一种多同轴针头的静电纺喷丝装置及同轴静电纺丝设备

本发明涉及静电纺丝，尤其涉及一种多同轴针头的静电纺喷丝装置及同轴静电纺丝设备。

背景技术：

1、近年来，纳米材料发展迅速，应用非常广泛，是推动当代科技进步的重要力量。在纳米材料中，由于纳米纤维具有比表面积较高、孔隙率较高，同时纤维膜孔径小、表面能高、纤维连续性好等特性，已成为纺织工业及相关产业共同关注的重要课题。静电纺丝技术可从各种有机和无机材料中生产微纳米纤维，是一种被广泛研究和应用的方法。静电纺丝技术是目前最直接也是最有效的方法，且具有生产工艺简单、成本低廉等特点，但对于单针头的静电纺丝技术来说，所生产的纳米纤维产量很低。因此，为了提高静电纺的产量，逐渐发展出了多针头(喷嘴)静电纺和无针头静电纺。虽然无针头静电纺丝技术发展很快，生产规模和产率高于针头式静电纺，且针头式静电纺仍然存在针头易堵、效率不高的缺点，但是所得纳米纤维较细且均匀，能生产多组分纳米纤维，喂液量和纤维细度可控，适合薄形纳米纤维非织造布的生产。因此，多针头静电纺仍然具有存在和发展的价值，是目前实验室和厂商生产纳米纤维材料的主要手段。

2、同轴静电纺是在静电纺的基础上改造而来，与单轴静电纺丝相比，同轴静电纺丝所采用的针头为同轴针头，能够制备具有“核-壳”结构的纳米纤维，应用范围更加广泛。同轴静电纺丝技术主要采用同轴双喷头或多喷头代替单喷头，将两种及以上聚合物溶液同时纺丝，通过调控核、壳相溶液的相互作用，将难以电纺的材料或功能因子封装入纳米纤维中，制备多种特殊结构的纳米纤维，如核壳纳米纤维、中空纳米纤维、多孔纳米纤维等。

3、但是，同轴静电纺丝纤维制备工艺复杂且生产效率不高，导致其商业化应用较少。并且在多针头静电纺丝过程中，线性排列多针头静电纺过程中的场强分布极不均匀，由于线性排列的喷射流除了受到自身电场力的作用外，还受到各个喷头彼此间相互作用的库仑力，这种库仑力的叠加使得各喷射流所受到的电场力不均匀，因此除了中心位置的喷射流外，其它位置的喷射流都向背离中心针的方向弯曲，越靠近边缘的针头，其射流偏移的幅度越显著。对于一排针而言，最大场强分布在最两端的针尖上，而中间位置纺针的场强相对较弱。这在静电纺丝的实际过程中会造成多针头很难同时喷丝的现象：当两端针头的场强达到能够形成纺丝射流的临界值时，由于多射流间的互相干扰使得中间位置的纺针所受到的场强较弱，不足以提供形成纺丝射流所需的能量。此种情况不仅不能使能量得到最优化的利用，并且会导致所纺纤维膜出现沿幅宽方向分布不均匀的情况。此外，由于同一排两端纺针尖端外侧场强值大于内侧，中间纺针受到基本平衡的库伦力作用，而两侧纺针所受库伦力失衡，故纺丝射流向外侧倾斜偏移，从而出现“边缘效应(end effect)”，会造成实际多针头静电纺丝时两侧的纺丝射流向两边偏移现象，严重时接收电极/基布根本不能接收到纳米纤维的现象。因此，静电纺丝射流的这种偏移现象成为静电纺丝技术实现大规模工业化生产的一个瓶颈问题。

4、cn116356434a公开了一种静电纺丝复合喷头，包括喷头基板和多个点胶针头，喷头基板上设有多个阵列排布的纺丝通孔，纺丝通孔的一端安装有快接头，纺丝通孔的另一端安装有鲁尔接头，点胶针头的数量小于或等于鲁尔接头的数量，每个点胶针头至少与一个鲁尔接头可拆卸连接，多个点胶针头阵列排布，喷头基板的内部设有气流腔，喷头基板的侧面设有连通气流腔的气流入口，喷头基板上位于鲁尔接头的周围设有气流出口。上述专利技术采用气流辅助手段来抑制针头之间的电场干扰，增强静电纺丝射流的稳定性，提高静电纺丝纳米纤维沉积效率。但公知技术(“静电纺丝工艺参数及鞭动对纤维形态影响的研究”，肖婉红，化学纤维工业，2008年)中对静电纺丝过程中的扰动进行研究,发现空气扰动对静电纺丝过程中的鞭动不稳定有影响。因此采用气流扰动方式并不能够解决静电纺丝多射流喷头之间的电场抑制干涉及多射流之间的静电干扰的问题。

