CN113388899A - 一种磁透镜静电纺丝装置 - Google Patents

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    • D01D5/0092—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the electrical field, e.g. combined with a magnetic fields, using biased or alternating fields

Abstract

本发明公开了一种磁透镜静电纺丝装置，包括高压电源、直流电源、收集板、注射器、微量推进器和磁透镜。针头安装在注射器的一端，收集板放置于针头前面合适距离并接地，微量推进器安装在注射器的另一端，高压电源正极连接针头，负极连接收集板；所述磁透镜包括磁轭、极靴、励磁线圈和直流电源，由直流电源供电产生磁聚焦效应。微量推进器推出注射器内溶液在高压电场的作用下形成螺旋发散的带电射流，在磁透镜的磁聚焦作用下射流发散程度大幅度减小，纤维直径变细，且纤维粗细均匀度提高，最终沉积在收集板表面。本发明能使静电纺丝射流更稳定，所得到纤维膜的纤维直径更细、粗细更加均匀，促进了其在一些关键领域的应用。

Description

一种磁透镜静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝领域，特别涉及可以制备更细、粗细更均匀的纳米纤维的磁场控制装置。
背景技术
静电纺丝技术是目前获得纳米直径纤维最直接有效的方法之一，目前已经广泛应用于生物医疗、锂离子电池电极、污水过滤和医用防护等领域，特别是目前新冠肺炎疫情期间，对口罩的数量和质量需求日益增长，而静电纺丝技术可以开发出更好的产品满足这一需求。
静电纺丝技术虽然得到了越来越广泛的应用，但同时也对其产品质量提出了越来越高的要求，比如在废水过滤和电池隔膜的应用领域希望纤维膜的直径更细且粗细分布更均匀，但是现阶段生产的静电纺丝纤维膜很难满足要求并形成大规模的工业化生产，其主要原因之一就是难以对静电纺丝发散带电射流进行有效控制，导致所得到的纤维膜纤维直径较粗、粗细分布不均匀。出现这种现象的根本原因，就是传统针板式静电纺丝过程中，从针头喷出的射流运动易受干扰，在针头至收集板间的不均匀高压电场中，产生一个幅度越来越大的呈螺旋状的摆动，且这一摆动具有方向不定性，因此，如何对射流螺旋摆动不稳定进行控制，从而进一步细化纤维直径成为解决上述问题的关键点。目前，研究者们从静电纺丝设备的角度进行了不少试验研究，也取得了一些有益的成果。但迄今为止还没有一个有效改善静电纺丝射流螺旋不稳定性，并细化纤维直径，提高粗细均匀度的成熟方案。
公开号为CN201410098854.8的中国发明专利公开了一种带有辅助气流的静电纺丝装置及其设备，其要点是：纺丝辊筒上均匀设置有多个通孔，纺丝辊筒内设置有位置保持静止的喷气结构，喷气结构的喷气区与静电放纺丝区相对应，喷气结构向上喷出气流，气流通过通孔吹入静电纺丝区。在气流吹力与静电力的配合下完成静电纺丝，以达到细化纤维直径的目的。此方法可在一定程度上细化纤维直径，但是此套装备的结构比较复杂，而且气流量很难均匀控制，因此纤维平均直径降低的同时，其控制不稳定性与纤维粗细不均匀性也随之增大。
公开号为CN201610064382.3的中国发明专利公开了一种静电纺丝机，其要点是：引入了磁场发生装置，包括两个沿竖直方向设置的磁极板，转动装置用于带动所述磁极板沿所述中轴线作旋转运动使得磁场方向围绕该中轴线不停的改变，从而降低纺丝过程中纤维内部的各向异性，提高了纤维粗细均匀率以及成纤质量。此方案引入了可旋转的磁场装置，由于是永磁铁，不可调节磁场大小，最主要的是磁场分布过于分散，对射流的约束作用很小，甚至影响了泰勒锥的形成，干扰了正常纺丝。
发明内容
本发明的目的是：减小静电纺丝射流的不稳定性，并细化纤维直径和提高纤维粗细均匀度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种磁透镜静电纺丝装置，其特征在于，包括高压电源、直流电源、收集板、注射器、微量推进器和磁透镜；
