《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》是中原工學院於2013年3月27日申請的專利，該專利公布號為CN103147179A，公布日為2013年6月12日，發明人是何建新、崔世忠、周偉濤、梅碩。該發明屬於紡織機械領域，尤其涉及一種可批量連續製備靜電紡納米纖維紗的噴氣紡紗機及紡紗方法。
《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》包括高壓靜電發生器、帶有加壓裝置的儲液罐、橫流氣泵、集聚單元、紡絲單元、半圓形基座、集束器、噴嘴加捻器、引紗羅拉和卷繞機構。該發明集噴絲、集聚、牽伸、加捻和卷繞於一體，可以連續製備靜電紡納米纖維紗。極大提高了靜電紡納米纖維的產量；加捻器結構簡單，生產效率高。該發明的納米纖維成紗方法工藝簡單、紗線產量高，適合多種聚合物紡絲溶液，可以實現納米纖維紗的連續批量製備。
2018年8月，《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》獲得第一屆河南省專利獎三等獎。
（概述圖為《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法
- 公布號：CN103147179A
- 公布日：2013年6月12日
- 申請號：2013101016021
- 申請日：2013年3月27日
- 申請人：中原工學院
- 地址：河南省鄭州市新鄭雙湖經濟開發區淮河路1號
- 發明人：何建新、崔世忠、周偉濤、梅碩
- 專利代理機構：鄭州中原專利事務所有限公司
- 代理人：范之敏
- 分類號：D01H4/02(2006.01)I、D01D5/00(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國是世界上最大的紡織品生產國、出口國，然而，由於行業整體科技含量低、成本上升以及國際金融和歐債危機的影響，中國的紡織行業面臨嚴峻的競爭和挑戰，中國的紡織工業迫切需要更創新的產品和技術，而納米技術為中國紡織工業升級傳統紡織品提供了新途徑，其中利用靜電紡技術製備的納米纖維無紡氈因其超細尺度、高表面積和孔隙率等特點，已在服裝、生物醫用、複合材質、過濾和感測器等多領域顯示性能優勢。不過，納米纖維只有加工成連續的紗線，才能運用機織、針織、編織等紡織技術加工，從而將納米纖維融合到市場更廣闊、更有意義的傳統紡織品中，並有更高附加值的運用。
2013年3月之前已有一些靜電紡納米纖維成紗的報導，如中國專利“靜電紡納米纖維紗線的製備方法和裝置”（申請號：201110205027）通過在高聚物溶液中加入電解質，以增加纖維的集聚效果，同時採用漏斗型管道作為靜電紡納米纖維的接收裝置，並對漏斗後端的圓柱形管道切向抽真空，形成一定的氣流場對纖維進行集聚，形成納米纖維紗，該方法對納米纖維的集聚效率較低，不能得到連續的納米纖維紗，且沒有加捻作用。中國專利“納米纖維長絲束的製備方法”（申請號：200510038571.5）利用相對放置的金屬針頭分別接正負極，從兩針頭噴出來的纖維在空中相互吸引、碰撞、形成複合納米纖維，經拉伸纏繞到旋轉的滾筒上形成納米纖維絲束，該方法中長絲束中纖維連續、排列良好但沒有加捻作用，不是嚴格意義的紗線。Dabirian（Dabirian F,Fibersand Polymers,2011,12,610）和Ali（Ali U,Journal of the Textile Institute,2011,103,80）等進一步在兩個極性相反的針頭中間配置旋轉的金屬圓盤或喇叭用於集聚和加捻纖維束，實現了納米纖維的連續成紗，但是這些方法均是基於傳統的單針頭靜電紡絲系統，存在產量低（0.1-1克/小時），成紗細度小，紡紗不穩定的局限，不具備工業運用潛力。
