CN111575813A - 一种手持式静电直喷装置及一种低电压静电纺丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手持式静电直喷装置及一种低压静电纺丝方法。手持式静电直喷装置由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管，导电块内部设有贯穿的线形狭缝；导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。低电压静电纺丝方法为：分散有磁性纳米颗粒的纺丝液经狭缝式喷丝头喷出形成锥状液滴，通过控制锥状液滴在电场力和磁场力的共同作用形成射流，进而完成静电纺丝过程；低电压静电纺丝的电压为1～3kV，磁场强度为0.05～0.1mT。本发明解决了现有便携式静电纺丝设备电压高、安全性差以及纺丝射流少、产量低的问题。

Description

一种手持式静电直喷装置及一种低电压静电纺丝方法
技术领域
本发明属于便携式静电纺丝装置技术领域，涉及一种手持式静电直喷装置及一种低电压静电纺丝方法。
背景技术
纳米纤维由于具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使得其在光、热、磁、电等方面表现出许多新奇特性，受到了研究人员的高度关注。目前，制备纳米纤维的方法有静电纺丝法、拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法等，其中静电纺丝的原理是聚合物溶液或熔体在高压静电场中带电并产生形变，在喷头末端处形成悬垂的锥状液滴；当液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，在液滴表面就会高速喷射出聚合物微小射流，这些射流在一个较短的距离内经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固化，最终沉积在接收极板上，形成聚合物纤维。静电纺丝法由于其设备简单、工艺可控性好、成本低、原料来源广等多方面的特点，已广泛用于制备纳米纤维。然而，目前的静电纺丝装置存在体积重量大、价格昂贵、不易携带等缺点限制了其在户外场所的使用。为解决上述问题，现有技术提供了多种方案。
专利CN201220605695.2公开了一种手持便携式静电纺丝装置，该装置将传统纺丝喷头改为手持式样式，以此来达到便携、轻便的目的，但该装置需要外接高压电源，无法满足随身携带的需求。
专利CN201810216431.X公开了一种手持式熔体静电纺丝制备装置及使用方法，该装置通过热空气对物料加热熔融来避免传统的螺杆挤出方式，以此来达到便携的目的，但该装置需要外接高压电源，依然无法满足随身携带的需要。
文献“Portable Device for Point-of-Need Generation of Silver-Nanoparticle Doped Cellulose Acetate Nanofibers for Advanced Wound Dressing,Macromolecular Materials and Engineering,2018,303(5),1700586.”采用微型注射泵、微型高压电源来制备便携式静电纺丝装置，但该装置电压高，安全隐患大且体积重量大，不易携带。
专利CN201210229010.3公开了一种便携式手持静电纺丝装置，该装置利用高压直流逆变器将市售的干电池逆变升压至几万伏，其正级与不锈钢针头连通，从而实现注射器内部纺丝溶液的高压加载。但该装置通过手指的压力来推动注射器前进供液，因此供液速度难以准确调控。
专利CN201510214221.3公开了一种便携式静电纺丝设备，该装置通过微型步进电机推动注射器针筒活塞来对纺丝过程中的灌注速度进行控制；但该装置体积大，集成度低，且只能实现单针头的纺丝，效率低。
专利CN201810373378.4公布了一种气流辅助手持便携式静电纺丝设备及其应用，该装置气流辅助来使得手持便携式静电纺丝电纺纤维的定向沉积，但装置通过手指的压力来推动注射器前进供液，因此供液速度难以准确调控。