针头安装在注射器的前，收集板放置于针头前面，收集板与针头之间保持合适距离并接地；微量推进器安装在注射器的后端；高压电源的正极连接针头，负极连接收集板；磁透镜放置于针头与收集板之间并与针头同轴，磁透镜连接直流电源产生聚焦磁场，约束带电射流的发散，在电场力和磁场力的综合作用拉伸下，被微量推进器推出针头的纺丝液形成纳米级纤维沉积在收集板表面，通过磁透镜产生的聚焦磁场细化纳米级纤维直径，使纳米级纤维粗细更均匀。
优选地，所述磁透镜包括两个相互扣合的磁轭、两个磁轭内侧相互之间留有一圈狭缝作为极靴、与励磁线圈相连的导线和位于两个磁轭之间的励磁线圈，由直流电源通过导线为励磁线圈供电产生磁聚焦效应。
优选地，所述磁轭指放置在磁体回路或两磁极中心，引导磁力线通过以减少磁通损失的高磁导率材料。该高磁导率材料一般为软磁铁、纯铁或低碳钢，本发明中的磁轭为高磁导率材料Q235。
优选地，两个所述磁轭中的一个所述磁轭的边缘有通孔，另一个所述磁轭的边缘打盲孔螺纹，由螺栓通过通孔及盲孔螺纹将两个所述磁轭紧固连接。
优选地，所述打盲孔螺纹的磁轭边缘开一个小导线孔，所述导线自小导线孔引出。
优选地，两个所述磁轭连接之后内部为用于放置所述励磁线圈的圆环空腔。
优选地，所述极靴由两个所述磁轭连接后预留的狭缝构成，用来约束磁束的分布及改变其流向。
优选地，所述励磁线圈为圆环形，缠绕1360匝线圈，放置在所述磁轭的圆环空腔中。
优选地，所述导线与所述直流电源连接，所述直流电源可调节电流大小，使所述磁透镜产生大小可变的聚焦磁场。
本发明具有的优点：磁透镜结构简单，磁场集中在射流不稳定区域，不会干扰泰勒锥的形成，故可有效地约束射流不稳定现象，而且对纤维直径的细化和提高纤维粗细均匀度有积极的影响。本发明还可推广至其他类型的静电纺丝设备，如多针头静电纺丝和无针静电纺丝，在提高静电纺丝产量的同时也提高了产品质量。
附图说明
图1为本发明中磁透镜的结构示意图；
图2为传统针板式静电纺丝***及射流区域示意图；
图3为在图2基础上引入励磁线圈的射流区域示意图；
图4为在图3基础上的磁透镜静电纺丝射流区域示意图；
图5为图4所示磁透镜静电纺丝射流的受力示意图；
图6为图2至4所示静电纺丝纤维直径及反映纤维粗细均匀度的标准差在相同工艺参数下的对比示意图。
图中：
1通孔，2磁轭，3励磁线圈；
4磁轭，5盲孔，6导线，7高压电源，8针板式射流区域，9接收板；
10针头，11溶液，12微量推进器，13励磁线圈式射流区域；
14励磁线圈，15直流电源，16磁透镜，17磁透镜式射流区域，18极靴；19导线孔，20接地。
具体实施方式
下面结合具体实施例，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。
本实施例公开的一种磁透镜静电纺丝装置，如图1和4所示，包括磁透镜16，磁透镜16的结构由磁轭2、磁轭4、极靴18、励磁线圈3、导线6和导线孔19组成。磁轭2和磁轭4均为内部凸起的圆环空腔，磁轭2边缘部分开8个通孔1，磁轭4边缘开8个盲孔螺纹和导线孔19，以最大程度地减小漏磁。将励磁线圈3放入磁轭4中，并将连接励磁线圈3的导线6从导线孔19引出，然后将磁轭2盖在上面。将励磁线圈3置于磁轭2和磁轭4之间，上下八个孔对齐，最后用8个螺栓稳固连接。此时磁透镜部分组装完成，内侧留有的一圈狭缝为极靴18，磁场将集中分布在此处。
进一步地，将磁透镜16引出的导线6连接直流电源15。
进一步地，如图4所示，将高压电源7的正极连接针头10，将高压电源7的负极连接接收板9，并将接收板9接地20，以形成安全稳定的电场环境，并用微量推进器12保证溶液11稳定地从针孔10流出，至此，磁透镜静电纺丝装置搭建完成。
进一步地，如上述连接好电路之后，高压电源7设置为18kV，直流电源15调至2A，针头10与接收板9的距离调节为16cm，磁透镜16调整到与针头10同轴，并距针头2cm，微量推进器12的供液速度为0.5mL/h。使所有器件工作，在电场力和磁场力的综合作用拉伸下，形成纳米级纤维沉积在接收板9表面，射流区域为17。