發明內容
專利目的
該發明所要解決技術問題是提供一種靜電紡納米纖維的噴氣紡紗機，及利用上述噴氣紡紗機製備靜電紡納米纖維紗的方法。
技術方案
《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》包括高壓靜電發生器、帶有加壓裝置的儲液罐、橫流氣泵、集聚單元、紡絲單元、半圓形基座、集束器、噴嘴加捻器、引紗羅拉和卷繞機構；集聚單元、集束器、噴嘴加捻器和引紗羅拉由上至下沿同一軸線排列；集聚單元不接地，紡絲單元設定在集聚單元和集束器之間，兩個半圓形基座以軸線為中心對稱設定，每個半圓形基座上固定至少兩個紡絲單元，紡絲單元傾斜設定；其中一個半圓形基座上的紡絲單元的噴絲管通過導線與高壓發生器的正極相連，另一個半圓形基座上的紡絲單元的噴絲管通過導線與高壓發生器的負極相連，兩個半圓形基座上的紡絲單元形成帶正負電荷的噴頭對；每個半圓形基座上紡絲單元的進氣口通過輸氣管與橫流氣泵相連、紡絲單元的進液口通過輸液管與帶有加壓裝置的儲液罐相連；集束器的出口和噴嘴加捻器的紗道入口相連。
所述的紡絲單元由噴絲管通過中間連線體與氣室連線而成，中間連線體上裝配有垂直向上的噴氣管；噴絲管的下方有進液口，進液口低於噴氣管的上端，氣室的下方有進氣口；噴絲管的上方裝有防止溶液外溢的保護環。
所述的噴絲管的內徑為1-45毫米，噴絲管高度為10-500毫米，氣室的高度為10-450毫米；其中，噴絲管為金屬材質，且噴絲管外側由下而上套有絕緣材質，絕緣材質的高度為噴絲管高度的1/3~1倍，保護環、噴氣管、進液口、中間連線體、氣室、進氣口均為絕緣材質。
所述的集聚單元為帶有旋轉軸的金屬喇叭，並由傳動機構控制金屬喇叭繞旋轉軸旋轉，金屬喇叭口的直徑為5-35厘米；所述的集束器進口至出口呈直徑逐漸減小的喇叭形，出口處的直徑為0.5-10毫米。
所述的傳動機構為電機。
所述的噴嘴加捻器由進氣管、紗道、噴射孔和氣室組成；噴射孔與紗道的內圓周相切，夾角為35-55°，噴射孔數為2-12個，噴射孔徑0.1-0.6毫米；進氣管與空氣壓縮機相連線，壓縮空氣由噴射孔射入紗道，在紗道中形成用於納米纖維束的加捻的三維高速旋轉氣流，並在紗道的入口形成用於吸入納米纖維束的負壓。
所述的紗道由上而下分為三部分，在噴射孔入口上方為圓柱管，直徑1-3.5毫米，長度6-30毫米，在噴射孔入口下方為梯形管，直徑1.5-4.0毫米/5.0-9.0毫米，長度8-45毫米；最下方為圓柱形的出口管，直徑10-20毫米，長度12-60毫米。
每個半圓形基座固定2-30個紡絲單元，紡絲單元的傾斜角為15-40°。
噴絲管上端面與集聚單元的垂直距離為5-40厘米；噴嘴加捻器紗道的入口與集聚單元之間的距離為10-100厘米；高壓靜電發生器的電壓為0-200千伏。
製備連續納米纖維紗的方法包括以下步驟：
（1）加壓裝置將儲液罐中的紡絲溶液經輸液管均勻地送入各個紡絲單元的噴絲管中，紡絲溶液的液面稍低於噴絲管的上端面，高於噴氣管的上端面；
（2）橫流氣泵將氣流經輸氣管均勻地送入各個紡絲單元的氣室中，氣流經噴氣管向上噴出，紡絲溶液在噴絲管的上端面形成中空的溶液凸起；
（3）打開集聚單元的傳動機構，令其繞軸旋轉，控制轉速為0-2500轉/分鐘，集聚單元的旋轉方向和噴嘴加捻器中氣流的旋轉方向相同；
（4）打開高壓靜電發生器，調節到一定的電壓，在高壓電場作用下，極化電荷聚集在噴絲管上端面溶液凸起的頂端形成泰勒錐，在靜電力的作用下中空的泰勒錐破裂，噴射出多股射流。由於靜電誘導效應，集聚單元的兩側會帶上電荷相等、極性相反的電荷，兩個半圓形基座上的紡絲單元噴出的部分帶電射流將被吸附到與之帶相反電荷的集聚單元一側，以納米纖維網的形式沉積在集聚單元的邊緣；
