CN102982720A - 一种静电纺丝教学演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种静电纺丝教学演示装置，其主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机、注射器金属支架、装有纺丝溶液的注射器、导线、中空不锈钢针头、带电射流或纺丝纤维、金属网收集极和收集极金属支架；注射器金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中一个莱顿瓶顶部金属棒焊接，另一端用来固定注射器，导线的一端与注射器金属支架连接，另一端与安装在注射器针管上的中空不锈钢针头连接，收集极金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接，另一端与金属网收集极焊接；其装置结构简单，方法原理可靠，制备成本低，演示效果好，演示条件易实现，安全性高，环境友好。

Description

一种静电纺丝教学演示装置

技术领域：

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种静电纺丝教学演示装置，用于纳米科技或纳米材料课程教学，实现经济、安全、直观的纳米科技之静电纺丝教学演示。

背景技术：

20世纪80年代兴起的纳米科技是物理学、化学、材料学、电子学、生物学等多学科交叉的新型分支学科，纳米材料主要包括零维的原子团簇、量子点、纳米颗粒，一维的纳米线、纳米管、纳米纤维，二维的纳米薄膜，三维的纳米固体材料，以及各种纳米复合材料。目前，国内各大高校已陆续开设纳米科技或纳米材料的本、硕课程。但是，相关课堂演示实验和学生创新性实验还很少，研发出实验装置简单、成本低、知识性强和演示效果好的教学演示装置仍然是纳米科技或纳米材料教学的薄弱点之一。静电纺丝法是目前制备一维微纳米纤维简单有效地方法之一，其原理是使高分子溶液或熔体带电，并将其置于喷头与接收屏之间的高压电场中，当静电吸引力克服高分子溶液或熔体的表面张力时，纺丝液从喷头喷射出来，形成带电射流，并在高压电场中运动，因拉伸或劈裂而细化，同时，带电射流中溶剂挥发或射流冷却而固化，最后形成直径从几个微米到几十个纳米的纤维状物质沉积在金属接收屏上。与传统方法相比，静电纺丝技术不但对纤维的线密度提高有了进一步的发展，而且具有独特的易操作性和广泛的适用性，可以制备有机高分子、无机化合物、医药生物、复合材料等多种纳米纤维，为微纳米纤维制造领域注入了新的动力。随着静电纺丝技术的发展，各种基于不同用途的静电纺丝装置相继出现，中国专利申请号为200310109222.9中公开“共轴复合连续纳/微米纤维的多喷头静电纺丝装置”、中国专利申请号为200710009595.7中公开“超细聚合物纤维高速气吹静电纺丝复合制备方法及装置”和中国专利申请号为201210380576.6“一种规模化制备静电纺丝的装置”，均利用不同方法实现了静电纺丝的大量快速制备；中国专利申请号为201010184068.1中公开“一种制备有序排列和交叉结构纳米纤维的低压离心静电纺丝装置”，实现了纳米纤维的高度有序化；中国专利申请号为201210229010.3中公开的“一种便携式手持静电纺丝装置”和专利申请号为201110255208.4中公开的“一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置”，实现了静电纺丝装置的小型化、便携化。尽管现有的静电纺丝装置种类很多，但是其组成结构相对复杂，大部分不适合做教学演示装置。中国专利申请号为201110255225.8中公开的“一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置”，是以感应起电的方式设计制作的针对实验教学的静电纺丝装置，但是由于该装置将感应起电机与静电纺丝两部分分离开来，使其结构组成相对复杂；另外，该装置以质量百分比30wt%聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量58000）乙醇溶液或者办公用胶水为纺丝前驱体溶液，由于PVP形成纤维较细，纺丝过程不易观察且纺丝完成后会在收集极上形成一层致密的膜结构，纺丝现象不够明显；办公用胶水不易形成纺丝，并且纤维量很少，纺丝现象不明显，导致教学演示效果不理想。因此寻求设计一种结构简单、价格低廉、操作方便安全、趣味性强、演示效果好的静电纺丝教学演示装置及方法具有良好的教学意义和科技价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种静电纺丝教学演示装置，以实现对纳米科技或纳米材料课堂教学时静电纺丝的教学演示。

