一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極為線性齒電極，所述線性齒電極為表面設置有多個微尖齒的金屬線，所述線性齒電極連接高壓直流電源正極，線性齒電極的正上方設置收集極，所述收集極連接高壓直流電源負極或接地，線性齒電極正下方設置有向上噴射氣流的供氣系統，所述線性齒電極上還設置有向線性齒電極施加紡絲前驅液的供液系統。該裝置采用無針頭技術，可避免針頭堵塞等問題，同時可以顯著提高紡絲效率，有效降低紡絲電壓，提高原料利用率，降低成本，實現微納米纖維的規模化生產。
【專利說明】
一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置
技術領域
[0001]本發明屬于微納米材料制備技術領域，具體涉及一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置。
【背景技術】
[0002]1934年，Formhals首次利用高壓靜電力成功制備了聚合物纖維，提出了靜電紡絲概念。其原理可簡述為聚合物溶液或熔體在高壓靜電場作用下克服表面張力形成帶電射流，射流在電場中經拉伸，劈裂，細化，溶劑揮發或熔體冷卻固化最終形成微納米纖維。相較于其他纖維制備方法如拉伸法、模板法、氣相沉積法、自組裝法、水熱合成法，靜電紡絲因具有可控性強、原理簡單、操作方便、紡絲條件靈活、成本低、紡絲原料多樣、可實現工業化生產等眾多優勢而成為起步較晚、發展最快的納米纖維制備方法，目前被公認為是制備一維納米材料的代表性技術。電紡微納米纖維具有連續性好，孔隙率高，纖維直徑小，表面活性強，比表面積大等特點，目前已在環保(空氣過濾、油水分離)、能源(催化劑、儲能材料)、紡織(防護服、服裝)等多個領域得到廣泛應用。此外，電紡纖維無紡布具有與細胞外基質類似的網狀結構;纖維間孔隙率高，具有較好的透氣、透液性，這些特點使得電紡技術在生物醫學領域(傷口敷料、載藥工程、生物工程)存在著巨大的應用前景。21世紀，電紡技術的應用研究仍處在初級階段，靜電紡絲技術面臨的挑戰與機遇并存，如何實現電紡纖維產業化，提高紡絲產率成為今后電紡技術研究的主要方向。
[0003]傳統單針頭電紡技術制備纖維產率低(0.1-1克/小時)，難以滿足纖維產業化需求。多針頭電紡技術的出現在一定程度上解決了這個問題。在多針頭紡絲體系中，針頭沿一維線性分布或在圓形、六邊形等多種二維面上分布。雖能明顯提高纖維產量，但針頭之間強烈的排斥作用及電場間的相互干擾導致纖維沉積區域差異較大，制備纖維粗細不均，形成無紡布厚度不均，直接影響其使用性能。此外，電紡過程中，溶劑揮發較快，紡絲液在針頭處很快固化，極易引起針頭堵塞現象。對于多針頭紡絲體系來說，清理工作比較困難。無針頭電紡技術是依據增加紡絲液表面帶電射流提高纖維產量理論提出的。專利W02005024101提出以半浸泡于紡絲液中的轉動滾筒電極作為纖維發生器可以明顯提高紡絲效率。因不使用紡絲針頭，該方法不存在多針頭紡絲體系中存在的針頭堵塞問題。但電紡過程中，紡絲液槽始終處于開放狀態，溶劑極易揮發，造成環境污染，紡絲液濃度不穩，電紡纖維粗細不均。此夕卜，滾筒電極表面光滑，電荷分布比較分散，不利于泰勒(Taylor)錐的形成，需要的紡絲電壓較高。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于彌補現有技術不足，提供一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，該裝置采用無針頭技術，可避免針頭堵塞等問題，同時可以顯著提高紡絲效率，有效降低紡絲電壓，提高原料利用率，降低成本，實現微納米纖維的規模化生產。