（5）為了將步驟（4）中的納米纖維網引出、取向和加捻，一個絕緣的塑膠棒預先安放在集聚單元的正中心，塑膠棒緩慢向後沿水平方向抽出，形成中空的錐形納米纖維網，頂端粘附在塑膠棒上，底端與集聚單元的邊緣相連線，進一步牽伸納米纖維網的錐頂，纖維會取向、集聚成納米纖維束，或進一步通過集聚單元的旋轉預加捻成一定捻度的納米纖維條；
（6）將噴嘴加捻器的進氣管與空氣壓縮機相連線，將步驟（5）中的納米纖維束或納米纖維條引入集束器，由於負壓的存在納米纖維束被吸入紗道中，在旋轉氣流的作用下連續加捻成紗並沿紗道的出口輸出；
（7）步驟（6）中加捻的納米纖維紗在引紗羅拉的作用下輸出，經卷繞機構卷繞成筒。
該發明中，集聚單元的旋轉方向和噴嘴加捻器中氣流的旋轉方向相同，集聚單元的旋轉可對納米纖維束起到預加捻作用，因此，納米纖維紗捻度的施加可依靠噴嘴加捻器中氣流的高速旋轉單獨完成，也可由噴嘴加捻器中氣流的高速旋轉與集聚單元的旋轉共同完成。
改善效果
《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》的納米纖維噴氣紡紗機集噴絲、集聚、牽伸、加捻和卷繞於一體，可以連續製備靜電紡納米纖維紗。該發明的紡絲單元中溶液處於封閉的體系中，減少了溶液中溶劑的揮發，可以保持穩定的溶液濃度，噴絲管孔徑大，通過噴氣管的連續通氣，氣體的流動可避免噴絲管的堵塞現象，單個噴絲管能噴射出多股射流，產量為普通單針頭靜電紡的8-40倍，多個噴絲管同時噴射，極大提高了靜電紡納米纖維的產量；集聚單元處於帶正負電荷射流的交匯點，可以很好地沉積和聚集電荷中和後的納米纖維，同時集聚單元的旋轉也可以對納米纖維束起到加捻作用；利用噴嘴加捻器中高速旋轉的氣流加捻，不需要其他複雜的加捻機件，加捻器結構簡單，生產效率高；可以通過控制溶液的進液速度、通氣速度、紡絲單元的間距和數量、集聚單元轉速、噴嘴加捻器中的氣壓和流量等工藝參數，對納米纖維紗線的細度、捻度和產量進行控制。該發明的納米纖維成紗方法工藝簡單、紗線產量高，適合多種聚合物紡絲溶液，可以實現納米纖維紗的連續批量製備。
附圖說明
圖1該《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》機的結構示意圖。
圖2該發明納米纖維噴氣紡紗機中紡絲單元的結構示意圖。
圖3該發明的納米纖維噴氣紡紗機中噴嘴加捻器的縱向剖面圖。
圖4該發明的納米纖維噴氣紡紗機中噴嘴加捻器的橫向剖面圖。
圖5該發明製備的靜電紡PAN納米纖維紗的光學顯微鏡照片.
圖6該發明製備的靜電紡PAN納米纖維紗的電子顯微鏡照片。
其中：0-計量泵；1-高壓發生器；2-儲液罐；3-橫流氣泵；4-集聚單元；5-導線；6-輸液管；7-輸氣管；8-紡絲單元；9-半圓形基座；10-集束器；11-噴嘴加捻器；12-引紗羅拉；13-卷繞機構；14-保護環；15-噴絲管；16-噴氣管；17-進液口；18-中間連線體；19-氣室；20-進氣口；21-進氣管；22-紗道；23-噴射孔；24-氣室。
權利要求
1.《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》其特徵在於：包括高壓靜電發生器、帶有加壓裝置的儲液罐、橫流氣泵、集聚單元、紡絲單元、半圓形基座、集束器、噴嘴加捻器、引紗羅拉和卷繞機構；集聚單元、集束器、噴嘴加捻器和引紗羅拉由上至下沿同一軸線排列；集聚單元不接地，紡絲單元設定在集聚單元和集束器之間，兩個半圓形基座以軸線為中心對稱設定，每個半圓形基座上固定至少兩個紡絲單元，紡絲單元傾斜設定；其中一個半圓形基座上的紡絲單元的噴絲管通過導線與高壓發生器的正極相連，另一個半圓形基座上的紡絲單元的噴絲管通過導線與高壓發生器的負極相連，兩個半圓形基座上的紡絲單元形成帶正負電荷的噴頭對；每個半圓形基座上紡絲單元的進氣口通過輸氣管與橫流氣泵相連、紡絲單元的進液口通過輸液管與帶有加壓裝置的儲液罐相連；集束器的出口和噴嘴加捻器的紗道入口相連。
