CN102409416A - 一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置 - Google Patents

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龙云泽
张志华
刘抗抗
孙彬
郑杰
张红娣
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Abstract

本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置，装有纺丝溶液的注射器固定在空间位置或实验用支架座上，保持注射器中的纺丝溶液在压力或电场力作用下能够由纺丝喷头射出；在装有纺丝溶液的注射器一侧对应高度处固定安装顶部制有打火机点火***按键的内有压电陶瓷的打火机点火***，或采用另外结构的能产生高压的压电陶瓷式点火***；点火***的电压输出端通过带有绝缘层的金属导线与纺丝喷头电连通；纺丝喷头固定在装有纺丝溶液的注射器的最低端竖直向下，其正下方水平放置有一块作为纺丝纤维收集屏的接地铝箔；其整体结构体积小，重量轻，操作便捷，组成结构简单，制作成本低，携带方便。

Description

一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置
技术领域：
本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种利用压电陶瓷代替普通高压电源产生高电压的体积小、质量轻、成本低的新型静电纺丝演示装置，特别是一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置。
背景技术：
目前，静电纺丝技术是制备微纳米纤维最常用最有效的方法之一，相比于其它方法，静电纺丝法制备微纳米纤维具有装置结构简单、工艺操作灵活，适用于大部分聚合物的连续电纺，而且通过静电纺丝法获得的纤维，直径在几纳米到几微米之间，具有比表面积大、长径比大、表面活性高、纤维直径分布比较均匀等特点，在过滤、生物组织工程、传感器、复合增强、防护服等许多领域方面有着广泛的应用前景。传统的静电纺丝装置一般包括高压电源、装有纺丝溶液的纤维发射装置和纤维收集装置三个部分，其高压电源正极接在纤维发射装置上，负极接在纤维收集装置上并接地，在纤维发射装置和收集装置之间形成一个高压电场，工作电压一般在5-30千伏之间，纤维发射装置的纺丝喷头与收集装置之间的距离(纺丝距离)一般为8-20厘米。实验时，将纺丝溶液加到纤维发射装置中，加上高电压，纺丝溶液在发射装置的尖端形成泰勒锥，在电场力作用下，从泰勒锥喷射出来的射流发生拉伸或劈裂细化，伴随着纺丝过程中溶剂的挥发，纤维进一步固化，沉积到收集装置上。目前国内外使用的静电纺丝装置一般都匹配高压直流或交流电源，存在成本高、体积大、质量重、在没有外部供电的情况下不能工作等缺点，不适合作为课堂教学演示仪器。众所周知，压电陶瓷具有将机械能转换成电能的特性，即压电陶瓷被外力压缩时产生极化，在材料相对的两面上产生异号束缚电荷，这些电荷可以通过连接在压电材料上的导线进行尖端放电产生电火花；如何将压电陶瓷电源代替传统静电纺丝装置中普遍使用的高压电源产生高电压，像一次性打火机中的压电陶瓷能在三、四万分之一秒内产生6-8千伏的电压，脉冲持续时间为0.01秒左右，足以进行静电纺丝制备微纳米纤维的实验是业界探讨的科研任务，但制备这种微型结构的静电纺丝装置目前尚未见有使用和文献公开，特别是在教学科研方面的使用更具新颖性。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有静电纺丝技术和装置的体积大、成本高、依赖外部电源供电等缺点，设计一种体积小、成本低的静电纺丝装置，其纺丝效果与传统静电纺丝装置基本相同，并且能作为课堂教学演示装置或学生创新性实验装置，该装置基于压电陶瓷产生高压电的原理，将压电陶瓷电源替代普通高压电源应用于微型结构的静电纺丝装置。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括打火机点火***的按键、内有压电陶瓷的打火机点火***、带有绝缘层的金属导线、接地铝箔或纤维收集屏、装有纺丝溶液的注射器、纺丝溶液和中空的不锈钢针头或纺丝喷头；装有纺丝溶液的注射器固定在空间位置或实验用支架座上，保持注射器中的纺丝溶液在压力或电场力作用下能够由纺丝喷头射出；在装有纺丝溶液的注射器一侧对应高度处固定安装顶部制有打火机点火***按键的内有压电陶瓷的打火机点火***，或采用另外结构的能产生高压的压电陶瓷式点火***；点火***的电压输出端通过带有绝缘层的金属导线与纺丝喷头电连通；纺丝喷头固定在装有纺丝溶液的注射器的最低端竖直向下，其正下方水平放置有一块作为纺丝纤维收集屏的接地铝箔。
本发明设计使用一次性打火机用的内有压电陶瓷的打火机点火***代替传统静电纺丝装置中的高压直流电源，接地铝箔作为纤维收集屏，进行静电纺丝实验时，将内有压电陶瓷的打火机点火***上的导线与纺丝喷头相连，用手不断反复按压打火机点火***的按键，即不断挤压压电陶瓷从而产生高电压，在纺丝喷头和接地铝箔之间形成高压电场，纺丝溶液从纺丝喷头喷出，形成微纳米纤维沉积到接地铝箔上。
本发明与传统的静电纺丝装置相比，一是采用打火机的压电陶瓷产生高电压，使静电纺丝装置在没有外部供电的情况下使用，不易受外界条件的限制；二是利用打火机的压电陶瓷作为电源，虽然会产生高压，但电流很小，做演示实验时非常安全，避免了普通高压直流电源可能对人身安全造成的伤害；三是其整体结构体积小，重量轻，操作便捷，组成结构简单，制作成本低，携带方便；四是简便快速组装，用于课堂教学演示实验或学生创新性实验，使科学研究更加直观，有利于提高学生的科学研究兴趣和动手能力。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图，包括打火机点火***的按键1、打火机点火***(内有压电陶瓷)2、带有绝缘层的金属导线3、接地铝箔(纤维收集屏)4、装有纺丝溶液的注射器5、纺丝溶液6和中空的不锈钢针头(纺丝喷头)7。
图2为本发明制备的PVP微纳米纤维光学显微镜照片。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例：制备聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)微纳米纤维
本实施例的主体结构包括打火机点火***的按键1、内有压电陶瓷的打火机点火***2、带有绝缘层的金属导线3、接地铝箔或纤维收集屏4、装有纺丝溶液的注射器5、纺丝溶液6和中空的不锈钢针头或纺丝喷头7；装有纺丝溶液的注射器5固定在空间位置或实验用支架座上，保持注射器5中的纺丝溶液6在压力或电场力作用下能够由纺丝喷头7射出；在装有纺丝溶液的注射器5一侧对应高度处固定安放顶部制有打火机点火***按键1的内有压电陶瓷的打火机点火***2，或采用另外结构的能产生高压的压电陶瓷式点火***；点火***2的电压输出端通过带有绝缘层的金属导线3与纺丝喷头7电连通；纺丝喷头7固定在注射器5的最低端竖直向下，其正下方水平放置有一块作为纺丝纤维收集屏的接地铝箔4。
本实施例设计使用一次性打火机用的内有压电陶瓷的打火机点火***2代替传统静电纺丝装置中的高压直流电源，接地铝箔4作为纤维收集屏，进行静电纺丝实验时，将内有压电陶瓷的打火机点火***2上的导线与纺丝喷头7相连，用手不断反复按压打火机点火***的按键1，即不断挤压压电陶瓷从而产生高电压，在纺丝喷头7和接地铝箔4之间形成高压电场，纺丝溶液6从纺丝喷头7喷出，形成微纳米纤维沉积到接地铝箔4上。
本实施例选取的纺丝溶液6是质量分数为30wt％的PVP乙醇溶液；首先，将3克PVP粉末与7克无水乙醇混合，然后室温下磁力搅拌2小时再静置0.5小时，获得均匀透明的30wt％的PVP静电纺丝前躯体溶液；制备PVP前躯体溶液后进行静电纺丝实验，首先将内有压电陶瓷的打火机点火***2上的带有绝缘层的金属导线3与中空的不锈钢针头7电连接，在装有纺丝溶液的注射器5内加入1-2毫升30wt％的PVP静电纺丝前躯体纺丝溶液6，然后控制中空的不锈钢针头7距离接地铝箔4为1-2厘米处，用手按压打火机点火***的按键1，观察接地铝箔4上的纤维收集情况；重复按压打火机压电陶瓷上方的按键1，直至接地铝箔4上出现白色的纤维薄膜；获得纤维后，用光学显微镜对纤维进行观察，最后将带有绝缘层的金属导线3从纺丝喷头7上拆除，清洗并吹干装有纺丝溶液的注射器5和纺丝喷头7；即制备成30wt％的PVP微纳米纤维，其光学显微镜照片如图2所示，其纤维形貌良好，与传统静电纺丝制备的纤维有相同的效果。

