用于电纺丝的射出喷嘴及使用该射出喷嘴的电纺丝装置

摘要

本发明涉及一种用于电纺丝的射出喷嘴，包括可拆卸地彼此连接的喷嘴体和气套构件，以及穿过气套构件的射出孔与喷嘴体底面连接的针状构件。所述电纺丝装置主要进行气电纺丝，用于将纤维溶液与空气一起射出，其中所述纤维溶液通过针状构件排放；所述针状构件暴露端部的长度足以在气套构件分离时，进行不射出空气的无误差的纯电纺丝。因此，本发明的电纺丝装置可选择性地进行纯电纺丝或气电纺丝。

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种用于电纺丝的射出喷嘴及使用该喷嘴的电纺丝装置， 更具体地涉及一种用于选择性进行纯电纺丝(Pure Electrospinning)或气电纺丝 (Air Electrospinning)的技术。

背景技术

电纺丝一般用于通过喷出带有电压的纤维溶液，以制造细直径纤维。

电纺丝可追溯到静电喷涂。在静电喷涂中，由于水的表面张力而在毛细管 末端形成的水滴带有高电压，从而使细直径长丝从水滴表面喷出。

电纺丝是基于以下现象：当静电力施加于粘性足够高的聚合物溶液或聚合 物熔体时，该溶液或熔体可以形成纤维。由于电纺丝可由纤维溶液制造细直径 的纤维，因此近年来电纺丝正用于制造直径范围为几纳米至几百纳米的纳米纤 维。

与常规超细纤维相比，纳米纤维本身具有较高的表面积/体积比以及多种表 面特性和结构特性。由此，纳米纤维可用作例如电气、电子、环境和生物技术 等高科技行业的重要材料。而且纳米纤维的应用范围还在不断扩大，可用作环 境行业的过滤器、电气行业和电子行业的材料、医用生物材料等。

典型地是通过电纺丝射出喷嘴来制造纳米纤维，其中电纺丝射出喷嘴利用 空气喷出纤维溶液。

电纺丝射出喷嘴包括：溶液喷出元件，形成于喷丝头体内部，用于喷出纤 维溶液；以及

空气喷嘴元件，形成于喷丝头体内部溶液喷出元件的周围，且空气喷嘴元 件具有从溶液喷出元件周围向下延伸的空气射出孔；其中，从溶液喷出元件中 喷出的纤维溶液与压缩空气一起射出，其中压缩空气通过空气射出孔从溶液喷 出元件的周围向下注入。

电纺丝装置还包括收集器，用于收集从电纺丝射出喷嘴产生的纤维。

在电纺丝装置中，电纺丝射出喷嘴与正极连接，收集器与负极连接。这样， 喷嘴与收集器之间产生电压差，从而使电纺丝的产生成为可能。

通过将纤维溶液与压缩空气一起射出，电纺丝喷嘴可制造直径范围为几纳 米至几百纳米的纳米纤维。

为了实现有效射出，将常规电纺丝喷嘴中的溶液喷出元件端部凹入空气射 出孔中。

但是，当使用常规电纺丝喷嘴进行仅射出纤维溶液的普通电纺丝时，由射 出的纤维溶液形成的纤维可能会被空气射出孔捕获，从而堵塞空气射出孔。因 此，常规电纺丝喷嘴的问题在于，仅限于通过射出高压缩空气来制造直径范围 为几纳米至几百纳米的纳米纤维。

另外，还提出另一种电纺丝喷嘴，其中，溶液喷出元件的端部伸出空气射 出孔之外。

但是在这种电纺丝喷嘴中，为了实现无误电纺丝，溶液喷出元件的伸出长 度限于1mm-3mm。由于伸出长度有限，这种电纺丝喷嘴无法进行仅射出纤维 溶液而不射出空气的纯电纺丝。

换句话说，在相关技术领域中，需要单独制造并单独使用仅射出纤维溶液 而进行纯电纺丝的纯电纺丝喷嘴和通过注入空气而进行气电纺丝的气电纺丝喷 嘴。

因此，当使用电纺丝装置制造具有各种由不同直径的纤维构成的结构层的 产品时，需要同时使用仅射出纤维溶液而进行纯电纺丝的纯电纺丝喷嘴和通过 注入空气而进行气电纺丝的电纺丝喷嘴，这样就需要单独使用这两种类型的电 纺丝喷嘴，因此增加了设备成本，并且在电纺丝过程中需要在这两种类型的电 纺丝喷嘴之间进行频繁更换。

