一種電紡機

《一種電紡機》是廣州邁普再生醫學科技有限公司和深圳邁普再生醫學科技有限公司於2012年1月12日申請的發明專利，該專利的申請號為2012100654603，公布號為CN102586903A，公布日為2012年7月18日，發明人是王國帥、徐弢、袁玉宇。

《一種電紡機》具有多輥式接收裝置、紡絲噴頭和真空箱體三個部分。多輥式接收裝置包括可轉動的平面多輥和立體多輥；電紡液噴絲裝置包括噴頭和電紡絲供液裝置，噴頭包括針和帶有通孔的儲液容器；電紡液從針和通孔之間的空隙流出，電紡液經噴頭形成泰勒錐後出絲，到達接收輥；接收輥有兩個以上，每個接收輥對應至少一個噴頭，噴頭沿著相應的接收輥的軸嚮往復運動；真空箱將電紡液噴絲裝置和接收裝置容納在內，氣體經真空箱抽氣口離開真空箱被處理後，從真空箱進氣口回到真空箱，再進行下一次的循環。該發明具有結構簡單，有效提高生產效率的優點，適用於靜電紡絲領域。

2018年12月20日，《一種電紡機》獲得第二十屆中國專利銀獎。

（概述圖為《一種電紡機》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種電紡機
• 公布號：CN102586903A
• 公布日：2012年7月18日
• 申請號：2012100654603
• 申請日：2012年1月12日
• 申請人：廣州邁普再生醫學科技有限公司、深圳邁普再生醫學科技有限公司
• 地址：廣東省廣州市高新技術產業開發區科學城攬月路80號E區第三層
• 發明人：王國帥、徐弢、袁玉宇
• 分類號：D01D5/00（2006.01）I
• 代理機構：廣州市華學智慧財產權代理有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：裘暉

專利背景

在納米纖維材料的製備方法中，靜電紡絲技術具有獨特的優點。首先，常規紡絲工業製備的超細纖維最高只能達到微米級別，無法達到精細過濾、多孔支架等許多領域套用中的要求，如在組織工程支架領域，需要細小直徑的纖維以便於機體的降解吸收。套用中的靜電紡絲製備的纖維直徑為100至500納米，可較好的滿足套用方面的需求。其次，靜電紡絲已被公認為最為簡單有效製備納米纖維的方法並已成功用於多種材料的納米纖維製備。最後，電紡材料具有的高孔隙性、高比表面、高滲性等特性，在組織工程、膜工程、感測器、生物晶片等領域得到了廣泛的研究與套用。

自1930年Formhals發明靜電紡絲技術以來，人們已成功製備各種聚合物納米纖維並對其性能作了詳細研究。其基本原理如下：在高壓靜電場中，聚合物溶液進入並在高場強下充電。帶電液滴受到的庫侖力、表面張力及溶液間的粘力。當力處於平衡狀態時，液滴外觀表現為泰勒錐；當庫侖力繼續加大，平衡被打破，纖維從液滴上抽出並在向收集端運動中不斷地分裂為納米纖維。溶液在運動中揮發，形成納米纖維絲。

實際套用中的一些技術細節問題，阻礙了靜電紡絲技術的工業化套用。如噴射型的電紡絲設備的紡絲效率為0.1至1克/時。而且2012年1月前已有的紡絲設備大多採用單根毛細管/針頭，主要通過毛細管/針頭的疊加來提高效率，為了達到高通量的電紡絲產品的製備，採用的技術有多噴頭，通過增加紡絲噴頭的數量以達到高通量的目的，如中國專利ZL200610028790.X，ZL200720103321.X，ZL200910031948.2；但毛細管/針頭的加工和清洗存在一定的難度，嚴重阻礙靜電紡絲的生產效率，而且噴頭之間的干擾往往造成紡絲效果的降低。多噴頭的管路設計存在的缺陷，往往會造成每個噴頭出液速度的不均勻及成膜質量的降低。

2012年1月前的陣列多噴頭靜電紡絲設備，包括電紡液供液裝置、電紡液噴絲裝置、接收電極板、電紡纖維傳送裝置和高壓靜電發生器。電紡液噴絲裝置包括噴管和噴頭，噴頭採用毛細管，呈陣列排布；電紡纖維傳送裝置包括進料滾筒裝置和出料滾筒裝置。噴管沿電紡纖維傳送方向並列設定；噴頭沿噴管軸向並列設定，噴管間距為1至100厘米，噴頭間距為1至50厘米，電紡絲噴液裝置採用陣列多噴頭裝置。

