结构，该绝缘罩的端部通过螺纹连接结构连接在所述喷丝头主体上。

优选地，所述喷丝头主体为圆柱体，所述实心针头在喷丝头主体上以阵列方式排列。

本发明的工作原理为：

工作时，高压瓶向储液盒内供气，使得储液盒内处于高压状态，在该高压下，储液盒的聚合物纺丝液能够自动地从储液盒通过输液管流向导液固定管的储液腔内，进而通过储液腔的出液口流向喷丝头的供液腔内为喷丝头在喷丝过程中提供聚合物纺丝液。

在每个喷丝头内，由于每个实心针头与喷丝头主体件设有间隙，因此位于喷丝头供液腔内的聚合物纺丝液能够通过该间隙到达实心针头的针尖处，形成聚合物液滴，调节电压到达临界纺丝电压时，各实心针头针尖处出现泰勒锥，并进一步地拉伸成纺丝射流，形成纳米纤维，喷射到接收基布上，然后通过放卷辊和收卷辊对喷丝后的基布进行收卷。

其中，由于每个喷丝头上设有绝缘罩，使得喷丝头间的静电干扰大大减弱，因此每个喷丝头在喷丝过程中构成一个独立的喷丝单元；而对于每个喷丝单元内部而言，由于每个喷丝头上设有多个实心针头，虽然各个针头之间会存在静电干扰，但是由于每个喷丝头内实心针头的数量相对于整个静电纺丝设备中的实心针头数量少得多，因此每个喷丝头内实心针头之间的静电排斥效应是有限的，使得每个喷丝头喷出的纺丝所受到的静电干扰影响较小，通过合理设置喷丝头的数量以及喷丝头的排列位置，由多个喷丝头喷出的纺丝汇集到基布上，就能获得更高质量的静电纺丝产品。与此同时，由于每个喷丝头内的内实心针头为普通直径的针头，因此针头与针头之间的排列间距可以设置得更小，排列形态也可以灵活设置，从而能够满足小间距的排列要求，满足特定的生产工艺要求，例如，生产效率更高，纺丝分布密度更大等。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明的实心针头静电纺丝设备上的每个喷丝头上都设有绝缘罩，因此喷丝头之间不会产生静电干扰的问题；而对于每个喷丝头而言，虽然其内部的多个实心针头之间存在静电干扰问题，但是由于每个喷丝头内实心针头的数量相对于整个静电纺丝设备中的实心针头数量少得多，因此每个喷丝头内实心针头之间的静电排斥效应是有限的，使得每个喷丝头喷出的纺丝所受到的静电干扰影响较小，通过合理设置喷丝头的数量以及喷丝头的排列位置，由多个喷丝头喷出的纺丝汇集到基布上，就能获得更高质量的静电纺丝产品。与此同时，由于每个喷丝头内的内实心针头为普通直径的针头，因此针头与针头之间的排列间距可以设置得更小，排列形态也可以灵活设置，从而能够满足小间距的排列要求，满足特定的生产工艺要求，例如，生产效率更高，纺丝分布密度更大等。

2、本发明的实心针头静电纺丝设备既能避免现有技术中因丝针头紧密排列而出现的静电排斥问题，又能避免现有技术中因每个纺丝针因此设置绝缘体而导致间距过大的问题，同时解决了静电干扰问题和纺丝针排列密度的问题，获得双重效果。

3、本发明的实心针头静电纺丝设备上设有多个喷丝头，且喷丝头内设有多个实心针头，工作时，多个喷丝头内的多个实心针头能够同时进行喷丝工作，因此能够大大提高喷丝产量。

4、本发明的实心针头静电纺丝设备采用气压供液方式提供恒定气压，针头数量不受限制，并且纺丝液均匀分布，纺丝过程稳定。

附图说明

图1为本发明的一种实心针头5-1静电纺丝设备的结构示意图。

图2为图1所示的一种实心针头5-1静电纺丝设备中当导液固定管为圆柱形空心密封管时的结构示意图。

图3为图1中喷头的结构示意图。

图4为图1喷头的内部结构图。

图5为图1中当喷丝头主体为圆柱体，所述实心针头在喷丝头主体上沿圆周方向排列时的结构示意图。

图6为实施例2对应的喷头的内部结构图。

图7为实施例3对应的导液固定管的结构示意图。

图8为实施例4对应的实心针头喷丝头主体上以阵列方式排列时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1，本发明的一种实心针头5-1静电纺丝设备，包括喷丝系统、纤维接收系统、供液系统、供电系统以及控制系统；

