CN105040122B - 纳米纤维沉积装置 - Google Patents

Abstract

纳米纤维沉积装置，涉及一种静电纺丝装置。设有供液装置、盖板、喷嘴板、热气环、热风机、风刀阵列、气泵、收集装置、球关节轴承、转盘、电机；收集装置设有进气板、微孔板、透气网和针尖地极；盖板与喷嘴板连接构成喷头装置，供液装置通过导管与盖板上的溶液输入通道连接；喷嘴板上设有分液结构和喷嘴阵列，热气环安装于喷嘴板下方，热风机与热气环进气口连接，热气环上设有微孔阵列，风刀阵列倾斜安装于热气环下方，风刀阵列与第一气泵连接，进气板与微孔板连接，第二气泵与进气板上进气通道连接；针尖地极与微孔板底部连接，进气板和微孔板中间掏空并与透气网连接，球关节轴承安装于转盘边缘，转盘上的凸出轴与电机连接。

Description

纳米纤维沉积装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，特别是涉及一种具有多射流纺丝、多重气流辅助沉积海绵状静电纺丝纳米纤维沉积装置。

背景技术

纳米技术凭其优越的特性广泛的应用到组织工程、微电子技术、生物传感器、新型复合材料和自清洁表面等领域。静电纺丝是一种生产纳米纤维的简单方便有效的主要技术，主要原理是带有微细通道的喷嘴在定量供液泵的定量供液条件下在喷嘴出产生纺丝溶液悬滴，在高压电场下产生流变并形成一定角度的锥形，业界称为泰勒锥，锥形尖端出会喷射产生射流，射流在电场中运动和鞭动直至沉积到特定介质上。静电纺丝制造的纳米纤维相比传统的纤维具有高的比表面积的优点，纳米纤维在介质上的连续沉积可以形成一定厚度的膜，并且静电纺丝纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、通透性高等特性，利用这种特性应用到化学催化领域、处理水的重金属污染、生物伤口用药等领域，均可以大大介质之间的接触面积从而提高工作的效率，并且连续的静电纺丝中，纳米纤维的沉积具有随机性，这样形成就是一种无序状态的无纺布纳米纤维膜，其优点是这种无序排列可以形成很多小于纤维直径的微空隙，利用这些微空隙进行液体的过滤处理，能杂质的阻隔并大幅度提高液体的纯度，但也正是这种无序的特点降低了纳米纤维膜的强度等特性从而限制了在很多领域的应用。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种通过多射流纺丝提高效率和产量，通过多重辅助气流进行海绵状的三维柱状纳米纤维引导沉积，改善纳米纤维在吸附、过滤和化学催化等领域的作用和耐用性的纳米纤维沉积装置。

