CN103409819B - 一种近场气流电纺直写装置 - Google Patents

Abstract

一种近场气流电纺直写装置，涉及一种电纺直写装置。设有喷头、微型三爪卡盘、喷头座、供液接口、接线柱、高压电源、进液通道、供液装置、供气装置、进气通道、双层气流腔、辅助定位块、U型气流通道、喷气块和收集器；所述喷头座集接线柱、进液通道、进气通道、供液接口于一体，喷头座的上端设有接线柱，高压电源通过接线柱与喷头座连接；喷头座下端设有供液接口，喷头与供液接口连接；进液通道和进气通道设在喷头座圆端面上，进液通道与供液装置连接，进气通道与供气装置连接；喷气块与喷头座连接，微型三爪卡盘与喷头座连接，喷气块与喷头座之间的空腔构成双层气流腔；辅助定位块对喷头辅助定位；喷气块设有U型气流通道；收集器接地。

Description

一种近场气流电纺直写装置

技术领域

本发明涉及一种电纺直写装置，特别是涉及集成有鞘层气体聚焦的一种近场气流电纺直写装置。

背景技术

静电纺丝是目前世界上生产纳米纤维主要方法之一，以其设备简单、操作方便等优良特性成为当前研究纳米纤维制造的热点。

电纺的原理是：聚合物溶液带上高压静电时，在电场的作用下形成泰勒锥。当电场力逐渐增大，聚合物液滴克服表面张力形成射流。射流在喷射过程中由于溶剂蒸发和电场力作用被拉伸成直线，到达一定长度后发生弯曲鞭动，形成的纤维以无纺布的形式沉积在收集器上。

近场电纺直写是指利用射流最初稳定直线阶段进行有序纤维的制备，克服了传统电纺在喷射过程中射流螺旋、弯曲不稳定运动的缺点。然而直写射流携带电荷从泰勒锥射出，受电荷力、不均匀电场力的作用也会产生小范围波动，影响直写的精度。如何提高电纺直写射流的稳定性、抑制射流的无序螺旋运动已成为目前静电纺丝领域研究的热点，和近场电纺直写技术应用研究的难点。

引入气体聚焦是射流喷印控制研究新的方法。气体聚焦中气流从射流孔周围以层流状态喷射到环境空气中，不仅可以减少纺丝射流与空间介质的相对速度，提升射流运动的稳定性，而且在电场力的基础上叠加了气流场的拉伸力，降低了维持射流喷射所需要的电压值，同时加快了溶剂的蒸发。因此气流电纺的应用，为射流精确定位提供了一种新的技术途径。

本申请人在中国专利CN102162175A中公开一种可实现单根均匀微/纳米结构长时间可控制备和精确定位的激光引导电纺直写装置。设有控制器、高压继电器、静电高压电源、空心喷头、准直聚焦透镜组、光纤、密封调节件、激光器、供液泵、供液管、收集板和运动平台。控制器接高压继电器，高压继电器各端分别接静电高压电源、收集板及设于空心喷头前端的导体喷嘴，密封调节件与空心喷头后端密封连接，光纤穿过密封调节件中心且与密封调节件固连，准直聚焦透镜组设于光纤前端，光纤后端露出空心喷头且与激光器连接，供液泵通过供液管与空心喷头连通，收集板固于运动平台上且面对空心喷头。激光约束了纺丝射流的无序运动并引导纺丝射流沉积于收集板激光斑点处。

发明内容

本发明的目的在于提供集成有鞘层气体聚焦的一种近场气流电纺直写装置。

本发明设有喷头、微型三爪卡盘、喷头座、供液接口、接线柱、高压电源、进液通道、供液装置、供气装置、进气通道、双层气流腔、辅助定位块、U型气流通道、喷气块和收集器；

所述喷头座集接线柱、进液通道、进气通道、供液接口于一体，喷头座的上端设有接线柱，高压电源通过接线柱与喷头座连接，提供电纺溶液所需的电压值；喷头座下端设有供液接口，喷头与供液接口连接；进液通道和进气通道设在喷头座圆端面上，进液通道与供液装置连接，实现对装置连续供液，进气通道与供气装置连接，实现对装置连续供气；喷气块通过微型三爪卡盘与喷头座连接，微型三爪卡盘与喷头座连接，喷气块与喷头座之间的空腔构成双层气流腔；辅助定位块对喷头辅助定位，使喷头在电纺中始终与喷气通道同轴；喷气块设有U型气流通道；收集器用于收集纤维，收集器接地。