进一步地，在常规电纺丝喷嘴中，电极与喷丝头体直接连接，使电流在注 入溶液喷出元件的纤维溶液中流动，从而可能使磁场从喷丝头体中泄漏到外面。 由此，常规电纺丝喷嘴的问题在于：喷嘴可能无法稳定或有效地进行电纺丝， 并且需要施加高压以补偿磁场的泄漏。

常规电纺丝喷嘴的另一个问题在于：为了实现电极的直接连接，需要使用 导电金属材料制作喷嘴，因此，导致喷嘴沉重且增加了其制造成本。

发明内容

技术问题

因此，鉴于现有技术中的上述问题，本发明的一个目的在于提供一种电纺 丝射出喷嘴及使用该喷嘴的电纺丝装置。该喷嘴可形成具有细直径的纳米纤维， 并且可选择性地进行仅射出纤维溶液的普通电纺丝(纯电纺丝)或将纤维溶液 与高度压缩空气一起射出的气电纺丝。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于电纺丝的射出喷嘴，所述射出 喷嘴包括：喷嘴体，所述喷嘴体的下表面设置有针锁孔，且所述喷嘴体内部设 置有用于接收和排放空气的空气通道以及与所述针锁孔连通的溶液注入通道；

气套构件，可拆卸地安装在所述喷嘴体下部，所述气套构件与所述喷嘴体 的下表面分离，从而限定出空气排放通道；且所述气套构件下部具有射出孔， 其中所述射出孔与所述针锁孔和所述空气排放通道连通；以及

针状构件，穿过所述射出孔，且锁定在所述针锁孔上。

进一步地，本发明还提供了一种电纺丝装置，所述电纺丝装置包括：

喷嘴体，设置有针锁孔，且所述喷嘴体内部设置有与所述针锁孔连通的溶 液注入通道以及用于接收和排放空气的空气通道；

气套构件，可拆卸地安装在所述喷嘴体下端，所述气套构件与所述喷嘴体 的下表面分离，从而限定出空气排放通道；且所述气套构件下部具有射出孔， 其中所述射出孔与所述针锁孔和所述空气排放通道连通；

针状构件，穿过所述射出孔，且锁定在所述针锁孔上；

电压施加元件，与所述喷嘴体的所述溶液注入通道连接，所述电压施加元 件在其内部存储纤维溶液，并向内部存储的所述纤维溶液施加电压；

溶液供应元件，用于向所述电压施加元件供应所述纤维溶液；

空气供应构件，用于向所述喷嘴体的所述空气通道供应空气；以及

收集器，用于收集从所述针状构件射出的纤维网。

有益效果

如上所述，本发明可选择性地进行普通电纺丝(纯电纺丝)或气电纺丝， 从而能够根据纳米网结构和产品类型自由控制纺丝模式。

进一步地，本发明的优点在于，不同纺丝模式可选择性地用于单线流程中， 这样，本发明可用于制造层压多种结构层的产品。

进一步地，本发明的优点在于，通过对纤维溶液施加电压，可利用低电压 进行无误差电纺丝。

附图说明

图1和图2为根据本发明的电纺丝射出喷嘴的纵向剖视示意图；

图3为根据本发明的电纺丝射出喷嘴的横向剖视示意图；

图4为根据本发明的电纺丝射出喷嘴实施例的操作剖视示意图；

图5为根据本发明的电纺丝装置的示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的喷嘴体20在其下表面设置有针锁孔21，其 中针状构件10(将在下文中描述)锁定在针锁孔21上。

为了形成针锁孔21，在喷嘴体20的下表面形成多个针锁孔，且针锁孔之 间彼此分隔，多个针状构件10可锁定在各个针锁孔上。可通过设计不同的针锁 孔，以适合要制造的纤维的宽度。