這種結構的設備，毛細管容易堵塞，同時，陣列的噴管和噴頭加工困難。這種多管平行排列的結構，在加工具有較大粘性的材料時容易造成各毛細管管口處的壓力不均，出液速度不穩定，進而可能造成針頭掛絲等問題，影響生產的長期穩定性。

傳統靜電紡絲設備由於小範圍排布噴管會造成各個噴絲口處場強的分布極不均勻，常常無法正常的全部噴射。與此同時較大的相鄰射流靜電排斥，致使接收極上獲得獨立的多個圓形膜，沒有達到小範圍內提高單位面積噴絲速率。

2012年1月前的迴轉式紡絲電極，包括一對絕緣端面，端面間若干金屬絲形成的紡絲構件，紡絲構件沿圓周同等分布，且與迴轉式紡絲電極的旋轉軸線平行。這種結構，紡絲纖維的連續性不如毛細管式電紡絲設備；溶液處於一個相對較為開放的環境中，溶液易揮發。

《一種電紡機》的目的是：提供一種結構簡單，有效提高生產效率的同時保證產品的質量更穩定的電紡機。

《一種電紡機》包括：電紡液噴絲裝置和接收裝置；電紡液噴絲裝置包括噴頭，接收裝置包括可轉動的接收輥；電紡液經噴頭形成泰勒錐後出絲，到達接收輥；接收輥有兩個以上，每個接收輥對應至少一個噴頭，噴頭沿著相應的接收輥的軸嚮往復運動。

採用這種結構後，即採用兩個以上的接收輥，且接收輥和噴頭成對設定，各接收輥和噴頭同時作業，採用接收輥的個數即為產量提高的倍數。噴頭各自獨立設定，較陣列式的噴頭來說，噴頭之間只要相隔一定距離，將不會受其他噴頭的靜電場的影響。同時，只要將接收輥之間相隔一定距離，接收輥之間的相互影響也會較小，尤其當接收輥之間的距離設定在60厘米以上時，相互干擾已經維持在一個很小的水平，甚至可以忽略不計。噴頭沿著相應的接收輥的軸嚮往復運動，可使接收輥在軸向上接收的絲厚度均勻。

對於採用多個接收輥的結構，有如下四種優選的方式：各接收輥排列在同一水平面上；接收輥沿著軸向方向依次排列成行，沿著平行方向依次排列成列；每個接收輥分別與靜電產生裝置相接，接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反。各接收輥排列在同一水平面上，並圍成圈；每個接收輥分別與靜電產生裝置相接，接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反。排列成兩層以上；同一水平面上的接收輥沿著軸向方向依次排列成行，沿著平行方向依次排列成列；不同水平面的接收輥對應平行排列；每個接收輥分別與靜電產生裝置相接，接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反。排列成兩層以上；同一水平面的接收輥圍成圈；不同水平面的接收輥對應平行排列；每個接收輥分別與靜電產生裝置相接，接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反。

這四種優選的結構，可在接收輥保持避免相互影響距離的前提下，使接收輥的排列更為緊湊，尤其對於多層的接收輥結構，便於操作者在一個位置上同時實現對多個接收輥的操作。接收裝置採用多輥式結構，單組輥單元可以較獨立的調節接收時所需的轉速，如有需要也可對接收裝置的接收電壓作適當的調節。接收輥與支撐接收輥的固定裝置間通過無油軸承或其他工業上常見的連線方式，實現接收輥在支撐架上的轉動。接收輥的驅動方式為電機驅動，相鄰結構間可採用皮帶、齒輪和鏈條等常見的傳動方式。每個接收輥採用一套單獨的噴頭，可單獨製備納米電紡膜。這裡所說的單組輥單元，例如對於平面的行列式結構來說，可將一行接收輥設為一組；對於多層圈式結構來說，可將平行的垂直豎列作為一組；當然也可根據需要，將任意若干個接收輥設為一組，只要同組的接收輥通過傳動結構關聯後，可同時調整轉速即可。對於平面結構的接收輥，噴頭可設定在對應接收輥的上方；對於多層結構的接收輥，噴頭可設定在對應接收輥的外側。每個接收輥分別與靜電產生裝置相接，接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反，調整接收輥負電壓值以最佳化電紡膜性能。

電紡機還包括將電紡液噴絲裝置和接收裝置容納在內的真空箱。真空箱的進氣口高於抽氣口；抽氣口接真空泵；氣體經抽氣口離開真空箱被處理後，從進氣口回到真空箱，再進行下一次的循環。

