CN104178825B - 一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置 - Google Patents

Abstract

一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置，涉及电纺装置。设有溶液槽、出液阀门、纤维直径控制装置、超声激振器、进液管道、进液阀门、超声液面传感器、辅助诱导装置、工业CCD图像传感器、收集装置；纤维直径控制装置设有调整滑块、精密螺杆、光杆导杆；辅助诱导装置设有直线导轨、滑块、滑块连接杆、安装基座；收集装置送料辅助轧轮、收集板、送料滚筒、收集装置挂板、电机、主动进给滚筒、进给辅助轧轮。利用超声激振产生溶液波动，配合辅助诱导装置进行射流喷射控制；利用极板之间的间隙约束射流初始直径和迁移；用连续进给的收集装置，加辅助诱导，配合图像传感器识别，克服产量低、直径分布差异大、带珠状结构、喷头易堵塞等缺陷。

Description

一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置

技术领域

本发明涉及电纺装置，尤其是涉及一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置。

背景技术

由于纳米纤维具有优异的电学、力学、光学特性和高比表面积，在过滤、电池隔膜、生物组织工程等领域都有很广泛的应用，而且在电子、能源等新兴领域中的市场比重也在不断上升，因此有着巨大的市场前景。

静电纺丝技术由于其本身优势，如系统简单、速度快、成本低、纤维连续、直径小且均匀等，已渐渐成为制备纳米纤维的主要技术。但传统电纺技术通常采用单根针头作为喷丝头，效率低下，产量很低，所以电纺纳米纤维批量装置也就成为了这项技术工业应用的关键。

目前，多针头的阵列是批量电纺的一种解决方法(F.L.Zhou,R.H.Gong,etal.Polymericnanofiberviaflatspinneretelectrospinning[J].PolymerEngineering&Science,2009,49(12),2475-2481)，其优点是纤维直径分布较为均匀，起始电压低。但这种方法也有很多弊端，如喷头加工困难、成本高，喷头之间电场相互影响，最重要的是喷头不易清洗、易堵塞报废。而另一种批量电纺的方法为无针头的电纺装置，靠电场强度激发自由平面产生泰勒锥并产生射流。但其缺点是单纯依靠电场激发，需要电场强度达到107～108V/m；无针头静电纺丝方法，纺丝射流来源于溶液表面的不稳定波动，射流初始直径受多方面因素的影响而产生较大的波动，纺丝射流可以在纺丝溶液表面进行移动迁移，纺丝纳米纤维直径也将发生较大范围的波动，并且纤维拉伸细化过程不充分，易于产生珠状结构，电纺纳米纤维的不均匀也进一步限制无针头静电纺丝技术的应用。引入辅助装置进行纺丝射流产生诱导和运动约限，已经成为了批量化静电纺丝装置研究的重要方向，并吸引了广泛的关注。如吹气诱导电纺(Y.Liu,J.H.He,etal,Biomimicfabricationofelectrospunmultiplenanofiberswithhigh-throughput[J].ChaosSolutionandFractals,2008,37,643-651)，利用辅助气流的诱导作用纤维均匀性得以改善，但此方法产量较低，并且辅助气流控制难度大难以保证工艺的稳定性。再如中国专利CN200910235204公开了一种批量制造纳米纤维的电纺装置，产量显著提高，但验证实验表明，而且容易出现液滴，制备的纳米纤维直径很不均匀。诱导纺丝溶液表面产生波动，实现多个射流诱导产生是无针尖静电纺丝批量化喷射的关键。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种产量高，纤维直径在一定范围内可控，可连续生产的一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置。

本发明设有溶液槽、出液阀门、出液管道、纤维直径控制装置、超声激振器、进液管道、进液阀门、超声液面传感器、辅助诱导装置、工业CCD高清图像传感器、收集装置、直流高压电源；

所述纤维直径控制装置设有调整滑块、精密螺杆、光杆导杆；

所述辅助诱导装置设有直线导轨、滑块、滑块连接杆、安装基座；

所述收集装置送料辅助轧轮、收集板、送料滚筒、收集装置挂板、伺服电机、主动进给滚筒、进给辅助轧轮；

所述溶液槽设在超声激振器上，所述出液阀门、出液管道、进液管道和进液阀门设于溶液槽下端，一组调整滑块设在溶液槽内，并通过精密螺杆和光杆导杆连接；超声液面传感器设于溶液槽内壁；辅助诱导装置设于溶液槽内并安装在调整滑块上方1～3cm处，直线导轨连接在溶液槽的连接架上，滑块与直线导轨配合并由滑块连接杆连接，安装基座固定在滑块上；工业CCD高清图像传感器悬挂在溶液槽上方；收集板设于溶液槽正上方并位于送料滚筒与主动进给滚筒之间，送料辅助轧轮和进给辅助轧轮设在收集板两端，送料辅助轧轮、收集板、送料滚筒、主动进给滚筒和进给辅助轧轮均固定在收集装置挂板上并安装伺服电机上，送料滚筒和主动进给滚筒分别与伺服电机机械传动连接；直流高压电源的正极与调整滑块连接，直流高压电源的负极与收集板连接并接地。

