CN108277540A - 一种一体式吹风静电纺丝器 - Google Patents

Abstract

本发明属于静电纺丝技术领域，一种一体式吹风静电纺丝器，由电池为高压直流逆变器、推进器、风扇、控制器提供电源；通过控制器控制和调节高压直流逆变器、推进器、风扇；在纺丝过程中，纺丝液按推进器推进速度从不锈钢针头流出，在高压直流逆变器提供的高压下，不锈钢针头与导电环间形成强电场，不锈钢针头喷出射流；同时风扇在上绝缘外壳内产生定向的气流，并汇聚于喷头快速流出，加快了射流中溶剂的挥发和引导纤维从喷头飞向目标物。这种一体式吹风静电纺丝器使用灵活、结构简单、体积小易携带、成本低、更安全，纤维收集装置无需接电，增加了纺丝安全性和减少了纤维缺陷，既可野外教学、伤口修复，也可用于实验室和生产中。

Description

一种一体式吹风静电纺丝器

技术领域

本发明属于静电纺丝装置技术领域，具体涉及一种集成了传统纺丝设备特点，且小型轻质便携、可随身携带、吹风辅助喷射纳米纤维的静电纺丝器。

背景技术

静电纺丝法是高分子加工方法之一，其制作纳米纤维成本低、加工方法简单，近年来受到国内外的广泛研究报道。采用静电纺丝技术加工制备的微纳米纤维具有高比表面积、较大的长度/直径比以及独特的物理化学性质等优良特性，在生物组织工程、创伤敷料、过滤防护、药物缓释、柔性器件等领域展现出极大的应用潜力。静电纺丝法原理非常简单，简述为：在高压电场作用下，电接高压电源的喷头和接收板间形成高压电场，并在喷头处形成泰勒锥，使喷头纺丝液受电场力拉伸来制备纳米纤维、并沉积在接收板上，也是制备纳米纤维最直接最简单的方法。

现有静电纺丝设备主要由高压电源、微量推进器、喷头、接收装置等组成，纤维收集装置和喷头是独立分开的，且分别电接直流高压输出端两极，普通静电纺丝设备存在体积大、质量大、不易携带、溶剂挥发缓慢等局限，严重制约了静电纺丝技术的推广应用。为了解决静电纺丝设备体积较大不易携带，相关研究工作者对静电纺丝装置进行了诸多改进。如中国专利“一种手持便携式静电纺丝设备”(201220605695.2)中报道将传统纺丝喷头改进为手持式喷头样式，以此来达到便携、轻便的目的，但该装置还是需要外接电源，限制了其使用环境，不能满足实际应用的需要；2012年龙云泽等首次报道了“一种便携式手持静电纺丝装置”(201210229010.3)，该装置采用方形电池为高压直流逆变器提供电源，克服了现有设备无法随身携带的缺陷，使得便携真正成为可能。但该设备结构较为简单，不能调节纺丝液推进量、输出电压等参数，对不同的纺丝液适用性较弱，且高压输出一端与人体接触，使其应用和安全性都受到限制，同时，该装置主要用于野外教学、伤员抢救等短暂使用场合，应用范围也受限制，现在静电纺丝设备也仍然存在很多问题没有解决，静电纺丝过程一般都是将纺丝液利用静电纺丝设备纺成纳米纤维并沉积到收集装置上，但是收集装置必须导电且电连接高压电极，然后再转移到使用部位，其转移过程对纤维的形貌和纤维贴附效果有很大影响，并且对于溶剂挥发缓慢的纺丝液制得纤维带有串珠、直径分布不均匀等缺陷，因此开发一种新型的使用环境灵活的一体式吹风静电纺丝器是十分必要的，一体式吹风静电纺丝器质量轻体积小携带方便，无需外接电源，可以向任意方向、任意孤立物体喷射纳米纤维，不要求纤维收集装置导电，大大增加了静电纺丝设备的适用柔性，在风扇产生气流的辅助下，也增加了溶剂挥发速度，避免了串珠、直径分布不均匀等缺陷出现的现象；同时，也可取下喷头采用导电接收装置收集纤维。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，寻求设计一种质量轻、体积小、纺丝稳定、安全可靠、应用柔性大的一体式吹风静电纺丝器，把直流高压产生的纺丝强电场分布在一体式吹风静电纺丝器内部，减少了外部干扰。可实现直接对任意物体喷射纳米纤维，集传统纺丝设备功能于一体，并利用风扇产生定向均匀的气流引导纤维，降低了对纤维收集装置的要求，避免了纤维出现串珠和直径分布不均等缺陷。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明主体包括电池、高压直流逆变器、注射器、推动器、风扇、控制器、不锈钢针头、喷头、上绝缘外壳，喷头由下绝缘外壳内同轴固定安装导电环组成；上绝缘外壳内同轴安装注射器，注射器后侧固定安装有风扇；上绝缘外壳内壁固定制有推进器，注射器的推杆连接安装在推进器上，通过控制器控制调节推进器推进速度和风扇转动速度；注射器的前端内腔中置有纺丝液，注射器的底端上插接式制有用于喷丝的不锈钢针头，不锈钢针头采用常规医用的注射针头结构并与注射器组合配套，注射器也为常规的医用注射器；喷头以螺纹配合方式安装在上绝缘外壳上，喷头与上绝缘外壳同轴；上绝缘外壳侧壁上对接式固定制有方形电池和高压直流逆变器、控制器；采用12伏电池为高压直流逆变器和风扇、推进器、控制器提供电源，也可外接直流12伏电源供电；输入电压经高压直流逆变器之后输出电压达数千伏级，通过控制器上开关控制高压直流逆变器开启和关闭；高压直流逆变器正极与不锈钢针头电连通，高压直流逆变器负极与喷头上固定的导电环电连通。