所述喷头与供液接口可采用螺纹连接。

所述微型三爪卡盘可通过螺栓和垫圈与喷头座连接。

所述进液通道和进气通道与喷头座中线垂直。

所述接线柱的电极导线通过螺栓内嵌在供液通道内，并与高压电源正极连接，当喷头座溶液通道里充满溶液时，溶液将带上电纺过程中所需的电压。

所述进液通道与供液装置连接，可以设定纺丝溶液的供给流速。

所述进气通道与供气装置连接，通过调节电纺时的进气压力，控制气流的大小。

所述供液接口外有螺纹，用于外加旋入喷头，方便更换不同内径的纺丝喷头。

本发明采用新的定位机构：喷头处添加喷气块，喷气块通过微型三爪卡盘连接固定，保证喷气块与喷头座的同轴度；喷头通过辅助定位块与喷气块实现辅助定位，保证喷头在气流中不发生摆动。

本发明克服了普通近场静电纺丝装置零件分散、重复装卸的缺点，实现了纺丝装置集成。此外，本发明将鞘层气流引入传统电纺过程，可以有效抑制射流的无序螺旋运动，提高射流稳定性，将有利于提高纺丝射流定位沉积的精度和纺丝纳米纤维的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图中各标号为：1、喷头；2、微型三爪卡盘；3、垫圈；4、喷头座；5、密封圈；6、供液接口；7、接线柱；8、高压电源；9、进液通道；10、供液装置；11、供气装置；12、进气通道；13、双层气流腔；14、辅助定位块；15、U型气流通道；16、喷气块；17、收集器。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有喷头1、微型三爪卡盘2、垫圈3、喷头座4、密封圈5、供液接口6、接线柱7、高压电源8、进液通道9、供液装置10、供气装置11、进气通道12、双层气流腔13、辅助定位块14、U型气流通道15、喷气块16、收集器17。

所述喷头座4集接线柱7、进液通道9、进气通道12、供液接口6于一体，喷头座4的上端设有接线柱7，高压电源8通过接线柱7与喷头座4连接，提供电纺溶液所需的电压值；喷头座4下端设有供液接口6，喷头1与供液接口6采用螺纹连接；喷头座4圆端面设有进液通道9和进气通道12，进液通道9与供液装置10连接，实现对装置连续供液，进气通道12与供气装置11连接，实现对装置连续供气；喷气块16通过微型三爪卡盘2与喷头座4连接，微型三爪卡盘2通过均布的螺栓、垫圈3与喷头座4连接，喷头座4和喷气块16构成双层阶梯气流通道；辅助定位块14对喷头1辅助定位，使喷头1在电纺中始终与喷气通道同轴；收集器17用于收集纤维，收集器17接地。

所述喷头座4集接线柱7、进液通道9、进气通道12、供液接6口于一体，喷头座4的上端设有接线柱7，下端设有供液接口6，进液通道9和进气通道12设在喷头座4圆端面，与喷头座4中线垂直。

所述接线柱7的电极导线通过螺栓内嵌在供液通道内，并与高压电源8正极连接，当喷头座4溶液通道里充满溶液时，溶液将带上电纺过程中所需的电压。

所述进液通道9与供液装置10连接，可以设定纺丝溶液的供给流速。

所述进气通道12与供气装置11连接，通过调节电纺时的进气压力，控制气流的大小。

所述供液接口6外有螺纹，用于外加旋入喷头1。方便更换不同内径的纺丝喷头。

所述喷气块16设有U型气流通道15，用于缓冲从喷头座4的进气通道12进入的不稳定气流，通过缓冲区后气流稳定，气流从气孔以层流的方式喷射到环境中。喷气块16与喷头座4之间的空腔构成双层气流腔13。采用喷气块16减少纺丝射流与空间介质的相对速度，提升射流运动的稳定性，还在电场力的基础上叠加了气流场的拉伸力，降低了维持射流喷射所需要的电压值，同时加快了溶剂的蒸发。

