射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置制造方法
【專利摘要】射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，涉及一種電紡裝置。設(shè)有高壓電源、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、絕緣棒、溶液槽、絕緣基座、金屬收集板、卷繞收集裝置；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有平臺(tái)基座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑塊、絲杠、絲杠電機(jī)；絕緣基座上設(shè)有凹槽和滑槽；卷繞收集裝置設(shè)有放卷軸、卷布、收卷軸；電源正極接溶液槽，電源負(fù)極接金屬收集板；溶液槽固定在絕緣基座的凹槽中；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的絲杠電機(jī)與絲杠連接，驅(qū)使滑塊左右移動(dòng)；滑塊上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸與絕緣棒相連，使絕緣棒按照給定速度旋轉(zhuǎn)；絕緣棒位于溶液槽正上方，絕緣棒兩端設(shè)有軸承，軸承置于絕緣基座的滑槽中；絕緣棒通過(guò)電刷環(huán)接地，絕緣棒的表面設(shè)有凸起陣列；產(chǎn)生的納米纖維沉積在金屬收集板下方的卷繞收集裝置的卷布上。
【專利說(shuō)明】射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電紡裝置，特別是涉及基于靜電紡絲的射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]納米纖維在過(guò)濾、透明電極、化工催化、生物醫(yī)學(xué)、復(fù)合增強(qiáng)材料和鋰電池隔膜等方面有著巨大的市場(chǎng)潛力。靜電紡絲由于其純物理拉伸過(guò)程，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，將是未來(lái)納米纖維制造的重要方法。然而，傳統(tǒng)的單噴頭靜電紡絲技術(shù)效率極低，僅適用于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)驗(yàn)證性研宄。為實(shí)現(xiàn)納米纖維批量制造，滿足工業(yè)化需求，國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了深入研宄并取得了一些原創(chuàng)性成果。專利CN200720076954.6公開了一種朝上的多噴頭靜電紡絲裝置，克服了傳統(tǒng)單噴頭紡絲效率低下的缺點(diǎn)，但是多針尖噴頭的紡絲裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、針孔易堵塞以及針尖之間電場(chǎng)相互影響等缺陷。專利CN102191573B公開了一種針尖陣列蘸取形成液體錐的批量電紡技術(shù)，針尖陣列在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下蘸取溶液后抽離，形成液體錐陣列，具有擴(kuò)展容易、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。專利TO 2009010020A2公開了捷克ELMARCO公司的一項(xiàng)批量電紡專利技術(shù)，采用來(lái)回移動(dòng)的儲(chǔ)液盒供給金屬絲電極溶液，金屬絲在電紡過(guò)程中緩慢移動(dòng)克服了溶液在金屬絲上快速固化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了納米纖維連續(xù)制造。以色列Yarin等(Theron A, Zussman E, Yarin AL.Electrostatic field-assisted alignment of electrospun nanofibres[J].Nanotechnology, 2001, 12(3):384-390.)提出了利用電磁場(chǎng)擾動(dòng)下層鐵磁性液體，輔助泰勒錐產(chǎn)生的方法，但該方法纖維引入了磁粉和硅油等雜質(zhì)，直徑波動(dòng)范圍較大。
[0003]理論和實(shí)驗(yàn)證明，在光滑的水平溶液表面僅靠電場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生泰勒錐需要的電場(chǎng)強(qiáng)度為17?10 8V/m，要求電源電壓達(dá)到近百萬(wàn)伏，這在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。因此，探索降低在光滑液面形成泰勒錐所需的工作電壓的方法來(lái)提高纖維產(chǎn)量和均勻性，同時(shí)降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，意義重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服目前無(wú)針尖電紡技術(shù)射流產(chǎn)生無(wú)規(guī)律，纖維直徑尺寸差異大等缺點(diǎn)，提供利用弱絕緣體在強(qiáng)電場(chǎng)中極化的特性，加強(qiáng)局部電場(chǎng)，直接從光滑溶液液面激發(fā)泰勒錐進(jìn)而產(chǎn)生射流，得到直徑均勻的納米纖維，同時(shí)，絕緣棒表面可以控制泰勒錐激發(fā)位置，使射流規(guī)律有序噴射的一種射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置。
[0005]本發(fā)明設(shè)有高壓電源、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、絕緣棒、溶液槽、絕緣基座、金屬收集板、卷繞收集裝置；
