陈　鹏，金李静芳，袁　媛

(国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北武汉　430000)



批量化制备纳米纤维静电纺丝装置的专利技术综述

陈鹏，金李静芳，袁媛

(国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北武汉430000)

通过对国内外静电纺丝装置领域的专利申请检索，分析了批量化制备纳米纤维静电纺丝装置的结构和性能。目前，国内的批量化制备纳米纤维静电纺丝装置能在一定程度上提高纳米纤维的产量，但是纤维质量的可控性差；今后应对无针式静电纺丝原理和多射流行为展开进一步研究，以夯实纳米纤维产业化生产的基础。

静电纺丝；纳米纤维；批量化；无针式；专利

近年来发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸法、模板聚合法、相分离法、自组装法、静电纺丝法等[1]，其中静电纺丝法是目前可直接且连续制备纳米纤维的方法[2]。传统的单针头静电纺丝装置由于其针头容易堵塞，且纺丝速率只有0.1～1.0g/h，产量较小，难以实现批量化制备纳米纤维，不能满足产业化应用的需求。为了实现批量化制备纳米纤维，目前人们对批量化制备纳米纤维静电纺丝装置的研究开发主要有以下两类：第一类是多针头式静电纺丝；第二类是无针式静电纺丝。本文基于这两类静电纺丝装置，通过对近年来国内专利申请进行梳理和分析，为该领域的研发主体在拓宽研究思路上提供一些参考。

1　多针头式射流静电纺丝装置

多针头射流静电纺丝是指通过一定的方式排布一定数量的针头进行静电纺丝，在多针头静电纺丝系统中，各针头间电场干扰是制约多针头纺丝发展的主要问题，为此，有研究者通过安装屏蔽装置、改变针头排列、增加辅助气流等方式缓解针头间电场干扰问题。

Toniaszevvski等[3]研究不同针头排列方式对纺丝效果的影响，结果表明采用圆形方式排列多针头优于线性和椭圆排列的多针头。Kim等[4]通过用一个圆环状的辅助电极与多针头的喷头结构连接，不仅减弱了针头间电场之间的相互作用，还避免了外界气流对喷头的影响。覃小红等[5]在2007年申请了一种朝上喷的多喷头静电纺丝机的专利，采用屏蔽套屏蔽喷头之间的电场，使得静电纺丝更加稳定。

郑高峰等[6]在2013年申请了一种多喷头静电纺丝装置的专利，如图1所示。该装置通过引入双层辅助气流拉伸，上层气流有助于提高纺丝速度，进一步细化纤维直径，下层气流可以带走射流表面的电荷，降低射流之间的静电干扰。

1-可控注射装置，2-液体导管，3-分液装置，4-高压电源，5-上层气罩，6-下层气罩，7-曲面电极板，8-纺丝喷头，9-转接头，10-下层气体导管，11-辅助调压阀，12-辅助气泵，13-上层气体导管，14-调压阀，15-气泵，16-接收装置图1　多喷头静电纺丝装置

虽然多针头静电纺丝装置能显著的提高纺丝效率，但是仍然存在针头数量有限、清洗困难，针孔容易堵塞等缺点。目前大多数的多针头静电纺丝装置通过引入气流场[7]，在一定程度上缓解针头之间的电场干扰，因此，批量化制备纳米纤维静电纺丝装置研究逐渐向高产的无针式静电纺丝装置发展[8]。

2　无针式射流静电纺丝装置

目前无针式静电纺丝装置主要包括有滚筒式、离心式、气泡式、振荡式等纺丝装置，还包括一些多场(如磁场或者气流场)辅助静电纺丝装置。下面分别就具有代表性的无针式静电纺丝装置技术进行梳理，以便对该技术现状有更加清晰的认识。