本发明使用时，先把纺丝液装入注射器，装入上绝缘外壳内，并通过控制器开启推进器，设置推进速度；不锈钢针头针尖处出现纺丝液液滴时，将喷头朝向纤维收集物，间距为1-15厘米，收集物体为金属箔或人体皮肤等非绝缘性物质；然后打开风扇，通过控制器调节风速；接通高压直流逆变器，不锈钢针头喷出纳米纤维，风扇在上绝缘外壳内产生的定向气流，并在喷口处汇聚后喷出，使喷口处气流气压和风速都增加，既引导了纤维的喷射，又加快了溶剂的挥发，大大避免了串珠和直径分布不均等缺陷纤维的出现，纤维从喷头喷出沉积于收集物体上；通过改变喷头与不锈钢针头的距离，来调节不锈钢针头与喷头间形成的纺丝电场强度，和调节风扇风速等参数来适应不同的纺丝条件，从而获得需要的纤维。

本发明改变了传统纺丝设备的结构，结构简单，体积小易于携带、手持使用方便、成本低，它把高压直流逆变器输出端两极形成的纺丝电场集中在静电纺丝结构内，并增加了风扇，提高了设备的安全性、使用柔性、纤维质量等；当拆下喷头，将高压输出端两极分别电连通不锈钢针头和其他纤维收集装置，类似传统纺丝设备，可实现比如定向纤维、图案化纤维等收集；也可外接9伏直流电源为一体式吹风静电纺丝器提供电源。

附图说明

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明静电纺纳米纤维沉积在孤立物体上的示意图。

图3为本发明在拆下喷头后的静电纺丝示意图。

图4为本发明制备的PEO纳米纤维扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的结构示意图如图1所示，由电池1、控制器2、高压直流逆变器3、风扇4、推动器5、上绝缘外壳6、注射器7、纺丝液8、不锈钢针头9、下绝缘外壳10、导电环11、喷头12；常规医用的注射器7的前端内腔中置有纺丝溶液8；注射器7的底端上***连接有用于喷丝的不锈钢针头9，不锈钢针头9采用常规医用的注射针头结构并与注射器配套组合；注射器7的推杆顶端安装在推进器5上，通过推进器5推动注射器7内纺丝液8从不锈钢针头9缓缓流出；上绝缘外壳6外侧对接式固定制有高压直流逆变器3，高压直流逆变器3高压输出端分别电连通不锈钢针头9和导电环11；电池1为高压直流逆变高压器3、推动器5、风扇4、控制器2提供电源；控制器2用于开关直流逆变高压3、调节推进器5推进速度、风扇4转速。

本发明使用时，先将纺丝液8注入注射器7中，将不锈钢针头9***连接到注射器7上，然后把注射器7装入上绝缘外壳6内，不锈钢针头9电连通高压直流逆变器3高压输出端正极，负极电连通导电环11，在控制器2上打开推进器5且设定推进器5的推进速度，当不锈钢针头9针尖出现纺丝液8时，打开风扇4，调整风速，打开高压直流逆变器3，然后调整喷头12与不锈钢针头9的间距；静电纺丝开始，不锈钢针头9喷出纳米纤维，并在气流的导向下从喷口12喷出沉积在接收物体上；待纺丝结束后，关闭直流高压逆变器3，关闭推进器5，关闭风扇4，纺丝液停止流出，纺丝停止；通过电子扫描显微镜可以清楚看到纳米纤维形貌，如图4，纤维形貌较好，粗细均匀，无缺陷。

