一种制备纳米纤维的喷嘴及其设备制造技术

本发明专利技术一种制备纳米纤维的喷嘴及其设备，所述喷嘴包括带有空腔的壳鞘、至少一个使液体进入所述空腔的液体入口、至少一个使液体离开所述空腔的放电出口以及一个容置在所述空腔内部的用于将电荷传输到液体中的缓冲极化器，所述缓冲极化器的比表面积至少为5㎡/kg，所述设备包括喷嘴、电源、用于将液体输送到所述喷嘴的输送装置和用于接收所述喷嘴中喷出的纤维的接收装置，所述电源设有正负极两个端口，其中一端连接到所述缓冲极化器，另一端连接到所述接收装置。本发明专利技术制备纳米纤维的喷嘴及其设备通过设置高比表面积的缓冲极化器提高生产效率、将放电出口设于壳鞘的平坦外表面上，减少电晕放电现象。

【技术实现步骤摘要】
一种制备纳米纤维的喷嘴及其设备
本专利技术涉及是一种制备纳米纤维的喷嘴及其设备，特别是一种通过静电纺丝技术制备纳米纤维的喷嘴及其设备。
技术介绍
静电纺丝技术是利用静电力从溶液中制备超细纤维或者纱线，通常在纳米到微米尺寸。液滴在电场作用下带电荷，静电力会中和表面张力使液滴发生变形，当静电力大于表面张力到一定程度后，液滴会形成喷射细流，细流在喷射过程中分裂并且溶剂蒸发，最终得到纳米纤维。在喷出细流的地方会形成泰勒锥。如果液滴的分子间作用力足够大，细流就不会分裂，会形成一束带电细流。图1是现有静电纺丝设备10示意图。设备10通常包括一个高压电源12，一个注射器20，其针头14和高压电源12连接，以及一个接收对电极16。用于纺丝的高分子溶液放置于注射液20中。静电纺丝时，在高分子溶液18上施加高压使针尖处的液滴极化带电。针尖处的液滴由于静电力牵引向接收对电极16移动，形成圆锥形的泰勒锥。当静电力大于高分子溶液的表面张力，溶液从泰勒锥的尖端喷出形成细流。带电细流在静电力的牵引下拉伸成超细纤维22，最终收集在接收对电极16上。静电纺丝用液体包括高分子溶液、溶胶凝胶、特殊悬浮液和熔融液等，可以装载在注射器20中。液体一般通过注射泵以固定流速从针尖14流出。静电纺丝技术难以大规模生产纤维。现有静电纺丝技术缺点包括生产效率低和针头容易堵塞。另外，电晕放电是现有静电纺丝技术的一个主要问题，尤其使用不具有导电性的高分子溶液和熔融液时。电荷以较高的传输速率从针头到纺丝液是静电纺丝过程的基本要求，通过增加针头和收集装置间的电压可以实现。但高压情况下的电晕放电一般发生在电荷聚集最多的地方，比如尖端。因此图1中设计的尖针形状极易产生电晕放电现象。因此，有必要提供一种新型的制备纳米纤维的喷嘴及其设备来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种生产效率高、电晕放电少的制备纳米纤维的喷嘴及其设备。本专利技术通过如下技术方案实现上述目的：一种制备纳米纤维的喷嘴，包括带有空腔的壳鞘、至少一个使液体进入所述空腔的液体入口、至少一个使液体离开所述空腔的放电出口以及一个容置在所述空腔内部的用于将电荷传输到液体中的缓冲极化器，所述缓冲极化器的比表面积至少为5㎡/kg。进一步的，所述放电出口位于所述壳鞘的平坦外表面上。进一步的，所述壳鞘设有与所述缓冲极化器连接的导电端口。进一步的，所述壳鞘为导电材料和非导电材料中的一种或两种。进一步的，所述液体入口设有用于预存液体的储存空间。一种制备纳米纤维的设备，包括喷嘴、电源、用于将液体输送到所述喷嘴的输送装置和用于接收所述喷嘴中喷出的纤维的接收装置，所述喷嘴包括带有空腔的壳鞘、至少一个使液体进入所述空腔的液体入口、至少一个使液体离开所述空腔的放电出口以及一个容置在所述空腔内部的用于将电荷传输到液体中的缓冲极化器，所述缓冲极化器的比表面积至少为5㎡/kg，所述电源设有正负极两个端口，其中一端连接到所述缓冲极化器，另一端连接到所述接收装置。进一步的，所述电源为高压直流电源。进一步的，所述液体输送装置包括用于加热液体的加热装置。进一步的，所述加热装置采用红外线加热方式。进一步的，所述液体输送装置包括螺杆和用于驱动所述螺杆的马达。与现有技术相比，本专利技术制备纳米纤维的喷嘴及其设备的有益效果是：通过设置高比表面积的缓冲极化器提高生产效率、将放电出口设于壳鞘的平坦外表面上，减少电晕放电现象。附图说明图1是传统静电纺丝设备示意图。图2是一种制备纳米纤维的喷嘴的截面图。图3a是一种制备纳米纤维的喷嘴的截面图。图3b是图3b的俯视图。图4是一种制备纳米纤维的喷嘴的截面图。图5a是一种制备纳米纤维的喷嘴的截面图。图5b是图5a的俯视图。图6a是一种制备纳米纤维的喷嘴的截面图。图6b是图6a的俯视图。图7a是一种制备纳米纤维的喷嘴的截面图。图7b是图7a的俯视图。图8是一种制备纳米纤维的设备的示意图。具体实施方式图2是实施例1，用于静电纺丝制备纤维的喷嘴30的示意图。喷嘴30通常包括一个壳鞘32和一个空腔34。壳鞘32上有一个液体入口36，纺丝液体通过其进入空腔34。壳鞘32上还有一个放电出口38，液体通过其离开空腔34。