[0005]為了實現上述目的，本發明提供的技術方案如下:
[0006]—種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極為線性齒電極，所述線性齒電極為表面設置有多個微尖齒的金屬線，所述線性齒電極連接高壓直流電源正極，線性齒電極的正上方設置收集極，所述收集極連接高壓直流電源負極或接地，線性齒電極正下方設置有向上噴射氣流的供氣系統，所述線性齒電極上還設置有向線性齒電極施加紡絲前驅液的供液系統。
[0007]該裝置在使用時，開啟供液系統，使其在線性齒電極上施加紡絲前驅液，然后開啟位于線性齒電極正下方的供氣系統，供氣系統向上噴射的氣流可以加快溶劑揮發，改善紡絲性能;氣流作用方向與紡絲液體重力反向，既能有效避免液體滴落，又能促進Tay 1r錐體形成，有利于降低紡絲電壓，提高紡絲效率；由于氣流方向與紡絲前驅液射流方向一致，氣流還可以引導纖維沉積方向，提高纖維收集效率。利用表面分布微尖齒的細金屬線為纖維發射極，可誘導紡絲，尖端電荷聚集效應有利于Taylor錐形成，進而形成紡絲前驅液射流，與輔助氣流相配合可有效降低紡絲電壓。采用線性齒電極代替針頭作為纖維發射極，可有效避免單針頭電紡和多針頭電紡的針頭堵塞等問題，采用供液系統向線性齒電極施加紡絲前驅液，可避免紡絲前驅液直接大面積暴露于空氣中，電紡過程中溶劑揮發，紡絲前驅液濃度不穩定，造成電紡纖維直徑不均勻的問題，得到直徑較均勻的電紡纖維。該裝置操作簡單，能夠顯著提高電紡纖維效率，實現微納米纖維的規模化生產。
[0008]進一步的，所述線性齒電極為表面均勻密布微尖齒的金屬線。
[0009]金屬線表面尖齒分布均勻，可使電場分布更加均勻，使纖維在收集極上均勻沉積。
[0010]進一步的，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極設置為多根位于同一水平面平行設置的線性齒電極。
[0011]采取多跟平行設置的線性齒電極作為纖維發射極可有效提高紡絲效率，更好的實現規模化生產。
[0012]進一步的，所述供氣系統包括設置于線性齒電極正下方的供氣管道，所述供氣管道的正上方均勻設置多個噴氣口，供氣管道一端封閉，另一端設置進氣口，所述進氣口連接導氣管的端部，導氣管的另一端連接連接氣體發生機構。
[0013]進一步的，所述氣體發生機構包括空氣壓縮機及其輸出管道、空氣干燥過濾器和調壓閥，所述調壓閥為電子調壓閥或手動調壓閥。
[0014]進一步的，所述供液系統包括通過輸液管依次連接的儲液箱、微量注射栗和供液刷頭，所述供液刷頭通過上端設置的進液口連接輸液管端部，所述供液刷頭上設置有通液孔，通液孔設置于進液口下方并與進液口連通，線性齒電極穿過通液孔，通液孔下方的供液刷頭上設置有軌道通孔，所述軌道通孔的形狀與供氣管道相對應，供氣管道穿過軌道通孔，所述供液刷頭連接直線往復運動驅動機構，所述直線往復運動驅動機構驅動供液刷頭沿供氣管道做直線往復運動。
[0015]供氣管道穿過設置于供液刷頭上的軌道通孔，供液刷頭在直線往復運動驅動機構的作用下沿供氣管道做直線往復運動，此時，通液孔也在線性齒電極做直線往復運動，儲存于儲液箱中的紡絲前驅液在微量注射栗的驅動下通過進液孔進入供液刷頭的通液孔中，并隨這供液刷頭的運動涂覆于線性齒電極上，位于線性齒電極正下方的供氣管道在此過程中起到了供液刷頭運動軌道的作用，使供液刷頭在線性齒電極上涂覆紡絲前驅液的運動過程更加穩定，紡絲前驅液在線性齒電極上涂覆的更加均勻，從而使所得微納米纖維更加均勻，在整個紡絲過程中，大部分的紡絲前驅液儲存在儲液箱中，通過對微量注射栗和直線往復運動驅動機構的調整少量多次的涂覆于金屬鏈條上，避免了紡絲前驅液直接大面積暴露于空氣中，電紡過程中溶劑揮發，紡絲前驅液濃度不穩定，造成電紡纖維直徑不均勻的問題，同時，針對不同的紡絲原料，可以通過調節微量注射栗和直線往復運動驅動機構調整金屬鏈條上紡絲前驅液的施加量，實現紡絲參數的靈活調整。