本发明设有供液装置、盖板、喷嘴板、热气环、热风机、风刀阵列、第一气泵、收集装置、第二气泵、球关节轴承、转盘、联轴器、直流电机和高压电源；

所述收集装置设有进气板、微孔板、透气网和针尖地极；

所述盖板、热气环、风刀阵列、进气板、微孔板、透气网和转盘均由绝缘材料制成，喷嘴板和针尖地极采用金属材料制造。

所述盖板与喷嘴板连接构成喷头装置，供液装置通过导管与盖板上的溶液输入通道连接，实现溶液供给；喷嘴板上设有分液结构和喷嘴阵列，输入的溶液通过喷嘴板分液并输出至喷嘴阵列的各个喷嘴；高压电源正极与喷嘴板连接实现高压电源的供给；热气环安装于喷嘴板下方，热风机通过导管和减压阀与热气环上的进气口连接，热气环上设有微孔阵列，微孔阵列与喷嘴阵列对齐安装，通过微孔阵列可以形成环绕射流的热气；风刀阵列倾斜安装于热气环下方，风刀阵列分别通过导管和减压阀与第一气泵连接，风刀阵列为环绕收集装置的环形阵列，通过风刀阵列的作用能形成环绕收集装置的周密的引导气流；进气板与微孔板固定连接，并与垂直方向倾斜，进气板与微孔板之间形成气流夹层，第二气泵通过减压阀和导管与进气板上的进气通道连接，其产生的气流通过气流夹层进行缓冲，并通过遍布微孔板侧面的矩形微孔阵列形成表面气层；针尖地极与微孔板底部连接并且可靠接地，针尖地极的阵列方式和数量与喷嘴阵列一致，通过针尖地极可以有效聚焦纺丝电场，并且能及时导走纳米纤维上的残余电荷，避免纳米纤维的相互排斥降低了纳米纤维三维沉积的紧凑型和致密度；进气板和微孔板中间掏空并与透气网连接，透气网的主要作用是及时排走残余气流；球关节轴承固定安装于转盘边缘，转盘上的凸出轴通过联轴器与直流电机连接，直流电机驱动转盘旋转，带动球关节轴承沿着导轨运动，使收集装置产生周期性的上下振动，通过振动使纳米纤维沉积更紧凑和致密。

所述喷嘴阵列可采用环形喷嘴阵列，环形喷嘴阵列的数量可为6～20个，相邻喷嘴之间的直线间距可为8～20mm。

所述进气板底部可设有弧形截面的圆形轨道，圆形轨道表面与球关节轴承接触形成直线副。

进气板和微孔板侧面倾斜，与垂直方向所成角度可为10～30°。

所述风刀阵列可采用环形风刀阵列，风刀阵列围绕收集装置倾斜安装，风刀阵列的出风口与微孔板侧面平行，风刀阵列的数量可为4～12个。

所述喷嘴板的喷嘴阵列、热气环的微孔阵列和针尖地极的阵列的阵列方式一致且对齐安装，其阵列数量相等。

热气环的微孔阵列的孔径可为1～5mm，所形成的热气流温度应控制于10～30℃。

微孔板上的微孔孔径可为0.05～0.5mm，相邻微孔的间距可为0.5～1mm。

转盘上的凸出轴通过联轴器与直流电机连接，直流电机驱动转盘旋转，带动球关节轴承沿着导轨运动，使收集装置产生周期性的上下振动，振动的振幅应限制于5～10mm，通过振动使纳米纤维沉积更紧凑和致密。

本发明提供的热气环位于喷头板的环形喷嘴阵列下方，距离由纺丝情况具体确定，安装于纳米纤维鞭动区下方；热气环为中空环状管，内圈有微孔环形阵列，阵列方式与喷嘴阵列一致，微孔数量与喷嘴数量相对应，并且对齐安装，直径可为1～5mm；热气环外圈设有气流输入口，通过导管与热风机连接，通过热风机产生一定温度的热气流，经过减压阀调节流速，在热气环的分流作用下，形成环绕各个纺丝射流的低压热气流，对鞭动后的纳米纤维起初步适度的烘干作用，所形成的热气流温度控制于10～30℃，使经过适度烘干的纳米纤维仍具有一定的粘度，沉积至收集装置时可以相互粘结。

本发明提供的风刀阵列位于热气环下方，风刀以环形阵列分布，风刀倾斜安装，与微孔板侧面平行，与垂直方向成10～30°，数量可为4～12个，各个风刀分别通过导管和减压阀与第一气泵连接，通过第一气泵输出气流经过减压阀调节产生一定流速的气流输出至各个风刀，经过风刀的聚焦和分流，每个风刀形成斜向下的引导气流，由于风刀呈环形阵列，故能形成环形的引导气流，纳米纤维在引导气流的作用下，沉积至收集装置；同时引导气流能对纳米纤维起一定的降温和烘干作用，并且能对收集装置中的柱状纳米纤维起一定的压紧作用，使沉积的纳米纤维能更好的粘结在一起，形成的柱状纳米纤维更加紧凑和致密。风刀阵列的数量越多，所形成围绕收集装置的引导气流更周密，对纳米纤维的引导、风干和压紧作用会更好，同时气流还能带走纳米纤维上的残余电荷。