2.根據權利要求1所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：所述的紡絲單元由噴絲管通過中間連線體與氣室連線而成，中間連線體上裝配有垂直向上的噴氣管；噴絲管的下方有進液口，進液口低於噴氣管的上端，氣室的下方有進氣口；噴絲管的上方裝有防止溶液外溢的保護環。
3.根據權利要求2所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：所述的噴絲管的內徑為1-45毫米，噴絲管高度為10-500毫米，氣室的高度為10-450毫米；其中，噴絲管為金屬材質，且噴絲管外側由下而上套有絕緣材質，絕緣材質的高度為噴絲管高度的1/3~1倍，保護環、噴氣管、進液口、中間連線體、氣室、進氣口均為絕緣材質。
4.根據權利要求1所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：所述的集聚單元為帶有旋轉軸的金屬喇叭，並由傳動機構控制金屬喇叭繞旋轉軸旋轉，金屬喇叭口的直徑為5-35厘米；所述的集束器進口至出口呈直徑逐漸減小的喇叭形，出口處的直徑為0.5-10毫米。
5.根據權利要求4所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：所述的傳動機構為電機。
6.根據權利要求1所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：所述的噴嘴加捻器由進氣管、紗道、噴射孔和氣室組成；噴射孔與紗道的內圓周相切，夾角為35-55°，噴射孔數為2-12個，噴射孔徑0.1-0.6毫米；進氣管與空氣壓縮機相連線，壓縮空氣由噴射孔射入紗道，在紗道中形成用於納米纖維束的加捻的三維高速旋轉氣流，並在紗道的入口形成用於吸入納米纖維束的負壓。
7.根據權利要求6所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：所述的紗道由上而下分為三部分，在噴射孔入口上方為圓柱管，直徑1-3.5毫米，長度6-30毫米，在噴射孔入口下方為梯形管，直徑1.5-4.0毫米/5.0-9.0毫米，長度8-45毫米；最下方為圓柱形的出口管，直徑10-20毫米，長度12-60毫米。
8.根據權利要求1所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：每個半圓形基座固定2-30個紡絲單元，紡絲單元的傾斜角為15-40°。
9.根據權利要求1或4或6或8所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：噴絲管上端面與集聚單元的垂直距離為5-40厘米；噴嘴加捻器紗道的入口與集聚單元之間的距離為10-100厘米；高壓靜電發生器的電壓為0-200千伏。
10.根據權利要求1或2或4所述的靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，其特徵在於：製備連續納米纖維紗的方法包括以下步驟：
（1）加壓裝置將儲液罐中的紡絲溶液經輸液管均勻地送入各個紡絲單元的噴絲管中，紡絲溶液的液面稍低於噴絲管的上端面，高於噴氣管的上端面；
