CN103846171A - 一种静电喷雾装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电喷雾技术领域，具体涉及一种具有多层辅助气体的大面积、多射流的制备纳米微球的静电喷雾装置，包括一供液箱，所述供液箱通过第一输液管组连接一分液箱，所述分液箱包括阵列储液腔，一喷嘴组，所述分液箱的阵列储液腔出口通过第二输液管组连接喷嘴组；一电极板，所述电极板与喷嘴组连接，一高压电源，所述高压电源通过导线与所述电极板电性连接，一内层辅助气流通道结构、一中层辅助气流通道结构和一外层辅助气流通道结构，以及一收集装置。本发明通过定量供液的供液箱、均匀输液的分液箱和多层辅助气流通道结构，提高静电喷雾效率，提高所收集到纳米微球膜厚度的均匀性，改善静电喷雾纳米微球膜的质量，并能实现在绝缘基底上的纳米微球膜的收集。

Description

一种静电喷雾装置

技术领域

本发明涉及静电喷雾技术领域，具体涉及一种具有多层辅助气体的大面积、多射流的制备纳米微球的静电喷雾装置。

背景技术

纳米材料具有宏观物质不具有的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸与隧道效应，这些特性使纳米材料具有许多与传统材料不同的物理和化学性质，如抗紫外线、高强度和韧性、良好的静电屏蔽效应、抗菌以及吸附能力等，表现出了明显的优越性。静电喷雾是一种高效制备纳米材料的方法，尤其是能制备纳米微球，包括实心纳米微球、空心纳米微球和核壳式纳米微球，这些特殊结构的纳米微球有着独特的性能和用途。利用静电喷雾技术制备的微球在药物缓释、组织工程、复合材料、微反应器以及催化合成方面已经得到了很广泛的研究和应用。静电喷雾装置具有简单、通用、容易操控等优点，其基本装置由微量注射泵、带毛细管的喷嘴、高压电源和接收装置，通过高压电源与接收装置之间形成的电场所施加的外加电场力克服带毛细管喷嘴处液滴的液体表面张力，形成高速喷射的小液滴射流，小液滴射流被高频弯曲、拉延、分裂，经溶剂挥发冷却在接收装置上得到纳米级微球，被认为是具有可能实现连续纳米微球工业化生产的一种方法，具有良好的前景。目前利用静电喷雾制备纳米微球膜效率非常低，无法进行批量制造纳米微球膜，因此静电喷雾制备纳米微球膜批量装置也就成为了这项技术工业应用的关键。本发明公开了一种具有定量供液的供液箱，均匀输液的分液箱和多层辅助气流的多喷嘴静电喷雾装置，定量供液箱以固定的流量供液至分液箱，分液箱能使喷雾溶液均匀输送至各个喷嘴，通过多个喷嘴进行喷雾批量连续制备纳米微球膜，显著提高静电喷雾的效率，通过引入多层辅助气流：一层辅助气流环绕与喷嘴，提供辅助的拉伸力加快静电喷雾的速度，进一步提高静电喷雾效率，并且进一步细化射流与纳米微球，减小静电喷雾纳米微球的直径；一层辅助气流环绕于各组邻近射流，在射流喷射过程中对射流起约束作用，促进静电喷雾形成的纳米微球在收集装置上的均匀分布，提高所收集到纳米膜厚度的均匀性，改善静电喷雾纳米微球膜的质量；，一层气流环绕于整个喷头装置外围，约束静电喷雾微球在收集装置上沉积的范围，减小纳米微球膜边缘收集的不规则。借助气流还可以在绝缘基底上的收集喷印。同时气流可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小射流间的静电干扰，同时加快纳米微球溶剂的挥发。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种具有定量供液的供液箱、均匀输液的分液箱和多层辅助气流的多喷嘴静电喷雾装置，确保多喷射流的稳定快速喷射，大面积进行喷雾以进一步提高静电喷雾效率，减小射流之间静电干扰，促进静电喷雾微球在收集装置上的均匀分布，提高所收集到纳米微球膜厚度的均匀性，改善纳米微球膜边缘收集的不规则，并能细化射流以及雾化微球的直径，改善静电喷雾纳米微球膜的质量，并能实现绝缘基底上纳米微球膜的收集。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种静电喷雾装置，包括：

