CN103147139A

CN103147139A - 一种气体诱导电纺装置

Info

Publication number: CN103147139A
Application number: CN2013101123466A
Authority: CN
Inventors: 孙道恒; 邱小椿; 吴德志; 杜晓辉; 徐兵; 陈燕君; 林立伟
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: CN103147139B

Abstract

一种气体诱导电纺装置，涉及一种静电纺丝装置。设有高压电源、溶液槽、气体管道、供液装置、纤维收集装置和气动系统；所述高压电源用于提供高压电场，高压电源的正极与溶液槽连接，高压电源的负极与纤维收集装置连接并接地；气体管道设于溶液槽内，气体管道与气动系统输出口连接，气体管道表面均匀密布多个喷口阵列，用于喷射出脉冲高压气体诱导液面产生局部突起；供液装置输出端与溶液槽连接，用于实时补给溶液，使液面始终保持恒定高度；纤维收集装置设于溶液槽上方，用于收集纳米纤维；气动系统用于控制脉冲高压气体的输出。可大大降低启动电压阈值，同时也有利于提高纤维产量。

Description

一种气体诱导电纺装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，尤其是涉及可用于量产纳米纤维的一种气体诱导电纺装置。

背景技术

近年来，纳米纤维的制造及其应用的研究已经成为微纳米技术、生物医学等领域的关注热点。纳米纤维因其表现出来的表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应等性质，在组织工程、过滤薄膜、防护服、催化、微纳传感器及执行器等领域具有巨大的潜在应用价值。在纳米纤维的众多制造技术当中，静电纺丝技术以其系统简单、制备成本低、连续长纤和纯物理拉伸等优点，得到了学术界和产业界的广泛关注。传统静电纺丝虽然简单有效，但是生产效率低。为此，科研人员研究开发批量电纺技术。文献《Multiple jets inelectrospinning:experiment and modeling》报道了一种组合多针尖喷头阵列批量电纺技术，该技术在一定程度上提高了生产效率，但存在易堵塞、直径差异大等问题。

中国专利CN101010550A公开一种电场扰动式无尖端批量电纺技术，采用金属圆柱滚筒代替针尖，在滚筒表面覆盖一层聚合物溶液，表面溶液在电场作用下会产生流变并在溶液上表面产生大量射流，但该方法存在启动电压高、定期清洗和纤维均匀性较差等问题。同时，中国专利CN102181947A、CN102191573A、CN102191574A、CN102505157A、CN101271965A、CN1849418A、WO2010/055693A1等也公开了一些批量电纺的装置及方法，对实现纳米纤维的工业化生产起了一定的促进作用，但是，仍然存在很多的缺点和不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体诱导电纺装置。

本发明设有高压电源、溶液槽、气体管道、供液装置、纤维收集装置和气动系统；所述高压电源用于提供高压电场，高压电源的正极与溶液槽连接，高压电源的负极与纤维收集装置连接并接地；气体管道设于溶液槽内，气体管道与气动系统输出口连接，气体管道表面均匀密布多个喷口阵列，用于喷射出脉冲高压气体诱导液面产生局部突起；供液装置输出端与溶液槽连接，用于实时补给溶液，使液面始终保持恒定高度；纤维收集装置设于溶液槽上方，用于收集纳米纤维；气动系统用于控制脉冲高压气体的输出。

所述气体管道的管道壁上可设有均匀密布喷口阵列，喷口可以且不局限于细长喷口，也可以为圆形、三角形、椭圆形等形式，所述喷口的宽度及大小可根据气压大小进行调节。

所述气体管道可由气体分流喷头代替。

本发明还可设有单向节流阀及遥控电磁阀，脉冲高压气体在1～100MPa之间，脉冲频率在0.1～1Hz范围内，占空比在1∶9～9∶1范围内。

本发明的主要原理是当溶液槽的溶液接近或略微低于气体管道的喷口阵列的喷口中心时，先开启高压电源，使溶液液面与纤维收集装置之间产生高压电场；打开气动系统，气动系统周期性地将高压气体从气体管道阵列喷口处喷向聚合物溶液表面，使喷口附近溶液表面产生凹陷和突起。由于尖端效应，在溶液表面突起处会产生电荷集中，导致局部电场强度迅速增加，从而诱发产生泰勒锥并在其尖端处产生喷射射流，射流经过溶剂挥发和鞭动后最终在纤维收集装置上得到纳米纤维。

本发明利用气体冲击液面使液面发生扰动产生局部突起，进而在高压电场作用下形成泰勒锥并产生射流，射流经过电场拉伸和溶剂挥发最终在收集板上得到纳米纤维，本发明可大大降低启动电压阈值，同时也有利于提高纤维产量。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例1中的气体管道结构示意图。