（2）橫流氣泵將氣流經輸氣管均勻地送入各個紡絲單元的氣室中，氣流經噴氣管向上噴出，紡絲溶液在噴絲管的上端面形成中空的溶液凸起；
（3）打開集聚單元的傳動機構，令其繞軸旋轉，控制轉速為0-2500轉/分鐘，集聚單元的旋轉方向和噴嘴加捻器中氣流的旋轉方向相同；
（4）打開高壓靜電發生器，調節到一定的電壓，在高壓電場作用下，極化電荷聚集在噴絲管上端面溶液凸起的頂端形成泰勒錐，在靜電力的作用下中空的泰勒錐破裂，噴射出多股射流；由於靜電誘導效應，集聚單元的兩側會帶上電荷相等、極性相反的電荷，兩個半圓形基座上的紡絲單元噴出的部分帶電射流將被吸附到與之帶相反電荷的集聚單元一側，以納米纖維網的形式沉積在集聚單元的邊緣；
（5）為了將步驟（4）中的納米纖維網引出、取向和加捻，一個絕緣的塑膠棒預先安放在集聚單元的正中心，塑膠棒緩慢向後沿水平方向抽出，形成中空的錐形納米纖維網，頂端粘附在塑膠棒上，底端與集聚單元的邊緣相連線，進一步牽伸納米纖維網的錐頂，纖維會取向、集聚成納米纖維束，或進一步通過集聚單元的旋轉預加捻成一定捻度的納米纖維條；
（6）將噴嘴加捻器的進氣管與空氣壓縮機相連線，將步驟（5）中的納米纖維束或納米纖維條引入集束器，由於負壓的存在納米纖維束被吸入紗道中，在旋轉氣流的作用下連續加捻成紗並沿紗道的出口輸出；
（7）步驟（6）中加捻的納米纖維紗在引紗羅拉的作用下輸出，經卷繞機構卷繞成筒。
實施方式
- 實施例1
參照附圖1、2、3、4，《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》包括計量泵0，高壓靜電發生器1、儲液罐2、橫流氣泵3、集聚單元4、紡絲單元8、半圓形基座9、集束器10、噴嘴加捻器11、引紗羅拉12和卷繞機構13。
紡絲單元8由噴絲管15通過中間連線體18與氣室19連線而成，中間連線體18上裝配有垂直向上的噴氣管16；噴絲管15的下方有進液口17，進液口17低於噴氣管16的上端，氣室19的下方有進氣口20；噴絲管15的上方裝有保護環14，在紡絲的時候防止溶液外溢；噴絲管15的內徑為10毫米，噴絲管15高度為50毫米，氣室19的高度為45毫米；除噴絲管15為金屬材質外，紡絲單元8的其餘部分均為聚四氟乙烯，且噴絲管15外側由下而上套有聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管的高度為噴絲管15高度的1/2倍。
集聚單元4為帶有旋轉軸的金屬喇叭，由電機控制其繞軸旋轉，金屬喇叭口的直徑為10厘米。集束器10進口至出口呈直徑逐步收窄的喇叭形，出口處的直徑為1.0毫米。
噴嘴加捻器11由進氣管21、紗道22、噴射孔23和氣室24等組成。噴射孔23與紗道22的內圓周相切，夾角初定為45°，噴射孔數為4個，噴射孔徑0.2毫米。紗道22由上而下分為三部分，在噴射孔入口上方為圓柱管，直徑1.2毫米，長度8毫米；在噴射孔入口下方設計為梯形管，直徑1.5毫米/5.0毫米，長度10毫米，以減少回流的影響；最下方為圓柱形的出口管，直徑10毫米，長度20毫米。進氣管21與空氣壓縮機相連線。
集聚單元4、集束器10、噴嘴加捻器11和引紗羅拉12由上至下沿同一軸線排列；集束器10的出口和噴嘴加捻器11中紗道22的入口相連。紡絲單元8位於集聚單元4和集束器10中間，對稱固定在以軸線為中心的兩個半圓形基座9上；每個半圓形基座9固定5個紡絲單元8，紡絲單元8的傾斜角（與軸線的夾角）為20°；兩個半圓形基座9上紡絲單元8的噴絲管15分別通過導線5與高壓發生器1的正負極相連，形成5組帶正負電荷的噴頭對，集聚單元4不接地；每個半圓形基座9上紡絲單元8的進氣口20通過輸氣管7與橫流氣泵3相連，進液口17通過輸液管6與帶有加壓裝置的儲液罐2相連。帶正負電荷的噴絲管15上端與集聚單元4（金屬喇叭口邊緣）的垂直距離為8厘米；噴嘴加捻器11紗道22的入口與集聚單元4（金屬喇叭口截面中心）之間的距離為22厘米。