所述辅助诱导装置还可设有绝缘棒料、激光发射器、激光接收器。

所述辅助诱导装置可采用绝缘棒料等空间电场诱导结构，激光等能量诱导机构，或针尖诱导醮取诱导装置等。

本发明设有溶液槽并置于超声激振器之上，溶液槽下端设有进液管道和出液管道，并通过进液阀门和出液阀门控制流量，以调整溶液槽内溶液的液面高度。调整滑块放置在溶液槽内，并用精密螺杆和光杆导杆连接，超声液面传感器安装在溶液槽内壁上，以探测溶液槽内溶液液面的高度。辅助诱导装置设置于溶液槽内并安装于调整滑块之上方1～3cm处，直线导轨连接在溶液槽连接架上，滑块与直线导轨配合，并用滑块连接杆连接两块滑块；辅助诱导装置通过安装基座固定在滑块上，辅助诱导装置可以是绝缘棒料等空间电场诱导结构，也可以是激光等能量诱导机构，或是针尖诱导醮取诱导装置。工业CCD高清图像传感器悬挂在溶液槽上方，以检测获取射流喷射情况。采用柔性收集板作为电纺纳米纤维收集对象，收集装置整体在溶液槽上方，通过进给滚筒和送料滚筒可以实现收集板的连续进给运动，连续进给的过程中有辅助轧轮保证其方向并夹紧；进给滚筒和送料滚筒分别与伺服电机机械传动连接，实现动力的传递供给和收集装置的固定。直流高压电源作用在溶液和收集装置上，正极连接在调整滑块上，负极连接在收集板上并接地，以保证在溶液槽与收集板之间形成高压电场拉伸溶液产生射流喷射。收集装置安装在可上下移动的伺服电机上，可调整液面与收集板之间的距离，调整范围可为10～50cm。

本发明在溶液槽内设有调整滑块，并在滑块之间装有精密螺杆和光杆导杆；可以通过精密螺杆实现滑块之间距离的调整，滑块间隙可以对纺丝射流的初始直径和射流迁移的范围进行约束，有利于保证射流的稳定喷射控制射流的直径；光杆则起到辅助导向支撑的作用，更好的确定各个调整滑块之间的距离。

本发明在溶液槽下方设有超声激振器，可以对溶液槽中的溶液起到超声激振的效果，溶液槽内的溶液在超声激振器的超声作用下产生波动，有利于从溶液波动处产生射流喷射；溶液波动将被约束在滑块的间隙之间，对射流的初始直径和带电射流的移动范围进行了约束；在电纺结束后，可以注入有机溶剂(酒精，丙酮等)对整个装置进行清洗。

本发明在溶液槽内壁上设有超声液面传感器，对溶液液面进行实时监控，配合进液和出液回路对溶液槽内的液面高度进行控制，防止液面过高(射流直径不可控)和液面过低(起始电压升高)。

本发明在调整滑块之上距离1～3cm处设有辅助诱导装置，当电纺开始时，诱导装置从一端划向调整滑块另一端，可以瞬时改变电场强度增加溶液表面聚焦的电荷密度以促进纺丝射流的喷射；或是利用针尖醮取进行射流喷射的诱导；利用激光能量的聚焦作用，进行溶液表面的聚焦突破以实现射流诱导；配合悬挂在溶液槽上方的工业CCD高清图像传感器，利用图像处理技术对各个调整滑块之间间隙内的射流个数进行监控，当每条间隙内的射流个数或所有间隙内的射流个数小于一定数目时，辅助诱导装置重新划过，引导射流，维持整个电纺过程的均匀、高产。

本发明的收集装置采用滚筒连续进给，当溶液槽上方的收集板收集到一定量的纤维时(由收集时间控制)，主动进给滚筒的转动带动整个收集装置运动，溶液槽上的收集板也相对平移，未有纤维沉积的收集板移动到溶液槽上方，已有纤维沉积的收集板被进给滚筒回收，送料滚筒用来完成对柔性收集板的连续供应，而送料、进给辅助轧轮则用来完成对收集板运动的导向，并对沉积在收集板上的纤维轧压、压实，如有需要，也可以加热。