本发明提供的进气板、微孔板、透气网和针尖地极构成收集装置；进气板作为基座，与微孔板连接，进气板与微孔板间构成气流夹层；微孔板上有微孔矩形阵列，微孔直径可为0.05～0.5mm，阵列间距可为0.5～1mm，微孔矩形阵列布满整个微孔板的侧面，微孔板底部无微孔阵列；进气板和微孔板侧面倾斜，与垂直方向所成角度为10～30°，使纳米纤维更易于沉积至收集装置底部；进气板上有进气孔，通过导管和减压阀与第二气泵连接，通过第二气泵输出气流，经过减压阀调节形成一定流速的气流输出至进气孔，并从进气孔输入气流夹层缓冲，通过微孔板的微孔阵列输出，所输出的气流为低压气流，在微孔板表面形成气流层，对沉积至收集装置的三维柱状纳米纤维进行持续烘干，以形成海绵状。进气板和微孔板均为圆形容器状，中间掏空，与透气网连接，透气网为网状结构，在装置中主要起残余气流排出收集装置的作用。针尖电极安装于微孔板底部，也为环形阵列，数量与阵列方式与喷嘴阵列一致，并且对齐安装；通过针尖地极可靠接地及时导走纳米纤维上的残余电荷，避免纳米纤维的相互排斥降低沉积的密度，同时针尖地极还有聚焦静电纺丝电场的作用。

本发明提供的直流电机通过联轴器与转盘的凸出轴连接，设有球关节轴承安装于转盘边缘，进气板底部设计有圆形导轨，导轨截面为弧形，与球关节轴承接触，球关节轴承可以大幅度降低接触表面的摩擦，使寿命更高；通过电机驱动转盘旋转，带动球关节轴承沿着导轨移动，使收集装置能以一定的频率循环上下振动，通过振动纳米纤维在振动中不断紧凑提高三维柱状纳米纤维沉积的密度，振幅可为5～10mm。

本发明装置工作时，通过供液装置定量供液至喷头装置，经过喷嘴板分流至各个喷嘴，并在高压电场作用下产生纳米纤维，纳米纤维经过鞭动后穿过热气环，在热气环的低压热气流作用下适度的蒸发降低湿度，接着在风刀气流的引导作用下，沉积至收集装置，并进行一定程度的冷却和风干，残余电荷通过针尖地极导走。纳米纤维带有一定粘度相互粘结，持续沉积直至沉积出三维柱状，并在微孔气流的持续风干中形成海绵状性质，引导气流不断的压紧以及振动机构不断的上下摆动收集装置，从而不断提高三维柱状纳米纤维的致密度。残余气流持续从透气网处排出。通过形成海绵状的三维柱体纳米纤维，可以提高材料的强度，相比膜状的纳米纤维大大提高了材料的含量从而提高应用的持久性，针对过滤材料还能进一步提高液体纯度，提高其应用范围。

本发明提出了一种纳米纤维膜的三维沉积，并通过辅助气流对纳米纤维进行一定量的风干，从而形成一种海绵状的三维柱体纳米纤维，可以提高材料的强度，相比膜状的纳米纤维大大提高了材料的含量从而提高应用的持久性，针对过滤材料还能进一步提高液体纯度，提高其应用范围。

本发明公开了一种海绵状纳米纤维沉积装置，通过多喷嘴阵列产生多射流进行高效高产量纳米纤维制造，引入多重气流进行辅助，一方面有热风管产生微气流进行纳米纤维适度的烘干，一方面有环绕气流引导纳米纤维定向连续沉积至收集装置至形成柱状，同时能对纳米纤维进行一定的风干作用和压紧作用，一方面有微孔阵列产生气流浮层进行柱状纳米纤维的持续风干，同时气流能带走纳米纤维上的残余电荷；设计振动机构循环摆动收集装置，使纳米纤维在振动中不断紧凑提高三维柱状纳米纤维沉积的密度，引入针尖地极阵列持续不断的导走纳米纤维上的残余电荷，避免纳米纤维的相互排斥降低沉积的密度，同时针尖地极还有聚焦静电纺丝电场的作用。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的喷嘴阵列结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1和2，本发明实施例设有供液装置1、盖板2、喷嘴板3、热气环4、热风机5、风刀阵列6、第一气泵7、收集装置、第二气泵12、球关节轴承13、转盘14、联轴器15、直流电机16和高压电源17。

