离心式静电纺丝装置

《离心式静电纺丝装置》涉及纺织、材料领域，尤其是一种离心式静电纺丝装置。

随着纳米技术的发展，静电纺丝技术作为一种有效、实用的方法，在纳米材料研究领域受到广泛关注。随着人们对纳米纤维需求量的不断增加，各国的科研工作者探索了多种制备纳米纤维的方法，其中静电纺丝方法被认为是制备纳米纤维的最简单有效的方法，截至2010年12月17日，已经有三十多种聚合物通过此方法成功制得超细纤维，直径最小达到几十纳米。静电纺丝包括溶液静电纺丝和熔体静电纺丝两类，关于静电纺丝的研究大多都集中在溶液静电纺丝上，而对于聚合物熔体而言静电纺丝的研究则很少。

世界各国对于纳米纤维静电纺丝普遍使用的是单头或多头针筒式纺丝装置，如中国专利申请:ZL200420107832.5，ZL200420020596.3，ZL200320122276.4，ZL200410025622.6等；美国专利US6616435，US6713011，US6753454，US6656394；世界专利W006043968，WO2006049664，WO2005099308等。该类专利的缺点在于，由于作为喷丝孔的微针孔径较小，堵塞问题严重，喷丝孔更换和清洗频繁，因此工作效率极低，无法实现规模化生产的需求。

为克服喷头孔径及数量的影响，专利ZL200410025691.5，ZL200610117671.1，ZL200710036447.4，ZL200810032247.6等利用超声波技术、震动技术等实现了无喷头的静电纺丝技术，但该类技术的得到的纳米膜材料均匀度控制困难。可加工材料种类受限。

图1是《离心式静电纺丝装置》的离心式静电纺丝装置的结构示意图；

图2是图1在A处的局部放大图；

图3是图2在B处的局部放大图。

2018年12月20日，《离心式静电纺丝装置》获得第二十届中国专利优秀奖。 2100433B

《离心式静电纺丝装置》的离心式静电纺丝装置的实施例1，如图1-3所示，由机架1、旋转甩筒2、转盘3、导体支撑座4、传动轴5、驱动装置6、接线端子7、隔离盘8及增速装置组成。机架1用于集成整套装置，导体支撑座4通过绝缘板9固定设置于机架1上并与机架1绝缘配合，接线端子7与导体支撑座3固连；传动轴5通过轴承竖向转动装配于导体支撑座4内并贯穿导体支撑座4，转盘3与传动轴5的上端固连，转盘3的外缘设置有用于供旋转甩筒2的下端插入的插槽，旋转甩筒2的筒壁的下端插装于转盘3的插槽内并与转盘3密封配合，旋转甩筒2由三个筒套10组成，筒套10通过对应的隔离盘8连接，隔离盘8对应有两个，隔离盘8的中间部分具有内孔，隔离盘8的内孔的外缘具有一个向上翻折的挡沿11，隔离盘8的挡沿11与旋转甩筒2的内壁面之间围成一个用于容纳纺丝液12的容液槽，以便分层利用旋转甩筒2的竖向空间，提高旋转甩筒2的利用率，隔离盘8的外缘上具有一圈用于桥接对应两筒套的桥接块13，桥接块13的上、下端面上均设置有用于供对应筒套的套壁插入的插槽，桥接块13上还设置有竖向延伸的螺栓连接孔，旋转甩筒2的顶端设置有压盖14，压盖14即为倒置的隔离盘8，各筒套10经对应的隔离盘桥接后通过压盖14用对应的连接螺栓15压紧固定于导体支撑座4上，压盖14的内孔形成旋转甩筒2的进料口16，进料口16用于供纺丝液导管17伸入旋转甩筒2内为装置提供纺丝液12；驱动装置6固定设置于机架1一侧，驱动装置6采用电机，增速装置由第一带轮18及第二带轮19组成，第一带轮18固定装配于电机的输出轴上，第二带轮19固定装配于传动轴5的下端，电机与传动轴5采用带传动，其中第一带轮18的直径大于第二带轮19，以此来实现增速。《离心式静电纺丝装置》的离心式静电纺丝装置工作时，首先将接线端子7与高压电源接通，然后启动电机（以上两步骤顺序可调换），电机以转速2900转每分带动传动轴5转动，使角速度比提高3-4倍，传动轴5及旋转甩筒2的转速达到8700-11600转每分；旋转甩筒2的线速度达到8200米/分钟-11000米/分钟，然后在保温的条件下通过纺丝液导管17向旋转甩筒2内通入纺丝液12，调整旋转甩筒2的线速度达8200米/分钟-11000米/分钟，在其产生的高压作用下将纺丝液从90～100目的极网（旋转甩筒由金属网制成）内挤出，此时在高压电场的作用下得到直径5纳米～1000纳米的纤维20。