为了实现上述目的，本发明涉及的装置主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机、注射器金属支架、装有纺丝溶液的注射器、导线、中空不锈钢针头、带电射流（或纺丝纤维）、金属网收集极和收集极金属支架；拆除放电杆的静电感应起电机为静电纺丝提供高压静电，注射器金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端用来固定注射器，中空不锈钢针头安装于注射器的针管上，导线的一端与注射器金属支架连接，另一端与中空不锈钢针头连接，使存储在拆除放电杆的静电感应起电机的莱顿瓶中的电荷经过注射器金属支架和导线传递给中空不锈钢针头，收集极金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与金属网收集极焊接在一起，使存储在拆除放电杆的静电感应起电机中另一个莱顿瓶中的电荷经过收集极金属支架传递给金属网收集极，金属网收集极垂直于实验台，注射器的针管垂直指向金属网收集极；注射器金属支架的长度为16厘米；注射器的容量为5毫升；收集极金属支架的长度为14厘米；金属网收集极的长度为10厘米、宽度为5厘米；中空不锈钢针头与金属网收集极之间相距13厘米；纺丝溶液置于注射器针管中，手摇拆除放电杆的静电感应起电机使圆盘转速为100转/分，产生的高压静电使中空不锈钢针头与金属网收集极之间产生高压静电场，轻推注射器针管后，纺丝溶液从中空不锈钢针头喷射出来，形成带电射流，带电射流在空气中经劈裂、拉伸和溶剂挥发过程，最后形成微纳米纤维并沉积在金属网收集极上。

本发明的涉及教学演示装置的演示方法包括配备纺丝溶液、设定演示条件、演示三个步骤：

（1）配备纺丝溶液：先称量1.8克聚苯乙烯颗粒即PS其分子量约为27500，置于锥形瓶中，再向锥形瓶中加入8.2克[N,N-二甲基甲酰胺]（DMF），用磁力搅拌器搅拌2小时，在室温静置0.5小时，即获得均匀透明的PS静电纺丝前驱体溶液；

（2）设定演示条件：在将教学演示装置组装完毕后，调整中空不锈钢针头的针尖与金属网收集极之间的距离为13厘米，环境温度为16℃，环境湿度为35%RH；

（3）演示：取2毫升步骤（1）中配置好的PS静电纺丝前躯体溶液注入注射器针管内，手摇拆除放电杆的静电感应起电机，使圆盘转速为100转/分，中空不锈钢针头与金属网收集极之间产生高压静电场，轻推注射器针管，纺丝溶液在中空不锈钢针头尖端形成带电射流，带电射流在空气中经过劈裂、拉伸细化和溶剂挥发过程后沉积在金属网收集极上，形成类似于棉花状的三维堆垛结构PS微纳米纤维。

本发明与现有技术相比，通过结构优化设计，实现了静电感应起电装置和静电纺丝装置的一体化结合，结构更加简单，不需要外加电源驱动，手动即可操作，特别适合在停电、没有电、或用电不方便的情况下适用；用聚苯乙烯（PS）的[N,N-二甲基甲酰胺]（DMF）溶液作为纺丝前驱体溶液，静电纺丝制备的PS纤维极易在金属网格收集极上形成白色棉花状的三维堆垛结构，实验现象明显，演示效果好，可用于实验教学或学生创新性实验，增加学生对科研的兴趣；用静电感应起电机代替通常使用的高压直流电源，降低了整个装置的成本，易于推广；由于没有直流高压电源及外接电源，提高了演示装置和纺丝实验的安全性，同时实现了环保节能；演示实验包含了大量的电学和纳米技术知识如感应起电、静电存储与释放、静电纺丝和纺丝纤维堆垛结构的形成，实验时一边用手摇，一边观察实验现象，手脑并用，具有观赏性、趣味性和教育意义；其装置结构简单，方法原理可靠，制备成本低，演示效果好，演示条件易实现，安全性高，环境友好。

附图说明：

图1为本发明装置的主体结构原理示意图。

图2为本发明收集的棉花状三维堆垛结构电纺聚苯乙烯纤维示意图。

图3为本发明制备的电纺聚苯乙烯纤维光学显微镜下示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作出详细说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机1、注射器金属支架2、装有纺丝溶液9的注射器3、导线4、中空不锈钢针头5、带电射流（或纺丝纤维）6、金属网收集极7和收集极金属支架8；拆除放电杆的静电感应起电机1为静电纺丝提供高压静电，注射器金属支架2的一端与拆除放电杆的静电感应起电机1中一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端用来固定注射器3，中空不锈钢针头5安装于注射器3的针管上，导线4的一端与注射器金属支架2连接，另一端与中空不锈钢针头5连接，使存储在拆除放电杆的静电感应起电机1的莱顿瓶中的电荷经过注射器金属支架2和导线4传递给中空不锈钢针头5，收集极金属支架8的一端与拆除放电杆的静电感应起电机1中另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与金属网收集极7焊接在一起，使存储在拆除放电杆的静电感应起电机1中另一个莱顿瓶中的电荷经过收集极金属支架8传递给金属网收集极7，金属网收集极7垂直于实验台，注射器3的针管垂直指向金属网收集极7；注射器金属支架2的长度为16厘米；注射器3的容量为5毫升；收集极金属支架8的长度为14厘米；金属网收集极7的长度为10厘米、宽度为5厘米；中空不锈钢针头5与金属网收集极7之间相距13厘米；纺丝溶液9置于注射器3针管中，手摇拆除放电杆的静电感应起电机1使圆盘转速为100转/分，产生的高压静电使中空不锈钢针头5与金属网收集极7之间产生高压静电场，轻推注射器3针管后，纺丝溶液9从中空不锈钢针头5喷射出来，形成带电射流6，带电射流6在空气中经劈裂、拉伸和溶剂挥发过程，最后形成微纳米纤维6并沉积在金属网收集极7上。