具体原理如图5所示，对射流中速度为v的某点进行受力分析，因射流为纳米级，所以该点所受重力可以忽略不计，该点同时受到磁场力Fb、电场力Fe、粘性阻力τ的作用，则磁场力Fb和粘性阻力τ的分量充当向心力且指向轴线方向，因此，在同等情况下，磁场分布越集中，对射流的约束作用越强，损失的能量越小，射流可以充分拉伸，从而得到更细的纤维直径，又因为引入磁场对射流半径越大、射流速度越快的区域作用越明显，因为也保证了沉积到收集板上的纤维直径粗细分布的均匀性。
对比实施例1
如图3所示，与图4公开的磁透镜静电纺丝装置相比，其他参数不变，在本对比实施例1公开的静电纺丝装置中仅用励磁线圈14替代磁透镜16完成静电纺丝实验，射流区域为13。
对比实施例2
如图2所示，与图4公开的磁透镜静电纺丝装置相比，其他参数不变，在本对比实施例2公开的静电纺丝装置中用传统的针板式完成静电纺丝实验，射流区域为8。
如图4所示，同等条件下，图4所示的磁透镜静电纺丝的射流区域最小。
进一步地，如图6所示，将针板式静电纺丝、励磁线圈式静电纺丝和磁透镜静电纺丝喷射的纤维用SEM做微观表征，结果显示，在相同的实验条件下，磁透镜静电纺丝喷射的平均纤维直径最小，且标准差同样最小，说明纤维粗细分布很均匀。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁透镜静电纺丝装置，其特征在于，包括高压电源、直流电源、收集板、注射器、微量推进器和磁透镜；
针头安装在注射器的前，收集板放置于针头前面，收集板与针头之间保持合适距离并接地；微量推进器安装在注射器的后端；高压电源的正极连接针头，负极连接收集板；磁透镜放置于针头与收集板之间并与针头同轴，磁透镜连接直流电源产生聚焦磁场，约束带电射流的发散，在电场力和磁场力的综合作用拉伸下，被微量推进器推出针头的纺丝液形成纳米级纤维沉积在收集板表面，通过磁透镜产生的聚焦磁场细化纳米级纤维直径，使纳米级纤维粗细更均匀。
2.根据权利要求1所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：所述磁透镜包括两个相互扣合的磁轭、两个磁轭内侧相互之间留有一圈狭缝作为极靴、与励磁线圈相连的导线和位于两个磁轭之间的励磁线圈，由直流电源通过导线为励磁线圈供电产生磁聚焦效应。
3.根据权利要求2所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：所述磁轭指放置在磁体回路或两磁极中心，引导磁力线通过以减少磁通损失的高磁导率材料。
4.根据权利要求3所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：两个所述磁轭中的一个所述磁轭的边缘有通孔，另一个所述磁轭的边缘打盲孔螺纹，由螺栓通过通孔及盲孔螺纹将两个所述磁轭紧固连接。
5.根据权利要求4所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：所述打盲孔螺纹的磁轭边缘开一个小导线孔，所述导线自小导线孔引出。
6.根据权利要求2所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：两个所述磁轭连接之后内部为用于放置所述励磁线圈的圆环空腔。
7.根据权利要求2所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：所述极靴由两个所述磁轭连接后预留的狭缝构成，用来约束磁束的分布及改变其流向。
8.根据权利要求6所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：所述励磁线圈为圆环形，放置在所述磁轭的圆环空腔中。
9.根据权利要求2所述的磁透镜静电纺丝装置，其特征在于：所述导线与所述直流电源连接，所述直流电源可调节电流大小，使所述磁透镜产生大小可变的聚焦磁场。
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