CN103849946B - 一种旋转供液静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及静电纺丝装置技术领域。本发明的一种旋转供液静电纺丝装置，包括溶液槽、旋转台、探针、第一驱动装置和第二驱动装置、收集装置和高压电源，所述旋转台设置在溶液槽内底面，所述旋转台上设有中心通孔，所述探针底部穿过该中心通孔内，并且所述探针与溶液槽通过连接件连接，所述第一驱动装置用于驱动所述旋转台旋转，所述第二驱动装置用于驱动该探针旋转，所述收集装置设置于所述溶液槽及探针上方，所述高压电源与探针和收集装置电性连接。本发明采用旋转供液，克服传统电纺供液量不稳定、不匹配等缺点，实现溶液的电纺消耗速度与补充速度自动匹配，且纺丝射流无明显鞭动，可以进行远场直写制备微纳纤维。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝装置技术领域，具体涉及一种旋转供液静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝技术是一种制备纳米纤维的技术手段，其原理为：聚合物溶液在电场力作用下会在溶液尖端形成泰勒锥，随后泰勒锥锥尖产生电纺射流并经过电场力拉伸、溶液挥发等复杂过程，最后获得纳米纤维。静电纺丝制备的纳米纤维具有直径小、比表面积大等性能，在生物医学材料、柔性电子、微纳装置等领域有着广泛的应用潜力。
在电纺过程中如何实现稳定、高效地供液已经成为了当前电纺技术研究领域的热点。传统静电纺丝装置采用单个或多个针头作为喷丝头进行电纺，由于针头内径小，当溶液挥发时容易出现针头滴液、堵塞现象，导致电纺中断。捷克的“纳米蜘蛛”装置采用滚筒蘸取溶液的供液方式实现电纺供液。中国专利CN 101275298 A、CN 102181947 A和CN102691115 A分别提出离心式供液，激振式供液和气泡式供液，实现对电纺装置的供液。这些装置虽然能够实现静电纺丝供液，但是并没有解决现有电纺装置中供液量不稳定、纤维直径范围大等问题。
发明内容
解决上述技术问题，本发明提供了一种旋转供液静电纺丝装置，采用旋转供液，克服传统电纺供液量不稳定、不匹配等缺点，实现溶液的电纺消耗速度与补充速度自动匹配，且纺丝射流无明显鞭动，可以进行远场直写制备微纳纤维。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种旋转供液静电纺丝装置，包括溶液槽、旋转台、探针、第一驱动装置和第二驱动装置、收集装置和高压电源，所述旋转台设置在溶液槽内底面，所述旋转台上设有中心通孔，所述探针底部穿过该中心通孔内，并且所述探针与溶液槽通过连接件连接，所述第一驱动装置用于驱动所述旋转台旋转，所述第二驱动装置用于驱动该探针旋转，所述收集装置设置于所述溶液槽及探针上方，所述高压电源与探针和收集装置电性连接。
进一步的，所述旋转台横截面为圆形，该圆形直径为1cm~5cm。所述旋转台由绝缘材料制作而成，该旋转台的上端面由表面粗糙度大的材料制作而成，旋转时能快速带动旋转台上方的纺丝溶液绕探针转动。
进一步的，所述探针由导电材料制作而成，所述探针为医用针灸针或钨探针，所述探针的直径为1μm~10mm，所述探针的长度为1cm~10cm。所述探针的侧面为光滑圆柱表面、螺旋状、麻花状或流线型圆柱表面。
进一步的，探针伸出溶液槽的长度可以调节。
进一步的，所述溶液槽由绝缘材料制成。
进一步的，所述第一驱动装置的输出转速为60rpm~2000rpm。
进一步的，所述收集装置为收集板、滚筒、平行电极或电极网，所述收集装置与纺丝溶液的间距为5mm~10cm。
进一步的，所述高压电源输出端与探针连接，收集装置接地。
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：
