CN104451910B - 射流定点诱发的电纺装置 - Google Patents
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Abstract
射流定点诱发的电纺装置，涉及一种电纺装置。设有高压电源、运动平台、绝缘棒、溶液槽、绝缘基座、金属收集板、卷绕收集装置；运动平台设有平台基座、驱动电机、滑块、丝杠、丝杠电机；绝缘基座上设有凹槽和滑槽；卷绕收集装置设有放卷轴、卷布、收卷轴；电源正极接溶液槽，电源负极接金属收集板；溶液槽固定在绝缘基座的凹槽中；运动平台的丝杠电机与丝杠连接，驱使滑块左右移动；滑块上的驱动电机主轴与绝缘棒相连，使绝缘棒按照给定速度旋转；绝缘棒位于溶液槽正上方，绝缘棒两端设有轴承，轴承置于绝缘基座的滑槽中；绝缘棒通过电刷环接地，绝缘棒的表面设有凸起阵列；产生的纳米纤维沉积在金属收集板下方的卷绕收集装置的卷布上。
Description
技术领域
本发明涉及一种电纺装置，特别是涉及基于静电纺丝的射流定点诱发的电纺装置。
背景技术
纳米纤维在过滤、透明电极、化工催化、生物医学、复合增强材料和锂电池隔膜等方面有着巨大的市场潜力。静电纺丝由于其纯物理拉伸过程，具有***结构简单、成本低廉等特点，将是未来纳米纤维制造的重要方法。然而，传统的单喷头静电纺丝技术效率极低，仅适用于实验室的基础验证性研究。为实现纳米纤维批量制造，满足工业化需求，国内外科研人员进行了深入研究并取得了一些原创性成果。专利CN200720076954.6公开了一种朝上的多喷头静电纺丝装置，克服了传统单喷头纺丝效率低下的缺点，但是多针尖喷头的纺丝装置存在结构复杂、针孔易堵塞以及针尖之间电场相互影响等缺陷。专利CN102191573B公开了一种针尖阵列蘸取形成液体锥的批量电纺技术，针尖阵列在驱动器的驱动下蘸取溶液后抽离，形成液体锥阵列，具有扩展容易、驱动电压低等优点。专利WO 2009010020A2公开了捷克ELMARCO公司的一项批量电纺专利技术，采用来回移动的储液盒供给金属丝电极溶液，金属丝在电纺过程中缓慢移动克服了溶液在金属丝上快速固化问题，实现了纳米纤维连续制造。以色列Yarin等(Theron A,Zussman E,Yarin A L.Electrostatic field-assistedalignment of electrospun nanofibres[J].Nanotechnology,2001,12(3):384-390.)提出了利用电磁场扰动下层铁磁性液体，辅助泰勒锥产生的方法，但该方法纤维引入了磁粉和硅油等杂质，直径波动范围较大。
理论和实验证明，在光滑的水平溶液表面仅靠电场激发产生泰勒锥需要的电场强度为107～108V/m，要求电源电压达到近百万伏，这在技术上很难实现。因此，探索降低在光滑液面形成泰勒锥所需的工作电压的方法来提高纤维产量和均匀性，同时降低技术实现难度，意义重大。
发明内容
本发明的目的在于克服目前无针尖电纺技术射流产生无规律，纤维直径尺寸差异大等缺点，提供利用弱绝缘体在强电场中极化的特性，加强局部电场，直接从光滑溶液液面激发泰勒锥进而产生射流，得到直径均匀的纳米纤维，同时，绝缘棒表面可以控制泰勒锥激发位置，使射流规律有序喷射的一种射流定点诱发的电纺装置。
本发明设有高压电源、运动平台、绝缘棒、溶液槽、绝缘基座、金属收集板、卷绕收集装置；
所述运动平台设有平台基座、驱动电机、滑块、丝杠、丝杠电机；所述绝缘基座上设有凹槽和滑槽；所述卷绕收集装置设有放卷轴、卷布、收卷轴，卷布设在放卷轴和收卷轴之间；高压电源的正极接溶液槽，高压电源的负极接金属收集板并接地，在溶液槽和金属收集板之间形成电场；溶液槽固定在绝缘基座的凹槽中；运动平台的丝杠电机与丝杠连接，驱使滑块左右移动；滑块上的驱动电机主轴与绝缘棒相连，使绝缘棒按照给定速度旋转；绝缘棒位于溶液槽正上方，绝缘棒两端设有轴承，轴承置于绝缘基座的滑槽中，以便绝缘棒的水平移动和转动；绝缘棒通过电刷环接地，绝缘棒的表面设有凸起阵列，用于进一步增强局部电场，定点诱发射流；产生的纳米纤维沉积在金属收集板下方的卷绕收集装置的卷布上。
绝缘棒在溶液槽上方做水平往复运动，并且绕自身的轴转动，其转动速度从1～500r/min可调，水平运动速度从0.01～1m/s可调。
绝缘棒表面设有凸起阵列结构，凸起阵列结构的材质可以是但不局限于弱绝缘体，并且绝缘棒正下方的凸起阵列结构与溶液面没有接触，其距离从0.01～300mm可调。
绝缘棒的材质是弱绝缘体，电阻从10MΩ～104GΩ，并且其接地的位置可调，可以改变电纺所需的电压。
加载在溶液槽和金属收集板间的电压为1～200kV，距离为0.2～200cm。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的绝缘棒的截面示意图之一。
图3为本发明实施例的绝缘棒的截面示意图之二。