进一步地，喷嘴体20中形成有与多个针锁孔21连通的溶液注入通道22， 以及用于接收和排放空气的空气通道23。

空气通道23通过由气套构件30(将在下文中描述)形成的空气排放通道 排放空气。

气套构件30可拆卸地安装在喷嘴体20的下端。

在喷嘴体20的下表面与气套构件30之间的接头处，形成有与空气通道23 连通的空气排放通道35。其中，空气排放通道35用于排放空气通道23中的空 气。

在气套构件30中，形成与各个针锁孔21垂直连通的射出孔31。

射出孔31与空气排放通道35连通，且从空气排放通道35中向下射出空气。

在每个针状构件10中，轴向形成有溶液排放孔，以便使针状构件可通过各 个溶液排放孔排放纤维溶液。多个针状构件分别锁定在多个针锁孔21上。

针状构件10由导电材料制成，以便能够实现有效的电纺丝。

进一步地，针状构件10穿过气套构件30的各个射出孔31后，可拆卸地安 装在各个针锁孔21上。

在本实施例中，针状构件10经按压安装在针锁孔21上。但是，应注意的 是，将针状构件安装在针锁孔上可通过除按压之外的多种方法来完成。

此处，针状构件10穿过各个射出孔31后，经按压安装在各个针锁孔21 上，以便使空气可穿过限定在针状构件外周表面外的间隙。

进一步地，气套构件30内限定有组插入腔30a。此处，组插入腔30a的顶 端是开放的。

喷嘴体20包括：喷嘴组20a，其下表面形成有针锁孔21，用于锁定各个针 状构件10；且喷嘴组20a内部限定有溶液注入通道22，用于向针状构件10的 溶液排放孔注入纤维溶液，其中针状构件10锁定在针锁孔21上；以及

盖体20b，装配在喷嘴组20a的上端，且可拆卸地安装在气套构件30的上 端。

喷嘴组20a插入气套构件30的组插入腔30a内，且在喷嘴组20a与气套构 件30之间限定有空气排放通道35。并且，喷嘴组内形成有空气通道23，用于 将空气排放到空气排放通道35中。

进一步地，在喷嘴组20a的下表面和组插入腔30a的底面之间限定有与空 气通道23连通的间隙，从而形成空气排放通道35。

本发明进一步包括O型圈构件40，以密封喷嘴组20a下表面和组插入腔 30a底面之间接头处的空气排放通道35；其中，空气排放通道35处于射出孔 31的周围。

喷嘴体20包括：喷嘴组20a，其上经按压锁定有针状构件10；以及，盖体 20b，安装在喷嘴组20a上且可拆卸地安装在气套构件30上。这样，喷嘴组20a 和盖体20b可由不同材料制成。

即，喷嘴组20a可由聚四氟乙烯(Teflon)制成，以使针状构件10能够经 按压锁定在各个针锁孔21上。

进一步地，盖体20b或气套构件30可由聚醚醚酮(Poly ether ether ketone， PEEK)、乙缩醛(聚氧化甲烯(POM))或铸型尼龙(MC nylon)制成。

PEEK、POM和MC尼龙在例如耐热性、耐化学性和耐用性等机械性能方 面表现卓越，因此可使以组装方式安装的盖体20b或气套构件30实现预期强度。

喷嘴组20a的空气通道23包括：第一空气通道23b，贯穿喷嘴组20a的两 侧，且使用第二塞子封闭第一空气通道23b的两侧开口端；

主空气通道23a，由第一空气通道23b中央向上穿过喷嘴组20a而形成； 以及

第二空气通道23c，形成于喷嘴组20a的下部，这样，第二空气通道23c 与被主空气通道23a隔离开的第一空气通道23b的两侧下端连通，以将空气注 入空气排放通道35。

进一步地，主空气通道23a与第二管接头27连通。其中，第二管接头27 装配在盖体20b内，且与空气供应元件70连接，以使主空气通道接收高度压缩 空气。

此处，用于向溶液注入通道22注入纤维溶液的第一管接头26和用于向空 气通道23注入空气的第二管接头27都装配在盖体20b内。

喷嘴组20a和盖体20b设置有螺栓元件，该螺栓元件将喷嘴组20a向上锁 定在第一管接头26或第二管接头27的端部，以使得喷嘴组20a和盖体20b通 过螺栓元件集成为单体。

进一步地，在气套构件30相对的侧表面上，形成有纵向方向且向外伸出的 各安装部件32，其中安装部件32可拆卸地安装在盖体20b的下表面。

此处，盖体20b和气套构件30通过螺栓构件33彼此可拆卸地组装在一起。 其中，螺栓构件33穿过盖体20b，并紧固在插入安装部件32中的各螺母34内。

进一步地，喷嘴组20a的溶液注入通道22包括：主注入通道22a，穿过喷 嘴组轴向形成且与针锁孔21连通，主注入通道22a的相对开口端被第一塞子 24封闭；垂直注入通道22b，从主注入通道22a向喷嘴组20a的上表面垂直延 伸。

垂直注入通道22b与装配在盖体20b内的第一管接头26连通。

进一步地，如图3所示，多个针状构件10可以以下方式安装：穿过各针锁 孔21，且其上端伸入溶液注入通道22或主注入通道22a内预定长度。

此处，针状构件10通过使用能夹持针状构件10的针按压专用夹具(未示 出)按压在针锁孔21上，以使针状构件10的上端伸入主注入通道22a内预定 长度。

当使用针按压专用夹具以按压的方式安装针状构件10时，气套构件30的 下部截住夹持针状构件10夹具的夹持部分，以使针状构件10上端伸入主注入 通道22a内预定长度。

