CN103981579A - 静电纺丝收集装置、方法以及静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电纺丝收集装置及具有该装置的静电纺丝设备，该装置包括纤维定向收集器和可旋转平面纤维收取器，纤维定向收集器包括转轴、安装在转轴上的两个平行的碟和与转轴相耦合的驱动单元，碟上施加负电压，从正电压端释放的带电射流分裂形成的纤维定向悬挂于两平行碟之间，可旋转平面纤维收取器包括收取盘和耦合到收取盘上的旋转驱动机构及往返驱动机构，往返驱动机构用于承载收取盘伸进或是退出两平行碟之间，旋转驱动机构用于旋转收取盘以调整纤维收集到收取盘的盘面上的角度。还公开了一种使用该静电纺丝收集装置的静电纺丝收集方法。本发明电纺出的纤维定向程度好，适于构建高度有序的纤维组织结构。

Description

静电纺丝收集装置、方法以及静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，特别是涉及一种静电纺丝收集装置、静电纺丝收集方法以及一种静电纺丝设备。

背景技术

Formhals在1934年发表了世界上第一篇关于静电纺丝的专利，最先提出了静电纺丝的概念。最近十几年，随着纳米材料技术和跨学科领域的迅猛发展，静电纺丝技术又得到了科研人员的广泛关注。

传统的静电纺丝中，在高压电的作用下，悬挂在注射器针尖的液滴克服其自身的表面张力而形成带电射流，射流在电场中的飞行轨迹为弯曲不稳定性的三维“抖动或鞭动”。溶剂挥发或固化后以无纺布的形式收集到纤维收集器上。

传统的静电纺丝技术电纺出来的纤维是杂乱无章，随机分布的，主要用于伤口敷料、过滤阻隔、透明增强材料等，这就在很大程度上限制了其应用，尤其是在组织工程中的应用，因其不适于构建高度有序的组织。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种电纺出的纤维定向程度好的静电纺丝收集装置。

另一目的是提供一种电纺出的纤维定向程度好的静电纺丝收集方法。

再一目的是提供一种具有该静电纺丝收集装置的静电纺丝设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种静电纺丝收集装置，包括纤维定向收集器和可旋转平面纤维收取器，所述纤维定向收集器包括转轴、安装在所述转轴上的两个平行的碟和与所述转轴相耦合的驱动单元，所述驱动单元用于驱动所述转轴以带动所述碟旋转，所述碟上施加负电压，从正电压端释放的带电射流分裂形成的纤维因电场力的作用而定向悬挂于两平行碟之间，所述可旋转平面纤维收取器包括收取盘和耦合到所述收取盘上的旋转驱动机构及往返驱动机构，所述往返驱动机构用于承载所述收取盘伸进或是退出两平行碟之间，所述旋转驱动机构用于旋转所述收取盘以调整纤维收集到所述收取盘的盘面上的角度。

在进一步的技术方案中：

所述纤维定向收集器还包括安装在所述转轴上用于调节两平行碟之间的距离的距离调节机构。

所述距离调节机构包括从所述碟的两面夹住所述碟的夹具，所述夹具穿套于所述转轴上，所述夹具与所述转轴之间通过螺纹以可沿轴向相对移动的方式连接。

所述碟为圆形，两平行碟之间的距离的可调范围为38～90mm。

所述转轴的两端固定在一对支架上，所述转轴通过其中一个支架与负电压电连接，所述碟电连接所述转轴，所述驱动单元为安装在其中另一个支架的外侧、通过联轴器与所述转轴相连的电机。

所述往返驱动机构包括水平驱动源和连接所述水平动力源的楔形架，所述旋转驱动机构包括旋转驱动源和连接所述旋转驱动源的立轴，所述立轴可转动地竖立安装在所述楔形架的前端，所述收取盘安装在所述立轴的顶端。