上述实施例中，所述的旋转甩筒2还可以设置为一体结构，这种情况下，所述的隔离盘8可省略或通过螺钉固定于旋转甩筒2的筒壁上；所述旋转甩筒还可以由两个或者四个以上筒套及对应隔离盘构成；所述的增速装置还可以采用变速器；所述的驱动装置还可以采用发动机；所述驱动装置还可以另设；所述接线端子7还可以通过电旋转连接器与旋转甩筒导通连接。

离心式静电纺丝装置专利目的

《离心式静电纺丝装置》的目的在于提供一种离心式静电纺丝装置，以解决静电纺丝装置的生产效率低且喷头易堵塞的问题。

离心式静电纺丝装置技术方案

《离心式静电纺丝装置》的离心式静电纺丝装置采用以下技术方案：离心式静电纺丝装置，包括机架，所述机架上竖向转动装配有由金属网制成的旋转甩筒，所述旋转甩筒的顶部具有一个用于与纺丝液导管导通连接的进料口。

所述旋转甩筒的底部具有一个用于与驱动装置传动连接的转盘，所述的转盘与旋转甩筒的对应端密封连接。

所述旋转甩筒导通连接有用于与电源连接的接线端子。

所述的机架上绝缘固定有导体支撑座，所述的转盘远离所述旋转甩筒的一侧通过传动轴及对应轴承转动装配于所述的导体支撑座内，所述的接线端子与所述导体支撑座导电连接。

所述传动轴竖向贯穿所述的导体支撑座，传动轴远离所述转盘的一端传动连接有驱动装置。

所述驱动装置为电机，所述电机与所述的传动轴通过皮带传动连接，电机与传动轴之间设置有增速装置。

所述旋转甩筒内沿竖向设置有至少一层空心的隔离盘，所述隔离盘的内孔的周向上具有向上翻折的挡沿，所述挡沿与旋转甩筒的内壁面之间形成用于容存纺丝液的容液槽。

所述的旋转甩筒包括至少两个两端开口的筒套，所述隔离盘的周向外缘上具有环形的桥接块，所述桥接块的上、下端面上均设置有用于供所述各筒套的套壁的对应端插入的插槽，桥接块上还设置有竖向延伸的螺栓连接孔，所述各筒套经所述各隔离盘对应桥接后通过螺栓固定于所述转盘上。

离心式静电纺丝装置改善效果

由于《离心式静电纺丝装置》的离心式静电纺丝装置采用由金属网制成的旋转甩筒，因此所述旋转甩筒可同时作为电极及静电纺丝装置的喷头使用，由于所述旋转甩筒由金属网制成，因此网眼，即相当于传统喷头的喷丝孔的数量大大增加，提高了静电纺丝装置的工作效率；另外，由于所述旋转甩筒工作时是旋转的，可通过离心力将纺丝液甩出，有效的避免网眼，即传统喷头的喷孔的堵塞，进一步提高了静电纺丝装置的生产效率；可用于规模化生产。

