CN104018237B - 静电纺丝膜厚度调节装置和静电纺丝机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝膜厚度调节装置，其包括支撑单元、驱动单元、传动单元以及摆动单元，该支撑单元用于支撑所述驱动单元、传动单元以及摆动单元，所述驱动单元可以为所述传动单元提供动力，所述传动单元可以将该动力传递给摆动单元，使该摆动单元做往复摆动，在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流塑形作用。另外，本发明还涉及一种使用上述静电纺丝膜厚度调节装置的静电纺丝机。

Description

静电纺丝膜厚度调节装置和静电纺丝机

技术领域

本发明涉及一种在大规模静电纺丝过程中能使纤网厚度均匀的静电纺丝膜厚度调节装置以及使用该静电纺丝膜厚度调节装置的静电纺丝机。

背景技术

静电纺丝技术是A Formhals在1934年提出的一种制备连续纳米纤维材料的方法。其原理为：利用电场力将高聚物溶液在静电场中形成射流，进而拉长变细。带电射流在静电纺丝空间运行时，伴随着溶剂的挥发，弯曲和拉伸，最终被接收装置收集，形成随机排列的电纺纤维材料。由于电纺纤维材料具有高比表面积、高孔隙率、高通透性等以及良好的光学、电学、电磁学等方面的性质，近年来已经引起广泛关注，并在生物医学、电子光学、微纳米器件等领域显示出越来越广泛和重要的应用。Tomaszewksi等研究发现，针头数量和产量呈线性相关。为了提高纳米纤维的产量，使用多针头进行静电纺是一种非常有效的方式。近年来，关于多喷头电纺装置的报导很多，美国专利(US Patent 6713011)涉及一种静电纺含有纤维形成材料的液体得到纤维毡的装置和方法。文中透露用多个喷嘴来提高产量，并通过改进控制射流的形成和收集，使得纺丝均匀。文中也透露试用次级电场修正初级电场来提供足够的电场强度来克服带电液体的表面张力和临近喷头/射流的干扰从而有助于形成射流。中国专利(CN 102776582 A)涉及一种自动化控制的多喷头静电纺丝装置，高压静电发生器的负极连接具有至少一个喷头的自清洁多喷头装置，自清洁多喷头装置位于接收装置的下方，由多通道精密供液泵在控制单元的控制下以设定的注射速度为自清洁多喷头装置提供纺丝液。中国专利(CN 101210352A)涉及一种朝上喷的Taylor锥多喷头静电纺丝机，用屏蔽套屏蔽头与头之间的电场，使静电纺丝的电场稳定。这些报导只涉及到如何能进行多喷头的稳定连续电纺，对薄膜厚度均匀性却没有做深入研究。当纺丝的针头数超过一定数量，针头之间的的电场力相互排斥，电纺纤维向周边的扩散严重，难于收集，导致形成的纳米纤维成膜的厚度不一，均匀度变差。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种在静电纺丝过程中能使纳米纤维成膜的厚度均匀的静电纺丝膜厚度调节装置以及使用该静电纺丝膜厚度调节装置的静电纺丝机。

一种静电纺丝膜厚度调节装置，其包括支撑单元、驱动单元、传动单元以及摆动单元，该支撑单元用于支撑所述驱动单元、传动单元以及摆动单元，所述驱动单元可以为所述传动单元提供动力，所述传动单元可以将该动力传递给摆动单元，使该摆动单元做往复摆动，在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流塑形作用。

一种静电纺丝机，其包括：多个针头、一个接收装置以及两个如上所述的静电纺丝膜厚度调节装置，所述多个针头与所述接收装置相对设置，所述两个静电纺丝膜厚度调节装置分别设置在所述多个针头与所述接收装置的两侧，所述两个静电纺丝膜厚度调节装置会产生气流和/或电场，利用所述气流和/或电场的挤压作用引导多个针头喷射的纺丝纳米纤维沉积在所述接收装置。

与现有技术相比较，本发明提供的静电纺丝机在纺丝过程中，如果利用静电纺丝膜厚度调节装置产生的气流时，所述摆动单元上面的摆动幅度小，不会干扰正常纺丝；摆动单元下面的摆动幅度较大，所以在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流塑形作用，能很好地把丝向接收装置的中间吹，促进电纺纳米纤维在接收装置上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性。如果利用两个静电纺丝膜厚度调节装置产生的电场时，该电场在静电纺丝射流喷射过程中对射流产生斥力，使射流向中间靠拢，促进电纺纳米纤维在接收装置上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性。当然，也可以利用摆动单元产生电场在静电纺丝射流喷射过程中对射流产生斥力和摆动单元摆动改变气流共同作用使射流向中间靠拢，促进电纺纳米纤维在接收装置上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的静电纺丝机的结构示意图。

