CN102321927A

CN102321927A - 一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置

Info

Publication number: CN102321927A
Application number: CN201110255225A
Authority: CN
Inventors: 龙云泽; 刘抗抗; 张志华; 唐成春; 孙彬
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明属于静电纺丝设备技术领域，涉及一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置，箱盒式结构的长方体状透明有机玻璃壳体内空间中间隔式制有竖向的有机玻璃隔板，有机玻璃隔板的一侧空间为静电纺丝工作区，另一侧为静电产生区；静电纺丝工作区中底部放置带有刻度的铁架台，铁架台顶端处固定置有装有纺丝溶液的注射器及中空的不锈钢电纺喷头，带有刻度的铁架台的底部台式板上正对电纺喷头处置有纤维收集板；静电产生区中间置有圆盘式静电感应起电机，圆盘式静电感应起电机的中心处制有起电机摇柄，摇柄的相对应另一侧制有折叠式放电杆，具有结构新颖、原理可靠、使用灵便、安全省电等优点。

Description

一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置

技术领域：

本发明属于静电纺丝设备技术领域，涉及一种经济、简便、安全、直观并适用于制备微纳米纤维的静电纺丝演示实验仪器，特别是一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置。

背景技术：

目前，静电纺丝技术成为制备一维微纳米纤维的简单、高效的一种工艺方法，由于其具有易操作性和广泛的适用性，近十几年来被广泛应用于制备有机高分子、生物大分子、陶瓷、金属化合物等多种纳米纤维，成为纳米技术和纳米材料研究的热点之一。现有的静电纺丝装置一般包括高压电源、带有金属喷头的纺丝溶液容器和纤维收集板三个部分。静电纺丝的原理是先用高压电源产生8-30千伏的高电压，使纺丝溶液或熔融物在静电场作用下由纺丝喷头快速射出，然后射流被拉伸细化或发生劈裂，然后在拉伸的过程中，溶剂挥发或熔融物温度降低，纤维进一步细化凝固，沉积在收集板上；目前已有的静电纺丝装置基本上都是用于科研和教学实验，其设备造价比较高，而且高压电源一般都采用市售高压直流或交流电源，价格较贵、重量较大，通常在没有外部供电(即停电或没电)的情况下不能使用。经调研，目前市场上尚未见有理想的静电纺丝演示实验装置的公开文献资料；此外，用感应起电机代替通常使用的高压直流电源进行静电纺丝的实验也尚未见有公开报道。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有静电纺丝技术的缺点，为满足课堂教学演示和创新性实验教学的需求，也为了探索静电纺丝技术设备的改进和完善，寻求设计一种经济、简便、安全、直观的利用旋转圆盘感应起电的静电纺丝装置。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括静电纺丝工作区、静电产生区、装有纺丝溶液的注射器、中空的不锈钢电纺喷头、带有刻度的铁架台、纤维收集板、放电杆、圆盘式静电感应起电机、起电机摇柄、有机玻璃隔板、带绝缘层的金属导线、透明有机玻璃壳体、旋转圆盘、铝片、电刷和小孔；箱盒式结构的长方体状透明有机玻璃壳体内空间中间隔式制有竖向的有机玻璃隔板，有机玻璃隔板的一侧空间为静电纺丝工作区，另一侧为静电产生区；静电纺丝工作区中底部放置有带有刻度的铁架台，铁架台顶端处固定置有装有纺丝溶液的注射器及中空的不锈钢电纺喷头，带有刻度的铁架台的底部台式板上正对电纺喷头处置有纤维收集板；静电产生区中间置有圆盘式静电感应起电机，圆盘式静电感应起电机的中心处穿过透明有机玻璃壳体制有起电机摇柄，圆盘式静电感应起电机的中心处与起电机摇柄的相对应另一侧制有折叠式放电杆，放电杆的底端通过带绝缘层的金属导线与纤维收集板电连通，放电杆的顶端通过金属导线与中空的不锈钢电纺喷头电连通；圆盘式静电感应起电机作为高压电源，圆盘式静电感应起电机的旋转圆盘由两块有机玻璃叠在一起组成，中间留有空隙，两块有机玻璃向外的表面上分别贴有24块铝片，铝片以旋转圆盘的圆心为中心对称分布；两旋转圆盘分别与两个受动轮固定并通过皮带相连动，两根皮带中有一根中间有交叉传动使两个旋转圆盘转向相反；两个旋转圆盘上各制有通过圆心的固定铜丝电刷，两个电刷互相垂直，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，在旋转圆盘旋转时铜丝与铝片之间能够摩擦起电并导电。