更进一步的，在所述的电机与传动轴之间设置增速装置，可在电机转速一定的情况下提高传动轴，即旋转甩筒的转速，进一步提高工作效率，同时也提高了纺丝质量；通过所述隔离盘将所述旋转甩筒分层并形成所述容液槽，可有效的提高旋转甩筒的轴向工作高度，即旋转甩筒壁的工作面积，充分的利用了电机驱动力资源的同时也进一步提高了生产效率；将所述的旋转甩筒设置为由所述各套筒通过隔离盘对接而成的分体式结构，可方便的进行拆装维修及清理，有效的减短了设备维护时间。

1.离心式静电纺丝装置，其特征在于：包括机架，所述机架上竖向转动装配有由金属网制成的旋转甩筒，所述旋转甩筒的顶部具有一个用于与纺丝液导管导通连接的进料口，旋转甩筒内沿竖向设置有至少一层空心的隔离盘，所述隔离盘的内孔的周向上具有向上翻折的挡沿，所述挡沿与旋转甩筒的内壁面之间形成用于容存纺丝液的容液槽。

2.根据权利要求1所述的离心式静电纺丝装置，其特征在于：所述旋转甩筒的底部具有一个用于与驱动装置传动连接的转盘，所述的转盘与旋转甩筒的对应端密封连接。

3.根据权利要求1所述的离心式静电纺丝装置，其特征在于：所述旋转甩筒导通连接有用于与电源连接的接线端子。

4.根据权利要求3所述的离心式静电纺丝装置，其特征在于：所述的机架上绝缘固定有导体支撑座，所述的转盘远离所述旋转甩筒的一侧通过传动轴及对应轴承转动装配于所述的导体支撑座内，所述的接线端子与所述导体支撑座导电连接。

5.根据权利要求4所述的离心式静电纺丝装置，其特征在于：所述传动轴竖向贯穿所述的导体支撑座，传动轴远离所述转盘的一端传动连接有驱动装置。

6.根据权利要求5所述的离心式静电纺丝装置，其特征在于：所述驱动装置为电机，所述电机与所述的传动轴通过皮带传动连接，电机与传动轴之间设置有增速装置。

7.根据权利要求1所述的离心式静电纺丝装置，其特征在于：所述的旋转甩筒包括至少两个两端开口的筒套，所述隔离盘的周向外缘上具有环形的桥接块，所述桥接块的上、下端面上均设置有用于供所述各筒套的套壁的对应端插入的插槽，桥接块上还设置有竖向延伸的螺栓连接孔，所述各筒套经所述各隔离盘对应桥接后通过螺栓固定于所述转盘上。

静电纺丝起源

“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”，国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等。1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是，从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化或电喷的一种特例，其概念可以追溯到1745年。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于二者采用的工作介质不同，静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体，而静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体。这样，静电雾化技术的研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和基础。对静电纺丝过程的深入研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。

20世纪30年代到80年代期间，静电纺丝技术发展较为缓慢，科研人员大多集中在静电纺丝装置的研究上，发布了一系列的专利，但是尚未引起广泛的关注。进入90年代，美国阿克隆大学Reneker研究小组对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究。特别是近年来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展，世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。此段时期，静电纺丝技术的发展大致经历了四个阶段：第一阶段主要研究不同聚合物的可纺性和纺丝过程中工艺参数对纤维直径及性能的影响以及工艺参数的优化等；第二阶段主要研究静电纺纳米纤维成分的多样化及结构的精细调控；第三个阶段主要研究静电纺纤维在能源、环境、生物医学、光电等领域的应用；第四阶段主要研究静电纺纤维的批量化制造问题。上述四个阶段相互交融，并没有明显的界线。