所述收取盘为圆形，盘面平行于所述转轴。优选的，所述收取盘可旋转的角度为0～180度。

一种使用所述的静电纺丝收集装置的静电纺丝收集方法，包括以下步骤：

在转轴带动两平行碟旋转的同时，往返驱动机构带动处在第一盘面旋转角度的收取盘在两平行碟之间匀速地往返运动，收集悬挂在两平行碟之间的定向纤维。

优选地，匀速运动速度范围为0～10mm/s。

进一步地，所述方法还包括：

旋转驱动机构将所述收取盘旋转到第二盘面旋转角度；

在所述转轴带动两平行碟旋转的同时，所述往返驱动机构带动处在所

述第二盘面旋转角度的所述收取盘在两平行碟之间匀速地往返运动，

收集悬挂在两平行碟之间的定向纤维。

一种静电纺丝设备，包括所述的静电纺丝收集装置、连接正电压的注射器以及与所述注射器连通的注射泵，所述注射器处于所述静电纺丝收集装置的两平行碟的上方，用于朝两平行碟方向射出电纺溶液的带电射流。

本发明的有益技术效果：

本发明通过设置具有两平行碟且连接负电压的收集装置，利用平行碟形成的电场使纤维定向地悬挂在两平行碟之间，纤维定向程度高；通过可旋转平面纤维收取器的收取盘将定向纤维按照需要收取下来，而且收取盘可旋转以调整定向纤维在收取盘上的收集方向，从而实现了电纺出的纤维产品可控定向。通过控制收取盘的旋转角度，可以控制多层纤维产品层与层纤维之间的夹角。本发明特别适于在组织工程中的应用以构建高度有序的组织，例如，应用本发明可以制作定向程度好的电纺多层定向纳米纤维支架。

附图说明

图1为本发明一种实施例中的纤维定向装置结构示意图；

图2为本发明一种实施例中的纤维收取装置结构示意图；

图3为本发明一种实施例的静电纺丝装置结构示意图；

图4为使用本发明实施例电纺的单轴定向聚乙烯醇纤维支架的扫描电镜照片；

图5为使用本发明实施例电纺的双轴定向聚乙烯醇纤维支架的扫描电镜照片。

图中标记说明如下：1-底座；2-支架；3-螺栓组；4-高压电源；5-转轴；6-夹具；7-碟；8-注射器针尖；9-纤维；10-轴承；11-电机箱；12-电源；13-楔形架；14-动力箱；15-电源；16-收取盘；17-立轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1-图3，根据本发明的实施例，静电纺丝收集装置包括纤维定向收集器和可旋转平面纤维收取器，纤维定向收集器包括转轴5、安装在转轴5上的两个平行的碟7和与转轴5相耦合的驱动单元，驱动单元用于驱动转轴5以带动碟7旋转，碟7上施加负电压，从正电压端释放的带电射流分裂形成的纤维9因电场力的作用而定向悬挂于两平行碟7之间，可旋转平面纤维收取器包括收取盘16和耦合到收取盘16上的旋转驱动机构及往返驱动机构，往返驱动机构用于承载收取盘16伸进或是退出两平行碟7之间，旋转驱动机构用于旋转收取盘16以调整纤维收集到收取盘16的盘面上的角度。

如图1所示，在一种具体的实施例中，纤维定向收集器包括两个平行的超薄圆形碟、安装圆形碟的带外螺纹的转轴5、固定圆形碟的带有内螺纹的夹具6以及支架2。转轴5通过轴承10安装在支架2上，支架2固定在底座1上，通过螺栓组3与底座1连接。转轴5与夹具6之间通过螺纹连接。两个平行碟7通过夹具6固定在转轴5上。通过螺纹配合，调节夹具6与转轴5之间的相对位置，可以调节两平行碟7之间的距离。优选的调节范围为38～90mm。驱动单元包括设置在一支架2外侧的电机箱11，电机箱11内的电机由电源12供电，电机通过联轴器带动转轴5转动，进而带动两个平行碟7以一定的速度转动。转轴5通过支架2与高压电源4的负高压极相接，为两平行碟7提供负高压。

