技术领域
[0001] 本
发明涉及静电纺丝装置，具体是一种通过纺丝环境调控改善静电纺丝工艺，并采用立体型多喷头
喷丝板高效获得超细
纤维无纺布膜并将其应用于批量生产的装置。
背景技术
[0002] 静电纺丝是一种非常有效的制备超细纤维的方法，其原理是
非牛顿
流体在高压静
电场作用下形成
泰勒锥结构并进一步产生射流，形成直径在微米级乃至
纳米级的纤维。现有的实验室中的静电纺丝设备大多使用单个喷丝头，喷射效率为0.1～1.0g/h，而采用传统的静电纺丝法制备的所得超细纤维以类似无纺布的方式无规沉积在接收面上，获得的纤维毡因为面积小、厚度薄，限制了其工业化应用的
进程。
[0003] 现有的研究者采用的设备大多为开放式的，在静电纺丝的过程中，由于电场
力和纺丝射流会受到多种因素的影响，例如空气流动，空气
温度、空气湿度等等，使得纺丝射流的形态发生变化，所得到的超细纤维含有大量串珠或者直径粗细不均等现象。
[0004] 采用多喷头的纺丝装置进行纺丝已有报导，喷丝头轴向平行排列（CN200720103321.X）或者喷丝口都在一个
水平面上（CN100455705C），但由于相邻喷丝头之间的静电场干扰，使得喷丝头的数量和间距受到限制，也限制了将静电纺丝法应用于工业生产制备大面积的
纳米纤维膜。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种纺丝环境可控的多喷头静电纺丝装置，以解决相邻喷丝头之间的静电场干扰等问题，对现有的静电纺丝方法进行改进，增加了恒温恒湿
箱体解决了纺丝生产过程中对
环境温度和湿度的要求，而且用立体型多喷头喷丝板的形式可以按照三维空间分布结构调整喷丝板上各个喷丝头的
位置、数量以及喷丝头与接收面之间的距离，大大提高纺丝效率，可应用于工业化生产大面积的纳米纤维膜材料。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种纺丝环境可控的多喷头静电纺丝装置，包括纺丝
环境控制单元、静电纺丝单元和纺丝收集单元，所述纺丝环境控制单元由空气稳流罩、纺丝箱体、吸
风及
溶剂回收装置、
机架和恒温恒湿系统组成，所述静电纺丝单元由纺丝溶液微量推进装置、纺丝液料筒、喷丝板升降装置、立体型多喷头喷丝板和静电发生器组成，所述纺丝收集单元由连续纤维毡接收装置和接收面水平移动装置组成，所述机架为纺丝箱体的
框架支脚，所述纺丝箱体顶部设有空气稳流罩，底部设有吸风及溶剂回收装置，所述空气稳流罩上设有喷丝板升降装置、静电发生器和料筒固定
支架，所述料筒固定支架上竖直布置有纺丝液料筒和纺丝溶液微量推进装置，所述纺丝溶液微量推进装置
输出轴上的连接板与纺丝液料筒夹套内的
活塞相连，所述纺丝溶液微量推进装置将纺丝液料筒内的纺丝液经
导管推压进入位于纺丝箱体内的立体型多喷头喷丝板，所述喷丝板升降装置穿过空气稳流罩连接下方立体型多喷头喷丝板的顶端，所述立体型多喷头喷丝板下方布置有连续纤维毡接收装置与接收面水平移动装置，所述纺丝箱体内还设有恒温恒湿系统。
[0007] 所述机架由不锈
钢方管
焊接构成，机架的四周通过聚
碳酸酯板材进行封闭。
[0008] 所述纺丝箱体的前、左、右三面为开
门结构且沿着水平方向开启或关闭。
[0009] 所述纺丝箱体旁侧设有电柜，所述电柜控制纺丝溶液微量推进装置、喷丝板升降装置、静电发生器、连续纤维毡接收装置、接收面水平移动装置、吸风及溶剂回收装置和恒温恒湿系统。
[0010] 所述立体型多喷头喷丝板包括喷丝板主体和喷丝头，所述喷丝板主体由进料口、上盖板、下盖板、螺丝
紧固件、绝缘面板、可调节
支撑架、纺丝液腔、多孔分配板和