2.1滚筒式静电纺丝装置

滚筒式静电纺丝装置是在滚筒表面设置凸起、翅片、沟槽以及针状电极等，滚筒在旋转的过程中表面携带纺丝液，进入静电场后，纺丝液形成大量射流，从而提高纤维的产量。

孙道恒等[9]早在2006年申请了一种聚合物纳米纤维批量喷吐装置的专利，部分位于纺丝液槽的金属滚筒，在电机的驱动下旋转，金属滚筒表面导电凸起带有纺丝液，在直流高压电场的作用下，滚筒表面的纺丝液形成射流，在电场中经历加速鞭动、溶剂蒸发以及劈裂等过程，最终以纳米纤维的方式沉积在匀速运动收集板上，比传统的静电纺丝效率提高了100倍左右。程博闻等[10]在2009年申请了一种静电纺纳米纤维非织造布生产装置的专利，如图2所示。该装置带有锥形螺纹的金属滚筒浸渍在带有保温功能的储液池中，通过电机驱动滚筒旋转，在锥形螺纹的表面携带熔体，经过电场加速产生射流形成聚合物纳米纤维。为了进一步使纤维直径更细，程博闻等[11]又在2012年申请了一种多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置的专利，如图3所示。该装置改进了原来的锥形螺纹带液，采用实心针电极带液，有助于减小纺丝电压，并且能使得纤维直径更细。为了进一步提高纳米纤维的产量和改善纤维的均匀度，刘延波等[12]在2013年发明了一种尖端式无针头静电纺丝设备，如图4所示。该设备将具有尖端式针布的针板固定在链条表面，链条与传动装置连接，带动链条的转动，由此使得尖端式针尖获得一定的带液量，尖端部位在静电场中能够获得更加均匀强大的电场，制得纤维较细，而且具有多块针布同时纺丝，可以大幅提高纳米纤维的产量。上海云同纳米科技中心[13]在2014年申请了一种静电纳米纤维发生器的专利，如图5所示。该装置通过输液孔将纺丝液输送至旋转的滚筒的叶片上，进行静电纺丝，其克服了常规的滚筒式静电纺丝装置由于开放的液槽而导致溶剂挥发的问题。然而，不论是在溶液静电纺丝还是在熔体静电纺丝中，滚筒由于表面曲率大，表面带液量多，电场在表面分布不均，且需要较高的纺丝电压来克服纺丝液的表面张力来形成泰勒锥，形成的纤维直径较粗且不均匀。

1-熔融池，2-金属滚筒，3-接收网帘，4-高压静电发生器，9-接地金属极板，51-主动导辊，52-被动导辊，61-滚筒同步电机，62-网帘同步电机，71-滚筒减速器，72-网帘减速器，81-滚筒皮带轮，82-网帘皮带轮图2　静电纺纳米纤维非织造布生产装置

1-储液池，2-转液辊，3-实心针电极喷丝辊，4-接收装置，5-高压静电发生器，11-进液口，12-出液口，41-无孔网帘，42-接地极板，51-正极，52-负极图3　多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置

5-纺丝液，10-针板，15-纺丝液存储盒，20-L型连接片，30-螺纹孔，40-连接片，50-金属针布，60-链条，7-链轮，80-外链板，90-链节，100-被动轴，110-T型支架，120-T型导轨，130-负电极，140-基布，150-退绕轴，160-溢液管，170-喂液管，180-卷绕轴，190-含纳米纤维的基布，200-纳米纤维薄膜，210-主动轴，220-负高压直流电源，230-平板支架，240-纺丝细流，250-纺丝箱体图4　尖端式无针头静电纺丝设备