此处，针状构件10的伸入长度可根据纤维溶液的粘度而发生改变。本发明 中，针状构件10的伸入长度可设为3mm-5mm或更小。

当针状构件10不均匀地伸入溶液注入通道22内时，通过垂直注入通道22b 注入的纤维溶液按照针状构件10伸入长度从短到长的顺序经针状构件10依次 射出。

因此，多个针状构件10电纺丝形成且收集在收集器上的纤维层可能会不理 想地依然存在偏差。

当针状构件10的上端安装成与溶液注入通道22的底面平齐时，按照针状 构件10上端靠近垂直注入通道22b底面的程度使纤维溶液顺序注入针状构件 10。这样，纤维溶液无法同时用多个针状构件10进行电纺丝，而是差速进行电 纺丝和收集，从而使收集的纤维层依然存在偏差。

但是，当在针状构件10的上端伸入溶液注入通道22内预定高度的情况下， 将纤维溶液注入溶液注入通道22中时，纤维溶液逐渐从溶液注入通道22的底 面开始填充，随后同时自针状构件10伸出溶液注入通道22底面上端的高度进 入多个针状构件10中。

因此，纤维溶液同时从多个针状构件10中射出以进行电纺丝。这样，使得 电纺丝及收集的纤维层不会存在偏差。

在气套构件30安装在喷嘴体20上的情况下，为了实现针状构件10进行无 误差电纺丝，针状构件10可凹入气套构件30的射出孔31中。

可替代地，针状构件10可以以下方式设置：从气套构件30的下端向下伸 出1mm-4mm的预定长度。

详细描述如下：在根据本发明的电纺丝射出喷嘴中，气套构件30安装在喷 嘴体20上；纤维溶液通过溶液注入通道22注入针状构件10中并从针状构件 10中喷出；高度压缩空气通过空气通道23注入射出孔31中，从而可实现纤维 溶液与空气一起喷出的气电纺丝。

气电纺丝可产生具有细直径的纳米纤维。

进一步地，在根据本发明的电纺丝射出喷嘴内，当将气套构件30与喷嘴体 20分离时(如图4所示)，针状构件10暴露一定长度，能够实现无误差的普通 电纺丝；其中，仅从针状构件10射出纤维溶液，而不射出空气。

由此，通过将气套构件30与喷嘴体分离，本发明的电纺丝射出喷嘴可稳定 地进行仅从针状构件10射出纤维溶液而不射出空气的普通电纺丝。

进一步如图5所示，使用本发明的电纺丝喷嘴的电纺丝装置包括：喷嘴体 20，其下表面具有针锁孔21，且喷嘴体20设置有与针锁孔21连通的溶液注入 通道22及用于接收和排放空气的空气通道23；

气套构件30，可拆卸地安装在喷嘴体20的下端，通过与喷嘴体20的下表 面分离而具有空气排放通道35，且具有与针锁孔21和空气排放通道35均连通 的射出孔31；

针状构件10，穿过射出孔31，且锁定在针锁孔上，以位于气套构件下部；

电压施加元件50，与喷嘴体20的溶液注入通道22连接，电压施加元件50 用于临时在其内部存储纤维溶液，并向内部存储的纤维溶液施加电压；

溶液供应元件60，用于向电压施加元件50供应纤维溶液；

空气供应元件70，用于向喷嘴体20的空气通道23供应空气；以及

收集器80，用于收集从针状构件10纺丝出的纤维网。

本发明的电纺丝装置进一步包括电压供应元件90。其中，用于施加电压的 一个电极与存储在电压施加元件50内的纤维溶液连接，另一个电极接地，以便 产生电压差。

溶液供应元件60包括：溶液存储罐61，用于存储纤维溶液；第一软管62， 从溶液存储罐61延伸至电压施加元件50；以及，第二软管63，从电压施加元 件50延伸至溶液注入通道22。溶液供应元件60通过电压施加元件50向第一 空气通道23b注入纤维溶液。

进一步地，优选设置有安装在第一软管62或第二软管63上的流量控制阀， 用于控制纤维溶液的供应量，从而控制向溶液注入通道22供应的纤维溶液的 量。

第二软管63与第一管接头26连接，而第一管接头26安装在位于喷嘴体 20上表面的溶液注入通道22上。第二软管63将纤维溶液注入溶液注入通道22， 其中纤维溶液内部有电流流动。

