一种针尖诱导静电纺丝喷头及针尖诱导静电纺丝装置
技术领域
本实用新型涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种针尖诱导静电纺丝喷头及针尖诱导静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝技术是利用电场力和溶液的黏性力对溶液进行拉伸，以制备纳米纤维的特殊工艺。其中，适用于静电纺丝的溶液范围极广，从高分子溶液到金属溶液均可以利用静电纺丝技术制备纳米纤维。利用纳米纤维高比表面积和高孔隙率等优点，可应用到相应的领域，包括微电子技术领域的导线喷印、化工领域的催化应用、生物医学的组织工程、过滤和净水处理等。
传统的静电纺丝方法主要利用具有微细纺丝溶液通道的喷嘴在注射泵的定量供液下产生纺丝溶液溢出形成悬滴，悬滴在高压电源的作用下极化产生电荷，并且电荷在高压电源的电场中受力，带动纺丝溶液克服表面张力进行运动形成射流，射流在空间电场中受力进行鞭动细化，最终形成纳米纤维进行沉积。然而，这种传统静电纺丝方法制备的纳米纤维产量较低，是制约纳米纤维工业化的瓶颈。
现有技术中，公开号为CN103014885B的中国发明专利公开了一种集成稳定鞘层气体约束聚焦功能的电纺直写喷头装置，其利用鞘层气流来辅助静电纺丝，高速气流对纺丝射流额外的拉伸提高了纺丝效率。此外，公开号为CN103147138B 的中国发明公开的一种借助双层气体加强聚焦功能的电纺直写喷印装置更是提出了利用双层的高速气流对射流进行拉伸以提高纳米纤维的生产效率。
然而，虽然同轴的高速气流的确可以提高纳米纤维的生产效率，但是却不能通过继续提高气流的流速来继续提高纳米纤维的产出效率。这是由于静电纺丝是采用高压电源使纺丝溶液产生拉伸效果，受高压电源的输出电压限制，纺丝溶液的供给速度无法大幅提高。如果要大幅提高纺丝溶液的供给速度，那么需要使用更大直径的针头(为保证出丝均匀，现在使用的纺丝针头直径一般在 0.8mm以内)，同时，针头上的悬滴直径也会变大，因此，需要大幅增大高压电源的输出电压才能使悬滴上带上足够的电荷，从而克服表面张力进行纺丝，而极高的电压容易对其他设备造成影响，甚至对人体安全造成危害。
另外，公开号为CN103628150B的中国发明专利提出了一种多喷头静电纺丝装置，利用带有鞘气约束的弧形阵列纺丝喷头，使用多个气流辅助喷头组成阵列喷头，以提高纳米纤维的生产效率；公开号为CN109267160A的中国发明专利更是提出一种带有鞘气约束的弧形阵列静电纺丝喷头，采用大量喷头阵列组合的方案，更大程度地提高纳米纤维的生产效率。然而，采用增加大量的组合喷头来提高纳米纤维的生产效率，组合喷头的数量越多，喷丝装置的机构就越复杂，影响纺丝质量的因素也变繁杂，难以保证纺丝的质量。
因此，如何在保证纺丝质量的前提下提高纳米纤维的产量仍是目前亟待解决的大难题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种针尖诱导静电纺丝喷头，其可以使用大直径的纺丝针头而无需大幅度增大工作电压，可以提高纳米纤维的生产效率，纺丝质量好且安全性高。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种针尖诱导静电纺丝喷头，包括喷头本体、纺丝针头和气流辅助喷头，