如图2所示，可旋转平面纤维收取器可以包括动力机构和圆形的收取盘16。动力机构包括旋转驱动机构及往返驱动机构。往返驱动机构可带动圆形收取盘16以一定的速度匀速往返运动，优选的速度范围为0～10mm/s。往返运动过程中，圆形收取盘16可进入或退出两平行碟7之间的空间内，且可以设置圆形收取盘16运行的最远距离为其刚好全部位于两碟7之间。收取盘16的盘面平行于转轴5，旋转驱动机构可带动圆形收取盘16旋转，从而调整纤维在收取盘16上的收取角度。收取盘16可以根据需要每次控制旋转0～180。

优选地，可旋转平面纤维收取器包括动力箱14和楔形架13，动力箱14由电源15供电，动力箱14中的往返驱动机构为楔形架13提供往返驱动力。楔形架13可被带动匀速地往返运动，进而带动圆形收取盘16匀速地往返运动以收集悬挂在两平行碟7之间的定向纤维。通过旋转安装在楔形架13上的立轴17，动力箱14中的旋转驱动机构可控制定时地将圆形收取盘旋转0～180度，从而收集形成每层纤维交错0～180度的定向纤维支架。其中楔形架13的往返运动距离可以适当控制，圆形收取盘16的定时旋转时间也可以根据需要适当控制。

图3展示了纤维定向收集器和可旋转平面纤维收取器之间的配合关系。工作时，可旋转平面纤维收取器的圆形收取盘16沿着平行碟7的径向往返进出两平行碟7之间，收集形成在两平行碟7之间的定向纤维。

采用具有上述收集装置的静电纺丝设备可实施一种静电纺丝方法，具体过程如下：

位于两平行碟7上方的注射器与正高压相连，转轴5接于负高压，使两平行碟7通有负高压。注射器针尖8悬挂的液滴在静电力的作用下克服表面张力形成带电射流，在两平行碟7之间电场力的作用下形成于悬挂在两平行碟7之间的定向纤维，接着被往复运动的圆形收取盘16收集下来，当圆形收取盘16旋转0～180度后，收集的定向纤维的方向也旋转0～180度，从而实现每层纤维之间夹角为0～180度的定向纤维支架的制备。

在上述过程中，电纺溶液能克服其自身的表面张力形成带电射流，在两个平行、共轴旋转的碟7之间形成电场力的作用下，溶剂挥发后形成纤维平行地悬挂在两平行碟7之间，定向程度高。可旋转平面纤维收取器中圆形收取盘16可定时旋转0～180，即可收集每层纤维之间的夹角为0～180的定向纤维支架。通过控制收取器从两平行碟7上收取定向纤维的间隔时间，可控制每层定向纤维的厚度。

根据具体的实施例中，可以调节注射器针头与两平行碟7之间的相对位置，使针尖与碟7之间的距离满足要求；可以调节注射泵控制电纺溶液的流速；可以调节接于注射器针头的正高压和接于转轴5的负高压；可以调节平行碟7收集器中转轴5的转速，可以调节可旋转平面纤维收取器中圆形收取盘16的往返运动速度和旋转周期，以控制收取盘16收取的纤维不同层的分布、不同层的交错角度等。

实例一：

利用上述装置和方法电纺单轴PVA纤维支架。其中PVA浓度为10％，设置溶液流速为0.3ml/h，电压为15KV，注射器针尖与平行薄碟之间的距离为175mm，薄碟转速为500r/min，平行薄碟之间的距离为38mm，电纺环境温度为37。可旋转平面纤维收取器固定在某一位置，使可旋转平面纤维收取器中的圆形收取盘位于两薄碟之间，保持圆形收取盘不动，收集一个方向的定向纤维。电纺时间为3h。得到的单轴定向纤维如图4所示。