1）本发明通过设置旋转台，在旋转台上设置探针，通过分别控制旋转台和探针的转动，利用韦森堡效应，采用直径较小的转动轴时有利实现轴向应力的集中，提高溶液传输的稳定性，提高供液速度；增加了轴向应力集中，对射流喷射产生有了更好的促进作用。探针周围的溶液会沿探针外表面上爬，实现自主供液，且溶液消耗速度与补充速度自动匹配；
2）本发明能够在不论在远场还是近场条件下电纺，可以延长射流稳定直线段的长度，避免了外界干扰，有利于保持射流喷射的稳定性，无明显射流鞭动现象；
3）本发明采用压电源输出端与探针连接、收集装置接地，能够有效降低启动电压，当高压电源输出端与探针连接、收集装置接地时，因为此时溶液受到沿轴向的应力拉伸，相当于在电场力上叠加了轴向应力，可降低射流喷射所需要的电场力，进而可大大降低射流喷射的启动电压；
4）本发明通过控制探针转速（或旋转台转速）、探针直径、探针表面形状，可以控制射流稳定直线段的长度、电纺纤维的直径，提高旋转速度、减小探针直径、减小探针表面粗糙度有助于增加轴向应力，提高供液速度和射流喷射的稳定性，根据静电纺丝的基本原理可知供液速度增加会提高射流直径；
5）本发明通过控制探针伸出液面长度、溶液浓度、纺丝间距、高压电源输出值、收集装置移动速度等电纺工艺参数，进一步控制电纺过程及纤维品质。
附图说明
图1是本发明的实施例1的整体结构示意图；
图2是本发明的实施例1的电纺过程示意图；
图3为本发明的实施例2的电纺过程示意图；
图4为本发明的实施例3的电纺过程示意图；
图5为本发明的实施例4的电纺过程示意图。
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。
实施例1：
作为一个具体的实施例，如图1所示，本发明的一种旋转供液静电纺丝装置，包括溶液槽2、旋转台10、探针3、第一驱动装置和第二驱动装置、收集装置5和高压电源4，所述旋转台10设置在溶液槽2内底面，所述溶液槽2由绝缘材料制成，该旋转台10的上端面由表面粗糙度大的材料制作而成。所述旋转台10横截面为圆形，该圆形直径为1cm~5cm。所述旋转台10设置在溶液槽2内底面，所述旋转台10上设有中心通孔，所述探针3底部穿过该中心通孔内，并且所述探针3与溶液槽2通过连接件连接，溶液槽2底部设有探针3导轨，导轨上有通孔，该导轨由导电材料制成，装配时，所述探针3上端从溶液槽2底部竖直伸入，并从探针3导轨通孔伸出，最后固定的时候，所述探针3底部套设于该中心通孔内，并与溶液槽2通过连接件连接，所述连接件为绝缘件，溶液槽2下端设有密封件，起到密封作用，防止溶液从探针3与溶液槽2的间隙中漏出。探针3伸出溶液槽的长度可以调节。所述第一驱动装置用于驱动所述旋转台10旋转，所述第二驱动装置用于驱动该探针3旋转，所述收集装置设置于所述溶液槽及探针3上方，所述高压电源与探针3和收集装置电性连接。
本实施例中，所述探针3由导电材料制作而成，所述探针3还可以为医用针灸针或钨探针3，所述探针3的直径为1μm~10mm，所述探针3的长度为1cm~10cm。所述探针3的侧面为光滑圆柱表面、螺旋状、麻花状或流线型圆柱表面。
本实施例中，所述收集装置为收集板、滚筒、平行电极或电极网，所述收集装置与纺丝溶液的间距为5mm~10cm。
所述高压电源输出端与探针3连接，收集装置接地。
所述旋转台10由所述第一驱动装置用于驱动旋转，第一驱动装置由驱动电机和传动装置组成，所述第一驱动装置的输出转速为60rpm~2000rpm ，传统旋转供液速度一般小于60rpm，同样可以通过调速器设定输出转速，所述探针3由所述第二驱动装置用于驱动该旋转，第二驱动装置，选用驱动电机、调速器、联轴器或转动轴等装置，配合使用实现其功能，速度调控精确；旋转台10与探针3分别由第一驱动装置和第二驱动装置驱动进行旋转运动，第一驱动装置和第二驱动装置由不同的电机驱动；因此，旋转台10与探针3两者运动状态互相独立，且处于同一条旋转轴线。