所述喷头本体内设有液腔和气腔，所述喷头本体上设有与液腔连通的进液口和出液口，以及与所述气腔连通的进气口和出气口；
所述气流辅助喷头固定设于所述出气口且与气腔连通；
所述纺丝针头固定设于所述出液口且与液腔连通，所述纺丝针头的自由端穿过所述气腔，且延伸至气流辅助喷头外；
其中，所述纺丝针头内设有导电针，所述导电针与纺丝针头平行设置，所述导电针与喷头本体固定连接，所述导电针的外壁与纺丝针头的内壁形成出液流道。
作为上述方案的改进，所述气流辅助喷头与纺丝针头同轴设置。
作为上述方案的改进，所述导电针在所述纺丝针头内设置为若干根，所述导电针的轴线位于与所述纺丝针头同轴的同心圆上。
作为上述方案的改进，所述纺丝针头的内径为0.2～5mm，
所述导电针的外径之和与纺丝针头的内径之比为0.2～0.8。
作为上述方案的改进，所述喷头本体包括顶板、中间板和底板，所述顶板、中间板和底板通过紧定螺栓固定连接；
所述顶板和中间板配合形成所述液腔，所述中间板与底板配合形成所述气腔；
所述进液口设于所述顶板上，所述出液口设于所述中间板上，所述进气口和出气口设于所述底板上，所述出液口与出气口一一对应设置；
所述顶板和中间板之间设有第一密封圈，所述中间板和底板之间设有第二密封圈。
作为上述方案的改进，所述进液口沿所述顶板的长度方向对称设置，所述导电针与所述顶板螺纹连接；
所述出液口设有向气腔一侧延伸的螺纹接头，所述纺丝针头与所述螺纹接头连接；
所述气流辅助喷头包括本体和设于本体上的喷口，所述喷口与气腔连通，所述本体与底板之间设有密封垫片，所述本体通过若干螺钉与底板固定。
作为上述方案的改进，所述喷口与所述液腔相邻一侧为宽口部，所述液腔远离所述液腔一侧为窄口部，所述喷口纵截面呈等腰梯形；
所述出气口的内径大于所述宽口部的内径。
作为上述方案的改进，所述气流辅助喷头与纺丝针头之间的轴向距离与所述气流辅助针头的长度之间的比为1/10～1/8。
作为上述方案的改进，所述窄口部与纺丝针头外壁之间的距离与所述纺丝喷头内径之比为1/15～1/8。
此外，本实用新型还提供了一种针尖诱导静电纺丝装置，包括供气系统、供液系统、高压电源，以及上述针尖诱导静电纺丝喷头；
所述供液系统与进液口连接，以为液腔和纺丝针头提供高压纺丝溶液；
所述供气系统与进液口连接，以为气腔和气流辅助喷头提供高速气流；
所述高压电源与紧定螺栓相连，以为纺丝溶液提供高压静电。
实施本实用新型，具有如下有益效果：
本实用新型提供了一种针尖诱导静电纺丝喷头，通过在出液口设置与液腔连通的纺丝针头，在出气口设置与气腔连通的气流辅助喷头，并在纺丝针头内设置与之平行的导电针；在纺丝过程中，液腔中的纺丝溶液经导电针的外壁与纺丝针头的内壁之间的出液流道喷射出来，该过程除了纺丝针头的内壁可以为出液流道内的纺丝溶液提供高压静电外，导电针的外壁亦与出液流道内的溶液接触并提供额外的电荷，纺丝针头内壁与导电针外壁能够使纺丝针头上较大的悬液上带上足够的电荷，进而帮助悬液克服表面张力，形成纺丝射流；此外，在气流辅助喷头喷出的高速气流作用下，纺丝射流被额外拉伸，使形成的纳米纤维纤细均匀，纺丝效果好。在同等气压和电压条件下，本实施例可以使用内径更大的纺丝针头，出液流道的横截面积比现有的纺丝针头截面积更大，纺丝溶液的供给量更大，因此，本实用新型产生纳米纤维的效率将大大提升。此外，本实用新型无需增大工作电压，确保了生产的安全性。
附图说明
图1是本实用新型一种针尖诱导静电纺丝喷头一实施例的结构示意图；