参见图1-图4，所述喷丝系统包括多个喷丝头5、用于固定多个喷丝头5的导液固定管4以及设置在每个喷丝头5上的用于对喷丝头5进行静电隔离的绝缘罩12，带绝缘罩12为中空的圆柱结构，该绝缘罩12的端部通过螺纹连接结构连接在所述喷丝头主体5-2上；所述喷丝头5包括喷丝头主体5-2、位于喷丝头主体5-2一端的用于与导液固定管4连接的连接座5-3以及位于喷丝头主体5-2另一端的从喷丝头主体5-2中延伸出来的多个实心针头5-1，其中，所述绝缘罩12包围在实心针头5-1外，所述喷丝头主体5-2内设有供液腔5-21，所述连接座5-3内设有与供液腔5-21连通的进液管5-5，所述实心针头5-1的一端伸入供液腔5-21内，另一端伸出喷丝头主体5-2，每个实心针头5-1与喷丝头主体5-2间设有间隙5-22；所述导液固定管4内设有储液腔，该储液腔的腔壁上设有进液口和与每个喷丝头5进液管5-5一一导通的多个出液口；其中，所述喷丝头5的连接座5-3为螺杆，该螺杆上设有螺纹5-4，所述导液固定管4设有与螺杆配合的螺孔；所述喷丝头5通过螺杆与螺孔配合的方式实现与导液固定管4之间的连接，从而使得喷丝头5具有安装更换方便、密封性好的优点。

参见图2，所述导液固定管4为圆柱形的空心密封管，该空心密封管的内腔构成所述储液腔，所述进液口设置在空心密封管的一端面上，所述出液口设置在空心密封管的圆柱面上。由于空心密封管的内腔面为圆柱面，因此能够对聚合物纺丝液起到汇聚作用，这样，聚合物纺丝液经过汇聚到底部后再从设置在圆柱面的出液口中流出，从而使液体更加顺利地流入到喷丝头5中；并且，圆柱形的空心密封管也便于对其内腔进行清洗。

参见图3和图5，所述喷丝头主体5-2为圆柱体，所述实心针头5-1在喷丝头主体5-2上沿圆周方向排列，且沿径向分成多组。

参见图1，所述纤维接收系统包括接收基布7、位于接收基布7两端的传动滚轮6、驱动传动滚轮6转动的收卷辊驱动机构以及驱动接收基布7上下运动的升降驱动机构，所述传动滚轮包括放卷辊和收卷辊，所述升降驱动机构由第一电机14和支撑杆13构成，其中，所述支撑杆13的一端与接收基布连接，另一端与第一电机14连接；所述收卷辊驱动机构包括第二电机、与收卷辊同轴设置的主动带轮以及与放卷辊同轴设置的从动带轮，其中，所述第二电机的输出轴通过联轴器或输送带与主动带轮连接，所述从动带轮与主动带轮通过传送带连接。工作时，第二电机的输出轴转动带动主动带轮转动，进而一方面带动与主动带轮同轴的和收卷辊转动，另一方面带动与主动带轮通过传送带连接的从动带轮转动，从而带动放卷辊转动，实现接收基布7的收放任务。

参见图1，所述供液系统包括高压瓶11和储液盒8，其中，所述高压瓶11和储液盒8之间通过输气管连接，所述储液盒8通过输液管和导液固定管4的进液口连通；所述输气管上还设有气体流量调节阀10和压力表9。工作时，可以利用气体流量调节阀10来控制储液盒8内压力的大小，当压力较大时，聚合物纺丝液的流速大，单位时间内的供液量多，当压力较小时，聚合物纺丝液的流速小，单位时间内的供液量少，从而能够根据实际需求进行调节。

参见图1，所述供电系统包括高压直流电源，该高压直流电源的正极1通过导线3与每个喷丝头5中的实心针头5-1连接，所述接收基布7与接地极连接2；所述控制系统与收卷辊驱动机构以及升降驱动机构的控制端连接。

本发明的工作原理为：

工作时，高压瓶11向储液盒8内供气，使得储液盒8内处于高压状态，在该高压下，储液盒8的聚合物纺丝液能够自动地从储液盒8通过输液管流向导液固定管4的储液腔内，进而通过储液腔的出液口流向喷丝头5的供液腔5-21内为喷丝头5在喷丝过程中提供聚合物纺丝液。