一供液箱，所述供液箱通过第一输液管组连接一分液箱，所述分液箱包括阵列储液腔，

一喷嘴组，所述分液箱的阵列储液腔出口通过第二输液管组连接喷嘴组，

一电极板，所述喷嘴组固定在电极板上，且所述电极板与喷嘴组电性连接，

一高压电源，所述高压电源通过导线与所述电极板电性连接，

一内层辅助气流通道结构，所述内层气流通道结构包括一上盒体，所述上盒体的开口端部与电极板固定连接，所述上盒体侧面开设有进气口，所述进气口通过气管连接有一第一调压装置，所述上盒体底面配合所述喷嘴组开设有复数个通孔，每一通孔连接有一圆柱筒，所述喷嘴组中的每一喷嘴穿过一通孔，且所述喷嘴伸入所述圆柱筒内；

一中层辅助气流通道结构，所述中层气流通道结构包括一上筒体，所述上筒体顶部与上盒体底部固定连接，所述上筒体侧面开设有进气孔，所述进气孔通过气管连接有第二调压装置，所述上筒体底部连接一网格体，所述网格体由多个隔板交错连接成多个方形区域，每个方形区域囊括4~6个喷嘴，

一外层辅助气流通道结构，所述外层气流通道结构包括一筒体，所述筒体顶部与上筒体底部固定连接，所述筒体侧面开设有进气开口，所述进气开口通过气管连接有第三调压装置，

一收集装置，所述收集装置设置在喷嘴组下方，所述收集装置通过导线与所述高压电源电性连接。

进一步的，所述供液箱包括外箱壳、基座和导板，所述基座包括一基板和一圆筒，所述基板顶部顶部与外箱壳顶部开口密封连接，所述导板设置在外箱壳内且该导板上开设有供圆筒底部通过的通孔，所述导板可相对该基座上下移动，所述导板与外箱壳、基座圆筒相互围成密封的第一气室、第二气室和液室，所述液室顶部开设有出液口，所述出液口与输液管组连通，所述导板底部中间连接有一推杆，所述推杆底部伸出外箱壳底部外，所述第一气室通过导管与第四调压装置连接，所述第二气室通过导管与第五调压装置连接。

进一步的，所述分液箱上端开口连接有一盖板，形成封闭腔体，分液箱侧边有三个圆周阵列进液口，所述进液口与供液箱通过输液管组连接；分液箱底部有阵列储液腔，各个储液腔与封闭腔体相连通；各个储液腔侧边有6个圆周阵列通孔，各个储液腔的阵列通孔分别通过外接输液管与喷嘴组连接。

进一步的，所述圆柱筒底部连接一圆锥筒，所述圆锥筒直径从上至下依次递减，且所述喷嘴依次伸入所述圆柱筒和圆锥筒内。

更进一步的，所述圆锥筒的锥度为0-45度，所述喷嘴末端伸出圆锥筒末端2-10mm。

进一步的，所述方形区域末端超出喷嘴组末端2-10mm。

进一步的，所述筒体末端超出喷嘴组末端2-10mm。

进一步的，所述接收装置为旋转台接收装置。可以但不局限于旋转台接收装置，还可以为静止接收装置、滚动接收装置。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明通过多个喷嘴进行喷雾批量连续制备纳米微球膜，显著提高静电喷雾的效率，通过引入多层辅助气流，一层辅助气流环绕与喷嘴，提供辅助的拉伸力加快静电喷雾的速度，进一步提高静电喷雾效率，并且进一步细化射流和纳米微球，减小静电喷雾纳米微球的直径，一层辅助气流环绕于各组邻近射流，在射流喷射过程中对射流起约束作用，促进静电喷雾形成的微球在收集装置上的均匀分布，提高所收集到纳米膜厚度的均匀性，改善静电喷雾纳米膜的质量，一层气流环绕于整个喷头装置外围，约束静电喷雾微球在收集装置上沉积的范围，减小纳米膜边缘收集的不规则。借助气流还可以在绝缘基底上的收集喷印。同时气流可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小电场的集中现象，减小射流间的静电干扰，同时加快纳米微球溶剂的挥发。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明多层气流通道示意图示意图。