100-供液装置，300-收集装置，400-电源发生器，500-静电纺丝头，600-液体容积，700-驱动装置，800-传动装置图5　静电纳米纤维发生器

2.2离心式静电纺丝装置

离心式静电纺丝装置是利用带有孔洞或者网眼的旋转体高速旋转，通过离心力将纺丝液甩出，进入静电场后形成大量射流，从而获得大量的纤维。

高桥光弘[14]在2008年申请了一种纳米纤维和高分子网状物的制造方法和装置的专利，通过旋转驱动装置驱动旋转容器旋转，利用带电装置使从旋转容器的小孔内流出的液体带电，然后在反射电极或者送风装置下发生偏转，加速牵伸射流制得大量的纳米纤维。2011年，李世江等[15]采用由金属网眼制备的旋转甩筒，如图6所示。甩筒旋转时所产生的离心力将纺丝液甩出，有效避免传统的喷头喷孔堵塞，极大的提高了纺丝效率；但是该装置制备的纳米纤维直径分布离散度较大，产品结构不匀。在2012年，刘延波等[16]发明了一种离心式无针头静电纺丝装置，如图7所示。该装置采用带外凸钉的内圆辊和带内凸钉外圆筒交叉嵌套分布，且外圆筒的表面均匀分布1～3排纺丝孔，其可实现纳米纤维规模化、连续化生产，并且能克服孔洞或者网眼离心式静电纺丝装置纺丝液不可控导致纤维直径粗细不匀的问题。2014年，邹守宝等[17]申请了一种离心静电连续纺纳米纤维装置的专利，包含复数部分的纺丝槽，纺丝槽由若干分叉变窄的通道组成，落料入口与溶料出口的数量成2n的关系，该装置既能提高纺丝效率，又获得了有序可控的纳米纤维。离心式静电纺丝技术，由于离心力作用，喷丝孔不容易堵塞，纺丝液可获得一个初始速度，因此所需纺丝电压较低。

1-机架，2-旋转甩筒，3-转盘，4-导体支撑座，5-传动轴，6-驱动装置，7-接线端子，8-隔离盘，12-纺丝液，16-进料口，17-进液导管，18-增速装置图6　离心式静电纺丝装置

20-储液槽，30-泵，43-进液口，45-内圆辊，65-外圆筒，70-中心轴，80-接收电极，88-高压静电发生器，90-纺丝孔，105-传输网帘，120-负压风机图7　离心式无针头静电纺丝装置

2.3气泡式静电纺丝装置

气泡式静电纺丝装置是将高电压施加于聚合物溶液表面和反电极之间，当电压足够高时，纺丝射流就在聚合物溶液中的气泡上形成，形成的纤维在反电极上接收。

早期的日本专利JP3918179描述了经多孔膜或者薄管吹入的压缩空气在聚合物表面形成连续的气泡，但是气泡随后非常快的爆裂，而且大多数有机溶剂不容易形成气泡，吹气过程中溶液挥发较快，因此，早期的气泡式静电纺丝技术不具有普适性。何吉欢申请了一系列的关于气泡式静电纺丝装置的发明专利。在2009年申请了一种可便携制备纳米纤维的喷气静电纺丝装置的专利，如图8所示[18]。该装置通过设置一个具有液面较小的气泡发生器，能很好的抑制溶剂的挥发，该装置具有小巧便携的优点。2012年申请了另一种气泡静电纺丝装置的专利，如图9所示，在气泡发生器的容器壁上增加了加热装置，可以对溶液或者熔体的温度进行很好的控制，可以有效的提高纤维品质的稳定性[19]。2012年分别提出了两种不同的多孔气泡静电纺丝装置，分别如图10和图11所示[20-21]。这两个装置分别采用多孔平板和多孔螺旋金属导气管作为气泡发生装置，气泡生成量大，提高了气泡产生的均匀性，设备简单，易操作，可以实现纳米纤维批量化生产。2014年，惠宇娜等[22]开发出一种气泡静电纺丝装置，通过在滚筒空腔的气孔上方设置辅助电极，使所喷丝之间形成有效隔离，防止互扰，改善了纺丝质量。气泡式静电纺丝装置虽然可以生产大量的纤维，但是由于气泡大小的可控性差，纺丝射流受到的干扰因素较为复杂，影响了所制得的纤维的质量。

1-气泵，2-导气管，3-喷头，4-金属电极，5-静电发生器，6-气泡发生器，7-导液管，8-贮液池，9-接收极板，10-导线图8　可便携纳米纤维喷气静电纺丝装置