在每个喷丝头5内，由于每个实心针头5-1与喷丝头主体5-2件设有间隙5-22，因此位于喷丝头5供液腔5-21内的聚合物纺丝液能够通过该间隙5-22到达实心针头5-1的针尖处，形成聚合物液滴，调节电压到达临界纺丝电压时，各实心针头5-1针尖处出现泰勒锥，并进一步地拉伸成纺丝射流，形成纳米纤维，喷射到接收基布7上，然后通过放卷辊和收卷辊对喷丝后的基布7进行收卷。

其中，由于每个喷丝头5上设有绝缘罩12，使得喷丝头5间的静电干扰大大减弱，因此每个喷丝头5在喷丝过程中构成一个独立的喷丝单元；而对于每个喷丝单元内部而言，由于每个喷丝头5上设有多个实心针头5-1，虽然各个针头之间会存在静电干扰，但是由于每个喷丝头5内实心针头5-1的数量相对于整个静电纺丝设备中的实心针头5-1数量少得多，因此每个喷丝头5内实心针头5-1之间的静电排斥效应是有限的，使得每个喷丝头5喷出的纺丝所受到的静电干扰影响较小，通过合理设置喷丝头5的数量以及喷丝头5的排列位置，由多个喷丝头5喷出的纺丝汇集到基布7上，就能获得更高质量的静电纺丝产品。与此同时，由于每个喷丝头5内的内实心针头5-1为普通直径的针头，因此针头与针头之间的排列间距可以设置得更小，排列形态也可以灵活设置，从而能够满足小间距的排列要求，满足特定的生产工艺要求，例如，生产效率更高，纺丝分布密度更大等。

实施例2

参见6，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述供液腔5-21内设有用于驱动实心针头5-1上下运动的浮板密封圈5-23，多个实心针头5-1固定在该浮板密封圈密封圈5-23上，当供液腔5-21内的聚合物纺丝液未充满时，浮板密封圈5-23与供液腔5-21的腔壁接触；当供液腔5-21内充满聚合物纺丝液时，浮板密封圈5-23与供液腔5-21的腔壁脱离接触。上述结构适用于喷丝头5向下喷丝的场合，其好处在于：当整个静电设备处于工作状态时，供液腔5-21内充满聚合物纺丝液，浮板密封圈5-23在浮力的作用下(此时浮板密封圈5-23的浮力大于浮板密封圈5-23以及实心针头5-1的重力)与供液腔5-21的腔壁脱离接触，将实心针头5-1与喷丝头主体5-2间的间隙5-22打开，从而使得聚合物纺丝液能够通过该间隙5-22流出，进行正常的喷丝作业；而当整个静电设备处于非工作状态时，由供液腔5-21内的聚合物纺丝液内缺少补给，因此浮板密封圈5-23在重力的作用下(此时浮板密封圈5-23的浮力小于浮板密封圈5-23以及实心针头5-1的重力)与供液腔5-21的腔壁接触，将实心针头5-1与喷丝头主体5-2间的间隙5-22密封关闭，从而能够防止聚合物纺丝液从供液腔5-21中流出造成污染浪费。这样设置的必要性在于：实施例1中的喷丝方向向上，不存在聚合物纺丝液的漏滴，而本实施例中喷丝方向向下，具体地，所述导液固定管设置在上方，接收基布设置在下方，所述喷丝头设置在导液固定管的底部，喷丝头的喷丝方向向下，因此即使在非工作状态下，位于导液固定管的储液腔内的液体依然会通过实心针头5-1与喷丝头主体5-2间设有间隙5-22流出。

本实施例上述实施方式以外的其它实施方式参见实施1实施。

实施例3

参见图7，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述导液固定管4为矩形盒，该矩形盒的内腔构成所述储液腔。这样设置的目的在于，矩形盒的表面为平面结构，既能够在横向上设置喷丝头5，又能够在纵向上设置喷丝头5，从而能够根据实际需求合理安排喷丝头5的数量和排列方式。

本实施例上述实施方式以外的其它实施方式参见实施1实施。

实施例4

参见图8，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述实心针头5-1在喷丝头主体5-2上以阵列方式排列。

本实施例上述实施方式以外的其它实施方式参见实施1实施。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。