所述收集装置设有进气板8、微孔板9、透气网10和针尖地极11。

所述盖板2、热气环4、风刀阵列6、进气板8、微孔板9、透气网10和转盘14均由绝缘材料制成，喷嘴板3和针尖地极11采用金属材料制造。

所述盖板2与喷嘴板3连接构成喷头装置，供液装置1通过导管与盖板2上的溶液输入通道连接，实现溶液供给；喷嘴板3上设有分液结构和喷嘴阵列，输入的溶液通过喷嘴板3分液并输出至喷嘴阵列的各个喷嘴；高压电源17正极与喷嘴板3连接实现高压电源17的供给；热气环4安装于喷嘴板3下方，热风机5通过导管和减压阀与热气环4上的进气口连接，热气环4上设有微孔阵列，微孔阵列与喷嘴阵列对齐安装，通过微孔阵列可以形成环绕射流的热气；风刀阵列6倾斜安装于热气环4下方，风刀阵列6分别通过导管和减压阀与第一气泵7连接，风刀阵列6为环绕收集装置的环形阵列，通过风刀阵列6的作用能形成环绕收集装置的周密的引导气流；进气板8与微孔板9固定连接，并与垂直方向倾斜，进气板8与微孔板9之间形成气流夹层，第二气泵12通过减压阀和导管与进气板8上的进气通道连接，其产生的气流通过气流夹层进行缓冲，并通过遍布微孔板9侧面的矩形微孔阵列形成表面气层；针尖地极11与微孔板9底部连接并且可靠接地，针尖地极11的阵列方式和数量与喷嘴阵列一致，通过针尖地极11可以有效聚焦纺丝电场，并且能及时导走纳米纤维上的残余电荷，避免纳米纤维的相互排斥降低了纳米纤维三维沉积的紧凑型和致密度；进气板8和微孔板9中间掏空并与透气网10连接，透气网10的主要作用是及时排走残余气流；球关节轴承13固定安装于转盘14边缘，转盘14上的凸出轴通过联轴器15与直流电机16连接，直流电机16驱动转盘14旋转，带动球关节轴承13沿着导轨运动，使收集装置产生周期性的上下振动，通过振动使纳米纤维沉积更紧凑和致密。

所述喷嘴阵列可采用环形喷嘴阵列，环形喷嘴阵列的数量可为6～20个，喷嘴之间的直线间距可为8～20mm。

所述进气板8底部可设有弧形截面的圆形轨道，圆形轨道表面与球关节轴承13接触形成直线副。

本发明装置工作时，供液装置1定量供液至盖板2，通过喷嘴板3的分液作用在喷嘴处输出，在高压电源17输出的高压电场作用下进行电纺纳米纤维的批量制造；纳米纤维经过鞭动后运动至热气环4，热风机5输出的低压热气流经过减压阀和导管输出至热气环4，并在热气环4的环形微孔阵列分流下，形成环绕纳米纤维的低压热气流，对纳米纤维起适度的烘干作用；纳米纤维继续运动至收集装置入口，第一气泵7输出的气流通过减压阀和导管输入至各个风刀，通过风刀的分流和聚焦气流作用，产生环绕收集装置的周密气流，引导纳米纤维在收集装置上沉积，并对纳米纤维起一定的降温作用，并能带有一部分残余电荷，同时能对收集装置中的纳米纤维有一定的压紧作用。第二气泵12输出的气流经过减压阀和导管输出至进气板8的进气通道，在气流夹层中缓冲并从微孔阵列中输出，形成收集装置表面气层，对三维柱状纳米纤维进行持续不断的风干，从而形成海绵状。同时所有辅助气流的残余气流持续不断的从透气网10中排走。通过直流电机16驱动转盘14旋转，从而带动球关节轴承13沿着圆形导轨运动，使收集装置产生周期性的上下振动，通过振动使纳米纤维沉积更紧凑和致密，整个系统工作时，收集装置的振动动作持续进行。