喷嘴30还包括一个缓冲极化器40，放置于空腔34中间，纺丝时通过极化器将电荷高效传输到空腔34内的液体中。重要的是，极化器的结构尺寸使电极比表面积至少为5㎡/kg。一种合适的极化器40有很大的比表面积，可以简单快速地将电荷传输到空腔34内的液体中。极化器的结构类型包括：线、网、栅格、泡沫、海绵、布、编织物、鳍状物、平行板、粘连粉末结构、交织材料等。壳鞘可以用任何合适的导电或者非导电材料，或者两者共存的材料，例如金属、塑料、陶瓷、岩石、木材、纸张、竹子等。同样的，极化器40是一个多孔的高比表面积的例子，其可以在液体流入空腔34时与液体充分接触。壳鞘32和极化器40也可以制备成一个整体使用，例如用3D打印技术、铸造技术等。本专利技术公开的实施例可以提高击穿电压至高于空气中的击穿极限（大约每厘米20千伏），而且壳鞘材料可以导电也可以不导电。极化器40可以有不同的配置和排布，纺丝时可以调节液体流过空腔34时的流速。实施例中，极化器40优化设置可以使液体以恒定流速流经极化器40的内外表面，使流入空腔34的液体均匀极化。实施例中，为了使纺丝液以恒定流速流动，图3a中的实施例在液体入口36处预留了一个液体储存空间，液体充满后再进入空腔34。实施例中，壳鞘32还有一个电极端口44，通过其将极化器40和外部电源连接。因此，当端口44连接高压电源的正极时纺丝液被极化带正电，当端口44连接高压电源的负极时纺丝液带负电。后面会做详细描述。放电出口38开在壳鞘的平坦外表面42上，纺丝时可以减少电晕放电。前面已经提到，传统静电纺丝系统的一个主要问题就是使用针头形喷嘴会导致电晕放电。本专利技术公开的在壳鞘32相对平坦的表面42开一个放电出口38是很有效的解决方法。实施例中，放电出口38是圆形的，直径在0.1毫米到10毫米之间。此外应理解，实施例不是为了限制尺寸的范围，在该领域可以使用各种不同尺寸的放电出口38。图3a、3b是一个相对简单的用于量产的喷嘴30设计。该实施例中套管32是一个两端有盖的导管，导管的截面可以是各种形状，比如圆形、正方形、长方形、六角形等。导管的一端是液体入口36，另一端是导电端口44，连接极化器40和外部电源。对于液体入口和导电端口的位置没有任何限制，它们可以在任何合适的位置。图4是一种同轴喷嘴的设计图，可用于制备壳鞘结构纳米纤维。实施例中，壳鞘32相反位置有两个不同的液体入口36和两个空腔34，两个空腔分别连接分开的导电出口38和41.一个放电出口38是同轴排布在另一个放电出口41中间。两个空腔40用导电材料分开，因此喷嘴30只需要一个导电端口44。同样的，图5a、5b，6a、6b，7a、7b为本专利技术公开的喷嘴的不同实施例。不同之处包括壳鞘32和空腔34的形状，放电出口38的数量和排布。同样的，导电端口44、放电出口38和液体入口36的相对位置都可以根据需要调整。图8一种静电纺丝制备纤维的熔融纺系统50示意图。熔融纺系统可以使用以上提到的任何一种喷嘴30。熔融纺系统50一般包括一个喷嘴30，一个有正负极两个端口的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备纳米纤维的喷嘴，其特征在于，包括带有空腔的壳鞘、至少一个使液体进入所述空腔的液体入口、至少一个使液体离开所述空腔的放电出口以及一个容置在所述空腔内部的用于将电荷传输到液体中的缓冲极化器，所述缓冲极化器的比表面积至少为5㎡/kg。

【技术特征摘要】
1.一种制备纳米纤维的喷嘴，其特征在于，包括带有空腔的壳鞘、至少一个使液体进入所述空腔的液体入口、至少一个使液体离开所述空腔的放电出口以及一个容置在所述空腔内部的用于将电荷传输到液体中的缓冲极化器，所述缓冲极化器是多孔结构，所述缓冲极化器的比表面积至少为5㎡/kg。2.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的喷嘴，其特征在于：所述放电出口位于所述壳鞘的平坦外表面上。3.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的喷嘴，其特征在于：所述壳鞘设有与所述缓冲极化器连接的导电端口。4.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的喷嘴及其设备，其特征在于：所述壳鞘为导电材料和非导电材料中的一种或两种。5.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的喷嘴及其设备，其特征在于：所述液体入口设有用于预存液体的储存空间。6.一种制备纳米纤维的设备，其特征在于：包括喷嘴、电源、用于将液体输送到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓超然，姚万里，廖有用，
申请(专利权)人：昆山同日精密测试设备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32