1-贮液池，2-加热装置，3-高压静电发生器，4-气泵，5-喷气管，6-导气管，7-金属电极，8-接收极板，9-接地电极，10-搅拌器图9　气泡静电纺丝装置

1-贮液池，2-高压静电发生器，3-气泵，4-喷头，5-接收极板，6-金属板，7-导气管，8-金属电极，9-接地电极图10　多孔气泡静电纺丝装置

1-贮液池，2-多线圈旋转金属导气管，3-滚筒，4-高压静电发生器，5-气泵，6-接地电极图11　多孔气泡静电纺丝装置

2.4振动式静电纺丝装置

振动式静电纺丝装置，通过使得溶液槽内的液体产生波动，克服自身重力，形成射流，随后在电场力的作用下，在接收极生成纳米纤维。产生振动的方法主要有超声波振动，机械振动等。

在2007年，俞建勇等[23]申请了一种纳米纤维振动静电纺丝装置的专利，如图12所示。该装置通过在贮液池的底部设置超声波发生器，在液面上形成波峰凸起，被电荷极化的凸起形成泰勒锥，在接收帘上形成纳米纤维。该装置可以满足大批量生产纳米纤维非织造布。2011年，覃小红等[24]发明了一种超声波振荡静电纺丝喷头，其中包括一种超声波处理器，加上铜质喷丝头内部顶端的边缘处电场强度最大，同一电压作用下，克服了溶液或者熔体产生多根射流，提高静电纺丝的产量，可实现纳米纤维的规模化生产。2012年，谢维[25]发明了一种连续大量生产电纺纳米纤维膜的方法及设备，如图13所示。该设备通过设置一个具有无数的排列规律的小突起组成振动带电电极，辅助一个空气流场，可减弱纳米纤维的排斥，提高纤维膜的均匀性和产率。2014年，郑高峰等[26]申请了一种纤维毡制备装置的专利，如图14所示。该装置设有周期性往返振动的诱导片，当诱导片与固定片相遇时，在液面上产生波动，随后溶液克服自身重力形成高速射流，在静电场力和重力的作用下形成纳米纤维毡。杨卫民等[27]发明了一种琴弦式静电纺丝装置，如图15所示。该装置通过一种自动拨弦装置，使得纺丝弦做周期性的上下振动，通过振动力与电场力的共同作用，降低了纺丝电压，而且还可以通过改变弦长，调节振动频率和波形，实现对纺丝过程的控制，适合于工业化生产。

1-贮液池，2-超声波发生器，3-高压静电发生器，4-压电传感器，5-溶液或熔体，6-接收帘，7-导电极板，8-射流，9-导辊图12　纳米纤维振动静电纺丝装置

1-罩，2-空气抽吸泵，3-后气室，4-均衡板，9-聚合物容器，10-聚合物溶液，11-振动带电电极，20-连续接收网，21-对电极，19-负压室图13　连续大量生产纳米纤维膜的设备

2.5多场辅助静电纺丝装置

多场静电纺丝技术包括磁场、气流场等辅助电场实施的静电纺丝过程，射流在多场的作用下，纺丝速率快，纤维产量高。杨卫民等[28]早在2008年申请了一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置，如图16所示。该装置在纺丝过程中喷射细流受到磁场的作用，出现更大幅度的摆动，可以纺出更细的纤维；国家纳米科技中心的江雷等[29]提出采用外加磁场，可以提高纳米纤维的规则排列，以拓宽纳米纤维的应用领域。

1-纺丝箱，2-振动传导室，3-振动发生装置，4-振动输出轴，5-连接座，6-振动传导块，7-溶液槽，8-旋转收集板，9-高压电源，10-储液箱，11-计量泵，12-供液管，13-诱导片，16-诱导片凸起，17-固定片凸起，18-固定片图14　纤维毡制备装置