採用這種結構後，進氣口高於抽氣口，尤其當進氣口與抽氣口儘量遠離，即進氣口位於靠上的位置，抽氣口位於靠下的位置，風路的方向為由上往下，與電紡絲的出絲方向相一致。抽氣口抽出的氣體通過一系列的處理，如：溶劑蒸汽收集、除濕、溫度調節後從進氣口重新進入真空箱中或直接回收。可在真空箱的內部設有溶劑蒸汽監測器、溫度監測器、濕度監測器等實現對紡絲環境的實時檢測，並通過設定控制系統的反饋調節系統，實現設備全自動化。氣體循環利用，可在規模化生產中實現零排放，減少對環境的污染。

噴頭包括針和帶有通孔的儲液容器，針穿過通孔；電紡液從針和通孔之間的空隙流出，在針頭處形成泰勒錐。針孔式結構的噴頭易於加工。當帶有通孔的儲液容器受到一定的壓力，電紡液即可在通孔和針之間的間隙流出，在針的引導和靜電力的作用下，電紡液即可在針頭形成泰勒錐並進行靜電紡絲。

噴頭包括與儲液容器相對固定的針板；多根針分布在針板的同一面上；儲液容器的通孔數量與針的數量相同、位置對應；針頭伸出儲液容器的長度為1至10毫米。

所述的針的橫截面可以是圓形、橢圓形、三角形、正方形等形狀或為其他的形狀，針頭處可形成尖端或不形成尖端，只要針的形狀能引導電紡液形成泰勒錐即可。針的橫截面的面積可以為0.01至4平方毫米，優選為0.01至0.25平方毫米。通孔的形狀可以為圓形、橢圓形、三角形、正方形、星形、彎月形或為其他的形狀，只要能使針通過其中並與針之間留有間隙即可，優選通孔的寬度略大於針0.1毫米。針伸出通孔的尺寸可以為1至10毫米，優選2至5毫米。針可以垂直於通孔所在的平板面從通孔中伸出，也可以傾斜於通孔所在的平板面從通孔中伸出，整個噴頭在安裝時，只要滿足針垂直於對應接收輥外曲面的切線方向即可。

電紡機還包括電紡液供液裝置，包括：氣泵、緩衝配氣室、儲液室；裝有電紡液的儲液室的數量與噴頭相同，且與噴頭一一對應；氣泵與緩衝配氣室氣路連通，緩衝配氣室通過分氣管與每個儲液室氣路連通，每個儲液室與對應的噴頭液路連通。

改善效果

採用這種結構後，即電紡液噴絲裝置與接收裝置位於真空的條件下工作，可帶來如下的優點：1、由於噴頭噴出電紡液採用常壓方式，而噴頭外處於真空狀態，兩者產生的壓差可作為噴頭噴出電紡液的驅動力；2、真空條件下，電紡液中溶劑的沸點進一步降低，加快了溶劑揮發速度，避免了高通量靜電紡絲中電紡膜透明現象的出現；3、在真空密閉的環境中，易於對電紡絲氛圍進行精確的控制，避免環境因素的影響，如溫度、濕度、灰塵雜質的影響；4、真空抽氣可便於溶劑的回收，利於保護環境，重複利用資源。

採用這種結構後，一個噴頭上可密集的排布多個通孔，形成多個泰勒錐，提高生產效率。同時，這種結構的噴頭容易加工，噴液時不易堵塞、不滴液，維護時便於清洗。通過調整合適的針長度及針分布，減弱了針之間的電場干擾，避免個別通孔產生阻塞現象，進一步提高了紡絲效率及紡絲質量的穩定性。

2012年1月前已有技術方案中，壓力式電紡液驅動往往採用的是氣泵直接加壓於儲液室，電紡液從儲液室中進入噴頭。這種方案在僅有一個噴頭可完成生產，當噴頭的數量很多時，尤其噴頭分層排列，即依據分層排列的接收輥排列在不同的高度時，具有以下不足：1、不同高度的噴頭之間所受壓力會有不同，影響生產穩定性；2、管路中有大量的原料，生產時不可能保證所有管路中的原料同時出料結束，在多管路系統中，易造成管路中原料浪費及管路清潔維護困難；3、由於靜電紡絲使用的原料多為具有一定黏度的液體，液體在管路中傳遞時受流體力學影響，會有壓力阻滯作用，該不穩定因素進一步影響了生產的穩定性。採用緩衝配氣室後，每組儲液室和噴頭均由緩衝配氣室單獨供氣，氣路分別獨立，因此避免了前述提及的重力、液路殘留及管壁黏滯等現象。通過調整緩衝配氣室的體積，可進一步提高氣體壓力的緩衝穩定性。總的說來，緩衝配氣室的設定可保證各噴頭所受的壓力恆定、簡化結構、降低成本並且易於操控。