图4为本发明实施例的绝缘棒的截面示意图之三。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例设有高压电源1、运动平台、酚醛树脂棒3、金属溶液槽4、聚四氟乙烯基座5、铝合金收集板6、卷绕收集装置。
所述运动平台设有平台基座2-1、驱动电机2-2、滑块2-3、丝杠2-4、丝杠电机2-5；所述酚醛树脂棒3上设有轴承3-1、凸起阵列3-2；所述聚四氟乙烯基座5上设有凹槽5-1和滑槽5-2；所述卷绕收集装置设有放卷轴7-1、卷布7-2、收卷轴7-3。
高压电源1的正极接金属溶液槽4，高压电源1的负极接铝合金收集板6并接地，在金属溶液槽4和铝合金收集板6之间形成电场；金属溶液槽4固定在聚四氟乙烯基座5的凹槽5-1中；运动平台的丝杠电机2-5与丝杠2-4连接，驱使滑块2-3左右移动；滑块2-3上的驱动电机2-2主轴与酚醛树脂棒3相连，使酚醛树脂棒3按照给定速度旋转；酚醛树脂棒3位于溶液槽4正上方，酚醛树脂棒3两端设有轴承3-1，轴承3-1置于聚四氟乙烯基座的滑槽5-2中，以便酚醛树脂棒3的水平移动和转动；酚醛树脂棒3通过电刷环8接地，酚醛树脂棒3的表面设有凸起阵列3-2，用于进一步增强局部电场，定点诱发射流；产生的纳米纤维沉积在铝合金收集板6下方卷绕收集装置的卷布7-2上，卷布在放卷轴7-1和收卷轴7-3转动下缓缓移动，便于连续收集纤维。
图2～4给出3种不同结构形式的绝缘棒的截面示意图。
实施过程：将配制好的质量分数为14％的PEO溶液(溶剂为水和酒精，质量比为3∶1)置于金属溶液槽4中，待液面平整后，启动丝杠电机2-5和驱动电机2-2，使酚醛树脂棒3在聚四氟乙烯基座5的滑槽5-2中水平往复运动时，自身也在转动；然后启动高压电源1，调整电压到30kV，在金属溶液槽4和高度相距350mm铝合金收集板6之间形成电场；在酚醛树脂棒3下方的液面电场得到局部强化，当酚醛树脂棒3上的凸起阵列3-2转到竖直向下，距离溶液表面的距离为2mm时，电场进一步局部强化，克服溶液表面张力，在液面产生泰勒锥并在泰勒锥顶部形成射流，溶液中的酒精和水在射流运动过程中挥发，形成纤维沉积在卷布7-2上，放卷轴7-1和收卷轴7-3的转动带动卷布移动可以连续的收集纤维。
实际应用不同材料时，可以根据需要调整酚醛树脂棒朝下的凸起阵列距离溶液表面的距离以及铝合金收集板距离金属溶液槽的距离，而且酚醛树脂棒表面凸起阵列中的相邻凸起之间的距离要适中，以减小液面射流间的相互影响。
本发明的工作原理和过程如下：
本装置开始工作时，启动运动平台的丝杠电机并设置合适的参数，使平台上的滑块以一定的速度在丝杠上作周期性往复运动；同时开启固定在滑块上的驱动电机，使绝缘棒在随滑块一起水平移动时自身也在匀速转动；然后打开高压电源并调整到合适的电压，此时由于接地绝缘棒的存在，绝缘棒下方的溶液表面电场增强；当绝缘棒表面的凸起结构旋转到下方靠近溶液表面时，进一步增强溶液表面的电场，诱发溶液产生射流；射流会持续一段时间，通过调整平台运动的周期，使射流在消失时，绝缘棒又回到该处诱导形成射流，实现纤维连续产生。射流经过拉伸、溶液挥发后在收集板下方的卷布表面沉积形成纤维膜，收卷轴和放卷轴的转动带动卷布移动可以连续的收集纤维。
Claims (4)
1.射流定点诱发的电纺装置，其特征在于设有高压电源、运动平台、绝缘棒、溶液槽、绝缘基座、金属收集板、卷绕收集装置；
所述运动平台设有平台基座、驱动电机、滑块、丝杠、丝杠电机；所述绝缘基座上设有凹槽和滑槽；所述卷绕收集装置设有放卷轴、卷布、收卷轴，卷布设在放卷轴和收卷轴之间；高压电源的正极接溶液槽，高压电源的负极接金属收集板并接地，在溶液槽和金属收集板之间形成电场；溶液槽固定在绝缘基座的凹槽中；运动平台的丝杠电机与丝杠连接，驱使滑块左右移动；滑块上的驱动电机主轴与绝缘棒相连，使绝缘棒按照给定速度旋转；绝缘棒位于溶液槽正上方，绝缘棒两端设有轴承，轴承置于绝缘基座的滑槽中，以便绝缘棒的水平移动和转动；绝缘棒通过电刷环接地，绝缘棒的表面设有凸起阵列，用于进一步增强局部电场，定点诱发射流；产生的纳米纤维沉积在金属收集板下方的卷绕收集装置的卷布上；
所述绝缘棒在溶液槽上方做水平往复运动，并且绕自身的轴转动，其转动速度从1～500r/min可调，水平运动速度从0.01～1m/s可调；
所述绝缘棒表面设有凸起阵列结构，绝缘棒正下方的凸起阵列结构与溶液面没有接触，其距离从0.01～300mm可调。
2.如权利要求1所述射流定点诱发的电纺装置，其特征在于所述绝缘棒的材质是弱绝缘体，电阻从10MΩ～104GΩ。
3.如权利要求1所述射流定点诱发的电纺装置，其特征在于加载在溶液槽和金属收集板间的电压为1～200kV。
4.如权利要求1所述射流定点诱发的电纺装置，其特征在于所述溶液槽和金属收集板间的距离为0.2～200cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170606 |