密封圈和金属线圈组成，所述上、下盖板通过螺丝紧固件相连，上、下盖板内部与多孔分配板之间通过封圈连接，多孔分配板两侧至上、下盖板之间为纺丝液腔，上盖板顶端设有连接导管的进料口，下盖板底面
覆盖绝缘面板并通过若干喷丝头或绝缘堵头固定且连通纺丝液腔，所述绝缘面板与可调节支撑架连接，可调节支撑架上安装有包围若干喷丝头的金属线圈，下盖板和金属线圈均与静电发生器的高压输出端相连，金属线圈的安装高度与若干喷丝头中最长金属喷管的喷丝口处等高。
[0011] 所述上盖板、绝缘面板和密封圈采用聚四氟乙烯材质，所述下盖板、螺丝紧固件、多孔分配板和喷丝头均为金属材质。
[0012] 所述喷丝头由固定
基座和金属喷管组成，所述金属喷管竖直紧固于固定基座的底端，金属喷管的喷口处为圆锥体，圆锥体的锥
角为30～180度，金属喷管内部设有毛细管，所述立体型多喷头喷丝板的若干喷丝头按照三维空间结构呈球面、曲面或平面分布。
[0013] 所述连续纤维毡接收装置包括接地金属极板、接收
履带、导辊同步
电机、主动导辊、皮带轮、被动导辊和被动导辊，所述连续纤维毡接收装置安装于接收面水平移动装置上，所述接收面水平移动装置包括安装平台、平台水平移动
导轨和移动导轨电机，所述安装平台一侧设有平台水平移动导轨，所述平台水平移动导轨的端部连接有移动导轨电机，所述移动导轨电机控制连续纤维毡接收装置沿与接收履带移动方向相互垂直的方向进行水平移动。
[0014] 所述被动导辊I和被动导辊II水平布置在安装平台上方的两侧，通过接收履带连接，所述上端接收履带的下方设有金属极板，所述被动导辊I端部通过皮带轮连接位于安装平台下方的主动导辊，所述主动导辊连接位于安装平台下方的导辊同步电机，所述被动导辊I、被动导辊II、导辊同步电机和主动导辊呈竖直平行布置，所述接收履带、被动导辊I、被动导辊II和皮带轮在导辊同步电机与主动导辊的驱动下运转。
[0015] 有益效果
[0016] 本发明具有以下的优点和积极效果：
[0017] 1、本发明的纺丝环境可控的多喷头静电纺丝设备，采用空气稳流罩、密封箱体结构和恒温恒湿系统可以控制空气流动、环境温度和湿度对于纺丝过程影响；
[0018] 2、立体型多喷头喷丝板的形式可以配合不同的纺丝液参数按照三维空间分布结构调整喷丝板上各个喷丝头的数量、间距、内径、长度，并通
过喷丝板升降装置调整喷丝头与接收面之间的距离，采用最佳的静电纺丝工艺，大大提高纺丝效率；
[0019] 3、连续纤维毡接收装置和接收面水平移动装置相对于喷丝板进行水平移动，以获得大面积的厚度均匀的纳米纤维膜材料，具有良好的工业化生产应用前景。
附图说明
[0020] 图1为本发明的结构示意图；
[0021] 图2为纺丝环境控制单元的结构示意图；
[0022] 图3为静电纺丝单元的结构示意图；
[0023] 图4为纺丝收集单元的结构示意图；
[0024] 图5为立体型多喷头喷丝板的结构示意图；
[0025] 图6为喷丝头固定基座和金属喷管的结构示意图；
[0026] 图7为绝缘堵头的结构示意图。
[0027] 图中：纺丝溶液微量推进装置1，纺丝液料筒2，喷丝板升降装置3，立体型多喷头喷丝板4，静电发生器5，连续纤维毡接收装置6，接收面水平移动装置7，空气稳流罩8，纺丝箱体9，吸风及溶剂回收装置10，机架11，恒温恒湿系统12，电柜13，料筒固定支架21，导管22，进料口40，上盖板41，下盖板42，螺丝紧固件43，绝缘面板44，可调节支撑架45，纺丝液腔46、多孔分配板47，密封圈48，喷丝头49，接地金属极板61，接收履带62，导辊同步电机
63，主动导辊64，皮带轮65，被动导辊66，被动导辊67，安装平台71，平台水平移动导轨72，移动导轨电机73，金属线圈451、固定基座491，金属喷管492，绝缘堵头493。