- 實施例2
一種利用實施例1的噴氣紡紗機連續製備靜電紡納米纖維紗的方法，包括以下步驟：
（1）將聚丙烯腈（簡稱：PAN，重均分子量8萬）溶解在N,N-二甲基甲醯胺（DMF）中，配成質量濃度為13%的紡絲溶液，裝入儲液罐2中。計量泵0將儲液罐2中的PAN溶液經輸液管6均勻地送入各個紡絲單元8的噴絲管15中，PAN溶液的液面低於噴絲管15的上端面，高於噴氣管16的上端面。
（2）橫流氣泵3將氣流經輸氣管7均勻地送入各個紡絲單元8的氣室19中，氣流經噴氣管16向上噴出，這樣PAN溶液在噴絲管15的上端面形成中空的溶液凸起。
（3）打開集聚單元4的傳動機構，令其繞軸旋轉，控制轉速為800轉/分鐘。
（4）打開高壓靜電發生器1，調節到一定的電壓，在高壓電場作用下，極化電荷聚集在噴絲管15上端面溶液凸起的頂端形成泰勒錐，在靜電力的作用下中空的泰勒錐破裂，噴射出多股射流。由於靜電誘導效應，集聚單元4（金屬喇叭）的兩側會帶上電荷相等、極性相反的電荷，兩個半圓形基座9上的紡絲單元8噴出的部分帶電射流將被吸附到與之帶相反電荷的集聚單元4（金屬喇叭）一側，以納米纖維網的形式沉積在集聚單元4的邊緣。
（5）為了將步驟（4）中的納米纖維網引出、取向和加捻，一個絕緣的塑膠棒預先安放在集聚單元4的正中心，當塑膠棒緩慢向後沿水平方向抽出時，會形成中空的錐形納米纖維網，同時也有部分相反電荷的射流直接中和吸附到納米纖維網上。進一步牽伸納米纖維網的錐頂，纖維會取向、集聚成納米纖維束，並通過集聚單元4的旋轉預加捻成一定捻度的PAN納米纖維條。
（6）將噴嘴加捻器11的進氣管21與空氣壓縮機（附圖未畫出）相連線，壓縮空氣由噴射孔23射入紗道22，在紗道22中形成高速旋轉的氣流，並在紗道22的入口形成負壓。將步驟（5）中的PAN納米纖維條引入集束器10，由於負壓的存在納米纖維束被吸入紗道22中，在旋轉氣流的作用下連續加捻成紗並沿紗道22的出口輸出。
（7）步驟（6）中加捻的PAN納米纖維紗在引紗羅拉12的作用下輸出，經卷繞機構13卷繞成筒。
該實例中集聚單元4（金屬喇叭）的旋轉可對PAN納米纖維束起到預加捻作用，因此，PAN納米纖維紗的加捻是靠噴嘴加捻器11中噴射氣流的高速旋轉與集聚單元4的旋轉共同完成。
- 實施例3
參照附圖1、2、3和4，一種靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，包括計量泵0，高壓靜電發生器1、儲液罐2、橫流氣泵3、集聚單元4、紡絲單元8、半圓形基座9、集束器10、噴嘴加捻器11、引紗羅拉12和卷繞機構13。
紡絲單元8由噴絲管15通過中間連線體18與氣室19連線而成，中間連線體18上裝配有垂直向上的噴氣管16；噴絲管15的下方有進液口17，進液口17低於噴氣管16的上端，氣室19的下方有進氣口20；噴絲管15的上方裝有保護環14，在紡絲的時候防止溶液外溢；噴絲管15的內徑為20毫米，噴絲管15高度為100毫米，氣室19的高度為85毫米；除噴絲管15為金屬材質外，紡絲單元8的其餘部分均為絕緣的聚酯材料，且噴絲管15外側由下而上套有聚酯管，聚酯管的高度為噴絲管15高度的2/3倍。
集聚單元4為帶有旋轉軸的金屬喇叭，由電機控制其繞軸旋轉，金屬喇叭口的直徑為20厘米。集束器10進口至出口呈直徑逐步收窄的喇叭形，出口處的直徑為1.8毫米。