实例二：

利用上述装置和方法电纺双轴PVA纤维支架。其中PVA浓度为10％，设置溶液流速为0.5ml/h，电压为12KV，注射器针尖与平行薄碟之间的距离为175mm，薄碟转速800r/min，平行薄碟之间的距离为43mm，可旋转平面纤维收取器中的圆形收取盘的运动速度为5mm/s，转动周期为10min，转动角度为90度，转动速度为10mm/s，电纺环境温度为37。电纺时间为2h。得到的双轴定向纤维如图5所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种静电纺丝收集装置，其特征在于,包括纤维定向收集器——和可旋转平面纤维收取器，所述纤维定向收集器包括转轴、安装在所述转轴上的两个平行的碟和与所述转轴相耦合的驱动单元，所述驱动单元用于驱动所述转轴以带动所述碟旋转，所述碟上施加负电压，从正电压端释放的带电射流分裂形成的纤维因电场力的作用而定向悬挂于两平行碟之间，所述可旋转平面纤维收取器包括收取盘和耦合到所述收取盘上的旋转驱动机构及往返驱动机构，所述往返驱动机构用于承载所述收取盘伸进或是退出两平行碟之间，所述旋转驱动机构用于旋转所述收取盘以调整纤维收集到所述收取盘的盘面上的角度。

2.如权利要求1所述的静电纺丝收集装置，其特征在于,所述纤维定向收集器还包括安装在所述转轴上用于调节两平行碟之间的距离的距离调节机构。

3.如权利要求2所述的静电纺丝收集装置，其特征在于,所述距离调节机构包括从所述碟的两面夹住所述碟的夹具，所述夹具穿套于所述转轴上，所述夹具与所述转轴之间通过螺纹以可沿轴向相对移动的方式连接。

4.如权利要求2所述的静电纺丝收集装置，其特征在于，所述碟为圆形，两平行碟之间的距离的可调范围为38～90mm。

5.如权利要求1至4任一项所述的静电纺丝收集装置，其特征在于,所述转轴的两端固定在一对支架上，所述转轴通过其中一个支架与负电压电连接，所述碟电连接所述转轴，所述驱动单元为安装在其中另一个支架的外侧、通过联轴器与所述转轴相连的电机。

6.如权利要求1至4任一项所述的静电纺丝收集装置，其特征在于，所述往返驱动机构包括水平驱动源和连接所述水平动力源的楔形架，所述旋转驱动机构包括旋转驱动源和连接所述旋转驱动源的立轴，所述立轴可转动地竖立安装在所述楔形架的前端，所述收取盘安装在所述立轴的顶端。

7.如权利要求1至4任一项所述的静电纺丝收集装置，其特征在于，所述收取盘为圆形，盘面平行于所述转轴，优选地，所述收取盘可旋转的角度为0～180度。

8.一种使用权利要求1至7任一项所述的静电纺丝收集装置的静电纺丝收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

在转轴带动两平行碟旋转的同时，往返驱动机构带动处在第一盘面旋转角度的收取盘在两平行碟之间匀速地往返运动，收集悬挂在两平行碟之间的定向纤维，优选地，匀速运动速度范围为0～10mm/s。

9.如权利要求8所述的静电纺丝收集方法，其特征在于，还包括：

旋转驱动机构将所述收取盘旋转到第二盘面旋转角度；

在所述转轴带动两平行碟旋转的同时，所述往返驱动机构带动处在所述第二盘面旋转角度的所述收取盘在两平行碟之间匀速地往返运动，收集悬挂在两平行碟之间的定向纤维。

10.一种静电纺丝设备，其特征在于,包括如权利要求1至7任一项所述的静电纺丝收集装置、连接正电压的注射器以及与所述注射器连通的注射泵，所述注射器处于所述静电纺丝收集装置的两平行碟的上方，用于朝两平行碟的方向射出电纺溶液的带电射流。