图2是本发明实施方式提供的静电纺丝膜厚度调节装置的结构示意图。

图3是本发明实施方式提供的静电纺丝膜厚度调节装置中伸缩杆的结构示意图。

图4是本发明实施方式提供的静电纺丝膜厚度调节装置中伸缩杆的分解结构示意图。

图5是本发明实施方式提供的静电纺丝膜厚度调节装置中连接杆的结构示意图。

图6是本发明实施方式提供的静电纺丝膜厚度调节装置中连接杆的分解结构示意图。

图7是本发明实施方式提供的静电纺丝膜厚度调节装置中连接杆和转动盘的分解结构示意图。

图8是现有技术静电纺丝机中针头的射流及丝的形态示意图。

图9是本发明实施方式提供的静电纺丝机中针头的射流及丝的形态示意图。

主要元件符号说明

机架 1

静电纺丝机 2

针头 3

摆动板 4

伸缩杆 5

接收装置 6

静电纺丝膜厚度调节装置 10

固定杆 12

固定板 13

孔 21

直流电机 22

电机底座 23

连接杆 31

转动盘 32

传动轴 33

底座 34

皮带轮 35

皮带 36

杆本体 51

绝缘材料层 52

金属套筒 53

绝缘套筒 54

金属杆 55

螺钉 56、57

丝杆 311

第一套筒 312

第二套筒 314

圆盘 321

连接孔 323

螺钉 324

螺母 313、315、533、534

凹槽 511、531、532

孔 316、317、512

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的静电纺丝膜厚度调节装置以及静电纺丝机作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施方式提供一种静电纺丝机2，其包括多个针头3、一个接收装置6以及两个静电纺丝膜厚度调节装置10，所述多个针头3与所述接收装置6相对设置，所述两个静电纺丝膜厚度调节装置10分别设置在所述多个针头3与所述接收装置6的两侧，所述两个静电纺丝膜厚度调节装置10会产生气流和/或电场，利用所述气流和/或电场的挤压作用引导多个针头3喷射的纺丝纳米纤维沉积在所述接收装置6。

请一并参阅2，所述静电纺丝膜厚度调节装置10包括支撑单元、驱动单元、传动单元和摆动单元。该支撑单元用于支撑所述驱动单元、传动单元以及摆动单元，所述驱动单元为所述传动单元提供动力，所述传动单元将该动力传递给摆动单元，使该摆动单元做往复摆动。

所述支撑单元包括机架1、伸缩杆5、固定杆12以及固定板13。所述伸缩杆5焊接在所述机架1的顶部，所述固定杆12设置在所述机架1的中部，所述固定板13固定在所述机架1的底部。

请参阅图3、图4，所述伸缩杆5包括杆本体51、套设在所述杆本体51的金属套筒53、套设在所述金属套筒53的绝缘套筒54、两个螺母533、534以及两个螺钉56、57。所述杆本体51比所述金属套筒53的长度长，所述绝缘套筒54的长度与所述金属套筒53的长度相等。

所述杆本体51由圆柱形金属杆55和涂覆在所述圆柱形金属杆55外表面的绝缘材料层52构成，该杆本体51上等间隔分布有多个方形凹槽511，该凹槽的底面为平面。所述金属套筒53为中空结构，该金属套筒53的管壁上设置有两个凹槽531、532，该两个凹槽531、532之间的距离与所述杆本体51上任意两个凹槽511之间的距离相等，且该两个凹槽531、532的底面为平面，该两个平面分别设置有圆孔(图未示)。在所述金属套筒53的凹槽511的底面对应所述圆孔的位置上分别焊接螺母533和534，所述螺母533和534的中心轴线分别与圆孔的中心轴线重合。所述金属套筒53焊接在所述机架1的横梁上。

所述绝缘套筒54主要起隔绝作用，防止电纺纤维落到所述金属套筒53，该绝缘套筒54的材料任意，要具有一定的刚性。所述绝缘套筒54的壁部设置有两个孔21，该绝缘套筒54组装到所述伸缩杆5的金属套筒53之后可以通过所述孔21将所述螺母533以及534露出，所述螺钉56、57通过旋入所述螺母533、534伸入所述金属套筒53并抵在所述杆本体51的凹槽511的底面，使所述杆本体51相对所述金属套筒53固定。

使用时，适当旋松所述螺钉56和57，移动所述杆本体51至所需位置，并微调使孔杆本体51的凹槽511与所述金属套筒53的孔对齐，然后旋紧所述螺钉56和57，可以实现伸缩杆5相对于所述机架1的伸缩。