噴嘴加捻器11由進氣管21、紗道22、噴射孔23和氣室24等組成。噴射孔與紗道的內圓周相切，夾角初定為35°，噴射孔數為8個，噴射孔徑0.4毫米。紗道22由上而下分為三部分，在噴射孔入口上方為圓柱管，直徑2.2毫米，長度15毫米；在噴射孔入口下方設計為梯形管，直徑3.0毫米/7.0毫米，長度30毫米，以減少回流的影響；最下方為圓柱形的出口管，直徑15毫米，長度45毫米。進氣管21與空氣壓縮機相連線。
集聚單元4、集束器10、噴嘴加捻器11和引紗羅拉12由上至下沿同一軸線排列；集束器10的出口和噴嘴加捻器11中紗道22的入口相連。紡絲單元8位於集聚單元4和集束器10中間，對稱固定在以軸線為中心的兩個半圓形基座9上；每個半圓形基座9固定10個紡絲單元8，紡絲單元8的傾斜角（與軸線的夾角）為35°；兩個半圓形基座9上紡絲單元8的噴絲管15分別通過導線5與高壓發生器1的正負極相連，形成10組帶正負電荷的噴頭對，集聚單元4不接地；每個半圓形基座9上紡絲單元8的進氣口20通過輸氣管7與橫流氣泵3相連，進液口17通過輸液管6與帶有加壓裝置的儲液罐2相連。帶正負電荷的噴絲管15上端面與集聚單元4（金屬喇叭口邊緣）之間的垂直距離為13厘米；噴嘴加捻器11紗道22的入口與集聚單元4（金屬喇叭口截面中心）之間的距離為50厘米。
所述的聚酯管也可以由環氧樹脂管代替，聚酯材料也可以由環氧樹脂材料代替。
- 實施例4
一種利用實施例3的噴氣紡紗機連續製備靜電紡納米纖維紗的方法，包括以下步驟：
（1）將聚乳酸（簡稱：PLA，重均分子量5萬）溶解在二氯甲烷中，配成質量濃度為8%的紡絲溶液，裝入儲液罐2中。計量泵0將儲液罐2中的PLA溶液經輸液管6均勻地送入各個紡絲單元8的噴絲管15中，PLA溶液的液面低於噴絲管15的上端面，高於噴氣管16的上端面。
（2）橫流氣泵3將氣流經輸氣管7均勻地送入各個紡絲單元8的氣室19中，氣流經噴氣管16向上噴出，這樣PLA溶液在噴絲管15的上端面形成中空的溶液凸起。
（3）打開高壓靜電發生器1，調節到一定的電壓，在高壓電場作用下，極化電荷聚集在噴絲管15上端面溶液凸起的頂端形成泰勒錐，在靜電力的作用下中空的泰勒錐破裂，噴射出多股射流。由於靜電誘導效應，集聚單元4（金屬喇叭）的兩側會帶上電荷相等、極性相反的電荷，兩個半圓形基座9上的紡絲單元8噴出的部分帶電射流將被吸附到與之帶相反電荷的集聚單元4（金屬喇叭）一側，以納米纖維網的形式沉積在集聚單元4的邊緣。
（4）為了將步驟（3）中的納米纖維網引出、取向和加捻，一個絕緣的塑膠棒預先安放在集聚單元4的正中心，當塑膠棒緩慢向後沿水平方向抽出時，會形成中空的錐形納米纖維網，同時也有部分相反電荷的射流直接中和吸附到納米纖維網上。進一步牽伸納米纖維網的錐頂，纖維會取向、集聚成納米纖維束。
（5）將噴嘴加捻器11的進氣管21與空氣壓縮機（附圖未畫出）相連線，壓縮空氣由噴射孔23射入紗道22，在紗道22中形成高速旋轉的氣流，並在紗道22的入口形成負壓。將步驟（4）中的PLA納米纖維束引入集束器10，由於負壓的存在納米纖維束被吸入紗道22中，在旋轉氣流的作用下連續加捻成紗並沿紗道22的出口輸出。
（6）步驟（5）中加捻的PLA納米纖維紗在引紗羅拉12的作用下輸出，經卷繞機構13卷繞成筒。
該實例中集聚單元4的傳動機構未打開，因此，PLA納米纖維紗的加捻是單獨依靠噴嘴加捻器11中噴射氣流的高速旋轉來完成的。所製得的靜電紡PLA納米纖維紗的光學顯微鏡和電子顯微鏡照片如圖4和5所示。
- 實施例5
一種靜電紡納米纖維噴氣紡紗機，包括高壓靜電發生器、帶有加壓裝置的儲液罐、橫流氣泵、集聚單元、紡絲單元、半圓形基座、集束器、噴嘴加捻器、引紗羅拉和卷繞機構。