1-自动拨弦装置，2-接收极板，3-溶液池，4-伺服溶液供给系统，5-高压静电发生器图15　一种琴弦式静电纺丝装置

气流辅助静电纺丝装置主要用于多针头(或多喷头)静电纺丝装置，通过引入气流场，增加射流的牵伸速率，缓解针头的堵塞，降低针头间电场的互扰，制得的纤维更细更均匀。2014年，郅立鹏等[30]申请了一种带有辅助气流的静电纺丝装置的专利，当纺丝滚筒到达喷气结构的喷气区域，在气流吹力和静电力的共同作用下完成静电纺丝，大幅提高了纺丝效率。孙道恒等[31]申请了一系列的基于气流辅助技术的静电纺丝装置的专利，特别是在2013年申请的近场气流电纺直写装置，如图17所示。该装置其利用射流最初稳定直线阶段进行有序纤维的制备，引入气体聚焦射流，提升了射流运动的稳定性并加快了溶剂的挥发，为获得有序纳米纤维提供了一种思路。

1-接收装置，2-磁场装置，3-毛细管，4-喷嘴，5-螺钉，6-加热圈，7-料筒，8-活塞轴，9-加压装置，10-端盖，11-温度传感器，12-温控装置，13-高压静电发生器图16　磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝装置

1-喷头，2-微型三爪卡盘，3-垫圈，4-喷头座，5-密封圈，6-供液接口，7-接线柱，8-高压电源，9-进液通道，10-供液装置，11-供气装置，12-进气通道，13-双层气流腔，14-辅助定位块，15-U型气流通道，16-喷气块，17-收集器图17　一种琴弦式静电纺丝装置

3　结　语

目前，静电纺丝技术走向产业化的研究已展现了较大的潜力，国内外静电纺丝技术大多处于实验阶段，而关于批量化制备纳米纤维静电纺丝装置的研究还处于理论研究阶段，虽然部分技术实现了产业化，但尚未出现工业化水平的仪器进行大规模生产纳米纤维。由于缺少理论基础的支撑，而且批量化制备纳米纤维的静电纺丝过程影响因素复杂，难以对静电纺丝加工过程中的射流形状进行精确控制，因此所制得的纳米纤维取向性和有序性比较差，强力偏低。因此，今后还需要对多射流静电纺丝原理以及射流控制方法展开进一步研究，对一些关键工艺因素进行深入分析，使得批量化制备纳米纤维静电纺丝装置具有更加实际的意义。

[1] RAMAKRISHNA S, FUJIHARA K, TEO W-E et al. Electrospun nanofibers: solving global issues[J].Materials Today, 2006,9(3):40-50.

[2] 李小虎,李好义,张有忱,等.静电纺丝制备纳米纤维的最新进展[J].化工新型材料,2014,42(10-13).

[3] TONIASZEVVSKI W, SZADKOVVSKI M. Investigation of electrospinning with the use of a multi-jet electrospinning head[J].Fibres and Textiles in Eastern Europe,2005,13(4):22-26.

[4] KIM G, CHO Y-S, KIM WD. Stability analysis for multi-jets electrospinning process modified with a cylindrical electrode[J].European Polymer Journal, 2006,42(9):2031-2038.

[5] 覃小红,王善元,高亚英,等.朝上喷的多喷头静电纺丝机:200720076954.6[P].2008-10-29.

[6] 郑高峰,陈冬阳,白鹏,等.一种多喷头静电纺丝装置:201310653343.3[P].2014-03-12.

[7] 刘呈坤,王秋实,贺海军,等.喷气辅助多针头静电纺丝装置及其制备纳米纤维网的方法:201510278266.7[P].2015-08-26.

[8] YARIN A L, ZUSSMAN E. Upward needleless electrospinning of multiple nanofibers[J].Polymer, 2004,45(9):2977-2980.

[9] 孙道恒,吴德志,黄小平,等.聚合物纳米纤维批量喷吐装置:200610036635.2[P].2007-01-03.

[10] 程博闻,庄旭品,康卫民,等.一种静电纺纳米纤维非织造布生产装置:200810153891.9[P].2009-07-08.