如上所述，在本发明的电纺丝装置中，从溶液存储罐61注入的纤维溶液临 时存储在电压施加元件50内，以对存储的纤维溶液施加电压。

在电压供应元件90中，一个电极与存储在电压施加元件50中的纤维溶液 连接，另一个电极接地。这样，可在针状构件10和收集器80之间产生能够实 现电纺丝的电压差，其中收集器80用于收集从针状构件10电纺丝出的纤维网。

收集器80包括：第一卷轴81，上面缠绕着用以收集电纺丝纤维的纤维收 集片81a(例如犊皮纸片、无纺布片或薄膜片)；

第二卷轴82，置于与第一卷轴81分隔的位置，并与缠绕在第一卷轴81上 的纤维收集片构件81a的端部相连，且第二卷轴82在电动机驱动下旋转以卷绕 纤维收集片；

多个导辊83，置于第一卷轴81和第二卷轴82之间，且多个导辊83之间 以预定距离彼此分隔，以用于引导纤维收集片81a从第一卷轴81向第二卷轴 82移动；以及

第三卷轴84，置于第二卷轴82附近，第三卷轴84在电动机驱动下旋转以 卷绕收集纤维收集片81a上的电纺丝纤维。

本发明通过向纤维溶液施加电压来实现电纺丝。因此，可防止由于磁场泄 漏到喷嘴体20和气套构件30外面而使电纺丝发生变化或效率低。进一步地， 即使在针状构件与收集器80之间电压差较小的情况下，本发明也可实现无误差 电纺丝。

进一步地，针状构件10电纺丝出的纤维以网的形式收集在纤维收集片81a 的表面上，且与纤维收集片81a一起移动，从而使纤维卷绕在第三卷轴84上。

此处，由第二卷轴82卷绕的纤维收集片81a可从第二卷轴82上移除，且 纤维收集片81a可设置在第一卷轴81上，以便重复使用。

进一步地，气套构件30可与喷嘴体20组装在一起或可从喷嘴体20上移除， 以便本发明可选择性地进行普通电纺丝(纯电纺丝)或气电纺丝。

进一步地，本发明电纺丝装置中包括的喷嘴体20、气套构件30和针状构 件10与以上所述的保持相同，这样可省略对这些部件的进一步解释，以免重复。

空气供应元件70包括：空气存储罐71，用于在其内部存储空气；

空气注入管72，从空气存储罐71延伸至第一空气通道23b；

空气控制阀73，安装在空气注入管72上，用于打开或关闭空气注入管72；

传感器74，设置于喷嘴体20与气套构件30之间的接头处，用于感应气套 构件30的锁定或分离状态；以及

阀门控制元件75，与传感器74和空气控制阀73配合，用于响应传感器74 输出的信号以打开或关闭空气控制阀73。

阀门控制元件75还与第一软管62和第二软管63上的流量控制阀配合，以 打开或关闭流量控制阀，从而控制流量控制阀的开启比例。

进一步地，传感器74使用接触传感器。接触传感器安装在喷嘴体20的下 表面，即盖体20b的下表面，以使传感器与气套构件30的上表面接触。

传感器74基本用于感应气套构件30相对于喷嘴体20下表面的锁定或分离 状态。传感器74可使用常规传感器进行各种改变。

当传感器74将指示气套构件30分离状态的信号输出给阀门控制元件75 时，空气控制阀73将关闭空气注入管72。

由此，当气套构件30与喷嘴体20分离时，将不注入空气至针状构件10 中，从而仅从针状构件10射出纤维溶液，以进行纯电纺丝。

然而，当气套构件30锁定在喷嘴体上时，传感器74感应到气套构件30 的锁定状态，并向阀门控制元件75输出指示锁定状态的信号。

阀门控制元件75响应输入信号，启动空气控制阀73，且打开空气注入管 72。

因此，当气套构件30锁定在喷嘴体20上时，供应空气或热空气，以使空 气或热空气与纤维溶液一起喷出，从而进行气电纺丝或热气电纺丝(Hot Air  Electrospinning)；其中，纤维溶液由针状构件10喷出。

本发明的电纺丝装置通过自动感应气套构件30的锁定或分离状态来控制 空气的供应，从而使本发明可选择性地进行无误差纯电纺丝或气电纺丝，而且 不需要额外控制空气的供应。

以上为了说明性目的，公开了本发明的优选实施例。但本领域的技术人员 应理解只要不脱离所附权利要求书中公开的本发明的保护范围和主旨，可对本 发明进行各种修改、增加和替换。