静电纺丝现状

通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题。首先，在制备有机纳米纤维方面，用于静电纺丝的天然高分子品种还十分有限，对所得产品结构和性能的研究不够完善，最终产品的应用大都只处于实验阶段，尤其是这些产品的产业化生产还存在较大的问题。其次，静电纺有机/无机复合纳米纤维的性能不仅与纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等有关。如何制备出适合需要的、高性能、多功能的复合纳米纤维是研究的关键。此外，静电纺无机纳米纤维的研究基本处于起始阶段，无机纳米纤维在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途，但是，静电纺无机纳米纤维较大的脆性限制了其应用性能和范围，因此，开发具有柔韧性、连续性的无机纤维是一个重要的课题。

静电纺丝应用

随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。

①在生物医学领域，纳米纤维的直径小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能；人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似，这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能；一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性，因此，其在生物医学领域引起了研究者的持续关注，并已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。

②纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而提高，因而，降低纤维直径成为提高纤维滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点，使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。

③静电纺纤维能够有效调控纤维的精细结构，结合低表面能的物质，可获得具有超疏水性能的材料，并有望应用于船舶的外壳、输油管道的内壁、高层玻璃、汽车玻璃等。但是静电纺纤维材料若要实现在上述自清洁领域的应用，必须提高其强力、耐磨性以及纤维膜材料与基体材料的结合牢度等。

④具有纳米结构的催化剂颗粒容易团聚，从而影响其分散性和利用率，因此静电纺纤维材料可作为模板而起到均匀分散作用，同时也可发挥聚合物载体的柔韧性和易操作性，还可以利用催化材料和聚合物微纳米尺寸的表面复合产生较强的协同效应，提高催化效能。

⑤静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅度提高传感器性能。此外，静电纺纳米纤维还可用于能源、光电、食品工程等领域。

静电纺丝发展方向

静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域已发挥了非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。通过不同的制备方法，如改变喷头结构、控制实验条件等，可以获得实心、空心、核-壳结构的超细纤维或是蜘蛛网状结构的二维纤维膜；通过设计不同的收集装置，可以获得单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等。但是静电纺丝技术在纤维结构调控方面还面临一些挑战：首先，要想实现静电纺纤维的产业化应用，就必须获得类似于短纤或者连续的纳米纤维束，取向纤维的制备为解决该问题提供了一条有效的途径，但是距离目标还有不少差距，今后的工作就要设法通过改良喷头、接收装置以及添加辅助电极等使纤维尽可能伸直并取向排列，获得综合性能优异的取向纤维阵列。其次，作为静电纺纳米纤维全新的研究领域—纳米蛛网的研究还在初期阶段，纳米蛛网的形成过程的理论分析和模型建立尚需深入研究。此外，要想提高静电纺纤维膜在超精细过滤领域的应用性能，就必须降低纤维的直径，如何将纤维平均直径降低到20nm以下是静电纺丝技术面临的一个挑战；要想提高纤维在传感器、催化等领域的应用性能，通过制备具有多孔或中空结构的纳米纤维来提高纤维的比表面积是一种有效方法，但仍需进一步的研究。2100433B

本书依据作者研究团队首创的聚合物熔体微分静电纺丝技术以及国内外纳米纤维静电纺丝的最新研究进展，从工艺的角度出发，着重介绍了熔体静电纺丝技术的原理、模拟分析及工艺进展，并介绍了熔体静电纺丝的工业化技术及应用，最后对聚合物纳米静电纺丝技术的未来进行了展望。

本书可供从事纳米纤维静电纺丝及其相关领域研究的人员及高等院校相关专业学生参考使用。

本书依据作者研究团队的聚合物熔体微分静电纺丝技术以及国内外纳米纤维静电纺丝的新研究进展，从工艺的角度出发，着重介绍了熔体静电纺丝技术的原理、模拟分析及工艺进展，并介绍了熔体静电纺丝的工业化技术及应用，后对聚合物纳米静电纺丝技术的未来进行了展望。

本书可供从事纳米纤维静电纺丝及其相关领域研究的人员及高等院校相关专业学生参考使用。