Claims (2)

1.一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置，主体结构包括打火机点火***的按键、内有压电陶瓷的打火机点火***、带有绝缘层的金属导线、接地铝箔或纤维收集屏、装有纺丝溶液的注射器、纺丝溶液和中空的不锈钢针头或纺丝喷头；其特征在于装有纺丝溶液的注射器固定在空间位置或实验用支架座上，保持注射器中的纺丝溶液在压力或电场力作用下能够由纺丝喷头射出；在装有纺丝溶液的注射器一侧对应高度处固定安装顶部制有打火机点火***按键的内有压电陶瓷的打火机点火***，或采用另外结构的能产生高压的压电陶瓷式点火***；点火***的电压输出端通过带有绝缘层的金属导线与纺丝喷头电连通；纺丝喷头固定在装有纺丝溶液的注射器的最低端竖直向下，其正下方水平放置有一块作为纺丝纤维收集屏的接地铝箔。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置，其特征在于使用一次性打火机用的内有压电陶瓷的打火机点火***代替传统静电纺丝装置中的高压直流电源，接地铝箔作为纤维收集屏，进行静电纺丝实验时，将内有压电陶瓷的打火机点火***上的导线与纺丝喷头相连，用手不断反复按压打火机点火***的按键，即不断挤压压电陶瓷从而产生高电压，在纺丝喷头和接地铝箔之间形成高压电场，纺丝溶液从纺丝喷头喷出，形成微纳米纤维沉积到接地铝箔上。
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