图3是本发明阵列储液腔出液口示意图。

【主要符号说明】

1.收集装置 ，2.高压电源，3.盖板 ，4.分液箱，5.电极板，6. 内层辅助气流通道结构 ，7.中层辅助气流通道结构，8.喷嘴组，9.外层辅助气流通道结构，10.气管组，11.调压阀组，12.气泵组，13.供液箱，14.输液管组。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1至图3所示，本发明的一种静电喷雾装置，包括：供液箱13，所述供液箱13通过第一输液管组14连接一分液箱4，所述分液箱4包括阵列储液腔41，所述供液箱13包括外箱壳136、基座131和导板132，所述基座131包括一基板1311和一圆筒1312，所述基板1311顶部与外箱壳136顶部开口密封连接，所述圆筒1312设置在基板1311上且伸入该外箱壳136内，所述导板132设置在外箱壳136内，该导板132包括一上板体1321，所述上板体1321四周与外箱壳136内壁紧贴，所述上板体1321下面还固定密封连接有一杯体1323，该上板体1321上开设有供圆筒1312底部通过的通孔1322，且该通孔1322与圆筒1312紧密配合，所述圆筒1312底部穿过通孔1322并伸入杯体1323内，所述导板132可相对该基座131上下移动，即所述上板体1321可相对该圆筒1312上下移动，所述导板132与外箱壳136、基座131及其圆筒1312相互配合，并围成密封的第一气室133、第二气室135和液室134，液室134内充满液体，所述第一气室133是由基板1311下部、圆筒1312外部及上板体1321上部界定出的外箱壳136内部区域，所述第二气室135是由杯体1323外侧和上板体1321下部界定出的外箱壳136内部区域，所述液室134是由基板1311下部、圆筒1312内部和上板体1321上部界定出的外箱壳136内部区域，

所述液室134顶部开设有出液口1341，所述出液口1341与输液管组14连通，所述导板底部中间连接有一推杆137，所述推杆137底部伸出外箱壳136底部外，具体地，该推杆137穿过所述杯体1323底部中心并与所述上板体1321中心固定连接，

所述第一气室133通过导管11与第四调压装置连接，更进一步的，所述第四调压装置包括调压阀11和气泵12，所述第一气室133通过导管连接调压阀11，调压阀11连接气泵12，通过气泵12供气，调压阀11控制气流气压大小至气室133，所述第二气室135通过导管与第五调压装置连接，所述第五调压装置包括调压阀115和气泵125，所述第二气室135通过气管连接调压阀115，调压阀115连接气泵125，通过气泵125供气，调压阀115控制气流气压大小至第二气室135，气室135与气室133的气压差推动导板132相对基座131向上运动，压缩液室134里的喷雾溶液，使喷雾溶液通过输液管14进入分液箱4，也可使导板132相对基座131向下运动，并实现分离，当液室中溶液用完以后，可以将输液管14的一端从进液口44中卸下，然后插入到外部的补液槽（未示出）中，然后通过移动导板132使液室134产生负压从外部液槽吸入溶液进行补液，从外部引入喷雾溶液进入液室。通过调压阀11和调压阀115，控制气室133和气室135之间产生恒定的气压差，完成定量供液或是定量进液。

所述分液箱4上端开口连接有一盖板3，形成封闭腔体43，分液箱4侧边有三个圆周阵列进液口44，所述输液管组14有三根输液管，所述进液口44分别通过输液管组14与供液箱13连接；分液箱4底部有阵列储液腔41，每一储液腔41与封闭腔体43相连通；每一储液腔41侧边有6个圆周阵列通孔42，每一储液腔41的阵列通孔42分别通过第二输液管45与喷嘴组8连接。