因此，亟待开发一种新型手持式静电纺丝装置，既能解决现有手持式纺丝装置电压高、产量低的难题，又能解决设备集成度低、体积大难以携带以及纺丝效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种手持式静电直喷装置及一种低电压静电纺丝方法。本发明提供的一种低电压静电纺丝方法，主要是通过将电场与磁场结合来降低产生纺丝射流所需要的电压，本发明提供的一种手持式静电直喷装置，主要通过对狭缝式喷丝头进行改进，狭缝式喷嘴和空心圆柱形螺线管相互配合实现便携低电压多射流的目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种手持式静电直喷装置，由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；
线形狭缝式喷丝头包括导电块(材质为铜、铁、铝中的一种)和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿的线形狭缝；螺线管为绕有线圈的绝缘圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；
导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。
现有技术中手持式静电纺丝装置是通过外接高压电源或通过高压逆变器转换成高电压，从而实现静电纺丝装置可便携移动的目的，然而由于其纺丝电压较高，不可避免地会出现安全性差、纺丝效率低的问题；
本发明通过改进喷丝头，使得产生纺丝射流所需要的力由电场力Fe与电荷之间的斥力Fc的共同作用力变为电场力Fe、磁场力Fh与电荷之间的斥力Fc的共同作用力，降低了形成纺丝射流所需要的电场力，从而降低了纺丝电压，具体地，本发明设置了“线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿的线形狭缝；螺线管为绕有线圈的圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；导电块与高压逆变装置连接；”，由于“导电块与高压逆变装置连接”，因而纺丝射流所受电场力Fe的方向由导电块指向接收基材；由于“螺线管为绕有线圈的圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列”、“线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸”且“线圈与电源连接”，因而磁性纺丝液的纺丝射流会受到磁场力Fh的作用，且磁场力Fh的方向同电场力Fe的方向；由于从线形狭缝挤出的锥形液滴顶部和底部电荷互相排斥，因而纺丝射流中电荷之间的斥力Fc的方向同电场力Fe的方向；由于从线形狭缝挤出的锥形液滴在表面张力γ的作用下会有收缩的趋势，因而纺丝射流所受的表面张力γ的方向与电场力Fe的方向相反；最终形成稳定射流的边界条件为γ＝Fe+Fh+Fc，而不再是γ＝Fe+Fc，在γ保持不变的前提下，所需的Fe会减小，进而所需的纺丝电压也会减小；
由于纺丝电压减小，因而安全性提高；由于纺丝电压减小，因而相同耗电情况下产量更高，即纺丝效率提高(由于采用线性狭缝，相比于单个针头式的喷头，其产量更高)。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种手持式静电直喷装置，线形狭缝式喷丝头还包括绝缘筒，线形狭缝与供液装置通过绝缘筒连通。
如上所述的一种手持式静电直喷装置，导电块为圆台状结构，其与圆柱管共轴；线形狭缝为长方体结构；绝缘筒为圆台筒，其与导电块共轴，绝缘筒的小端与导电块的大端连接，绝缘筒的大端与供液装置连接。
如上所述的一种手持式静电直喷装置，导电块的大端直径为3～4cm，小端直径为2～3cm，高度为0.5～1cm；线形狭缝的长度等于导电块的高度，线形狭缝横截面的宽度为0.3～1.0mm，横截面的长度比导电块的小端直径小2～4mm，以保证纺丝液出狭缝后能够尽可能多地形成锥形液滴，提高产量；圆柱管的壁厚为1～2mm，外径为5～6cm，高度为6～7cm；绝缘筒的壁厚为1～3mm，大端外径为5～6cm，小端外径为3～4cm，高度为3～5cm。
如上所述的一种手持式静电直喷装置，线圈匝数N的取值范围为[10,40]，线圈的电阻为1～2Ω，电源的电压为3V，高压逆变装置用于将电压由3V转变至1～3kV。形成稳定射流的边界条件为γ＝Fe+Fh+Fc，由此可近似得出静电纺临界电压V0：