5、因此，在进行多针头同轴静电纺丝时，最大的问题就是相邻射流存在静电排斥力,也就是多喷头射流间由于相邻针头间的电场而产生的相互排斥的现象，导致电场分布不均匀,电场的不稳定变化会导致加速“鞭动”现象而很难实现纳米纤维的定向收集，最终导致纺丝过程射流不稳定和纳米纤维沉积不均匀，是目前多针同轴静电纺丝技术存在的主要问题。所以对于多针头静电纺丝技术，电场分布的优化是一个关键问题。如何在其他因素不变的条件下，通过纺针间合理的排布方式降低各纺针尖端处电场强度的相互影响，有效改善纺丝过程射流不稳定和纳米纤维沉积不均匀的问题，提高纺丝效率，成为了静电纺丝技术发展的重点和难点。对多针同轴高压静电纺丝技术的发展及产业化应用有着重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种有效改善纺丝过程射流不稳定和纳米纤维沉积不均匀的问题，明显提高纺丝效率的多同轴针头的静电纺喷丝装置及同轴静电纺丝设备。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多同轴针头的静电纺喷丝装置，包括一导电铜板及固定于导电铜板上的若干用于纺丝的同轴针头，在导电铜板上均匀开设有若干用于安置各同轴针头的圆孔，所述若干同轴针头在导电铜板上的排布方式分别设置为线性三针或四针排列，沿同轴针头的排布方向在导电铜板的圆孔上设置有两个以上的辅助电极，所述各辅助电极与各同轴针头之间等距离设置。

3、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述辅助电极为与纺丝的同轴针头结构一致的空载的同轴针头。

4、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述线性三针排列方式中，用于纺丝的同轴针头沿直线方向依次设置三个，空载的同轴针头分别设于三个纺丝的同轴针头的两个端部。

5、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述线性四针排列方式中，用于纺丝的同轴针头沿直线方向依次设置四个，空载的同轴针头分别设于四个纺丝的同轴针头的两个端部。

6、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述线性三针排列方式中，用于纺丝的同轴针头与空载的同轴针头沿直线方向分别设置三个，空载的同轴针头与所述纺丝的同轴针头依次交替设置。

7、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述空载的同轴针头与纺丝的同轴针头之间以及相邻两纺丝的同轴针头之间的间距均为10mm。

8、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述导电铜板上圆孔的直径为1.3mm，相邻圆孔间的中心间距为5mm。

9、上述的多同轴针头的静电纺喷丝装置，所述导电铜板为长10cm、宽0.4cm、高2cm的导电铜板，圆孔在导电铜板上均匀排布三排，每排15个。

10、上述的多针头同轴静电纺丝装置，所述纺丝的同轴针头与空载的同轴针头的壳层规格均为18g，芯层规格均为25g。

11、一种同轴静电纺丝设备，包括高压电源、溶液供给装置、喷丝装置、接收装置，所述喷丝装置采用多同轴针头的静电纺喷丝装置。

12、本发明多同轴针头的静电纺喷丝装置及同轴静电纺丝设备的优点是：本发明通过在线性排布方式的基础上增加辅助电极，使得针尖处的电场强度最大值降低，电场分布更加均匀，明显抑制射流的鞭动不稳定性,改善多射流之间的相互影响，纤维收集区域比无辅助电极时明显减小，实现了纳米纤维的定向收集，纺丝过程射流稳定输出，纤维均匀沉积在接收辊上，大大提升了纺丝过程中射流的稳定性和纤维膜的均匀性。能够在较短时间内获得相较于单针静电纺丝更高的纤维产量，有效提高了静电纺丝的效率。该制备方法简单，所用高分子原材料丰富，并不局限于本发明所选用的材料，具有丰富的应用前景，值得被广泛推广使用。