所述分液箱4的阵列储液腔41出口通过第二输液管组45连接喷嘴组8。喷嘴组8由复数个金属材料的喷嘴排列而成，每一喷嘴顶部处于同一水平面，且每一喷嘴顶部都嵌设在电极板5上，喷嘴具有良好导电性能，所述电极板5与喷嘴组8中每一喷嘴固定并电性连接，

喷嘴组8底部设有一收集装置，所述接收装置为旋转台接收装置。所述收集装置设置在喷嘴组下方，一高压电源通过导线与所述电极板电性连接，高压电源正极连接电极板，使喷嘴处带有高压；高压电源负极连接收集装置，使喷嘴与收集装置形成高压电场，从而进行静电喷雾，

喷嘴组8周围设有一内层辅助气流通道结构，所述内层气流通道结构包括一上盒体6，所述上盒体6的开口端部与电极板5固定连接，所述上盒体6侧面开设有三个圆周阵列进气口64，所述进气口64通过气管连接有一第一调压装置，所述第一调压装置包括调压阀112和气泵122，所述进气口通过气管连接调压阀112，调压阀112连接气泵122，所述上盒体6底面配合所述喷嘴组开设有复数个通孔65，每一通孔65连接有一圆柱筒66，所述喷嘴组8中的每一喷嘴穿过一通孔65，且所述喷嘴伸入所述圆柱筒66内；所述圆柱筒66底部连接一圆锥筒67，所述圆锥筒67直径从上至下依次递减，所述圆锥筒锥度0~45度，上盒体6底面上部和电极板5下部区域形成气室62，所述通孔64、圆柱筒66和圆锥筒67构成了阵列通道61，所述喷嘴组8的喷嘴外部与圆柱筒66和圆锥筒67内部空间构成气流通道63，所述喷嘴依次伸入所述圆柱筒66和圆锥筒67内，即该阵列通道61分别与喷嘴组8的每一喷嘴配合连接，喷嘴组8上的每个喷嘴与阵列通道61上的每一个通道一一对应，也就是喷嘴组8中的每个喷嘴都处于阵列通道61中对应的的通道内，两者不接触也不连接，喷嘴末端伸出阵列通道61底部大约2~10mm； 

一中层辅助气流通道结构，所述中层气流通道结构包括一上筒体7，所述上筒体7顶部与上盒体6底部固定连接，所述上筒体7侧面开设有三个圆周阵列进气孔74，所述圆周阵列进气孔74通过气管连接有第二调压装置，所述第二调压装置包括调压阀113和气泵123，圆周阵列进气孔74通过气管连接调压阀113，调压阀113连接气泵123，所述上筒体7底部连接一网格体71，所述网格体71由多个隔板71交错连接成多个方形区域，每个方形区域囊括4~6个喷嘴，形成阵列气流通道72，所述方形区域末端超出喷嘴组末端2~10mm。

一外层辅助气流通道结构，所述外层气流通道结构包括一筒体9，所述筒体9顶部与上筒体底部固定连接，所述筒体侧面开设有进气开口，所述进气开口通过气管连接有第三调压装置，所述筒体末端超出喷嘴组末端2~10mm。所述第三调压装置包括调压阀114和气泵124，通过进气开口气管连接调压阀114，调压阀114连接气泵124；高压电源2正极连接电极板5，高压电源2负极连接收集装置1。