[0006]所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有平臺(tái)基座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑塊、絲杠、絲杠電機(jī)；所述絕緣基座上設(shè)有凹槽和滑槽；所述卷繞收集裝置設(shè)有放卷軸、卷布、收卷軸，卷布設(shè)在放卷軸和收卷軸之間；高壓電源的正極接溶液槽，高壓電源的負(fù)極接金屬收集板并接地，在溶液槽和金屬收集板之間形成電場(chǎng)；溶液槽固定在絕緣基座的凹槽中；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的絲杠電機(jī)與絲杠連接，驅(qū)使滑塊左右移動(dòng)；滑塊上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸與絕緣棒相連，使絕緣棒按照給定速度旋轉(zhuǎn)；絕緣棒位于溶液槽正上方，絕緣棒兩端設(shè)有軸承，軸承置于絕緣基座的滑槽中，以便絕緣棒的水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；絕緣棒通過(guò)電刷環(huán)接地，絕緣棒的表面設(shè)有凸起陣列，用于進(jìn)一步增強(qiáng)局部電場(chǎng)，定點(diǎn)誘發(fā)射流；產(chǎn)生的納米纖維沉積在金屬收集板下方的卷繞收集裝置的卷布上。
[0007]絕緣棒在溶液槽上方做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且繞自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度從I?500r/min可調(diào)，水平運(yùn)動(dòng)速度從0.01?lm/s可調(diào)。
[0008]絕緣棒表面設(shè)有凸起陣列結(jié)構(gòu)，凸起陣列結(jié)構(gòu)的材質(zhì)可以是但不局限于弱絕緣體，并且絕緣棒正下方的凸起陣列結(jié)構(gòu)與溶液面沒(méi)有接觸，其距離從0.01?300mm可調(diào)。
[0009]絕緣棒的材質(zhì)是弱絕緣體，電阻從1MΩ?14GD，并且其接地的位置可調(diào)，可以改變電紡所需的電壓。
[0010]加載在溶液槽和金屬收集板間的電壓為I?200kV，距離為0.2?200cm。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的絕緣棒的截面示意圖之一。
[0013]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的絕緣棒的截面示意圖之二。
[0014]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的絕緣棒的截面示意圖之三。

【具體實(shí)施方式】
[0015]參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有高壓電源1、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、酚醛樹脂棒3、金屬溶液槽4、聚四氟乙烯基座5、鋁合金收集板6、卷繞收集裝置。
[0016]所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有平臺(tái)基座2-1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-2、滑塊2-3、絲杠2-4、絲杠電機(jī)2-5 ；所述酚醛樹脂棒3上設(shè)有軸承3-1、凸起陣列3-2 ;所述聚四氟乙烯基座5上設(shè)有凹槽5-1和滑槽5-2 ;所述卷繞收集裝置設(shè)有放卷軸7-1、卷布7-2、收卷軸7-3。
[0017]高壓電源I的正極接金屬溶液槽4，高壓電源I的負(fù)極接鋁合金收集板6并接地，在金屬溶液槽4和鋁合金收集板6之間形成電場(chǎng)；金屬溶液槽4固定在聚四氟乙烯基座5的凹槽5-1中；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的絲杠電機(jī)2-5與絲杠2-4連接，驅(qū)使滑塊2-3左右移動(dòng)；滑塊2_3上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-2主軸與酚醛樹脂棒3相連，使酚醛樹脂棒3按照給定速度旋轉(zhuǎn)；酚醛樹脂棒3位于溶液槽4正上方，酚醛樹脂棒3兩端設(shè)有軸承3-1，軸承3-1置于聚四氟乙烯基座的滑槽5-2中，以便酚醛樹脂棒3的水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；酚醛樹脂棒3通過(guò)電刷環(huán)8接地，酚醛樹脂棒3的表面設(shè)有凸起陣列3-2，用于進(jìn)一步增強(qiáng)局部電場(chǎng)，定點(diǎn)誘發(fā)射流；產(chǎn)生的納米纖維沉積在鋁合金收集板6下方卷繞收集裝置的卷布7-2上，卷布在放卷軸7-1和收卷軸7-3轉(zhuǎn)動(dòng)下緩緩移動(dòng)，便于連續(xù)收集纖維。
[0018]圖2?4給出3種不同結(jié)構(gòu)形式的絕緣棒的截面示意圖。
[0019]實(shí)施過(guò)程:將配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的PEO溶液(溶劑為水和酒精，質(zhì)量比為3: I)置于金屬溶液槽4中，待液面平整后，啟動(dòng)絲杠電機(jī)2-5和驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-2，使酚醛樹脂棒3在聚四氟乙烯基座5的滑槽5-2中水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，自身也在轉(zhuǎn)動(dòng)；然后啟動(dòng)高壓電源I，調(diào)整電壓到30kV，在金屬溶液槽4和高度相距350mm鋁合金收集板6之間形成電場(chǎng)；在酚醛樹脂棒3下方的液面電場(chǎng)得到局部強(qiáng)化，當(dāng)酚醛樹脂棒3上的凸起陣列3-2轉(zhuǎn)到豎直向下，距離溶液表面的距離為2mm時(shí)，電場(chǎng)進(jìn)一步局部強(qiáng)化，克服溶液表面張力，在液面產(chǎn)生泰勒錐并在泰勒錐頂部形成射流，溶液中的酒精和水在射流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中揮發(fā)，形成纖維沉積在卷布7-2上，放卷軸7-1和收卷軸7-3的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)卷布移動(dòng)可以連續(xù)的收集纖維。