本实施例涉及的教学演示装置的演示方法包括配备纺丝溶液、设定演示条件、演示三个步骤：

（1）配备纺丝溶液：先称量1.8克聚苯乙烯颗粒即PS其分子量约为27500，置于锥形瓶中，再向锥形瓶中加入8.2克[N,N-二甲基甲酰胺]（DMF），用磁力搅拌器搅拌2小时，在室温静置0.5小时，即获得均匀透明的PS静电纺丝前驱体溶液；

（2）设定演示条件：在将教学演示装置组装完毕后，调整中空不锈钢针头5的针尖与金属网收集极7之间的距离为13厘米，环境温度为16℃，环境湿度为35%RH；

（3）演示：取2毫升步骤（1）中配置好的PS静电纺丝前躯体溶液注入注射器3针管内，手摇拆除放电杆的静电感应起电机1，使圆盘转速为100转/分，中空不锈钢针头5与金属网收集极7之间产生高压静电场，轻推注射器3针管，纺丝溶液9在中空不锈钢针头5尖端形成带电射流6，带电射流6在空气中经过劈裂、拉伸细化和溶剂挥发过程后沉积在金属网收集极7上，形成类似于棉花状的三维堆垛结构PS微纳米纤维（如图2所示）。

本实施例中形成的PS微纳米纤维粗细均匀，易于观察；从图3中可以看出，其静电纺丝的微纳米纤维粗细均匀，形貌较好。

Claims (3)

1.一种静电纺丝教学演示装置，其特征在于装置主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机、注射器金属支架、装有纺丝溶液的注射器、导线、中空不锈钢针头、带电射流或纺丝纤维、金属网收集极和收集极金属支架；拆除放电杆的静电感应起电机为静电纺丝提供高压静电，注射器金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端用来固定注射器，中空不锈钢针头安装于注射器的针管上，导线的一端与注射器金属支架连接，另一端与中空不锈钢针头连接，使存储在拆除放电杆的静电感应起电机的莱顿瓶中的电荷经过注射器金属支架和导线传递给中空不锈钢针头，收集极金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与金属网收集极焊接在一起，使存储在拆除放电杆的静电感应起电机中另一个莱顿瓶中的电荷经过收集极金属支架传递给金属网收集极，金属网收集极垂直于实验台，注射器的针管垂直指向金属网收集极。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝教学演示装置，其特征在于注射器金属支架的长度为16厘米；注射器的容量为5毫升；收集极金属支架的长度为14厘米；金属网收集极的长度为10厘米、宽度为5厘米；中空不锈钢针头与金属网收集极之间相距13厘米；纺丝溶液置于注射器针管中，手摇拆除放电杆的静电感应起电机使圆盘转速为100转/分，产生的高压静电使中空不锈钢针头与金属网收集极之间产生高压静电场，轻推注射器针管后，纺丝溶液从中空不锈钢针头喷射出来。

3.根据权利要求1所述的静电纺丝教学演示装置，其特征在于所述演示装置的演示方法包括配备纺丝溶液、设定演示条件、演示三个步骤：

（1）配备纺丝溶液：先称量1.8克聚苯乙烯颗粒即PS其分子量约为27500，置于锥形瓶中，再向锥形瓶中加入8.2克[N,N-二甲基甲酰胺]，用磁力搅拌器搅拌2小时，在室温静置0.5小时，即获得均匀透明的PS静电纺丝前驱体溶液；

（2）设定演示条件：在将教学演示装置组装完毕后，调整中空不锈钢针头的针尖与金属网收集极之间的距离为13厘米，环境温度为16℃，环境湿度为35%RH；

（3）演示：取2毫升步骤（1）中配置好的PS静电纺丝前躯体溶液注入注射器针管内，手摇拆除放电杆的静电感应起电机，使圆盘转速为100转/分，中空不锈钢针头与金属网收集极之间产生高压静电场，轻推注射器针管，纺丝溶液在中空不锈钢针头尖端形成带电射流，带电射流在空气中经过劈裂、拉伸细化和溶剂挥发过程后沉积在金属网收集极上，形成类似于棉花状的三维堆垛结构PS微纳米纤维。

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