[发明专利]一种消除飞丝和动态调节纤维与基材粘附力的静电纺纤维收集装置

说明书

本发明涉及静电纺丝技术领域，且公开了一种消除飞丝和动态调节纤维与基材粘附力的静电纺纤维收集装置，可以根据纤维沉积所产生的电荷累积量，实时动态地自动调节电荷消除的强度，防止飞丝并使纤维的沉积保持稳定的速度；通过控制收集器与纤维膜表面的电位，来调控纤维层与基材的附着强度。本发明设计了一种新型带有动态监测与反馈补偿功能的静电纺纤维收集装置，不仅可以及时、有效地将收集器上因纤维沉积所积累的电荷及时消除，解决纤维飞丝的问题，而且可以通过调节纤维在收集器表面的沉积速度，改善纤维与基材间粘结力，从而提高纤维的产量、质量与质量稳定性。本发明对推动静电纺技术的发展以及纳米纤维的生产与应用，具有重要经济与社会价值。

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，具体为一种消除飞丝和动态调节纤维与基材粘附力的静电纺纤维收集装置。

背景技术

静电纺是一种在强电场作用下将聚合物流体拉伸成纤维的技术。静电纺纤维直径一般在几纳米至及几微米之间，远远细于传统的纤维。它们均匀性好，形貌和直径可控。静电纺制备的纤维多以非织造布的形态存在，具有孔隙率高(85％)、孔径小(零点几微米至几微米之间可调)、100％孔联通性、比表面积大、吸附性高等优点。静电纺纳米纤维非织造布已成为一种新兴的薄膜材料，在环境保护、过滤、生物医学、防护、催化、复合材料、海水淡化和能源方面有重要的应用前景。静电纺技术以其装置简单、纺丝成本低廉、可纺原料丰富、工艺可控等优点，已成为规模化生产聚合物纳米纤维的主要技术。近十几年，成为世界材料科学最热门的研究领域之一。

目前静电纺丝技术主要分为针型静电纺和无针型静电纺两大类，两者各有优势。针型静电纺具有装置易于搭建、纺丝工艺可控、可纺纤维品种多、原料选择范围广等优点，纺丝头易堵、不易清理、生产能力低(单针产量1克/小时)。无针型静电纺种类繁多，包括螺旋丝式(WO2010043002)、钢丝-滑块式(201920619138.8)、狭缝式(201710532908.0) 等。它们的产量远高于针型静电纺，且不存在针头堵塞问题，但普遍存难以控制纤维结构和形态的缺点。

关于静电纺丝技术的创新，目前主要集中在纺丝头上。多数静电纺丝装置在操作时存在纤维无法完全沉积在收集器上的问题，而且越是产量高的纺丝设备，这种“飞丝”现象会越严重。它不仅降低了纤维的生产效率，而且会导致纤维与基材间粘结力差的问题。飞丝现象产生的主要原因是：沉积在收集器上的纤维所携带的电荷无法被及时消除，造成静电累积和电势增加；当局部电势高于一定数值时，对后来的纤维产生大的强大的静电排斥力，使它们无法有效地沉积到收集器上。另外，基材过厚、基材导电性差，也会引起类似的静电累积和飞丝现象。

针对上述问题，常用消除电荷累积的方法为：改善接地效率，离子风中和或使用感应电极诱导，但效果均不理想，甚至会带来其它问题。如专利201811629277.5公布了一种在收集器后侧喷射电解质溶液来改善导电性，以有效中和纤维收集器上电荷积累的方法。该方法虽能中和部分电荷，但存在电解质对纳米纤维膜污染的问题。专利201810370902.2公布了一种在纤维收集区引入负离子风来中和收集器上电荷的方法。此方法虽然能够一定程度中和纤维层表面的电荷，但无法有效地中和纤维层内部的电荷。由于累积电荷在收集器上的不均匀分布，负离子风无法保证完全中和所有的电荷，未消除的电荷会引起不均匀的纤维沉积，降低了产品的均匀性和质量。专利CZ294274发明了一种圆柱形杆状感应电极，使纳米纤维沉积在介于纺丝电极与感应电极之间的收集基布上。此种方式形成的感应电场，不仅不均匀而且不稳定，导致纳米纤维生产效率降低而且均匀性较差。专利200880122536.3公布了一种利用外部导电尖端在接收基布上实现相反感应电压的方法，此方法产生的感应电场，会受尖端几何形状和分布的影响，导致电场不均匀分布，最终引起纤维的不均匀收集，而且尖端的引入，极易引起局部放电，造成纤维膜穿孔，降低产品质量。所有上述方法，均无法根据收集器上的电荷累积状态，实时调节电荷消除速率，因而会造成纤维无纺布沿加工长度方向对纤维收集的不均匀性，影响生产的稳定性。