具体实施方式
[0028] 下面结合具体
实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或
修改，这些等价形式同样落于本
申请所附
权利要求书所限定的范围。
[0029] 如图1-6所示，一种纺丝环境可控的多喷头静电纺丝装置，包括纺丝环境控制单元、静电纺丝单元和纺丝收集单元，所述纺丝环境控制单元由空气稳流罩8、纺丝箱体9、吸风及溶剂回收装置10、机架11和恒温恒湿系统12组成，所述静电纺丝单元由纺丝溶液微量推进装置1、纺丝液料筒2、喷丝板升降装置3、立体型多喷头喷丝板4和静电发生器5组成，所述纺丝收集单元由连续纤维毡接收装置6和接收面水平移动装置7组成，所述机架11为纺丝箱体9的框架支脚，所述纺丝箱体9顶部设有空气稳流罩8，底部设有吸风及溶剂回收装置10，所述空气稳流罩8上设有喷丝板升降装置3、静电发生器5和料筒固定支架21，所述料筒固定支架21上竖直布置有纺丝液料筒2和纺丝溶液微量推进装置1，所述纺丝溶液微量推进装置1输出轴上的连接板与纺丝液料筒2夹套内的活塞相连，所述纺丝溶液微量推进装置1将纺丝液料筒2内的纺丝液经导管22推压进入位于纺丝箱体9内的立体型多喷头喷丝板4，所述喷丝板升降装置3穿过空气稳流罩8连接下方立体型多喷头喷丝板4的顶端，所述立体型多喷头喷丝板4下方布置有连续纤维毡接收装置6与接收面水平移动装置7，所述纺丝箱体9内还设有恒温恒湿系统12。
[0030] 所述机架11由
不锈钢方管焊接构成，机架11的四周通过聚碳酸酯板材进行封闭。
[0031] 所述纺丝箱体9的前、左、右三面为开门结构且沿着水平方向开启或关闭。
[0032] 所述纺丝箱体9旁侧设有电柜13，所述电柜13控制纺丝溶液微量推进装置1、喷丝板升降装置3、静电发生器5、连续纤维毡接收装置6、接收面水平移动装置7、吸风及溶剂回收装置10和恒温恒湿系统12。
[0033] 所述立体型多喷头喷丝板4包括喷丝板主体和喷丝头49，所述喷丝板主体由进料口40、上盖板41、下盖板42、螺丝紧固件43、绝缘面板44、可调节支撑架45、纺丝液腔46、多孔分配板47和密封圈48和金属线圈451组成，所述上、下盖板41,42通过螺丝紧固件43相连，上、下盖板41,42内部与多孔分配板47之间通过密封圈48连接，多孔分配板47两侧至上、下盖板41,42之间为纺丝液腔46，上盖板41顶端设有连接导管22的进料口40，下盖板42底面覆盖绝缘面板44并通过若干喷丝头49或绝缘堵头493固定且连通纺丝液腔46，所述绝缘面板44与可调节支撑架45连接，可调节支撑架45上安装有包围若干喷丝头49的金属线圈451，下盖板42和金属线圈451均与静电发生器5的高压输出端相连，金属线圈
451的安装高度与若干喷丝头49中最长金属喷管的喷丝口处等高。
[0034] 所述上盖板41、绝缘面板44和密封圈48采用聚四氟乙烯材质，所述下盖板42、螺丝紧固件43、多孔分配板47和喷丝头49均为金属材质。
[0035] 所述喷丝头49由固定基座491和金属喷管492组成，金属喷管492的喷口处为圆锥体，圆锥体的锥角为30～180度，金属喷管内部设有毛细管，所述立体型多喷头喷丝板4的若干喷丝头49按照三维空间结构呈球面、曲面或平面分布。
[0036] 所述连续纤维毡接收装置6包括接地金属极板61、接收履带62、导辊同步电机63、主动导辊64、皮带轮65、被动导辊66和被动导辊67，所述连续纤维毡接收装置6安装于接收面水平移动装置7上，所述接收面水平移动装置7包括安装平台71、平台水平移动导轨72和移动导轨电机73，所述安装平台71一侧设有平台水平移动导轨72，所述平台水平移动导轨72的端部连接有移动导轨电机73，所述移动导轨电机73控制连续纤维毡接收装置6沿与接收履带62移动方向相互垂直的方向进行水平移动。