所述杆本体51的一端在垂直于所述杆本体51轴线的方向钻有孔512，该孔512用于使所述伸缩杆5与所述摆动单元连接。

所述驱动单元包括调速器(图未示)、直流电机22和电机底座23，该直流电机22设置在所述电机底座23，该电机底座23焊接在所述机架1的下部。所述调速器用于控制所述直流电机22的运行速度。

所述传动单元包括一个传动轴33、两个转动盘32、两个连接杆31、两个底座34、一个皮带轮35、一个皮带36。所述传动轴33安装于所述两个底座34，该两个底座34分别焊接在所述机架1的固定杆12。所述传动轴33的两端分别安装有所述转动盘32，在所述电机侧的传动轴33上安装有皮带轮35。在所述直流电机22的主轴和所述皮带轮35上安装有皮带36，所以，所述直流电机22可以带动所述传动轴33旋转，进而带动安装在所述传动轴33的两个转动盘32旋转。所述两个连接杆31的其中一端连接所述转动盘32，另一端与所述摆动单元的下部铰接。

可以理解，所述直流电机22带动所述传动轴33旋转的结构不限于此，也可以通过链条带动所述传动轴33旋转。

请一并参阅5至图7，所述连接杆31包括第一套筒312、第二套筒314、丝杆311以及两个螺母313、315。所述第一套筒312的内部设置有内螺纹，该第一套筒312的一端在垂直于该第一套筒312的轴线方向钻有孔316，该孔316用于与所述转动盘32连接，另一端与丝杆311螺纹连接，并通过所述螺母313固定所述丝杆311旋入所述第一套筒312的长度。所述第二套筒314的内部设置有内螺纹，该第二套筒314的一端在垂直于该第二套筒314的轴线方向钻有孔317，该孔317与所述摆动单元的下部铰接，另一端与所述丝杆311螺纹连接，并通过所述螺母315固定所述丝杆311旋入所述第二套筒314的长度。通过调节所述丝杆311旋入所述第一套筒312和第二套筒314的长度可以调节所述连接杆31的长度。

所述转动盘32包括圆盘321、中心轴孔(图未示)和连接孔323。所述中心轴孔用于将该转动盘32安装于所述传动轴33。该连接孔323的内部设置有内螺纹，该连接孔323和所述连接杆31的孔316中心线重合，并通过螺钉324紧固，使所述连接杆31连接于所述转动盘32。所述摆动单元的摆动角度通过调节所述连接孔323离中心轴孔的距离来调节。

所述摆动单元包括一摆动板4，该摆动板4上部的两端分别延伸出连接轴(图未标示)，该连接轴直径的大小刚好与所述伸缩杆5的杆本体51的孔512匹配。所述连接轴分别穿入所述伸缩杆5的孔512，且相对于该孔512可以旋转，使所述摆动板4的上部悬挂于所述机架1。所述摆动板4的形状为平板状，其下部具有阶梯，或者该摆动板4为弧状板，或者该摆动板4为弧状板，其下部具有阶梯。所述摆动板4可以由绝缘材料构成，也可以由导电材料构成或者该摆动板4的一部分由导电材料构成。在本实施例中，所述摆动板4的形状为平板状，其下部具有阶梯。

调节所述伸缩杆5伸出所述机架1的长度，同时调节所述连接杆31的长度，使伸缩杆5的杆本体51上的孔512和所述连接杆31的第二套筒314与所述摆动单元的下部铰接部分所成直线垂直于地面。工作时，给直流电机22通电，该直流电机22由所述调速器控制，通过调速器的设定，可以方便调整该直流电机22的转速。该直流电机22通过皮带36带动所述传动轴33转动，该传动轴33再通过转动盘32带动所述连接杆31运动，该连接杆31再带动所述摆动单元进行往复运动。因此，通过所述调速器控制所述直流电机22的转速进而可以控制所述摆动单元的摆动速度。

如图8所示，现有技术的静电纺丝机在静电纺丝射流喷射过程射流向四周喷射，所以导致电纺纳米纤维在接收装置上分布不均匀。

而在本发明实施例提供的静电纺丝机中，由于静电纺丝膜厚度调节装置10中的摆动单元朝向所述多个针头3的方向，该摆动单元会往复摆动，所以会产生气流，利用该气流的挤压作用引导多个针头3喷射的纺丝纳米纤维沉积在所述接收装置。如图9所示，在纺丝过程中，启动静电纺丝膜厚度调节装置10，所述摆动板4上面的摆动幅度小，不会干扰正常纺丝；摆动板4下面的摆动幅度较大，并且为阶梯状，所以在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流塑形作用，能很好地把丝向接收装置6的中间吹，促进电纺纳米纤维在接收装置6上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性。