Figure BDA0002499330350000031
其中，R为狭缝的宽度，γ为表面张力，l为喷丝头与接收基材之间的距离，u为磁导率(常数，4π×10-7)，I为线圈电流(由电源电压和线圈电阻确定)，N为线圈匝数，Q为磁荷(常数)；
由上式可以看出，在纺丝液表面张力γ、接收距离l(即喷丝头与接收基材之间的距离)以及狭缝的宽度R不变的情况下，增加螺线管的线圈匝数N和线圈电流I，可明显降低纺丝的临界电压V0，为了达到降低纺丝的临界电压V0的目的，本发明控制线圈匝数N的取值范围为[10,40]，同时控制电源电压为3V(使用3V电压的原因是可以用干电池供电，体积小以便于携带)最终可以实现在1～3kV较小的静电纺丝电压下顺利纺丝，静电纺丝电压远低于现有技术(一般在10kV以上)，最终有效解决了现有技术的便携式静电纺丝设备电压较高导致安全性差的问题。
如上所述的一种手持式静电直喷装置，供液装置由微型步进电机、驱动电板和供液槽组成；驱动电板同时与电源和微型步进电机连接，微型步进电机与供液槽的推进杆连接(微型步进电机的转速决定推进杆移动的快慢)。
本发明还提供一种低电压静电纺丝方法，分散有磁性纳米颗粒的纺丝液经狭缝式喷丝头喷出形成锥状液滴，通过控制锥状液滴在狭缝式喷丝头与接收基材之间受到方向相同的电场力和磁场力的作用形成射流，射流进一步拉伸细化，沉积在接收基材上形成纤维膜；
本发明通过将电场与磁场结合的方式有效降低产生纺丝射流所需要的电压，所述低电压静电纺丝的电压为1～3kV，所述磁场的强度为0.05～0.1mT。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种低电压静电纺丝方法，磁性纳米颗粒为磁性二氧化硅纳米粒子或四氧化三铁纳米粒子。
如上所述的一种低电压静电纺丝方法，所述低电压静电纺丝的其他工艺参数为：纺丝时的溶液灌注速度为0.1～50mL/h，灌注速度太低，则纺丝的产量低，灌注速度太高，出液量大，难以连续纺丝；狭缝式喷丝头与接收基材之间的距离为5～15cm，距离太近，射流无法完全拉伸固化，距离太远，导致电场减小，无法形成射流。
有益效果：
(1)本发明的一种手持式静电直喷装置，纺丝电压在1～3kV，解决了现有便携式静电纺丝设备电压高、安全性差的问题；
(2)本发明的一种手持式静电直喷装置，克服了便携式静电纺丝设备纺丝射流少，产量低的不足；
(3)本发明的一种手持式静电直喷装置，集成度高，体积小，可便于携带，适用范围广；
(4)本发明的一种低压静电纺丝方法，通过将电场与磁场结合来降低产生纺丝射流所需要的电压，构思巧妙，效果显著。
附图说明
图1为本发明的手持式静电直喷装置的示意图；
图2为本发明的线形狭缝式喷丝头示意图；
其中，1-线形狭缝式喷丝头，2-供液装置，3-电源，4-高压逆变装置，5-狭缝式喷嘴，6-空心圆柱形螺线管，7-绝缘筒，8-导电块，9-线形狭缝，10-纺丝液，11-线圈，12-微型步进电机，13-驱动电板，14-供液槽，15-供液槽的推进杆，16-纺丝射流。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，手持式静电直喷装置由线形狭缝式喷丝头1、供液装置2、高压逆变装置4和电源3组成；
如图2所示，线形狭缝式喷丝头1由导电块8、螺线管6和绝缘筒7组成，绝缘筒7和导电块8共同构成狭缝式喷嘴5，纺丝液10从狭缝式喷嘴5挤出后变成纺丝射流16；导电块8位于螺线管6内部，导电块8内部设有贯穿线形狭缝9；螺线管6为绕有线圈11的绝缘圆柱管，线圈11沿圆柱管的轴向排列，线圈11匝数N的取值范围为[10,40]，线圈11的电阻为1～2Ω；线形狭缝9沿圆柱管的轴向延伸；
导电块8与高压逆变装置4连接；线形狭缝9与供液装置2通过绝缘筒7连通；线圈11、高压逆变装置4和供液装置2都与电源3连接，电源3的电压为3V，高压逆变装置4用于将电压由3V转变至1～3kV；
导电块8为圆台状结构，其与圆柱管共轴；线形狭缝9为长方体结构；绝缘筒7为圆台筒，其与导电块8共轴，绝缘筒7的小端与导电块8的大端连接，绝缘筒7的大端与供液装置2连接；
导电块8的大端直径为3～4cm，小端直径为2～3cm，高度为0.5～1cm；线形狭缝9的高度等于导电块8的高度，线形狭缝横截面的宽度为0.3～1.0mm，横截面的长度比导电块的小端直径小2～4mm；圆柱管的壁厚为1～2mm，外径为5～6cm，高度为6～7cm；绝缘筒7的壁厚为1～3mm，大端外径为5～6cm，小端外径为3～4cm，高度为3～5cm；