[0037] 所述被动导辊I66和被动导辊II67水平布置在安装平台71上方的两侧，通过接收履带62连接，所述上端接收履带62的下方设有金属极板61，所述被动导辊I66端部通过皮带轮65连接位于安装平台71下方的主动导辊64，所述主动导辊64连接位于安装平台71下方的导辊同步电机63，所述被动导辊I66、被动导辊II67、导辊同步电机63和主动导辊64呈竖直平行布置，所述接收履带62、被动导辊I66、被动导辊II67和皮带轮65在导辊同步电机63与主动导辊64的驱动下运转。
[0038] 实施例1
[0039] 值得一提的是，本发明进行水相
聚合物溶液的静电纺丝，其纺丝条件为：纺丝环境温度为25℃；纺丝环境湿度为55%RH；纺丝液推进速度为16.0μL/min；喷丝头数量为10个，喷丝头毛细孔的孔径为0.1mm，金属喷管的高度均为10mm，喷丝头间距为1cm，呈一纵列分布，与接收履带移动方向垂直；施加的静电
电压为45～75kV；喷丝板与接受面的间距为150mm；接收面为
铝箔；接收履带移动速度为100mm/min；接收面水平移动速度为100mm/min；接收面水平移动距离为200mm。
[0040] 纺丝过程为：将重量浓度为10wt%的聚
氧乙烯（PEO）水溶液加入到纺丝液料筒内，将纺丝液料筒垂直安装在料筒固定支架上由微量推进装置将料筒中的纺丝液经导管推压进入立体型多喷头喷丝板，设定纺丝液的推进速度为16.0μL/min；纺丝箱体内部的环境温度和湿度通过恒温恒湿系统分别调整为25℃和55%RH；在接受履带表面覆盖上铝箔，调节喷丝板与接收面之间的距离为150mm，开启连续纤维毡接收装置和接收面水平移动装置并设定相应的移动速度和移动距离；喷丝板和金属线圈与静电发生器相连，开启静电发生器调节电压为45～75kV，使喷丝头毛细孔中流出的纺丝溶液在静电里的作用下，形成泰勒锥，拉伸出溶液细流，在空气中受电场力偏转控制垂直拉伸一定距离后，再发生鞭动，最终收集到接受面上。
[0041] 纺丝结果如下：获得宽度为300mm的PEO纳米纤维膜，纤维的平均直径为130nm。
[0042] 实施例2
[0043] 值得一提的是，本发明进行水相聚合物溶液的静电纺丝，其纺丝条件为：纺丝环境温度为35℃；纺丝环境湿度为50%RH；纺丝液推进速度为18.0μL/min；喷丝头数量为20个，喷丝头毛细孔的孔径为0.2mm，金属喷管的高度为5～15mm，喷丝头间距为1cm，呈两纵列分布，每一列之间距离3cm，并与接收履带移动方向垂直；施加的静电电压为60～100kV；喷丝板与接受面的间距为150mm；接收面为无纺布；接收履带移动速度为100mm/min；接收面水平移动速度为100mm/min；接收面水平移动距离为200mm。
[0044] 纺丝过程为：将重量浓度为12wt%的聚乙烯醇（PVA）水溶液加入到纺丝液料筒内，将纺丝液料筒垂直安装在料筒固定支架上由微量推进装置将料筒中的纺丝液经导管推压进入立体型多喷头喷丝板，设定纺丝液的推进速度为18.0μL/min；纺丝箱体内部的环境温度和湿度通过恒温恒湿系统分别调整为35℃和50%RH；在接受履带表面覆盖上无纺布，调节喷丝板与接收面之间的距离为150mm，开启连续纤维毡接收装置和接收面水平移动装置并设定相应的移动速度和移动距离；喷丝板和金属线圈与静电发生器相连，开启静电发生器调节电压为60～100kV，使喷丝头毛细孔中流出的纺丝溶液在静电里的作用下，形成泰勒锥，拉伸出溶液细流，，在空气中受电场力偏转控制垂直拉伸一定距离后，再发生鞭动，最终收集到接受面上。