进气板8与微孔板9构成气流夹层对辅助气流起缓冲作用；微孔板9的侧面具有矩形微孔阵列并遍布整个侧面，辅助气流从微孔阵列输出形成收集装置表面气层，持续风干三维柱状纳米纤维。

图2中喷嘴板3上的喷嘴呈环形阵列。

本发明通过多喷嘴阵列产生多射流进行高效高产量纳米纤维制造，引入多重气流进行辅助，一方面有热风管产生微气流进行纳米纤维适度的烘干，一方面有环绕气流引导纳米纤维定向连续沉积至收集装置至形成柱状，同时能对纳米纤维进行一定的风干作用和压紧作用，一方面有微孔阵列产生气流浮层进行柱状纳米纤维的持续风干；设计振动机构循环摆动收集装置，使纳米纤维在振动中不断紧凑提高三维柱状纳米纤维沉积的密度，引入针尖地极阵列持续不断的导走纳米纤维上的残余电荷，避免纳米纤维的相互排斥降低沉积的密度，同时针尖地极还有聚焦静电纺丝电场的作用。

Claims (10)

1.纳米纤维沉积装置，其特征在于设有供液装置、盖板、喷嘴板、热气环、热风机、风刀阵列、第一气泵、收集装置、第二气泵、球关节轴承、转盘、联轴器、直流电机和高压电源；

所述收集装置设有进气板、微孔板、透气网和针尖地极；

所述盖板与喷嘴板连接构成喷头装置，供液装置通过导管与盖板上的溶液输入通道连接，实现溶液供给；喷嘴板上设有分液结构和喷嘴阵列，输入的溶液通过喷嘴板分液并输出至喷嘴阵列的各个喷嘴；高压电源正极与喷嘴板连接实现高压电源的供给；热气环安装于喷嘴板下方，热风机通过导管和减压阀与热气环上的进气口连接，热气环上设有微孔阵列，微孔阵列与喷嘴阵列对齐安装，通过微孔阵列可以形成环绕射流的热气；风刀阵列倾斜安装于热气环下方，风刀阵列分别通过导管和减压阀与第一气泵连接，风刀阵列为环绕收集装置的环形阵列，通过风刀阵列的作用能形成环绕收集装置的周密的引导气流；进气板与微孔板固定连接，并与垂直方向倾斜，进气板与微孔板之间形成气流夹层，第二气泵通过减压阀和导管与进气板上的进气通道连接；针尖地极与微孔板底部连接并且接地，针尖地极的阵列方式和数量与喷嘴阵列一致；进气板和微孔板中间掏空并与透气网连接；球关节轴承固定安装于转盘边缘，转盘上的凸出轴通过联轴器与直流电机连接，直流电机驱动转盘旋转，带动球关节轴承沿着导轨运动。

2.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述喷嘴阵列采用环形喷嘴阵列。

3.如权利要求2所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述环形喷嘴阵列的数量为6～20个，相邻喷嘴之间的直线间距为8～20mm。

4.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述进气板底部设有弧形截面的圆形轨道，圆形轨道表面与球关节轴承接触形成直线副。

5.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述进气板和微孔板侧面倾斜，与垂直方向所成角度为10～30°。

6.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述风刀阵列采用环形风刀阵列，风刀阵列围绕收集装置倾斜安装，风刀阵列的出风口与微孔板侧面平行。

7.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述风刀阵列的数量为4～12个。

8.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述喷嘴板的喷嘴阵列、热气环的微孔阵列和针尖地极的阵列的阵列方式一致且对齐安装，其阵列数量相等。

9.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于所述热气环的微孔阵列的孔径为1～5mm，所形成的热气流温度应控制于10～30℃。

10.如权利要求1所述纳米纤维沉积装置，其特征在于微孔板上的微孔孔径为0.05～0.5mm，相邻微孔的间距为0.5～1mm。