本发明所选取的纺丝液8为6wt％的聚氧化乙烯(PEO)的去离子水溶液，先将0.3克聚氧化乙烯(PEO)粉末与4.7克去离子水混合，室温下磁力搅拌4小时，再静置0.5小时，获得均匀的6wt％的PEO纺丝液8；

本发明使用时，拆下喷头12，把直流高压逆变器3输出端正极电连通不锈钢针头9，把负极电连接纤维收集板；先用手握住上绝缘外壳6，将不锈钢针头9置于距离收集板5-20厘米处，收集板为导电金属箔或金属板；然后将纺丝液8注入注射器7内，将不锈钢针头9***连接到注射器7上，然后把注射器7装入上绝缘外壳6内，不锈钢针头9电连接高压直流逆变器3输出端正极，在控制器2上打开推进器5且设定推进速率；当不锈钢针头9针尖出现纺丝液8时，打开风扇4和高压直流逆变器3，静电纺丝过程开始。推进器5中的纺丝液8进入不锈钢针头9后会带上高压静电，带电的纺丝液8在高压电场力的作用下形成泰勒锥，当电场力足够大时，纺丝液液滴克服表面张力形成喷射细流，细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，在收集板上形成纳米纤维或者类似非织造布状的纤维膜。

本发明上绝缘外壳6和下绝缘外壳10采用高压绝缘材料，同时在上绝缘外壳6侧面对接安装有电池1、控制器2、直流高压逆变器3；使用者可以握住上绝缘外壳6进行操作，可以向任何位置喷射纤维形成膜，实现在开放式环境中纺丝，纤维收集物、纤维尺寸和形状不受设备限制，增加了溶剂挥发速度，大大避免了缺陷纤维的出现；同时，也可以插接外接直流电源供电，增加了纺丝设备的使用柔性。

Claims (6)

1.一种一体式吹风静电纺丝器，其特征在于包括电池、高压直流逆变器、注射器、推动器、风扇、控制器、不锈钢针头、喷头、上绝缘外壳，所述喷头由导电环安装于下绝缘外壳内组成；电池为高压直流逆变器、推进器和风扇、控制器提供电源，高压直流电压逆变之后电压达数千伏级，高压输出端正极电连接不锈钢针头，负极电连接导电环；风扇位于注射器后侧，由控制器调节风扇转速；注射器同轴固定安装在上绝缘外壳内，注射器的推杆装配连接在推进器上，由控制器调节推进速度从实现对纺丝液推进量的微量调控；注射器的前端内腔中装有纺丝液，注射器的头部插接式制有用于喷丝的不锈钢针头，不锈钢针头采用常规医用的注射针头结构并与注射器组合配套；高压直流逆变器的输出端分别电连接不锈钢针头和导电环；上绝缘外壳侧面上对接式固定制有电池和高压直流逆变器、控制器；喷头与上绝缘外壳螺纹配合连接且不锈钢针头与喷头同轴。

2.如权利要求1所述的一体式吹风静电纺丝器，其特征在于，不锈钢针头与喷头间距离可以调整，不锈钢针头与喷头间距离是指不锈钢针头尖端与喷头上安装的导电环的轴向距离，距离范围为1厘米至5厘米。

3.如权利要求1所述的一体式吹风静电纺丝器，其特征在于，喷头可以从上绝缘外壳拆下。

4.如权利要求1所述的一体式吹风静电纺丝器，其特征在于，风扇、上绝缘外壳、喷头同轴安装，使风扇产生的气流沿上绝缘外壳内部均匀定向流动，并在喷口汇聚喷出。

5.如权利要求1所述的一体式吹风静电纺丝器的使用方法，其特征在于，首先将配制好的电纺液加入注射器中，开启推进器，调节推进速度，纺丝液被缓慢推入不锈钢针头针尖处；然后开启风扇，风扇产生的气流进入上绝缘外壳内，沿着上绝缘外壳轴向流动汇聚于喷头流出；最后开启高压直流逆变器，使不锈钢针头尖端处带上3-10千伏的高压，调节喷头与不锈钢针头间距离，在不锈钢针头形成射流，在气流作用下，纤维从喷头喷出，即在目标喷涂部位上形成微纳米纤维膜；待纺丝完毕后，关闭电源，纺丝溶液停止流出，纺丝结束。

6.如权利要求1所述的一体式吹风静电纺丝器的使用方法，其特征在于，从上绝缘外壳拆下喷头后，将直流逆变器输出端分别电连接不锈钢针头和纤维收集装置，把配制好的纺丝液加入注射器中，开启推进器，调节推进器推进速度，纺丝液被缓慢推入纺丝针头针尖；打开风扇，开启直流高压逆变器，射流从喷头喷出，即在目标喷涂部位上形成微纳米纤维膜。