無針式電紡噴頭專利申請的發(fā)展現(xiàn)狀

王夕雯（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇　蘇州215000）

無針式電紡噴頭專利申請的發(fā)展現(xiàn)狀

王夕雯
（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇蘇州215000）

無針式靜電紡絲是一種具有較高生產(chǎn)效率的新型電紡方式。本文通過檢索無針式靜電紡絲噴絲頭相關(guān)專利文獻，將現(xiàn)有專利文獻中的無針式靜電紡絲噴絲頭主要分為旋轉(zhuǎn)式無針噴絲頭、振蕩式無針噴絲頭和多孔式無針噴絲頭等三種類型，并闡述了上述三種類型的噴絲頭在專利申請方面的起源和發(fā)展現(xiàn)狀。

無針；靜電紡；專利

近年來，由于無針靜電紡絲的噴射流在溶液表面自發(fā)形成，無需毛細作用力影響，無針式靜電紡絲的產(chǎn)量得到極大提高[1]。

根據(jù)噴絲頭工作機理的不同，下文將無針式靜電紡絲噴絲頭分為旋轉(zhuǎn)式、振動式和多孔式三類分別介紹相關(guān)專利技術(shù)的發(fā)展概況。

1　旋轉(zhuǎn)式無針噴絲頭

旋轉(zhuǎn)式無針噴絲頭一般通過噴絲頭自身旋轉(zhuǎn)的離心力供液并促進噴射流的形成。早在1974年公開的美國專利US406902中就公開了一種以旋轉(zhuǎn)的金屬環(huán)狀電極取代針頭實現(xiàn)量產(chǎn)靜電紡絲，但是該專利技術(shù)在當(dāng)時并未引起重視。

2004年在捷克專利CZ2003-2421A3中公開了一種靜電紡絲設(shè)備，其利用旋轉(zhuǎn)的帶電電極表面供入用于紡絲的聚合物溶液，此裝置的創(chuàng)新之處在于：在紡絲空間內(nèi)通入了干燥空氣，可以提高納米纖維的移動速度和射流中溶劑的揮發(fā)速度，從而極大地提高了紡絲效率。由于其具有非常高的生產(chǎn)效率，并且能夠?qū)娚淞黧w控制在合理區(qū)域內(nèi)等優(yōu)點，該靜電紡絲技術(shù)引起了業(yè)界的極大關(guān)注。

2008年在中國專利CN101215762A中公開了一種高效連續(xù)式靜電紡納米纖維氈的制備裝置，該裝置將位于金屬滾筒上方的均勻分配器中貯存的紡絲液滴到帶電旋轉(zhuǎn)金屬滾筒上，然后在離心力以及電場的共同作用下液滴形成泰勒錐。但是該裝置的缺點在于紡絲時是間歇進行的，獲得的纖維也較粗，直徑范圍在200-600nm之間。

2010年在PCT專利申請WO 2010/043002A1中公開了一種螺旋線圈作為無針式噴絲頭獲得較高紡絲產(chǎn)量的靜電紡絲裝置，其生產(chǎn)的納米纖維更細且直徑分布均勻，生產(chǎn)率可達16g/小時，并且，增加線圈的長度和直徑或者減小線圈節(jié)距均可以提高纖維產(chǎn)量。與前述的CZ2003-2421A3公開的靜電紡絲設(shè)備相比，螺旋線圈噴頭所需臨界電壓較低，紡絲產(chǎn)量和纖維品質(zhì)更高。該方法對于靜電紡絲產(chǎn)業(yè)化研究具有重大的指導(dǎo)意義。

2　振蕩式無針噴絲頭

2.1磁場振蕩式

磁場振蕩式無針噴絲頭即是利用磁場激發(fā)噴射流實現(xiàn)無針靜電紡絲。2007年，在中國發(fā)明專利申請CN101089254A中公開了一種磁流體靜電紡絲裝置，該裝置利用磁流體在磁場擾動作用下產(chǎn)生的微錐來獲得泰勒錐，其生產(chǎn)效率有了提高，然而，其缺點在于噴絲頭的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)的纖維較粗糙，且較難控制，纖維直徑的差異較大，所以該種靜電紡絲技術(shù)并沒有得到大范圍應(yīng)用。