[0016]進一步的，所述供氣管道為橫截面為方形的方形管，軌道通孔的橫截面與供氣管道橫截面相同。
[0017]方形供氣管道和方形軌道通孔的設計限制避免了供液刷頭在供氣管道上直線往復運動的過程中的微小轉動，使供液刷頭的運動過程更加穩定。
[0018]進一步的，所述直線往復運動驅動機構由伺服電機、同步帶和作為軌道的供氣管道構成，所述伺服電機和同步帶設置于供氣管道正下方，供液刷頭底部于同步帶相連，在伺服電機控制器控制下隨同步帶沿供氣管道做直線往復運動。
[0019]所述收集極為滾筒收集極，所述收集滾筒通過可調節高度的滾筒支架安裝在線性齒電極正上方，收集滾筒的轉軸與直流無刷電機連接。
[0020]采用滾筒收集極可實現電紡纖維在收集極上的連續、均勻沉積，收集纖維效率較高。可通過調節滾筒支架的豎直高度，調節收集極距離發射極的紡絲距離，實現對紡絲參數的靈活調節。
[0021]進一步的，所述供氣管道的橫向和縱向尺寸均大于位于其正上方的線性齒電極，供氣管道上設置噴氣口的范圍大于線性齒電極在供氣管上的投影面積。
[0022]噴氣口的設置范圍大于纖維發射極在水平面上(供氣管上)的投影面積，可以確保線性齒電極在整個紡絲過程中，完全處于供氣管道噴氣口噴射的氣流的作用范圍內，更好的起到氣流加快溶劑揮發，改善紡絲性能，氣流作用避免紡絲前驅液滴落，節約原料，又能促進Taylor錐體形成，降低紡絲電壓，提高紡絲效率，引導纖維沉積方向，提高纖維收集效率的作用。
[0023]本發明的有益效果:本發明彌補了現有技術不足，提供了一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，該裝置采用無針頭技術，可避免針頭堵塞等問題，同時可以顯著提高紡絲效率，有效降低紡絲電壓，提高原料利用率，降低成本，實現微納米纖維的規模化生產。具體而言:
[0024](I)該裝置在使用時，開啟供液系統，使其在線性齒電極上施加紡絲前驅液，然后開啟位于線性齒電極正下方的供氣系統，供氣系統向上噴射的氣流可以加快溶劑揮發，改善紡絲性能;氣流作用方向與紡絲液體重力反向，既能有效避免液體滴落，又能促進Taylor錐體形成，有利于降低紡絲電壓，提高紡絲效率；由于氣流方向與紡絲前驅液射流方向一致，氣流還可以引導纖維沉積方向，提高纖維收集效率。利用表面分布微尖齒的細金屬線為纖維發射極，可誘導紡絲，尖端電荷聚集效應有利于Taylor錐形成，進而形成紡絲前驅液射流，與輔助氣流相配合可有效降低紡絲電壓。采用線性齒電極代替針頭作為纖維發射極，可有效避免單針頭電紡和多針頭電紡的針頭堵塞等問題，采用供液系統向線性齒電極施加紡絲前驅液，可避免紡絲前驅液直接大面積暴露于空氣中，電紡過程中溶劑揮發，紡絲前驅液濃度不穩定，造成電紡纖維直徑不均勻的問題，得到直徑較均勻的電紡纖維。該裝置操作簡單，能夠顯著提高電紡纖維效率，實現微納米纖維的規模化生產。