[0045] 纺丝结果如下：获得宽度为300mm的PVA纳米纤维膜，纤维的平均直径为180nm。
[0046] 实施例3
[0047] 值得一提的是，本发明进行有机相聚合物溶液的静电纺丝，其纺丝条件为：纺丝环境温度为45℃；纺丝环境湿度为50%RH；纺丝液推进速度为16.0μL/min；喷丝头数量为50个，喷丝头毛细孔的孔径为0.2mm，金属喷管的高度为5～25mm，喷丝头间距为1cm，呈5纵列分布，每一列之间距离2cm，并与接收履带移动方向垂直；施加的静电电压为55～85kV；喷丝板与接受面的间距为200mm；接收面为铝箔；接收履带移动速度为150mm/min；接收面水平移动速度为100mm/min；接收面水平移动距离为200mm。
[0048] 纺丝过程为：将重量浓度为10wt%的聚丙烯腈（PAN）的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液加入到纺丝液料筒内，将纺丝液料筒垂直安装在料筒固定支架上由微量推进装置将料筒中的纺丝液经导管推压进入立体型多喷头喷丝板，设定纺丝液的推进速度为20.0μL/min；纺丝箱体内部的环境温度和湿度通过恒温恒湿系统分别调整为45℃和50%RH；在接受履带表面覆盖上铝箔，调节喷丝板与接收面之间的距离为200mm，开启连续纤维毡接收装置和接收面水平移动装置并设定相应的移动速度和移动距离；喷丝板和金属线圈与静电发生器相连，开启静电发生器调节电压为55～85kV，使喷丝头毛细孔中流出的纺丝溶液在静电里的作用下，形成泰勒锥，拉伸出溶液细流，在空气中受电场力偏转控制垂直拉伸一定距离后，再发生鞭动，最终收集到接受面上。
[0049] 纺丝结果如下：获得宽度为300mm的PAN纳米纤维膜，纤维的平均直径为300nm。
[0050] 实施例4
[0051] 值得一提的是，本发明进行有机相聚合物溶液的静电纺丝，其纺丝条件为：纺丝环境温度为55℃；纺丝环境湿度为35%RH；纺丝液推进速度为14.0μL/min；喷丝头数量为100个，喷丝头毛细孔的孔径为0.3mm，金属喷管的高度为5～35mm，喷丝头间距为1cm，呈10纵列分布，每一列之间距离1cm与接收履带移动方向垂直；施加的静电电压为75～120kV；喷丝板与接受面的间距为250mm；接收面为铝箔；接收履带移动速度为200mm/min；接收面水平移动速度为100mm/min；接收面水平移动距离为200mm。
[0052] 纺丝过程为：将重量浓度为20wt%的聚砜（PSF）的N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）溶液加入到纺丝液料筒内，将纺丝液料筒垂直安装在料筒固定支架上由微量推进装置将料筒中的纺丝液经导管推压进入立体型多喷头喷丝板，设定纺丝液的推进速度为14.0μL/min；纺丝箱体内部的环境温度和湿度通过恒温恒湿系统分别调整为55℃和35%RH；在接受履带表面覆盖上铝箔，调节喷丝板与接收面之间的距离为200mm，开启连续纤维毡接收装置和接收面水平移动装置并设定相应的移动速度和移动距离；喷丝板和金属线圈与静电发生器相连，开启静电发生器调节电压为75～120kV，使喷丝头毛细孔中流出的纺丝溶液在静电里的作用下，形成泰勒锥，拉伸出溶液细流，在空气中受电场力偏转控制垂直拉伸一定距离后，再发生鞭动，最终收集到接受面上。
[0053] 纺丝结果如下：获得宽度为300mm的PSF纳米纤维膜，纤维的平均直径为500nm。