图3为图2的A－A剖面图。

图4为图3的局部B视图。

图5为图3的局部C视图及液面示意图。

图6为本发明实施例2中的气体管道结构示意图。

图7为图6的D－D剖面图。

图8为图7的E－E剖面图。

图9为分流喷头配置结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1～5所示，本发明设有高压电源1、溶液槽2、气体管道3、供液装置4、纤维收集装置5和气动系统6。气体管道3主要由三通接头3-1、四通接头3-2、五通接头3-3、六通接头3-4、1#气体管道3-5、2#气体管道3-6、3#气体管道3-7等组成。气动系统6主要由气源、气动三联件（空气过滤器、减压阀以及油雾器）、单向节流阀、遥控电磁阀等组成的。遥控电磁阀用来控制高压气体的通断以及通断时间比，实现脉冲高压。高压电源1用于提供高压电场，其正极与溶液槽2连接，负极与纤维收集装置5连接并接地；气体管道3设于溶液槽2内，与气动系统6输出口连接并在其表面均匀密布多个喷口阵列，用于喷射出脉冲高压气体诱导液面产生局部突起；供液装置4输出端与溶液槽2连接，用于实时补给溶液，使液面始终保持恒定高度；纤维收集装置5设于溶液槽2上方，用于收集纳米纤维；气动系统6用于控制脉冲高压气体的输出。

气体管道3中的3-5两侧均设有均匀密布阵列细长喷口（如A-A视图和局部视图C所示），气体管道3-7仅单侧有均匀密布阵列细长喷口，细长喷口正对溶液槽中心方向；而下层气体管道3-6及竖直气体管道均为无缝塑料管。在电纺过程中利用供液装置4为溶液槽2持续供液，使溶液槽2内聚合物溶液液面位置P始终处于管道中间位置。三通接头3-1、四通接头3-2、五通接头3-3、六通接头3-4均为组合接头（局部视图B所示），主要是防止溶液进入细长喷头管道之后再流入整个气动系统内。

当批量制备纳米纤维时，将高压电源1的正极与溶液槽2内部槽底连接并开启（10～80kV），在溶液槽底部与接地纤维收集装置5之间形成一个高压电场，与此同时，气动系统6开启，为溶液槽2内的气体管道3提供周期性（脉冲频率0.1～1Hz，占空比1∶9～9∶1）的高压气体（气压1～100MPa），高压气体在气体管道3的均匀密布的喷口阵列周期性的喷出，聚合物溶液在高速气流的作用下产生扰动并形成凹陷与突起结构。由于尖端效应，在聚合物溶液突起处产生电荷集中，从而形成局部高压电场，在局部高压电场作用下溶液突起处产生流变并形成泰勒锥，最终在其尖端产生喷射射流，射流在高压电场作用下不断被拉伸变细并产生鞭动，随着溶剂的不断挥发，逐渐变为固态的纳米纤维并最终沉积到纳米纤维收集装置5上。

实施例2：

参见图6～9，实施例1中所述的气体管道3结构形式变为如图6～8所示结构，阵列喷口方向变为倾斜向下，喷口结构形式可为细长喷口或圆形喷口，聚合物溶液液面变为距气体管道的高度为1～5cm，其余结构不变。在图7中，标记P为液面位置，在图8中，标记G为高压气体。

当溶液槽2较小时，气体管道3可采用如图9所示的气体分流喷头M代替。

Claims

1.一种气体诱导电纺装置，其特征在于设有高压电源、溶液槽、气体管道、供液装置、纤维收集装置和气动系统；所述高压电源用于提供高压电场，高压电源的正极与溶液槽连接，高压电源的负极与纤维收集装置连接并接地；气体管道设于溶液槽内，气体管道与气动系统输出口连接，气体管道表面均匀密布多个喷口阵列，用于喷射出脉冲高压气体诱导液面产生局部突起；供液装置输出端与溶液槽连接，用于实时补给溶液，使液面始终保持恒定高度；纤维收集装置设于溶液槽上方，用于收集纳米纤维；气动系统用于控制脉冲高压气体的输出。

2.如权利要求1所述一种气体诱导电纺装置，其特征在于所述气体管道的管道壁上设有均匀密布喷口阵列。

3.如权利要求2所述一种气体诱导电纺装置，其特征在于喷口为细长喷口，圆形喷口、三角形喷口或椭圆形喷口。

4.如权利要求1所述一种气体诱导电纺装置，其特征在于所述气体管道由气体分流喷头代替。

5.如权利要求1所述一种气体诱导电纺装置，其特征在于还设有单向节流阀及遥控电磁阀，脉冲高压气体在1～100MPa之间，脉冲频率在0.1～1Hz范围内，占空比在1∶9～9∶1范围内。