所述探针3下端通过夹具与驱动电机输出轴传动连接，驱动电机输出轴、夹具和探针3三者处于同一条旋转轴线。所述夹具由绝缘材料制成，避免探针3施加高压静电后损坏驱动电机。所述探针3由导电材料制作而成，本实施例中的探针3，选用医用针灸针，当然，所述探针3为还可以为钨探针，主要指末端直径小、底部直径大的探针，主要是提高轴向应力的集中性以促进射流的喷射，所述探针3的直径为1μm~10mm，所述探针3的长度为1cm~10cm。所述探针3的侧面可以是光滑圆柱表面，也可以为螺旋状、麻花状等流线型圆柱表面。探针3伸出溶液的长度可以调节，具体地，驱动电机由升降台夹持，通过升降台可以调整驱动电机、夹具和探针3在竖直方向的整体位置，控制探针3伸出溶液液面的长度。
所述收集装置5设置于所述溶液槽2及探针3上方，收集平板安装在三维运动平台上。通过计算机编程，可以精确控制三维运动平台运动情况，带动收集平板在水平面上移动，也可以通过三维运动平台调节收集平板在竖直方向上与溶液槽2之间的距离。本实施例中的收集装置5，选用收集平板，所述收集装置5还可以为为收集板、滚筒、平行电极或电极网，所述收集装置5与纺丝溶液的间距为0.5mm~10cm。所述高压电源与探针3和收集装置5电性连接，旋转速度快供液速快，所述探针3、旋转台10处于同一条旋转轴线，旋转轴线垂直于溶液槽2底面；
所述高压电源，用于产生静电场，与收集装置5有两种连接方式：一、高压电源输出端与收集装置5连接，探针3接地；二、高压电源输出端与探针3连接，收集装置5接地。参考图2所示，本实施例采用压电源输出端与探针连接、收集装置接地，能够有效降低启动电压，当高压电源输出端与探针连接、收集装置接地时，因为此时溶液受到沿轴向的应力拉伸，相当于在电场力上叠加了轴向应力，可降低射流喷射所需要的电场力，进而可大大降低射流喷射的启动电压。
本装置设有高速摄像机，可以在计算机显示器上观察到探针3处溶液形成泰勒锥、产生射流等全部电纺过程。
本装置有两种供液方式：一、旋转台静止，探针转动；二、探针静止，旋转台转动。
本实施例采用第一种，即旋转台静止，探针转动时，由于韦森堡效应，以往的利用韦森堡效应进行旋转供液在大尺寸机械工业中应用，供液时主要应用于大尺寸的机械，旋转轴直径大于1mm，旋转速度小于60rpm，溶液传输速度较慢难于满足射流喷射的供液需求，若提高旋转速度、大的离心力容易产生甩液现象破坏溶液传输的稳定性；再者现有技术中利用该韦森堡效应的供液过程，所采用的旋转轴为柱状体，上下直径相同，而溶液旋转的所产生应力不集中对射流产生的促进作用不明显。当采用直径较小的转动轴时有利实现轴向应力的集中，且直径小离心力小不容易产生甩液现象而影响溶液传输的稳定性，可以进行高速旋转供液提高供液速度；另一方面，采用末端直径小、底部直径大的探针作为旋转轴，进一步增加了轴向应力的集中，对射流喷射产生有了更好的促进作用。探针周围的溶液会沿探针外表面上爬，实现自主供液，且溶液消耗速度与补充速度自动匹配；
本实施例供液方式为：旋转台10静止不动，探针3转动，进而探针3旋转与溶液产生相对运动而出现韦森堡效应，如图2所示。
为了更好地理解本发明的内容，下面具体阐述本实施例的电纺过程：
1）按照图1所示装配装置，并向溶液槽2加入纺丝溶液；
2）在调速器上设定驱动电机的输出转速值，驱动电机带动探针3自旋，处于探针3周围的纺丝溶液由于法向力效应慢慢沿着探针3外表面上爬，直至爬至探针3顶部；
3）在计算机上设定收集平板与纺丝溶液之间的距离，这一动作通过三维运动平台实现；
4）设定高压电源的电压输出值，探针3与收集平板之间形成高压静电场；
5）通过升降台调节探针3伸出溶液的长度，当调整到适当位置时，上爬溶液会在电场作用下形成射流，并向收集平板上喷射；
6）通过计算机设定收集板的移动速度，即可在收集平板上直写出纳米纤维；
实施例2：
