[发明专利]一种基于分形结构的无针头静电纺丝组件

说明书

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术，具体为一种基于分形结构的无针头静电纺丝组件。

背景技术

静电纺纳米纤维生产技术作为纳米技术的一个分支，近年来发展迅猛。该技术利用外加电压形成的静电场力对纺丝溶液微滴进行拉伸，随着溶剂的挥发，聚合物固化形成纳米纤维。静电纺丝方法一般分为针头式和无针头式两大类。多针头类静电纺是一类毛细管或狭缝挤出式静电纺丝技术的总称，包括多针头、多喷嘴以及多喷丝孔静电纺丝技术，曾被认为是实现纳米纤维材料规模化制备的有效方法，但是此类静电纺丝过程中射流之间产生的横向库伦斥力，导致了“边缘效应”(End effect)现象的出现，影响纺丝效率和产品的均匀性，此外还存在针头易堵、不易清理等问题。作为另一种有效的规模化静电纺丝方法，无针头静电纺丝技术出现了快速发展，大有取代针头式静电纺丝技术之势。

2003年WO2005/024101 A1描述了一种无针头静电纺丝技术，它采用光面或表面带螺纹、花纹等不同表面形貌的转辊作为静电纺丝头，转辊表面的纺丝溶液进入电场后经过自由表面重组，形成许多纺丝射流。该技术与传统多针头静电纺丝技术相比，省去了针头堵塞、针头之间电场相互干扰的弊端，但是纺丝距离不宜调整、需要较高的电压，所得纳米纤维细度离散较大，且纺丝过程中开放式的纺丝溶液存储方式导致溶剂快速挥发、纺丝前后纺丝溶液浓度不一致。2012年，出现了基于US20090127747A1的无针头静电纺丝技术，该技术采用一根纤细的金属丝作为纺丝电极，且施加纺丝溶液的方法改为封闭式往复涂抹法，可有效防止纺丝溶液的挥发、维持纺丝溶液浓度一致性。但是，由于采用圆形截面金属丝作纺丝电极，属于无尖端静电纺，电场强度较弱，能耗仍然不会显著下降；纺丝射流较弱，且易于向各个方向飘飞，也会造成纺丝效果不理想。特别是，这种依靠纺丝电极表面自由液体重组形成的纺丝射流，会根据场强的瞬时变化而立即重新组合成不同数量和规格的纺丝射流(场强大形成的射流就多，场强小形成的射流就少)，随意性比较大，因此易于造成纳米纤维在接收基布上沉积不匀。

为了解决上述技术问题，发明人对规模化静电纺丝过程中场强的分布规律进行了有限元模拟和分析，发现即使是无针头静电纺丝技术也存在多射流间横向斥力导致的End effect现象，只不过自由表面液体自组会主动避开库伦斥力最大的射流分布方式，但是不能完全消灭这种现象的存在。此外，发明人还发现，WO2005/024101 A1描述的无针头静电纺丝装置的纺丝电极场强最弱，因此需要很高的纺丝电压；基于US20090127747A1的无针头静电纺丝装置的纺丝电极场强稍高于前者，但仍然很弱，并且均存在场强分布不匀度较高的现象。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于分形结构的无针头静电纺丝组件，该纺丝组件利用特殊结构的静电纺丝头，可大幅度增强纺丝部位场强、降低边缘效应，提高能源利用率，提高纳米纤维产量和产品均匀度，并且避免传统针头式静电纺丝过程中存在的针头堵塞、不便清洗等问题；所得纳米纤维细度较细，且细度变异较低，可高速、大规模生产更细更均匀的纳米纤维。

本发明公开了一种基于分形结构的无针头静电纺丝组件，该纺丝组件的纺丝头结构可以呈圆形或者螺旋状沿中轴等距盘绕，可用于规模化纳米纤维材料制备。

所述的基于分形结构的无针头静电纺丝组件，由纺丝箱体、纺丝头、储液槽、中轴、接收电极以及进液口和出液口构成。该纺丝头结构可以呈平面或者螺旋状沿中轴等距排布。纺丝箱体由两部分构成，上半部分具有半圆形外壳，下半部分具有长方体外壳，两部分组装在一起构成纺丝箱体时，里面含有一个沿纺丝头长度方向呈中空圆柱形的卧式储液槽，用于存放纺丝溶液，且纺丝溶液的液面低于中心轴的位置；纺丝液面的高度由出液口高度来控制，进液口位于出液口相对的侧面的最低位置处。所述的纺丝头、中轴和储液槽具有相同的中心线，该中心线也是纺丝箱体上半部分圆形侧面的圆心。所述的纺丝箱体正上方沿圆弧形表面开设有长度小于纺丝头长度、宽度小于纺丝头直径的纺丝窗口。由纺丝窗口形成的半开放式结构可以保证向上纺丝的顺利进行，同时控制纺丝溶液中的溶剂不会快速挥发，以便保持静电纺丝前后溶液浓度的一致性、保证纺丝产品的均匀性。