2.2氣體振蕩式

氣體振蕩式無針式噴絲頭是采用氣體對溶液進行充氣，以便在溶液的表面形成氣泡，然后在電場中使得氣泡帶電，帶電的氣泡在靜電紡絲的高壓電場作用下形成凸起，隨即形成射流。2007 年10月，何吉歡等從蜘蛛紡絲過程中得到靈感，在中國專利申請CN 101050550A中公開了一種利用氣體振蕩原理設(shè)計的靜電紡絲裝置，通過使液體表面產(chǎn)生氣泡，然后在電場的作用下在氣泡表面產(chǎn)生射流。利用該種方法能夠在不高的電壓條件下制得直徑較小的納米纖維，但是其缺點是氣泡的大小直接影響纖維直徑，如果氣泡大小不均勻，則容易造成直徑波動較大。

2.3超聲波振蕩式

超聲波振蕩式無針噴絲頭即是利用超聲波激發(fā)噴射流實現(xiàn)無針靜電紡絲。2007年在中國專利申請CN1986913A中公開了一種超聲波擾動式無針靜電紡絲裝置，其利用置于貯液池內(nèi)的壓電傳感器以一定的頻率產(chǎn)生振動，從而在液體自由面上形成連續(xù)有規(guī)律的微波峰凸起。該裝置生產(chǎn)效率高，但也存在所得纖維比較粗糙，直徑差異大的問題。

3　多孔式無針噴絲頭

2007年，在PCT專利申請WO 2007/086910A2中公開了一種多孔管無針靜電紡裝置，其利用聚乙烯多孔管，將多孔管的一端封閉，并在多孔管中設(shè)置金屬電極，多孔管的另一端通進氣體，液體能夠在該多孔管的表面形成多個液滴，在電場力下形成射流從而生產(chǎn)出納米纖維。其產(chǎn)生的噴射流體的密度非常高，產(chǎn)量大大高于傳統(tǒng)單針頭的靜電紡絲，但是仍然存在纖維均勻性較差的問題。

多孔式無針頭靜電紡絲原理與多針頭靜電紡絲裝置類似，其仍然存在多個Taylor錐間的靜電排斥影響紡絲效果的問題，為了減小Taylor錐間的靜電排斥作用，2008年在中國專利申請CN101298724A中公開了一種連續(xù)高效納米纖維非織造布的制備裝置，紡絲溶液輸送至金屬滾筒的內(nèi)腔，并通過金屬滾筒上的毛細孔擠出，避免了濺射式靜電紡絲裝置所產(chǎn)生的溶液飛濺，并采用緞紋、斜紋、平紋分布型式來設(shè)計滾筒上毛細孔的分布形式，從而能夠降低毛細孔的分布密度，解決了現(xiàn)有多噴頭靜電紡絲裝置中存在的由于靜電排斥而采用稀疏噴頭排列，導(dǎo)致產(chǎn)品疏松和產(chǎn)量低的問題。

4　總結(jié)

目前，有關(guān)無針噴絲頭的研究仍處于起步階段，國內(nèi)外靜電紡絲技術(shù)處于實驗階段，暫未出現(xiàn)工業(yè)化水平的儀器[1]。關(guān)于無針式靜電紡絲噴絲頭，雖然該種噴絲頭能夠極大地提高納米纖維的產(chǎn)量，同時也能解決帶針式靜電紡絲噴絲頭的針頭容易堵塞的問題，但是由于無針式靜電紡絲噴絲頭在靜電紡絲的加工中對射流形狀的控制能力還存在欠缺，因此該種方式還難以使生產(chǎn)的納米纖維能夠精確地達到預(yù)先設(shè)計的形狀和尺寸，因此今后還需要對射流控制的方法與原理進一步展開研究，繼續(xù)優(yōu)化無針式靜電紡絲的工藝參數(shù)，使其能夠形成直徑分布較為均勻的纖維。

[1]王飛龍等.高效無針靜電紡絲研究進展[J],紡織導(dǎo)報，2014(01):64-67.