[11] 程博闻,康卫民,刘雍,等.一种多辊实心针电极纳米纤维非织造布生产装置:201210209126.0[P].2012-10-03.

[12] 刘延波,刘健,漆东岳,等.一种尖端式无针头静电纺丝设备:201310186515.0[P].2013-08-21.

[13] 赵曙光.静电纳米纤维发生器:201410040731.9[P].2014-05-07.

[14] 高桥光弘.一种纳米纤维和高分子网状物的制造方法和装置:JP2008-31624[P].2008-02-14.

[15] 李世江,李杰,张迎晨,等.离心式静电纺丝装置:201010594117.9[P].2011-05-18.

[16] 刘延波,张泽茹,漆东岳,等.一种离心式无针头静电纺丝装置:201210347515.X[P].2012-12-19.

[17] 邹守宝,袁建波.离心静电连续纺纳米纤维装置:201410398711.9[P].2014-12-03.

[18] 何吉欢,杨瑞瑞,任忠夫.一种可便携制备纳米纤维的喷气静电纺丝装置:200910056750.X[P].2010-01-27.

[19] 何吉欢,孔海燕,周丽霞.一种气泡静电纺丝装置:201210185550.6[P].2012-09-19.

[20] 何吉欢,孔海燕,周丽霞.多孔气泡静电纺丝装置:201210389004.4[P].2013-01-02.

[21] 何吉欢,孔海燕,周丽霞.一种多孔气泡静电纺丝装置:201210390064.8[P].2013-01-09.

[22] 惠宇娜,蒋敏海,蒋含忆.气泡静电纺丝装置:201410235978.6[P].2014-09-24.

[23] 俞建勇,刘雍,何吉欢.一种纳米纤维静电振动纺丝装置:200610117671.1[P].2007-06-27.

[24] 覃小红,王衍书,吴昭华.一种超声波静电纺丝喷头及其方法:201110152579X[P].2011-10-12.

[25] 谢维.一种连续生产大量纳米纤维膜的方法及设备:201110045382.6[P].2012-08-29.

[26] 郑高峰,庄明凤,孙道恒,等.一种纤维毡制备装置:201410048359.6[P].2014-04-30.

[27] 杨卫民,李好义,吴卫逢,等.一种琴弦式静电纺丝装置和方法:201410193854.6[P].2014-08-20.

[28] 杨卫民,邓荣坚,丁玉梅,等.一种磁场辅助的用于熔体静电纺丝的装置:200720190036.6[P].2008-10-15.

[29] 江雷,仰大勇,蒋兴宇.一种制备规则排列高分子纳米纤维的装置和方法:200615171023.8[P].2008-08-08.

[30] 郅立鹏,马昭,孟庆锐.一种带有辅助气流的静电纺丝装置和设备:201410098854.8[P].2014-06-18.

[31] 孙道恒,郑高峰,王玮,等.一种近场气流电纺直写装置:201310347951.1[P].2013-11-27.

(责任编辑：周颖)

Patent Technology Review of Nanofiber Electrospinning Apparatus for Mass-Production

CHENPeng,JINLijingfang,YUANYuan

(Patent Examination Cooperation Hubei Center of Patent Office, State Intellectual Property Office, Wuhan 430000, China)

This paper analyses structures and properties of nanofiber electrospinning apparatus used for mass-production through retrieval of patent application in domestic and overseas electrospinning apparatus field. Presently, nanofiber electrospinning apparatus used for mass-production can improve the output of nanofiber to a certain extent, but the controllability of fiber quality is poor. Further study on the theory of needleless electrospinning and the behavior of multi-jetting should be carried out to consolidate the basis of industrial production of nanofibers.

electrospinning; nanofiber; mass-production; needleless; patent

2015-10-25

陈鹏(1988-)，男，湖北黄冈人，实习研究员，硕士，从事纺织工艺与机械专利审查工作。

TQ340.5

A

1009-265X(2016)05-0054-07