图2是图1的顶板的结构示意图；
图3是图1的中间板的结构示意图；
图4是图1的底板的结构示意图；
图5是图4的底板的后视图；
图6是气流辅助喷头与纺丝针头及导电针的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
如图1所示，本实用新型提供了一种针尖诱导静电纺丝喷头的一实施例，其包括喷头本体1、纺丝针头2和气流辅助喷头3，所述喷头本体1内设有液腔 4和气腔5，所述喷头本体1上设有与液腔4连通的进液口111和出液口121，以及与所述气腔5连通的进气口131和出气口132；所述气流辅助喷头3固定设于所述出气口132且与气腔5连通；所述纺丝针头2固定设于所述出液口121 且与液腔4连通，所述纺丝针头2的自由端穿过所述气腔5，且延伸至气流辅助喷头3外；其中，所述纺丝针头2内设有导电针6，所述导电针6与纺丝针头2 平行设置，所述导电针6与喷头本体1固定连接，所述导电针6的外壁与纺丝针头2的内壁形成出液流道。
本实施例通过在出液口121设置与液腔4连通的纺丝针头2，在出气口132 设置与气腔5连通的气流辅助喷头3，并在纺丝针头2内设置与之平行的导电针 6；在纺丝过程中，液腔4中的纺丝溶液经导电针6的外壁与纺丝针头2的内壁之间的出液流道喷射出来，该过程除了纺丝针头2的内壁可以为出液流道内的纺丝溶液提供高压静电外，导电针6的外壁亦与出液流道内的溶液接触并提供额外的电荷，纺丝针头2内壁与导电针6外壁能够使纺丝针头2上较大的悬液上带上足够的电荷，进而帮助悬液克服表面张力，形成纺丝射流；此外，在气流辅助喷头3喷出的高速气流作用下，纺丝射流被额外拉伸，使形成的纳米纤维纤细均匀，纺丝效果好。在同等气压和电压条件下，本实施例可以使用内径更大的纺丝针头2，出液流道的横截面积比现有的纺丝针头2截面积更大，纺丝溶液的供给量更大，因此，本实施例的针尖诱导静电纺丝喷头产生纳米纤维的效率将大大提升。此外，本实施例无需增大工作电压，确保了生产的安全性。
所述气流辅助喷头3与纺丝针头2优选同轴设置，使经纺丝针头2喷出的纺丝射流受到周向高速气流的作用力基本一致，纺丝射流得以沿纺丝针头2的长度方向持续射出并拉伸，不会出现偏折，可以获得良好的成型效果。
为使纺丝针头2内的纺丝溶液获得更充分的电荷，所述导电针6在所述纺丝针头2内可以设置为若干根。若干根所述导电针6的轴线位于与所述纺丝针头2同轴的同心圆上，以确保纺丝针头2内的纺丝溶液所带电荷相对均匀，出丝更匀称。
本实施例可采用的纺丝针头2的内径范围为0.2～5mm，具体根据不同纺丝速率进行选择。对比现有纺丝用的纺丝针头2直径(一般在0.8mm以内)，本实施例的纺丝针头2可以流经更大流量的纺丝溶液。为确保该尺寸范围内的纺丝针头2流经的纺丝溶液能连续、均匀地喷出，所述导电针6的外径之和与纺丝针头2的内径之比为0.2～0.8，以确保单位悬滴与导电针6或纺丝针头2的接触面积，使之获得足够多的电荷，进而在电场力作用下克服表面张力形成纺丝射流。
具体地，结合图2-4，所述喷头本体1包括顶板11、中间板12和底板13，所述顶板11、中间板12和底板13通过紧定螺栓14固定连接。所述顶板11和中间板12配合形成所述液腔4，所述中间板12与底板13配合形成所述气腔5。为确保液腔4和气腔5的密封性，所述顶板11和中间板12之间设有第一密封圈15，所述中间板12和底板13之间设有第二密封圈16。本实施例的进液口111 设置在顶板11上，出液口121设置在中间板12上，进气口131和出气口132设置在底板13上，且出液口121与出气口132一一对应设置。