以上所述均可连接到工业计算机上进行控制，以便整个生产过程的自动化。

本发明公开了一种利用超声激振产生溶液波动，并配合辅助诱导装置进行射流喷射的控制；利用极板之间的间隙来约束射流初始直径和迁移，为纺丝射流和纳米纤维的直径提供了良好的控制手段；用连续进给的收集装置，再加以辅助诱导，配合图像传感器识别技术，可以克服上述产量较低、直径分布差异大、带珠状结构、喷头易堵塞等缺陷。真正实现产量高，纤维直径在一定范围内可控，连续生产的批量电纺。

附图说明

图1为本发明实施例的主体结构示意图。

图2为控制纤维直径滑块结构示意图。

图3为辅助诱导装置的直线导轨、滑块、滑块连接杆连接示意图。

图4为辅助诱导装置的滑块、安装基座、绝缘棒料连接示意图。

图5为辅助诱导装置的滑块、安装基座、激光发射器、激光接收器连接示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明的结构和功能作进一步的说明。

参见图1～5，本发明实施例设有溶液槽1、出液阀门2、出液管道3、纤维直径控制装置、超声激振器5、进液管道7、进液阀门8、超声液面传感器9、辅助诱导装置10、工业CCD高清图像传感器11、收集装置、直流高压电源18。所述纤维直径控制装置设有调整滑块4、精密螺杆6、光杆导杆20；所述辅助诱导装置10设有直线导轨21、滑块22、滑块连接杆23、安装基座24；所述收集装置送料辅助轧轮12、收集板13、送料滚筒14、收集装置挂板15、伺服电机16、主动进给滚筒17、进给辅助轧轮19。

所述溶液槽1设在超声激振器5上，所述出液阀门2、出液管道3、进液管道7和进液阀门8设于溶液槽1下端，一组调整滑块4设在溶液槽1内，并通过精密螺杆6和光杆导杆20连接；超声液面传感器9设于溶液槽1内壁；辅助诱导装置10设于溶液槽1内并安装在调整滑块4上方1～3cm处，直线导轨21连接在溶液槽1的连接架上，滑块22与直线导轨21配合并由滑块连接杆23连接，安装基座24固定在滑块22上；工业CCD高清图像传感器11悬挂在溶液槽1上方；收集板13设于溶液槽1正上方并位于送料滚筒14与主动进给滚筒17之间，送料辅助轧轮12和进给辅助轧轮19设在收集板13两端，送料辅助轧轮12、收集板13、送料滚筒14、主动进给滚筒17和进给辅助轧轮19均固定在收集装置挂板15上并安装伺服电机16上，送料滚筒14和主动进给滚筒17分别与伺服电机16机械传动连接；直流高压电源18的正极与调整滑块4连接，直流高压电源18的负极与收集板13连接并接地。

所述辅助诱导装置10还可设有绝缘棒料25、激光发射器26、激光接收器27。

所述辅助诱导装置可采用绝缘棒料等空间电场诱导结构，激光等能量诱导机构，或针尖诱导醮取诱导装置等。

溶液槽1放置在超声激振器5之上，通过超声激振器5可以将超声振荡传导至溶液槽1内对其内的溶液产生激振作用。在电纺过程中，这种激振起到辅助诱导的作用，可以有效降低起始电压，从而更容易产生射流；在电纺结束后，这种激振作用也可以对整个溶液槽进行超声清洗。

在电纺过程中，可以通过设置在溶液槽1下方的出液阀门2、出液管道3、进液管道7、进液阀门8以及对应的液压回路对电纺溶液的进出口流量进行控制，结合安置在溶液槽1内壁上的超声液面传感器9，可以使得整个溶液槽1内的溶液量恒定，从而得到稳定的电纺供液条件：当液面过高时，传感器得到感应信号并将信号传递给控制计算机，计算机控制液压回路增大出液流量，减小进液流量，液面降低；当液面过低时，计算机得到相反控制信号，减小出液流量，增大进液流量，液面升高；在电纺结束后，以同样的控制过程向溶液槽1内注入有机溶剂(酒精，丙酮等)，结合超声激振作用，对溶液槽1进行有效清洗。

调整滑块4放置在溶液槽内且个数为奇数(如图中7块或9块，根据实际需求选定)，最中间的调整滑块固定在溶液槽内，相邻的调整滑块可以通过精密螺杆6来调整两两间隙，调整范围可以为但不局限于0～5mm。另外调整滑块4之间连有光杆导杆20，起到导向和辅助支撑的作用，确保调整滑块4之间的间隙和位置。