本发明用圆盘式静电感应起电机代替直流高压电源进行静电纺丝，与传统静电纺丝相比，纺丝效果好，用于制备微纳米纤维时具有安全、省电、简便等优点，特别是在没有外接电源的情况下仍可正常使用，使其作为教学演示仪器，用于纳米材料和纳米技术课程的辅助教学中学生创新性实验，增强学生动手实验能力，有助于学生产生对科研的浓厚兴趣；其创新性优点包括：一是将感应起电机和现有的静电纺丝装置结合，结构简单，不需外加电源驱动，手动操作，适合在没有外接电源(停电、没有电、或用电不方便)的情况下使用，作为演示静电纺丝制备微纳米纤维的实验仪器，增加学生对科研的兴趣，构思新颖，实用性好；二是用圆盘式静电感应起电机代替通常使用的高压直流电源，安全廉价，成本底，易于推广，实验安全性好，节约能源；三是做实验时可自由拆卸组装装置的基本组件，边用手摇，边观察实验现象，使实验更具趣味性；四是装置外壳为透明有机玻璃，教学可观效果好，直观性强。

附图说明：

图1为本发明的正视结构原理示意图。

图2为本发明制备的PVP纤维显微镜照片。

图3为本发明制备的液体胶和食用白糖纤维显微镜照片。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括静电纺丝工作区1、静电产生区2、装有纺丝溶液的注射器3、中空的不锈钢电纺喷头4、带有刻度的铁架台5、纤维收集板6、放电杆7、圆盘式静电感应起电机8、起电机摇柄9、有机玻璃隔板10、带绝缘层的金属导线11、透明有机玻璃壳体12、旋转圆盘13、铝片14、电刷15和小孔16；箱盒式结构的长方体状透明有机玻璃壳体12内空间中间隔式制有竖向的有机玻璃隔板10，有机玻璃隔板10的一侧空间为静电纺丝工作区1，另一侧为静电产生区2；静电纺丝工作区1中底部放置有带有刻度的铁架台5，铁架台顶端处固定置有装有纺丝溶液的注射器3及中空的不锈钢电纺喷头4，带有刻度的铁架台5的底部台式板上正对电纺喷头4处置有纤维收集板6；静电产生区2中间置有圆盘式静电感应起电机8，起电机8的中心处穿过透明有机玻璃壳体12制有起电机摇柄9，起电机8的中心处与起电机摇柄9的相对应另一侧制有折叠式放电杆7，放电杆7的底端通过带绝缘层的金属导线11与纤维收集板6电连通，放电杆7的顶端通过金属导线11与中空的不锈钢电纺喷头4电连通；使用简易的圆盘式静电感应起电机8作为高压电源，圆盘式静电感应起电机8的旋转圆盘13由两块有机玻璃叠在一起组成，两块有机玻璃中间留有空隙，每块向外的表面上都贴有24块铝片14，铝片14以旋转圆盘13的圆心为中心对称分布；两旋转圆盘分别与两个受动轮固定，通过皮带与驱动轮相连动，由于两根皮带中有一根中间有交叉，因此转动驱动轮时两盘转向相反；两圆盘上各有一过圆心的固定铜丝电刷15，两电刷互相垂直，呈90度夹角，电刷15两端的铜丝与铝片14紧密接触，在旋转圆盘13旋转时铜丝与铝片14之间能够摩擦起电并导电；圆盘式静电感应起电机8产生的正负静电被分别存储在两个莱顿瓶中，并可以产生足够高的电压；通常，一对直径约30厘米的圆盘式静电感应起电机8的圆盘以100转/分钟的速度旋转，可产生20千伏的电压，足以满足静电纺丝的需要，而价格仅为普通高压直流电源的二十分之一至百分之一。

本实施例涉及的旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置外形结构为箱盒式长方体，其尺寸为长×宽×高＝45×30×35cm³，外壳材质为透明有机玻璃，以便观察实验现象；内部空间分为电纺工作区和静电产生区两个区域，两个工作区之间制有有机玻璃隔板10，有机玻璃隔板10的下方制有小孔16，用带绝缘层的金属导线11分别将圆盘式静电感应起电机8的放电杆7和中空的不锈钢电纺喷头4与纤维收集板6连通，在电纺喷头4和纤维收集板6间形成一个高压静电场；在静电产生区2中，将传统静电纺丝装置中的直流高压电源用圆盘式静电感应起电机8代替；实验时，利用带有刻度的铁架台5调整电纺喷头4的高度，将纺丝溶液加入到装有纺丝溶液的注射器3中，金属导线11将放电杆7分别与中空的不锈钢电纺喷头4和纤维收集板6连接，再以适当的速度摇动右侧的起电机摇柄9，根据不同需求控制起电机摇柄9的摇动时间和速度，以便观测微纳米纤维的产生。