[0025](2)供氣管道穿過設置于供液刷頭上的軌道通孔，供液刷頭在直線往復運動驅動機構的作用下沿供氣管道做直線往復運動，此時，通液孔也在線性齒電極做直線往復運動，儲存于儲液箱中的紡絲前驅液在微量注射栗的驅動下通過進液孔進入供液刷頭的通液孔中，并隨這供液刷頭的運動涂覆于線性齒電極上，位于線性齒電極正下方的供氣管道在此過程中起到了供液刷頭運動軌道的作用，使供液刷頭在線性齒電極上涂覆紡絲前驅液的運動過程更加穩定，紡絲前驅液在線性齒電極上涂覆的更加均勻，從而使所得微納米纖維更加均勻，在整個紡絲過程中，大部分的紡絲前驅液儲存在儲液箱中，通過對微量注射栗和直線往復運動驅動機構的調整少量多次的涂覆于金屬鏈條上，避免了紡絲前驅液直接大面積暴露于空氣中，電紡過程中溶劑揮發，紡絲前驅液濃度不穩定，造成電紡纖維直徑不均勻的問題，同時，針對不同的紡絲原料，可以通過調節微量注射栗和直線往復運動驅動機構調整金屬鏈條上紡絲前驅液的施加量，實現紡絲參數的靈活調整。方形供氣管道和方形軌道通孔的設計限制避免了供液刷頭在供氣管道上直線往復運動的過程中的微小轉動，使供液刷頭的運動過程更加穩定。
[0026](3)采用滾筒收集極可實現電紡纖維在收集極上的連續、均勻沉積，收集纖維效率較高。可通過調節滾筒支架的豎直高度，調節收集極距離發射極的紡絲距離，實現對紡絲參數的靈活調節。
[0027](4)供氣管道上噴氣口的設置范圍大于纖維發射極在水平面上(供氣管上)的投影面積，可以確保線性齒電極在整個紡絲過程中，完全處于供氣管道噴氣口噴射的氣流的作用范圍內，更好的起到氣流加快溶劑揮發，改善紡絲性能，氣流作用避免紡絲前驅液滴落，節約原料，又能促進Taylor錐體形成，降低紡絲電壓，提高紡絲效率，引導纖維沉積方向，提高纖維收集效率的作用。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明的靜電紡絲裝置的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明的線性齒電極的橫截面的結構示意圖；
[0030]圖3為本發明的供液刷頭的結構示意圖；
[0031 ]圖4為本發明的供氣管道的結構示意圖；
[0032]圖中:1_線性齒電極，2-供氣管道，21-噴氣口，22-進氣口，3-氣體發生機構，4-微量注射栗，5-輸液管，6-供液刷頭，61-進液口，62-軌道通孔，63-通液孔，7-儲液箱，8-伺服電機，9-同步帶，10-高壓直流電源，11-直流無刷電機，12-收集滾筒，13-滾筒支架，14-導氣管，15-紡絲前驅液射流，16-微齒尖。
【具體實施方式】
[0033]根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用于說明本發明而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。
[0034]實施例
[0035]如圖1至4所示，一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極為線性齒電極I，所述線性齒電極I為表面設置有多個微尖齒16的金屬線，所述線性齒電極I連接高壓直流電源10正極，線性齒電極I的正上方設置收集極，所述收集極連接高壓直流電源10負極或接地，線性齒電極I正下方設置有向上噴射氣流的供氣系統，所述線性齒電極I上還設置有向線性齒電極I施加紡絲前驅液的供液系統。
[0036]具體而言，所述線性齒電極I為表面均勻密布微尖齒16的金屬線，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極設置為多根位于同一水平面平行設置的線性齒電極I。所述供氣系統包括設置于線性齒電極I正下方的供氣管道2，所述供氣管道2的正上方均勻設置多個噴氣口 21，供氣管道2—端封閉，另一端設置進氣口 22，所述進氣口 22連接導氣管14的端部，導氣管14的另一端連接連接氣體發生機構3，所述氣體發生機構3包括空氣壓縮機及其輸出管道、空氣干燥過濾器和調壓閥，所述調壓閥為電子調壓閥或手動調壓閥。