附圖說明

圖1是第一種實施方式中接收輥的示意圖。

圖2是第一種實施方式中噴頭的結構示意圖。

圖3是第二種實施方式接收輥的多層圈式結構示意圖，且其位於真空箱內。

圖4是第二種實施方式中帶有傾斜式針的針板。

圖5是電紡液供液裝置與電紡液噴絲裝置的供液原理圖。

附圖示記和對應的名稱

序號	名稱	序號	名稱
1	接收輥	11	真空箱
2	支撐架	12	進氣口
3	噴頭	13	抽氣口
4	支架	14	通孔
5	儲液容器	15	液管
6	針板	16	分氣管
7	蓋板	17	儲液室
8	針	18	緩衝配氣室
9	出液口	19	氣泵
10	皮帶	-	-

權利要求

1.《一種電紡機》包括：電紡液噴絲裝置和接收裝置；電紡液噴絲裝置包括噴頭,接收裝置包括可轉動的接收輥；電紡液經噴頭形成泰勒錐後出絲，到達接收輥，其特徵在於：所述接收輥有多個，每個接收輥對應至少一個噴頭，噴頭沿著相應的接收輥的軸嚮往復運動；

接收輥排列成兩層以上；同一水平面上的接收輥沿著軸向方向依次排列成行,沿著平行方向依次排列成列；不同水平面的接收輥對應平行排列；每個接收輥分別與靜電產生裝置相接，接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反；

噴頭設定在對應接收輥的外側，接收輥之間的距離設定在60厘米以上。

2.按照權利要求1所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的電紡機還包括將電紡液噴絲裝置和接收裝置容納在內的真空箱。

3.按照權利要求2所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的真空箱的進氣口高於抽氣口；抽氣口接真空泵；氣體經抽氣口離開真空箱被處理後，從進氣口回到真空箱，再進行下一次的循環。

4.按照權利要求1所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的噴頭包括針和帶有通孔的儲液容器,針穿過通孔；電紡液從針和通孔之間的空隙流出，在針頭處形成泰勒錐。

5.按照權利要求4所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的噴頭包括與儲液容器相對固定的針板；多根針分布在針板的同一面上；儲液容器的通孔數量與針的數量相同、位置對應；針頭伸出儲液容器的長度為1至10毫米。

6.按照權利要求1至5中任一項所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的電紡機還包括電紡液供液裝置，包括：氣泵、緩衝配氣室、儲液室；裝有電紡液的儲液室的數量與噴頭相同，且與噴頭一一對應；氣泵與緩衝配氣室氣路連通，緩衝配氣室通過分氣管與每個儲液室氣路連通，每個儲液室與對應的噴頭液路連通。

7.一種電紡機，包括：電紡液噴絲裝置和接收裝置；電紡液噴絲裝置包括噴頭,接收裝置包括可轉動的接收輥；電紡液經噴頭形成泰勒錐後出絲，到達接收輥，其特徵在於：所述接收輥有多個，每個接收輥對應至少一個噴頭，噴頭沿著相應的接收輥的軸嚮往復運動；

接收輥排列成兩層以上；同一水平面的接收輥圍成圈；不同水平面的接收輥對應平行排列；每個接收輥分別與靜電產生裝置相接,接收輥電壓與噴頭處電壓極性相反；

噴頭設定在對應接收輥的外側，接收輥之間的距離設定在60厘米以上。

8.按照權利要求7所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的電紡機還包括將電紡液噴絲裝置和接收裝置容納在內的真空箱。

9.按照權利要求8所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的真空箱的進氣口高於抽氣口；抽氣口接真空泵；氣體經抽氣口離開真空箱被處理後，從進氣口回到真空箱，再進行下一次的循環。

10.按照權利要求7所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的噴頭包括針和帶有通孔的儲液容器,針穿過通孔；電紡液從針和通孔之間的空隙流出，在針頭處形成泰勒錐。

11.按照權利要求10所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的噴頭包括與儲液容器相對固定的針板；多根針分布在針板的同一面上；儲液容器的通孔數量與針的數量相同、位置對應；針頭伸出儲液容器的長度為1至10毫米。

12.按照權利要求7至11中任一項所述的一種電紡機，其特徵在於：所述的電紡機還包括電紡液供液裝置，包括：氣泵、緩衝配氣室、儲液室；裝有電紡液的儲液室的數量與噴頭相同，且與噴頭一一對應；氣泵與緩衝配氣室氣路連通，緩衝配氣室通過分氣管與每個儲液室氣路連通，每個儲液室與對應的噴頭液路連通。