本实施例演示实验时，纺丝溶液提前制备或者直接使用已经配制好封装在玻璃瓶中；选取的纺丝溶液的质量分数为30％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)乙醇溶液；先将1.5克PVP(分子量约为58000)粉末加入3.5克无水乙醇中，然后用磁力搅拌器搅拌二小时，在室温中静置0.5小时，即可获得均匀透明的质量百分比为30％的PVP静电纺丝前驱体溶液或纺丝溶液；静电纺丝演示的具体操作如下：首先，打开放置静电纺丝装置的透明有机玻璃壳体12，转动圆盘式静电感应起电机8的放电杆7，将其接触后再分开5-10厘米(有时起电机上会有未放走的电荷，防止触电，将电荷放走)；其次，将装有纺丝溶液的注射器3放入带有刻度的铁架台5中，调整中空的不锈钢电纺喷头4的高度，使电纺喷头4固定在距离纤维收集板6为5-10厘米范围内，将放电杆7用带绝缘层的金属导线11分别与中空的不锈钢电纺喷头4和纤维收集板6连接起来；然后，用滴管抽取1-2毫升静电纺丝前躯体溶液，注入放置电纺丝溶液的注射器3内，摇动右侧的起电机摇柄9，同时观察注射器针头下方，能看到射流形成的锥体，观察纤维收集板6，其上面形成一层薄薄的白色物质时，停止摇动(在纺丝过程中应关闭演示仪器的透明门)；最后，打开装置的门，用手握住起电机靠近门一侧的放电杆7使其与另一只接触，放走多余电荷；将装有纺丝溶液的注射器3取出，放置一旁待清洗；用镊子取出纤维收集板6，放在光学显微镜下，同时取一根头发放在同一视野中，观察纺出的纤维和头发的尺寸比例，或放在扫描电子显微镜下进行观察；图2(a)为按上述步骤制备的PVP微纳米纤维光学显微镜照片，图2(b)为扫描电子显微镜照片；将装置清理干净，并把放置电纺丝溶液的注射器3和中空的不锈钢电纺喷头4用清水清洗干净，放在指定位置，演示实验结束。

本实施例除了用高分子材料PVP纤维实验外，还可以用常见的材料作为纺丝溶液制备微纳米纤维，图3所示为常见的办公用品胶水(液体胶)和食用白糖熔液制得的静电纺丝纤维，其中图3(a)为液体胶制备的纤维显微镜照片，图3(b)为食用白糖制备的纤维显微镜照片。

Claims

1.一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置，主体结构包括静电纺丝工作区、静电产生区、装有纺丝溶液的注射器、中空的不锈钢电纺喷头、带有刻度的铁架台、纤维收集板、放电杆、圆盘式静电感应起电机、起电机摇柄、有机玻璃隔板、带绝缘层的金属导线、透明有机玻璃壳体、旋转圆盘、铝片、电刷和小孔；其特征在于箱盒式结构的长方体状透明有机玻璃壳体内空间中间隔式制有竖向的有机玻璃隔板，有机玻璃隔板的一侧空间为静电纺丝工作区，另一侧为静电产生区；静电纺丝工作区底部放置带有刻度的铁架台，带有刻度的铁架台顶端处固定置有装有纺丝溶液的注射器和中空的不锈钢电纺喷头，带有刻度的铁架台底部台式板上正对中空的不锈钢电纺喷头处置有纤维收集板；静电产生区中间置有圆盘式静电感应起电机，圆盘式静电感应起电机的中心处穿过透明有机玻璃壳体制有起电机摇柄，圆盘式静电感应起电机的中心处与起电机摇柄相对应另一侧制有折叠式放电杆，放电杆的底端通过带绝缘层的金属导线与纤维收集板电连通，放电杆的顶端通过金属导线与中空的不锈钢电纺喷头电连通；圆盘式静电感应起电机为高压电源，圆盘式静电感应起电机的旋转圆盘由两块有机玻璃叠在一起组成，中间留有空隙，两块有机玻璃向外的表面上分别贴有24块铝片，铝片以旋转圆盘的圆心为中心对称分布；两旋转圆盘分别与两个受动轮固定并通过皮带相连动，两根皮带中有一根中间有交叉传动使两个旋转圆盘转向相反；两个旋转圆盘上各制有通过圆心的固定铜丝电刷，两个电刷互相垂直，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，在旋转圆盘旋转时铜丝与铝片之间能够摩擦起电并导电。