所述供液系統包括通過輸液管5依次連接的儲液箱7、微量注射栗4和供液刷頭6，所述供液刷頭6通過上端設置的進液口 61連接輸液管5端部，所述供液刷頭6上設置有通液孔63，通液孔63設置于進液口 61下方并與進液口 61連通，線性齒電極I穿過通液孔63，通液孔63下方的供液刷頭6上設置有軌道通孔62，所述軌道通孔62的形狀與供氣管道2相對應，供氣管道2穿過軌道通孔62，所述供液刷頭6連接直線往復運動驅動機構，所述直線往復運動驅動機構驅動供液刷頭6沿供氣管道2做直線往復運動。所述供氣管道2為橫截面為方形的方形管，軌道通孔62的橫截面與供氣管道2橫截面相同。所述直線往復運動驅動機構由伺服電機8、同步帶9和作為軌道的供氣管道2構成，所述伺服電機8和同步帶9設置于供氣管道2正下方，供液刷頭6底部于同步帶9相連，在伺服電機8控制器控制下隨同步帶9沿供氣管道2做直線往復運動。所述收集極為滾筒收集極，收集滾筒12通過可調節高度的滾筒支架13安裝在線性齒電極I正上方，收集滾筒12的轉軸與直流無刷電機11連接，所述供氣管道2的橫向和縱向尺寸均大于位于其正上方的線性齒電極I，供氣管道2上設置噴氣口21的范圍大于線性齒電極I在供氣管道2上的投影面積。
[0037]該裝置在使用時，調整好微量注射栗4和伺服電機控制器，開啟供液系統，供液刷頭6沿供氣管道2做直線往復運動，此時通液孔63也在線性齒電極I上做直線往復運動，儲存于儲液箱7中的紡絲前驅液在微量注射栗4的驅動下通過進液口 61進入供液刷頭6的通液孔63中，并隨這供液刷頭6的運動涂覆于線性齒電極I表面，然后開啟氣體發生裝置3，調整好氣體流速，氣流經過導氣管4進入位于線性齒電極I正下方的供氣管道2中，氣體從噴氣口 21噴射而出，形成向上的氣流，這種輔助氣流可以加快溶劑揮發，改善紡絲性能，氣流作用方向與紡絲液體重力反向，既能有效避免液體滴落，又能促進Taylor錐體形成，有利于降低紡絲電壓，提高紡絲效率；由于氣流方向與紡絲前驅液射流15方向一致，氣流還可以引導纖維沉積方向，提高纖維收集效率。利用表面分布微尖齒16的細金屬線為纖維發射極，可誘導紡絲，尖端電荷聚集效應有利于Taylor錐形成，進而形成紡絲前驅液射流，與輔助氣流相配合可有效降低紡絲電壓。采用線性齒電極I代替針頭作為纖維發射極，可有效避免單針頭電紡和多針頭電紡的針頭堵塞等問題，采用供液系統向線性齒電極I施加紡絲前驅液，可避免紡絲前驅液直接大面積暴露于空氣中，電紡過程中溶劑揮發，紡絲前驅液濃度不穩定，造成電紡纖維直徑不均勻的問題，得到直徑較均勻的電紡纖維。該裝置操作簡單，能夠顯著提高電紡纖維效率，實現微納米纖維的規模化生產。
[0038]以上所述，僅為本發明的說明實施例，并非對本發明任何形式上和實質上的限制，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，做出的若干改進和補充也應視為本發明的保護范圍。凡熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，利用以上所揭示的技術內容做出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發明的等效實施例；同時，凡依據本發明的實質技術對上述實施例所做的任何等同變化的更動、修飾與演變，均仍屬于本發明的技術方案的范圍。本發明未詳盡公開處均為現有技術。
【主權項】