另外，当所述摆动板4由导电材料构成或者该摆动板4的一部分由导电材料构成时，可以在摆动板4加上电压，该摆动板4会产生电场，该电场在静电纺丝射流喷射过程中对射流产生斥力，使射流向中间靠拢，促进电纺纳米纤维在接收装置6上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性。所述斥力的大小可以通过调节电场强度来改变。

当然，也可以利用摆动板4产生电场在静电纺丝射流喷射过程中对射流产生斥力和摆动板摆动改变气流共同作用使射流向中间靠拢，促进电纺纳米纤维在接收装置6上的均匀分布，提高所收集到纳米纤维膜厚度的均匀性。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种静电纺丝膜厚度调节装置，其包括支撑单元、驱动单元、传动单元以及摆动单元，该支撑单元用于支撑所述驱动单元、传动单元以及摆动单元，所述驱动单元可以为所述传动单元提供动力，所述传动单元可以将该动力传递给摆动单元，使该摆动单元做往复摆动，在静电纺丝射流喷射过程中对射流起整流塑形作用。

2.如权利要求1所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述支撑单元包括机架、伸缩杆、固定杆以及固定板，所述伸缩杆焊接在所述机架的顶部，所述固定杆设置在所述机架的中部，所述固定板固定在所述机架的底部。

3.如权利要求2所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述伸缩杆包括杆本体、套设在所述杆本体的金属套筒以及套设在所述金属套筒的绝缘套筒，所述杆本体的长度比所述金属套筒的长度长，所述绝缘套筒的长度与所述金属套筒的长度相等。

4.如权利要求3所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：该杆本体上等间隔分布有多个凹槽，所述金属套筒的管壁上设置有两个凹槽，该两个凹槽之间的距离与所述杆本体上任意两个凹槽之间的距离相等，且该两个凹槽的底面分别设置有圆孔，在所述金属套筒的凹槽的底面对应所述圆孔的位置分别焊接螺母，所述绝缘套筒的壁部也设置有两个孔，通过两个螺钉旋入所述螺母伸入所述金属套筒并抵在所述杆本体的凹槽的底面，使所述杆本体相对所述金属套筒固定。

5.如权利要求2所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述驱动单元包括调速器、直流电机和电机底座，该直流电机设置在所述电机底座，该电机底座焊接在所述机架的下部，所述调速器用于控制所述直流电机的运行速度。

6.如权利要求5所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述传动单元包括一个传动轴、两个转动盘、两个连接杆、两个底座、所述传动轴通过所述两个底座设置于所述机架，所述两个转动盘分别设置于所述传动轴的两端，所述两个连接杆的一端分别连接于所述两个转动盘，另一端与所述摆动单元铰接，所述直流电机可以带动所述传动轴旋转。

7.如权利要求6所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述连接杆包括第一套筒、第二套筒、丝杆以及两个螺母，所述第一套筒的内部设置有内螺纹，该第一套筒的一端在垂直于该第一套筒的轴线方向钻有孔，该孔用于与所述转动盘连接，另一端与所述丝杆螺纹连接，并通过所述螺母固定所述丝杆旋入所述第一套筒的长度；所述第二套筒的内部设置有内螺纹，该第二套筒的一端在垂直于该第二套筒的轴线方向钻有孔，该孔与所述摆动单元的下部铰接，另一端与所述丝杆螺纹连接，并通过所述螺母固定所述丝杆旋入所述第二套筒的长度。

8.如权利要求7所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述转动盘包括圆盘、中心轴孔和连接孔，所述中心轴孔用于将该转动盘安装于所述传动轴，所述连接孔和所述连接杆的孔通过螺钉紧固，使所述连接杆连接于所述转动盘。

9.如权利要求1所述的静电纺丝膜厚度调节装置，其特征在于：所述摆动板的形状为平板状，该摆动板下部具有阶梯；或者该摆动板为弧状板；或者该摆动板为弧状板，该摆动板下部具有阶梯。

10.一种静电纺丝机，其包括：多个针头、一个接收装置以及两个如权利要求1至9任意一项所述的静电纺丝膜厚度调节装置，所述多个针头与所述接收装置相对设置，两个静电纺丝膜厚度调节装置分别设置在所述多个针头与所述接收装置的两侧，所述两个静电纺丝膜厚度调节装置会产生气流和/或电场，利用所述气流和/或电场的挤压作用引导多个针头喷射的纺丝纳米纤维沉积在所述接收装置。