本发明的工作原理是：

供液箱定量供给的喷雾溶液由三个圆周阵列进液口44均匀进入分液箱的封闭腔体43内，再分别进入各个阵列的储液腔内，再由储液腔均匀分液至各个输液管，进入喷嘴组的各个喷嘴，实现各个喷嘴均匀出液；通过气泵125供气，调压阀115控制气流气压大小至气室135，气泵12供气，调压阀11控制气流气压大小至气室133，气室135与气室133的气压差推动导板132与基座131相对运动，压缩液室134里的喷雾溶液，使喷雾溶液通过输液管进入分液箱4，也可使导板132与基座131作分离运动，从外部引入喷雾溶液进入液室134，通过调压阀11和调压阀115，控制气室133和气室135之间产生恒定的气压差，完成定量供液或是定量进液。供液箱13定量供给的喷雾溶液由三个圆周阵列进液口44均匀进入分液箱4的封闭腔体43内，再分别进入各个阵列的储液腔41内，再由储液腔41均匀分液至各个输液管，进入喷嘴组8的各个喷嘴，实现各个喷嘴均匀出液；通过喷嘴组8与收集装置1形成的高压电场，进行静电喷雾；通过气泵122供气并经过调压阀112调节气压大小由内辅助气流通道结构6进气口均匀供气至气室62，气流在气流通道63的引导下，气流方向与喷雾射流方向一致，并在通道末端锥形表面引导下，聚焦于射流，提供拉伸力辅助静电喷雾射流，细化射流细化喷雾微球；通过气泵123供气并经过调压阀113调节气压大小由中层辅助气流通道结构7进气口均匀供气至气室73，气流在气流通道72的引导下，气流方向与喷雾射流方向一致，并在通道表面引导下，作用于各组射流，提供辅助拉伸力并使射流能在中层辅助气流通道结构7的阵列区域内各自喷射并收集，气流环绕于各组邻近射流，在射流喷射过程中对射流起约束作用，促进静电喷雾形成的微球在收集装置上的均匀分布，提高所收集到纳米膜厚度的均匀性，改善静电喷雾纳米膜的质量；通过气泵124供气并经过调压阀114调节气压大小由外层辅助气流通道结构9进气口均匀供气至气室91，气流在外辅助气流通道结构9内表面的引导下，气流方向与喷雾射流方向一致，作用于全部射流，提供辅助拉伸力并使射流能在外辅助气流通道结构9的内部区域内收集，约束静电喷雾微球在收集装置上沉积的范围，减小纳米膜边缘收集的不规则；三组气流均在雾化过程可携带走射流表面电荷，降低表面电荷密度，减小射流间的静电干扰，同时加快纳米微球溶剂的挥发；通过调节各组气流的调压阀，可以调节各组辅助气流的气压大小，使各组辅助气流的作用效果以及综合作用效果达到最佳，大大提高静电喷雾的速度，并使收集到的雾化纳米微球膜更加均匀；借助气流还能在绝缘基底上收集静电雾化纳米微球膜；旋转台收集装置在静电喷雾收集过程中保持一定的速度匀速转动，使在各气流区域内收集到的静电喷雾纳米微球旋转收集成膜。

本发明的三层辅助气流通道，不同于现有技术中仅仅在喷头上设置通气罩，进而形成的和收集装置之间设置的辅助气流通道，因为这种方式喷头均匀分布于通气罩内，辅助气流环绕于带电射流四周，对射流产生挤压与引导促进电纺纳米纤维在双网筒收集器内进行三维叠加沉积。主要是面向高粘度溶液的连续射流喷射，利用喷头与收集器之间的辅助气流通道引导电纺纳米纤维进行三维叠加沉积。喷头仅设有单一辅助气流通道，纺丝射流外围也仅设有一层辅助气体，单一辅助气流有助于对电纺射流和纳米纤维产生挤压和引导作用，避免了辅助气流对射流产生多层扰动、扩大射流/纳米纤维的沉积范围，有利于电纺纳米纤维在收集器中进行集中、三维累加沉积。

而本发明则主要是面向低粘度、断续射流、微纳液滴的快速喷雾制造。前述专利只设有一个辅助气流引入通道，而本专利机构上设有三个辅助气流引入通道。通过对现有技术中的辅助气流流场分析，发现喷嘴外围设有单层或双层辅助气流时，在喷嘴下方0~5mm时可产生较为稳定的层流气场，可对带电射流、纳米纤维产生挤压和引导作用；而当在喷嘴外围引入多个通道的辅助气体将对流场产生扰动，可在纺丝喷嘴下方10~20mm处产生强烈的紊流，从而对带电射流或带电微纳颗粒的运动轨迹产生干扰，诱使其在更大范围内产生更为均匀的沉积；同时，紊流气流同时加剧射流的不稳定扰动，有助于促进射流的破裂产生均匀的微纳颗粒。层流气场作用下连续射流喷射运动行为，与紊流气场作用下射流破裂、带电颗粒运动行为有着明显不同。