为提升液腔4的填充效率，所述进液口111沿所述顶板11的长度方向对称设置。对称设置的多个进液口111同时可以起到分压作用，有利于提升供液稳定性。所述出液口121设有向气腔5一侧延伸的螺纹接头122，所述纺丝针头2 与所述螺纹接头122连接。本实施例的导电针6与顶板11通过螺纹连接。结合图5和图6，所述气流辅助喷头3包括本体31和设于本体31上的喷口32，所述喷口32与气腔5连通，所述本体31与底板13之间设有密封垫片7，所述本体31通过若干螺钉8与底板13固定。通过调整螺钉8之间的高度差，可以实现喷口32角度的微调，从而提高静电纺丝喷头装配的同轴度。所述喷口32与所述液腔4相邻一侧为宽口部，所述液腔4远离所述液腔4一侧为窄口部，所述喷口32纵截面呈等腰梯形；所述出气口132的内径大于所述宽口部的内径。出气口132与喷口32的宽口不之间形成的沉孔结构有助于缓冲气流，可以提高高速气流喷出时的稳定性。
此外，所述窄口部与纺丝针头2外壁之间的距离与所述纺丝喷头内径之比为1/16～1/8，由于高速气流从窄口不与纺丝喷头外壁之间喷出，该内径比例可以为从纺丝喷头喷出的纺丝溶液提供适量的高速气流，从而喷出的纺丝溶液得到充分拉伸的同时，不至于断开纺丝射流。此外，所述气流辅助喷头3与纺丝针头2之间的轴向距离与所述气流辅助针头的长度之间的比为1/10～1/8，在内径逐渐减小的喷口32的导流作用下，高速气流经呈一定方向向纺丝针头2端部的纺丝溶液喷出，为纺丝溶液提供该方向的剪切力，该长度比例可以确保高速气流从喷口32吹出后，作用在纺丝针头2端部的纺丝溶液上。由于纺丝针头2与导电针6与喷头本体311之间螺纹连接，导电针6与纺丝针头2沿长度方向的位置可稍作调整，导电针6的自由端可以与纺丝针头2齐平，也可以略伸入或伸出纺丝针头2，通过调整纺丝针头2，可以确保高速气流从喷口32吹出后，作用在纺丝针头2端部的纺丝溶液上。
此外，本实用新型还提供了一种针尖诱导静电纺丝装置，包括供气系统、供液系统、高压电源，以及上述针尖诱导静电纺丝喷头；所述针尖诱导静电纺丝喷头的喷头本体由导电材料制成，所述供液系统与进液口111连接，以为液腔4和纺丝针头2提供高压纺丝溶液；所述供气系统与进液口111连接，以为气腔5和气流辅助喷头3提供高速气流；所述高压电源与紧定螺栓14相连，以为纺丝溶液提供高压静电。
综上所述，实施本实用新型具有如下有益效果：
1、由于在纺丝针头内设置导电针，增加了纺丝针头内纺丝溶液的电荷量，在无需大幅度增大工作电压的情况下可以增加纺丝溶液的供给量达到同样的纺丝质量，因此可以使用更大直径的纺丝针头提供更大的纺丝溶液供给量，可以提高纳米纤维的生产效率，且安全性高；
2、纺丝针头可调整伸出气流辅助喷头的长度，可确保高速气流作用于纺丝针头端部的纺丝溶液，对纺丝溶液起到拉伸作用；
3、气流辅助喷头的倾角可通过微调保证与纺丝针头的同轴度，纺丝溶液在高速气流下的拉伸效果好；
4、气流辅助喷头与纺丝针头、导电针对应设置为若干组，高纳米纤维的生产效率更高；
5、喷头本体的组合结构简单，拆洗方便，纺丝质量可控。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