在调整滑块4距离1～3cm处设有辅助诱导装置10。电纺开始时，辅助诱导装置10从调整滑块4的一端滑向另一端，能够改变电场分布，有效降低起始电压，使得滑块间隙处更容易产生射流；在电纺过程中，悬挂在溶液槽1上方，对整个电纺过程进行监控的工业CCD高清图像传感器11进行图像识别：如果每两调整滑块间隙中的射流数目或所有间隙中的射流数目少于一定数量，图像识别信号传输到工业计算机，计算机重新发出指令，辅助诱导装置10从调整滑块4一端再次滑向另一端，引导射流，这样能够保证整个生产过程的高效、连续、均匀。辅助诱导装置10的滑动主要依靠直线导轨21和滑块22来实现，导轨之间、滑块之间依靠滑块连接杆23来连接，保证运动的同步、稳定。诱导装置分为物质诱导(如绝缘棒料23)和能量诱导(如激光发射器26及激光接收器27)。无论是物质诱导或是能量诱导，都是通过改变电场分布来有效降低起始电压，而且都通过安装基座24连接在滑块22以及直线导轨21上。

主动进给滚筒17带动整个收集装置的连续进给，并且实现对纤维沉积之后收集板的回收。通过收集板13的拉动，主动进给滚筒17将运动传递到送料滚筒14，其主要负责完成未沉积纤维收集板的连续装料和供给。当位于溶液槽1正上方的收集板13完成纤维沉积工序后，计算机下达控制指令，主动进给滚筒17转动，回收纤维沉积之后的收集板，同时将未有纤维沉积的收集板平移到溶液槽上方，实现连续、高效生产。在主动进给滚筒17和送料滚筒14之间，溶液槽1正上方收集板13两端，设有送料辅助轧轮12和进给辅助轧轮19，起到辅助导向并对沉积纤维压紧的作用，如有需要可改进轧轮，添加加热装置。整个收集装置，包括送料辅助轧轮12，收集板13，送料滚筒14，主动进给滚筒17，进给辅助轧轮19，都固定在收集装置挂板15上，并安装在伺服电机16上，通过伺服电机16的上下移动，可以改变收集板13与溶液槽1内液面之间的距离，从而改变纤维的沉积效果。

直流高压电源18的正极与调整滑块4相连，也就是作用在溶液，负极与收集板13相连并接地，正负极之间形成电场，产生射流，简单，高效。

以上所述的控制过程都可以通过现场总线与工业计算机相连，并通过计算机中的控制软件对生产过程有效操控，从而使整个电纺过程工业化，自动化。

本发明所涉及一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置，其特征在于设有：溶液槽，出液阀门，出液管道，调整滑块，超声激振器，精密螺杆，进液管道，进液阀门，超声液面传感器，辅助诱导装置，工业CCD高清图像传感器，送料辅助轧轮，收集板，送料滚筒，收集装置挂板，伺服电机，主动进给滚筒，直流高压电源，进给辅助轧轮，光杆导杆，直线导轨，滑块，滑块连接杆，安装基座。另配有绝缘棒料，激光发射器，激光接收器。

所述出液管道和进液管道，其特征在于分别与外部液压回路，液压回路与超声液面传感器相配合可以实现对溶液槽内溶液液面进行控制。

Claims (2)

1.一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置，其特征在于设有溶液槽、出液阀门、出液管道、纤维直径控制装置、超声激振器、进液管道、进液阀门、超声液面传感器、辅助诱导装置、工业CCD高清图像传感器、收集装置、直流高压电源；

所述纤维直径控制装置设有调整滑块、精密螺杆、光杆导杆；

所述辅助诱导装置设有直线导轨、滑块、滑块连接杆、安装基座；

所述收集装置设有送料辅助轧轮、收集板、送料滚筒、收集装置挂板、伺服电机、主动进给滚筒、进给辅助轧轮；

所述溶液槽设在超声激振器上，所述出液阀门、出液管道、进液管道和进液阀门设于溶液槽下端，一组调整滑块设在溶液槽内，并通过精密螺杆和光杆导杆连接；超声液面传感器设于溶液槽内壁；辅助诱导装置设于溶液槽内并安装在调整滑块上方1～3cm处，直线导轨连接在溶液槽的连接架上，滑块与直线导轨配合并由滑块连接杆连接，安装基座固定在滑块上；工业CCD高清图像传感器悬挂在溶液槽上方；收集板设于溶液槽正上方并位于送料滚筒与主动进给滚筒之间，送料辅助轧轮和进给辅助轧轮设在收集板两端，送料辅助轧轮、收集板、送料滚筒、主动进给滚筒和进给辅助轧轮均固定在收集装置挂板上并安装于伺服电机上，送料滚筒和主动进给滚筒分别与伺服电机机械传动连接；直流高压电源的正极与调整滑块连接，直流高压电源的负极与收集板连接并接地。

2.如权利要求1所述一种纳米纤维直径可控辅助诱导批量电纺装置，其特征在于所述辅助诱导装置设有绝缘棒料、激光发射器、激光接收器。