1.一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極為線性齒電極(I)，所述線性齒電極(I)為表面設置有多個微尖齒(16)的金屬線，所述線性齒電極(I)連接高壓直流電源(10)正極，線性齒電極(I)的正上方設置收集極，所述收集極連接高壓直流電源(10)負極或接地，線性齒電極(I)正下方設置有向上噴射氣流的供氣系統，所述線性齒電極(I)上還設置有向線性齒電極(I)施加紡絲前驅液的供液系統。2.如權利要求1所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述線性齒電極(I)為表面均勾密布微尖齒(16)的金屬線。3.如權利要求1所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述靜電紡絲裝置的纖維發射極設置為多根位于同一水平面平行設置的線性齒電極(I)。4.如權利要求1所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述供氣系統包括設置于線性齒電極(I)正下方的供氣管道(2)，所述供氣管道(2)的正上方均勻設置多個噴氣口(21)，供氣管道(2) —端封閉，另一端設置進氣口(22)，所述進氣口(22)連接導氣管(14)的端部，導氣管(14)的另一端連接連接氣體發生機構(3)。5.如權利要求4所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述氣體發生機構(3)包括空氣壓縮機及其輸出管道、空氣干燥過濾器和調壓閥，所述調壓閥為電子調壓閥或手動調壓閥。6.如權利要求4所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述供液系統包括通過輸液管(5)依次連接的儲液箱(7)、微量注射栗(4)和供液刷頭(6)，所述供液刷頭(6)通過上端設置的進液口(61)連接輸液管(5)端部，所述供液刷頭(6)上設置有通液孔(63)，通液孔(63)設置于進液口(61)下方并與進液口(61)連通，線性齒電極(I)穿過通液孔(63)，通液孔(63)下方的供液刷頭(6)上設置有軌道通孔(62)，所述軌道通孔(62)的形狀與供氣管道(2)相對應，供氣管道(2)穿過軌道通孔(62)，所述供液刷頭(6)連接直線往復運動驅動機構，所述直線往復運動驅動機構驅動供液刷頭(6)沿供氣管道(2)做直線往復運動。7.如權利要求6所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，所述供氣管道(2)為橫截面為方形的方形管，軌道通孔(62)的橫截面與供氣管道(2)橫截面相同。8.如權利要求6所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述直線往復運動驅動機構由伺服電機(8)、同步帶(9)和作為軌道的供氣管道(2)構成，所述伺服電機(8)和同步帶(9)設置于供氣管道(2)正下方，供液刷頭(6)底部于同步帶(9)相連，在伺服電機(8)控制器控制下隨同步帶(9)沿供氣管道(2)做直線往復運動。9.如權利要求1所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述收集極為滾筒收集極，收集滾筒(12)通過可調節高度的滾筒支架(13)安裝在線性齒電極(I)正上方，收集滾筒(12)的轉軸與直流無刷電機(11)連接。10.如權利要求1所述的一種氣流輔助線性齒電極靜電紡絲裝置，其特征在于，所述供氣管道(2)的橫向和縱向尺寸均大于位于其正上方的線性齒電極(I)，供氣管道(2)上設置噴氣口(21)的范圍大于線性齒電極(I)在供氣管道(2)上的投影面積。
【文檔編號】D01D5/00GK105970314SQ201610590525
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月25日
【發明人】于淼, 龍云澤, 董瑞華, 秦崇崇
【申請人】青島中科凱爾科技有限公司