[0020]實(shí)際應(yīng)用不同材料時(shí)，可以根據(jù)需要調(diào)整酚醛樹脂棒朝下的凸起陣列距離溶液表面的距離以及鋁合金收集板距離金屬溶液槽的距離，而且酚醛樹脂棒表面凸起陣列中的相鄰?fù)蛊鹬g的距離要適中，以減小液面射流間的相互影響。
[0021]本發(fā)明的工作原理和過(guò)程如下:
[0022]本裝置開始工作時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的絲杠電機(jī)并設(shè)置合適的參數(shù)，使平臺(tái)上的滑塊以一定的速度在絲杠上作周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)開啟固定在滑塊上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使絕緣棒在隨滑塊一起水平移動(dòng)時(shí)自身也在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；然后打開高壓電源并調(diào)整到合適的電壓，此時(shí)由于接地絕緣棒的存在，絕緣棒下方的溶液表面電場(chǎng)增強(qiáng)；當(dāng)絕緣棒表面的凸起結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到下方靠近溶液表面時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)溶液表面的電場(chǎng)，誘發(fā)溶液產(chǎn)生射流；射流會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，通過(guò)調(diào)整平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的周期，使射流在消失時(shí)，絕緣棒又回到該處誘導(dǎo)形成射流，實(shí)現(xiàn)纖維連續(xù)產(chǎn)生。射流經(jīng)過(guò)拉伸、溶液揮發(fā)后在收集板下方的卷布表面沉積形成纖維膜，收卷軸和放卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)卷布移動(dòng)可以連續(xù)的收集纖維。
【權(quán)利要求】
1.射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，其特征在于設(shè)有高壓電源、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、絕緣棒、溶液槽、絕緣基座、金屬收集板、卷繞收集裝置； 所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有平臺(tái)基座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑塊、絲杠、絲杠電機(jī)；所述絕緣基座上設(shè)有凹槽和滑槽；所述卷繞收集裝置設(shè)有放卷軸、卷布、收卷軸，卷布設(shè)在放卷軸和收卷軸之間；高壓電源的正極接溶液槽，高壓電源的負(fù)極接金屬收集板并接地，在溶液槽和金屬收集板之間形成電場(chǎng)；溶液槽固定在絕緣基座的凹槽中；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的絲杠電機(jī)與絲杠連接，驅(qū)使滑塊左右移動(dòng)；滑塊上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸與絕緣棒相連，使絕緣棒按照給定速度旋轉(zhuǎn)；絕緣棒位于溶液槽正上方，絕緣棒兩端設(shè)有軸承，軸承置于絕緣基座的滑槽中，以便絕緣棒的水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；絕緣棒通過(guò)電刷環(huán)接地，絕緣棒的表面設(shè)有凸起陣列，用于進(jìn)一步增強(qiáng)局部電場(chǎng)，定點(diǎn)誘發(fā)射流；產(chǎn)生的納米纖維沉積在金屬收集板下方的卷繞收集裝置的卷布上。
2.如權(quán)利要求1所述射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，其特征在于所述絕緣棒在溶液槽上方做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且繞自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度從I?500r/min可調(diào)，水平運(yùn)動(dòng)速度從0.0l?lm/s可調(diào)。
3.如權(quán)利要求1所述射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，其特征在于所述絕緣棒表面設(shè)有凸起陣列結(jié)構(gòu)，絕緣棒正下方的凸起陣列結(jié)構(gòu)與溶液面沒(méi)有接觸，其距離從0.01?300mm可調(diào)。
4.如權(quán)利要求1所述射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，其特征在于所述絕緣棒的材質(zhì)是弱絕緣體，電阻從1M Ω?14GQ。
5.如權(quán)利要求1所述射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，其特征在于加載在溶液槽和金屬收集板間的電壓為I?200kV。
6.如權(quán)利要求1所述射流定點(diǎn)誘發(fā)的電紡裝置，其特征在于所述溶液槽和金屬收集板間的距離為0.2?200cm。
【文檔編號(hào)】D01D11/00GK104451910SQ201410628676
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】吳德志, 肖志明, 黃少華, 劉益芳, 孫道恒, 林立偉 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)