参考图3所示，本实施例2与与实施例1区别就是供电方式不一样，在收集板上接电源正板的供电方式有利于一些导电溶液的喷射。本实施例2的电场连接方式为：收集平板与高压电源输出端电性连接，探针3导轨接地
本实施例2供液方式为：旋转台10静止不动，探针3转动，如图3所示。
其余装配关系详见实施例1。
实施例3：
参考图4所示，本实施例3的电场连接方式为：探针3导轨与高压电源输出端电性连接，收集平板接地。
本实施例的供液方式为：探针3静止，旋转台10转动，如图4所示。
其余装配关系详见实施例1。
实施例4：
参考图5所示，本实施例4的电场连接方式为：收集平板与高压电源输出端电性连接，探针3导轨接地。
本实施例的供液方式为：探针3静止，旋转台10转动，如图5所示。
其余装配关系详见实施例1。
上述实施例3和实施例4采用第二种供液方式，即探针静止，旋转台转动。当采用这种方式的时候探针静止，旋转台转动时，旋转台上方的溶液绕探针缓慢旋动，由于法向力作用，纺丝溶液会沿探针外表面上爬，也实现自主供液；当溶液围绕着某一旋转轴产生旋转运动时，这种旋转运动也是一种相对旋转运动，也就是说可以是中心的轴在转动而溶液静止，也可以是轴静止而周围液体在旋转运动，会产生一个轴向应力来拉伸溶液沿着轴进行流动，这就是所谓的韦森堡效应。本发明利用韦森堡效应，利用对溶液槽中的溶液产生的轴向应力来实现供液，同时该对溶液产生轴向约束，并且这个力的作用下溶液和射流被约束在针尖处，不易于受于其他因素干扰而发生鞭动，而有助于提高射流的稳定性，也同时延长射流稳定直线段的长度。
不论在远场还是近场条件下电纺，射流受到轴向应力的约束作用，避免了外界干扰，有利于保持射流喷射的稳定性，都较现有技术好，无明显射流鞭动现象。
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 (7)
1.一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：包括溶液槽、旋转台、探针、第一驱动装置和第二驱动装置、收集装置和高压电源，所述旋转台设置在溶液槽内底面，所述旋转台上设有中心通孔，所述探针底部穿过该中心通孔内，并且所述探针与溶液槽通过连接件连接，所述第一驱动装置用于驱动所述旋转台旋转，所述第二驱动装置用于驱动该探针旋转，所述收集装置设置于所述溶液槽及探针上方，所述高压电源与探针和收集装置电性连接，所述探针由导电材料制作而成，所述探针为医用针灸针或钨探针，所述探针的直径为1μm~10mm，所述探针的长度为1cm~10cm。
2.根据权利要求1所述的一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：所述旋转台横截面为圆形，该圆形直径为1cm~5cm。
3.根据权利要求1所述的一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：探针伸出溶液槽的长度可调节。
4.根据权利要求1所述的一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：所述溶液槽由绝缘材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：所述第一驱动装置的输出转速为60rpm~2000rpm-。
6.根据权利要求1所述的一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：所述收集装置为收集板、滚筒、平行电极或电极网，所述收集装置与纺丝溶液的间距为5mm~10cm。
7.根据权利要求1所述的一种旋转供液静电纺丝装置，其特征在于：所述高压电源输出端与探针连接，收集装置接地，探针静止，旋转台转动。
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