實施方式

• 實施例一

電紡機包括電紡液供液裝置、電紡液噴絲裝置、接收裝置和高壓靜電發生器。如圖1所示，接收裝置包括四個接收輥1，接收輥1均安裝在支撐架2上。沿著接收輥1的軸向方向，兩接收輥1排列成行；沿著接收輥1的平行方向，接收輥1排列成兩列。一行接收輥1為一組，同組的接收輥1間通過齒輪傳動，且由電機帶動轉動；同組的兩接收輥1以相同的速率轉動，並可同時調節轉速。接收輥1的正上方設有噴頭3，四個接收輥1對應四個噴頭3，噴頭3安裝於支架4上。噴頭3在水平面上沿著接收輥1的軸向來回運動，從而保證接收輥1可均勻接收電紡絲。每個接收輥1可通過電刷、導線等類似部件連線與噴頭極性相反的靜電產生裝置，靜電產生裝置分別對各個接收輥1的電壓進行調節，調節電壓值改變靜電紡絲噴頭與接收輥1的電場分布，以達到調節產品性能的目的。

電紡液噴絲裝置主要包括噴頭3、用於安裝噴頭3的支架4、以及驅動支架4水平往復運動的驅動裝置。如圖2所示的噴頭3除可採用針管式結構外，還可設計主要包括儲液容器5、針板6以及蓋板7組成的針孔式結構。儲液容器5的底部設有通孔14。針板6固定於儲液容器5底板的凸台上。針板6的下部平面均布多根針8，針板6上均布若干出液口9。針8與針板6的平面垂直，針8的數量與位置與通孔14對應。蓋板7上設有接液管15的安裝頭。安裝時，針板6置入儲液容器5和蓋板7中，從而針8的針頭可穿過通孔14並從儲液容器5中伸出4毫米。

圖5所示的電紡液供液裝置與電紡液噴絲裝置，其中電紡液供液裝置包括：氣泵19、緩衝配氣室18以及儲液室17。氣泵19供氣至緩衝配氣室18，緩衝配氣室18通過分氣管16分成多條氣路。每條分氣管16與該支路的儲液室17氣路連通，儲液室17與噴頭3通過液管15液路連通。氣泵19供氣給緩衝配氣室18，緩衝配氣室18對各儲液室17分別進行壓力調節。當緩衝配氣室18對儲液室17施加壓力時，儲液室17內的電紡液經液管15輸送至蓋板7和針板6之間的容腔內，再經針板6上的出液口9進入針板6和儲液容器5之間的容腔內，最後從針8與儲液容器5底部的通孔14之間的間隙流出，在針8的導向和靜電的作用下，在針頭處形成泰勒錐。

在高壓靜電發生器的作用下，由於噴頭3帶有高壓，而接收輥1為金屬輥，因此噴頭3與接收輥1間存在壓差，電紡絲形成並被接收輥1接收。

• 實施例二

電紡機包括電紡液供液裝置、電紡液噴絲裝置、接收裝置、真空箱11和高壓靜電發生器。圖3所示，其中接收裝置的接收輥1為多層圈式結構。十二個接收輥1排成三層，每層四個圍成一圈，不同水平面間的相應豎列的接收輥1相互平行。豎列的三個平行接收輥1為一組，由電機驅動，相鄰接收輥1通過皮帶10傳動，從而同組接收輥1以同樣的轉速轉動接收，並可同時調整轉速。

每個接收輥1的外側均設有一個噴頭3（圖3中未全示出十二個噴頭）。噴頭3沿著接收輥1的軸嚮往復運動。

接收裝置與電紡液噴絲裝置容納在真空箱11內，真空箱11靠近上方設有進氣口12，靠近下方有抽氣口13。抽氣口13接真空泵，氣體經抽氣口13離開真空箱11被處理後，如：溶劑蒸汽收集、除濕、溫度調節等，從進氣口12回到真空箱11，再進行下一次循環。

圖4所示的噴頭3，其針板6上的針8與針板6的平面傾斜，相應的，儲液容器5中的通孔14也是傾斜的通孔。針板6固定於蓋板7上。該噴頭3隻要在安裝時，滿足針8垂直於對應接收輥1外曲面的切線方向即可。該針板6上沒有設有出液口，針板6的尺寸小於儲液容器5內腔的尺寸，從而電紡液可通過針板6的外圍間隙，從針板6上方流至針板6下方。

該實施例未提及部分同實施例一。

榮譽表彰

2018年12月20日，《一種電紡機》獲得第二十屆中國專利銀獎。