如图1所示，供液装置2由微型步进电机12、驱动电板13和供液槽14组成；驱动电板13同时与电源3和微型步进电机12连接，微型步进电机12与供液槽的推进杆15连接。
一种低电压静电纺丝方法，纺丝的电压为1～3kV，采用上述手持式静电直喷装置，开启电源，供液装置、高压逆变装置和螺线管的线圈将处于工作状态，供液装置将分散有磁性纳米颗粒(具体为磁性二氧化硅纳米粒子或四氧化三铁纳米粒子)的纺丝液(纺丝液中聚合物为聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈或聚偏氟乙烯，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺，纺丝液中聚合物的含量为4～13wt％，磁性纳米颗粒的含量为0.005～0.02wt％)送至狭缝式喷丝头的顶端形成锥状液滴；高压装置使纺丝液带上正电，且使喷丝头与接收基材之间形成电场；螺线管在狭缝处形成磁场，磁场强度为0.05～0.1mT(磁场强度B＝uMI，u为磁导率(常数，4π×10-7)，I为线圈电流(由电源电压和线圈电阻确定)，N为线圈匝数)；磁性的带电锥状液滴在电场力和磁场力共同作用下形成射流；射流进一步拉伸细化，最后沉积在接收基材上形成纤维膜。其中，纺丝时的溶液灌注速度为0.1～50mL/h；狭缝式喷丝头与接收基材之间的距离为5～15cm。

Claims (9)

1.一种手持式静电直喷装置，其特征是：由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；
线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿的线形狭缝；螺线管为绕有线圈的绝缘圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；
导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。
2.根据权利要求1所述的一种手持式静电直喷装置，其特征在于，线形狭缝式喷丝头还包括绝缘筒，线形狭缝与供液装置通过绝缘筒连通。
3.根据权利要求2所述的一种手持式静电直喷装置，其特征在于，导电块为圆台状结构，其与圆柱管共轴；线形狭缝为长方体结构；绝缘筒为圆台筒，其与导电块共轴，绝缘筒的小端与导电块的大端连接，绝缘筒的大端与供液装置连接。
4.根据权利要求3所述的一种手持式静电直喷装置，其特征在于，导电块的大端直径为3～4cm，小端直径为2～3cm，高度为0.5～1cm；线形狭缝的长度等于导电块的高度，线形狭缝横截面的宽度为0.3～1.0mm，横截面的长度比导电块的小端直径小2～4mm；圆柱管的壁厚为1～2mm，外径为5～6cm，高度为6～7cm；绝缘筒的壁厚为1～3mm，大端外径为5～6cm，小端外径为3～4cm，高度为3～5cm。
5.根据权利要求4所述的一种手持式静电直喷装置，其特征在于，线圈匝数N的取值范围为[10,40]，线圈的电阻为1～2Ω，电源的电压为3V，高压逆变装置用于将电压由3V转变至1～3kV。
6.根据权利要求1所述的一种手持式静电直喷装置，其特征在于，供液装置由微型步进电机、驱动电板和供液槽组成；驱动电板同时与电源和微型步进电机连接，微型步进电机与供液槽的推进杆连接。
7.一种低电压静电纺丝方法，其特征是：分散有磁性纳米颗粒的纺丝液经狭缝式喷丝头喷出形成锥状液滴，通过控制锥状液滴在狭缝式喷丝头与接收基材之间受到方向相同的电场力和磁场力的作用形成射流，射流进一步拉伸细化，沉积在接收基材上形成纤维膜；
所述低电压静电纺丝的电压为1～3kV，所述磁场的强度为0.05～0.1mT。
8.根据权利要求7所述的一种低电压静电纺丝方法，其特征在于，磁性纳米颗粒为磁性二氧化硅纳米粒子或四氧化三铁纳米粒子。
9.根据权利要求7所述的一种低电压静电纺丝方法，其特征在于，所述低电压静电纺丝的其他工艺参数为：纺丝时的溶液灌注速度为0.1～50mL/h；狭缝式喷丝头与接收基材之间的距离为5～15cm。
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