所述微型三爪卡盘2的卡爪上端面与喷气块16的接触面为锥面，用来定位喷气块16，同时对喷气块16自动对心。当调节三爪卡盘2的小锥齿轮时，三个卡爪同时向喷头座4中心线靠近或退出。三个卡爪同时向喷头座4中心线移动相同位移，对喷气块16产生斜向上的接触力。该接触力沿竖直方向的分力作用于喷气块16和喷头座4，起到固定喷气块16的作用；该接触力沿垂直于喷头座4中线方向的分力，起到自动对心的作用。采用微型三爪卡盘2保证喷气块16与喷头座4的同轴度。

所述辅助定位块14辅助定位喷头1。辅助定位块14的内径和喷头1外径匹配，外表面与喷气块16采用锥面接触，装配时将辅助定位块14挤入喷头1与喷气通道的间隙。纺丝过程中，喷头1的长径比大，在气流中较易发生摆动，从而影响气流的均匀性和直写的精确性。采用辅助定位块14起到固定喷头1下端的作用，使喷头1在气流中与装置保持较好的同轴度。

本发明的溶液由供液装置10供给，流经进液通道9、供液接口6，最终从喷头1中喷射出。

本发明的气流由供气装置11供给，流经进气通道12、双层气流腔13、U型气流通道15，最终从喷气块16喷出。

接线柱7通过螺栓与高压电源8连接，提供电纺所需要的电压值。进液通道9与供液装置10连接，供液流量调节范围为0～5000μL/h。进气通道12与供气装置11连接，可以提供0～1000kPa的气压。喷头1旋入供液接口6，两者为螺纹配合，保证喷头1与喷头座4的同轴度。

以下给出本发明的电纺步骤：

1）按照图1所示安装，旋动微型三爪卡盘的小锥齿轮带动三个卡爪夹紧喷气块，将辅助定位块挤入喷头与喷气块之间；

2）检查各装置安装、密封、接线，确保不漏料不漏气等问题；

3）向供液装置的溶液槽中添加电纺原料，打开供液装置设定电纺所需的供液速度，向进液通道供料，打开供气装置设定电纺所需的气压大小，向进气通道输入气流；

4）等供液和气流稳定后，打开高压电源设定电纺所需的电压大小。

5）悬挂在喷头尖端的液滴形成泰勒锥并从针尖喷射出来。射流在高压电场及气流的共同作用下，形成超细纤维，沉积于收集器。

Claims (5)

1.一种近场气流电纺直写装置，设有喷头、喷头座、供液接口、接线柱、高压电源、进液通道、供液装置、供气装置、进气通道；喷头座的上端设有接线柱，接线柱接高压电源，高压电源通过接线柱与喷头座连接；

其特征在于还设有微型三爪卡盘、双层气流腔、辅助定位块、U型气流通道、喷气块和收集器；

所述喷头座集接线柱、进液通道、进气通道、供液接口于一体，喷头座下端设有供液接口，喷头与供液接口连接；进液通道和进气通道设在喷头座圆端面上，进液通道与供液装置连接，进气通道与供气装置连接；喷气块通过微型三爪卡盘与喷头座连接，微型三爪卡盘与喷头座连接，喷气块与喷头座之间的空腔构成双层气流腔；辅助定位块对喷头辅助定位；喷气块设有U型气流通道；用于收集纤维的收集器接地。

2.如权利要求1所述一种近场气流电纺直写装置，其特征在于所述喷头与供液接口采用螺纹连接。

3.如权利要求1所述一种近场气流电纺直写装置，其特征在于所述微型三爪卡盘通过螺栓和垫圈与喷头座连接。

4.如权利要求1所述一种近场气流电纺直写装置，其特征在于所述进液通道和进气通道与喷头座中线垂直。

5.如权利要求1所述一种近场气流电纺直写装置，其特征在于所述接线柱的电极导线通过螺栓内嵌在供液通道内，并与高压电源正极连接。