无针式电纺喷头专利申请的发展现状

王夕雯（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏　苏州215000）

无针式电纺喷头专利申请的发展现状

王夕雯
（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏苏州215000）

无针式静电纺丝是一种具有较高生产效率的新型电纺方式。本文通过检索无针式静电纺丝喷丝头相关专利文献，将现有专利文献中的无针式静电纺丝喷丝头主要分为旋转式无针喷丝头、振荡式无针喷丝头和多孔式无针喷丝头等三种类型，并阐述了上述三种类型的喷丝头在专利申请方面的起源和发展现状。

无针；静电纺；专利

近年来，由于无针静电纺丝的喷射流在溶液表面自发形成，无需毛细作用力影响，无针式静电纺丝的产量得到极大提高[1]。

根据喷丝头工作机理的不同，下文将无针式静电纺丝喷丝头分为旋转式、振动式和多孔式三类分别介绍相关专利技术的发展概况。

1　旋转式无针喷丝头

旋转式无针喷丝头一般通过喷丝头自身旋转的离心力供液并促进喷射流的形成。早在1974年公开的美国专利US406902中就公开了一种以旋转的金属环状电极取代针头实现量产静电纺丝，但是该专利技术在当时并未引起重视。

2004年在捷克专利CZ2003-2421A3中公开了一种静电纺丝设备，其利用旋转的带电电极表面供入用于纺丝的聚合物溶液，此装置的创新之处在于：在纺丝空间内通入了干燥空气，可以提高纳米纤维的移动速度和射流中溶剂的挥发速度，从而极大地提高了纺丝效率。由于其具有非常高的生产效率，并且能够将喷射流体控制在合理区域内等优点，该静电纺丝技术引起了业界的极大关注。

2008年在中国专利CN101215762A中公开了一种高效连续式静电纺纳米纤维毡的制备装置，该装置将位于金属滚筒上方的均匀分配器中贮存的纺丝液滴到带电旋转金属滚筒上，然后在离心力以及电场的共同作用下液滴形成泰勒锥。但是该装置的缺点在于纺丝时是间歇进行的，获得的纤维也较粗，直径范围在200-600nm之间。

2010年在PCT专利申请WO 2010/043002A1中公开了一种螺旋线圈作为无针式喷丝头获得较高纺丝产量的静电纺丝装置，其生产的纳米纤维更细且直径分布均匀，生产率可达16g/小时，并且，增加线圈的长度和直径或者减小线圈节距均可以提高纤维产量。与前述的CZ2003-2421A3公开的静电纺丝设备相比，螺旋线圈喷头所需临界电压较低，纺丝产量和纤维品质更高。该方法对于静电纺丝产业化研究具有重大的指导意义。

2　振荡式无针喷丝头

2.1磁场振荡式

磁场振荡式无针喷丝头即是利用磁场激发喷射流实现无针静电纺丝。2007年，在中国发明专利申请CN101089254A中公开了一种磁流体静电纺丝装置，该装置利用磁流体在磁场扰动作用下产生的微锥来获得泰勒锥，其生产效率有了提高，然而，其缺点在于喷丝头的结构较为复杂，生产的纤维较粗糙，且较难控制，纤维直径的差异较大，所以该种静电纺丝技术并没有得到大范围应用。

2.2气体振荡式

气体振荡式无针式喷丝头是采用气体对溶液进行充气，以便在溶液的表面形成气泡，然后在电场中使得气泡带电，带电的气泡在静电纺丝的高压电场作用下形成凸起，随即形成射流。2007 年10月，何吉欢等从蜘蛛纺丝过程中得到灵感，在中国专利申请CN 101050550A中公开了一种利用气体振荡原理设计的静电纺丝装置，通过使液体表面产生气泡，然后在电场的作用下在气泡表面产生射流。利用该种方法能够在不高的电压条件下制得直径较小的纳米纤维，但是其缺点是气泡的大小直接影响纤维直径，如果气泡大小不均匀，则容易造成直径波动较大。

2.3超声波振荡式

超声波振荡式无针喷丝头即是利用超声波激发喷射流实现无针静电纺丝。2007年在中国专利申请CN1986913A中公开了一种超声波扰动式无针静电纺丝装置，其利用置于贮液池内的压电传感器以一定的频率产生振动，从而在液体自由面上形成连续有规律的微波峰凸起。该装置生产效率高，但也存在所得纤维比较粗糙，直径差异大的问题。

3　多孔式无针喷丝头

2007年，在PCT专利申请WO 2007/086910A2中公开了一种多孔管无针静电纺装置，其利用聚乙烯多孔管，将多孔管的一端封闭，并在多孔管中设置金属电极，多孔管的另一端通进气体，液体能够在该多孔管的表面形成多个液滴，在电场力下形成射流从而生产出纳米纤维。其产生的喷射流体的密度非常高，产量大大高于传统单针头的静电纺丝，但是仍然存在纤维均匀性较差的问题。

多孔式无针头静电纺丝原理与多针头静电纺丝装置类似，其仍然存在多个Taylor锥间的静电排斥影响纺丝效果的问题，为了减小Taylor锥间的静电排斥作用，2008年在中国专利申请CN101298724A中公开了一种连续高效纳米纤维非织造布的制备装置，纺丝溶液输送至金属滚筒的内腔，并通过金属滚筒上的毛细孔挤出，避免了溅射式静电纺丝装置所产生的溶液飞溅，并采用缎纹、斜纹、平纹分布型式来设计滚筒上毛细孔的分布形式，从而能够降低毛细孔的分布密度，解决了现有多喷头静电纺丝装置中存在的由于静电排斥而采用稀疏喷头排列，导致产品疏松和产量低的问题。

4　总结

目前，有关无针喷丝头的研究仍处于起步阶段，国内外静电纺丝技术处于实验阶段，暂未出现工业化水平的仪器[1]。关于无针式静电纺丝喷丝头，虽然该种喷丝头能够极大地提高纳米纤维的产量，同时也能解决带针式静电纺丝喷丝头的针头容易堵塞的问题，但是由于无针式静电纺丝喷丝头在静电纺丝的加工中对射流形状的控制能力还存在欠缺，因此该种方式还难以使生产的纳米纤维能够精确地达到预先设计的形状和尺寸，因此今后还需要对射流控制的方法与原理进一步展开研究，继续优化无针式静电纺丝的工艺参数，使其能够形成直径分布较为均匀的纤维。

[1]王飞龙等.高效无针静电纺丝研究进展[J],纺织导报，2014(01):64-67.