现有技术中的辅助气流则主要利用处于层流状态，利用层流气体对带电射流、纳米纤维产生挤压和引导作用，促进纳米纤维在特定收集器中进行集中、逐层累加沉积构造三维结构；此时，层流辅助气体起挤压与引导作用。而本次申请专利则主要利用辅助气流的紊流状态，干扰带电射流、微纳颗粒的运动轨迹，促进微纳颗粒的快速喷射制造和均匀沉积；紊流辅助气起加剧射流破裂，促进微纳颗粒的破裂喷射制造。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种静电喷雾装置，其特征在于包括：

一供液箱，所述供液箱通过第一输液管组连接一分液箱，所述分液箱包括阵列储液腔，

一喷嘴组，所述分液箱的阵列储液腔出口通过第二输液管组连接喷嘴组，

一电极板，所述喷嘴组固定在电极板上，且所述电极板与喷嘴组电性连接，

一高压电源，所述高压电源通过导线与所述电极板电性连接，

一内层辅助气流通道结构，所述内层气流通道结构包括一上盒体，所述上盒体的开口端部与电极板固定连接，所述上盒体侧面开设有进气口，所述进气口通过气管连接有一第一调压装置，所述上盒体底面配合所述喷嘴组开设有复数个通孔，每一通孔连接有一圆柱筒，所述喷嘴组中的每一喷嘴穿过一通孔，且所述喷嘴伸入所述圆柱筒内；

一中层辅助气流通道结构，所述中层气流通道结构包括一上筒体，所述上筒体顶部与上盒体底部固定连接，所述上筒体侧面开设有进气孔，所述进气孔通过气管连接有第二调压装置，所述上筒体底部连接一网格体，所述网格体由多个隔板交错连接成多个方形区域，每个方形区域囊括4~6个喷嘴，

一外层辅助气流通道结构，所述外层气流通道结构包括一筒体，所述筒体顶部与上筒体底部固定连接，所述筒体侧面开设有进气开口，所述进气开口通过气管连接有第三调压装置，

一收集装置，所述收集装置设置在喷嘴组下方，所述收集装置通过导线与所述高压电源电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述供液箱包括外箱壳、基座和导板，所述基座包括一基板和一圆筒，所述基板顶部顶部与外箱壳顶部开口密封连接，所述导板设置在外箱壳内且该导板上开设有供圆筒底部通过的通孔，所述导板可相对该基座上下移动，所述导板与外箱壳、基座圆筒相互围成密封的第一气室、第二气室和液室，所述液室顶部开设有出液口，所述出液口与输液管组连通，所述导板底部中间连接有一推杆，所述推杆底部伸出外箱壳底部外，所述第一气室通过导管与第四调压装置连接，所述第二气室通过导管与第五调压装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述分液箱上端开口连接有一盖板，形成封闭腔体，分液箱侧边有三个圆周阵列进液口，所述进液口与供液箱通过输液管组连接；分液箱底部有阵列储液腔，各个储液腔与封闭腔体相连通；各个储液腔侧边有6个圆周阵列通孔，各个储液腔的阵列通孔分别通过外接输液管与喷嘴组连接。

4.根据权利要求3所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述圆柱筒底部连接一圆锥筒，所述圆锥筒直径从上至下依次递减，且所述喷嘴依次伸入所述圆柱筒和圆锥筒内。

5.根据权利要求4所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述圆锥筒的锥度为0-45度，所述喷嘴末端伸出圆锥筒末端2-10mm。

6.根据权利要求1所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述方形区域末端超出喷嘴组末端2-10mm。

7.根据权利要求6所述的一种静电喷雾装置，其特征在于所述筒体末端超出喷嘴组末端2-10mm。

8.根据权利要求1所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述接收装置为旋转台接收装置。

9.根据权利要求1所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述筒体末端超出喷嘴组末端2-10mm。

10.根据权利要求1所述的一种静电喷雾装置，其特征在于：所述接收装置为旋转台接收装置、静止接收装置或滚动接收装置。

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