集聚單元、集束器、噴嘴加捻器和引紗羅拉由上至下沿同一軸線排列；集聚單元不接地。紡絲單元設定在集聚單元和集束器之間，兩個半圓形基座以軸線為中心對稱設定，每個半圓形基座上固定至少兩個紡絲單元，紡絲單元傾斜設定，紡絲單元的傾斜角為15-40°；其中一個半圓形基座上的紡絲單元的噴絲管通過導線與高壓發生器的正極相連，另一個半圓形基座上的紡絲單元的噴絲管通過導線與高壓發生器的負極相連，兩個半圓形基座上的紡絲單元形成帶正負電荷的噴頭對；每個半圓形基座上紡絲單元的進氣口通過輸氣管與橫流氣泵相連、紡絲單元的進液口通過輸液管與帶有加壓裝置的儲液罐相連；集束器的出口和噴嘴加捻器的紗道入口相連。
紡絲單元由噴絲管通過中間連線體與氣室連線而成，中間連線體上裝配有垂直向上的噴氣管；噴絲管的下方有進液口，進液口低於噴氣管的上端，氣室的下方有進氣口；噴絲管的上方裝有防止溶液外溢的保護環。
噴絲管的內徑為1-45毫米，噴絲管高度為10-500毫米，氣室的高度為10-450毫米；其中，噴絲管為金屬材質，且噴絲管外側由下而上套有絕緣材質，絕緣材質的高度為噴絲管高度的1/3~1倍，保護環、噴氣管、進液口、中間連線體、氣室、進氣口均為絕緣的絕緣材質。
集聚單元為帶有旋轉軸的金屬喇叭，並由傳動機構控制金屬喇叭繞旋轉軸旋轉，金屬喇叭口的直徑為5-35厘米；所述的集束器進口至出口呈直徑逐漸減小的喇叭形，出口處的直徑為0.5-10毫米。
所述的噴嘴加捻器由進氣管、紗道、噴射孔和氣室組成；噴射孔與紗道的內圓周相切，夾角為35-55°，噴射孔數為2-12個，噴射孔徑0.1-0.6毫米；進氣管與空氣壓縮機相連線，壓縮空氣由噴射孔射入紗道，在紗道中形成用於納米纖維束的加捻的三維高速旋轉氣流，並在紗道的入口形成用於吸入納米纖維束的負壓。紗道由上而下分為三部分，在噴射孔入口上方為圓柱管，直徑1-3.5毫米，長度6-30毫米，在噴射孔入口下方為梯形管，直徑1.5-4.0毫米/5.0-9.0毫米，長度8-45毫米；最下方為圓柱形的出口管，直徑10-20毫米，長度12-60毫米。
噴絲管上端面與集聚單元的垂直距離為5-40厘米；噴嘴加捻器紗道的入口與集聚單元之間的距離為10-100厘米；高壓靜電發生器的電壓為0-200千伏。
製備連續納米纖維紗的方法包括以下步驟：
（1）加壓裝置將儲液罐中的紡絲溶液經輸液管均勻地送入各個紡絲單元的噴絲管中，紡絲溶液的液面稍低於噴絲管的上端面，高於噴氣管的上端面。
（2）橫流氣泵將氣流經輸氣管均勻地送入各個紡絲單元的氣室中，氣流經噴氣管向上噴出，紡絲溶液在噴絲管的上端面形成中空的溶液凸起。
（3）打開集聚單元的傳動機構，令其繞軸旋轉，控制轉速為0-2500轉/分鐘，集聚單元的旋轉方向和噴嘴加捻器中氣流的旋轉方向相同。
（4）打開高壓靜電發生器，調節到一定的電壓，在高壓電場作用下，極化電荷聚集在噴絲管上端面溶液凸起的頂端形成泰勒錐，在靜電力的作用下中空的泰勒錐破裂，噴射出多股射流。由於靜電誘導效應，集聚單元的兩側會帶上電荷相等、極性相反的電荷，兩個半圓形基座上的紡絲單元噴出的部分帶電射流將被吸附到與之帶相反電荷的集聚單元一側，以納米纖維網的形式沉積在集聚單元的邊緣。
（5）為了將步驟（4）中的納米纖維網引出、取向和加捻，一個絕緣的塑膠棒預先安放在集聚單元的正中心，塑膠棒緩慢向後沿水平方向抽出，形成中空的錐形納米纖維網，頂端粘附在塑膠棒上，底端與集聚單元的邊緣相連線，進一步牽伸納米纖維網的錐頂，纖維會取向、集聚成納米纖維束，或進一步通過集聚單元的旋轉預加捻成一定捻度的納米纖維條。
（6）將噴嘴加捻器的進氣管與空氣壓縮機相連線，將步驟（5）中的納米纖維束或納米纖維條引入集束器，由於負壓的存在納米纖維束被吸入紗道中，在旋轉氣流的作用下連續加捻成紗並沿紗道的出口輸出。
（7）步驟（6）中加捻的納米纖維紗在引紗羅拉的作用下輸出，經卷繞機構卷繞成筒。
榮譽表彰
2018年8月，《靜電紡納米纖維噴氣紡紗機與使用方法》獲得第一屆河南省專利獎三等獎。
