CN105350090A - 一种负压气泡静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压气泡静电纺丝装置，包括底座、高压供电装置、液体供应装置、护罩及负压接收装置，负压接收装置接地或连接负高压供电装置，底座上设有若干喷管和第一出气口，喷管内设有第二出气口，第一出气口、第二出气口与气压供应装置连接，高压供电装置分出若干分别通入各喷管中的电极，在电极和负压接收装置间形成产生射流所需的电场，液体供应装置分出若干分别通入各喷管中的溶液导管，负压接收装置包括收集器、负压管和负气压发生器，负压管在护罩的顶部形成负压管口，收集器具有多孔结构并嵌套在负压管口内。本发明高速气流将辅助纳米纤维在收集器上定向沉积成为具有特定形状、结构三维支架结构，解决了电纺三维纤维收集难的问题。

Description

一种负压气泡静电纺丝装置

技术领域

本发明用于静电纺丝技术领域，特别是涉及一种负压气泡静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝已成为制取纳米纤维最重要的方法。但传统喷头式静电纺丝产量低，制约了其产业化应用。气泡静电纺丝是一种新型静电纺丝方法，该方法不用传统喷丝头纺丝，而是在聚合物溶液或(熔体)中通入气体，吹出大量气泡，气泡在自由液面相当于无数个泰勒锥，这相当于多针头的静电纺丝，从而可以提高了纺丝速率，气泡静电纺在一定程度上可以实现纳米纤维的批量生产。

但是，传统气泡静电纺丝多采用敞开式液面，容器有大的开口表面，聚合物溶剂在电场的作用下快速蒸发，造成聚合物浓度增大，纺丝质量变化，同时在纺丝区域形成大量的溶剂蒸汽，使得已收集的纤维发生二次溶解。

另一方面，传统气泡静电纺丝多采用滚筒式或平板式收集器，因带同种电荷，先沉积的纤维对电场分布产生影响，并且对于后续射流产生排斥，只能制备厚度有限的二维薄膜，制备具有三维结构的纤维支架仍然较为困难，无法适应生物组织工程对三维纤维支架的需求。

CN1849418A在带电电极和对电极之间的空间中，利用空气流对纳米纤维施加作用，促进纳米纤维从带电电极漂移开，铺置在带电电极前用于储存纳米纤维的设备上。CN102965743A所述的一种带辅助电极的纳米纤维低压电纺装置，采用风机设于收集板上方，通过抽气作用使纤维沉积在收集板上。CN103952780A在静电纺丝收集侧设置有负压吸风口，利用吸风口产生的气流吸附从喷丝针头端喷射出来的微纳米纤维，使其定点或定区域附着在吸风口前的网孔基布上，通过控制网孔基布与喷丝针头的相对运动轨迹与速度、形成均匀分布的纤维网。上述专利通过静电纺丝收集侧引入负压气流以利于静电纺丝微纳米纤维的收集，用于改善纤网均匀性。但是，利用负压收集交流气电纺纳米纤维制备三维支架的方案尚未见报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种负压气泡静电纺丝装置，本发明结构简单，成本较低，适于溶液电纺和熔融电纺，适于用不同的纺丝材料制备不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维纤维支架，并且可以通过该方法直接制备大量纳米纤维生物支架。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种负压气泡静电纺丝装置，包括底座、高压供电装置、液体供应装置、罩在所述底座上的护罩以及设在所述护罩顶部的负压接收装置，所述负压接收装置接地或连接负高压供电装置，所述底座上设有若干喷管，所述底座上在各喷管的外侧设有环形的第一出气口，第一出气口通过第一吹气导管与气压供应装置连接，喷管内设有第二出气口，第二出气口通过第二吹气导管与气压供应装置连接，所述高压供电装置分出若干分别通入各所述喷管中的电极，并在所述电极和负压接收装置间形成产生射流所需的电场，所述液体供应装置分出若干分别通入各所述喷管中的溶液导管，所述负压接收装置包括收集器、负压管和可在负压管内产生负压的负气压发生器，所述负压管在护罩的顶部形成负压管口，所述收集器具有多孔结构并嵌套在所述负压管口内。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述护罩内外表面绝缘，护罩和底座连接，并在内部形成密闭的纺丝空间，所述护罩顶部设有平衡纺丝空间与外界压强差的微孔。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述收集器为呈立方体状或圆筒状的金属栅网。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述收集器为呈圆筒状的多孔无纺布制件。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述负气压发生器为设在所述负压管上的真空泵。

进一步作为本发明技术方案的改进，底座呈圆形，所述喷管在底座上均匀分布。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述第一吹气导管上设有第一精密气压调节阀。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述第二吹气导管上设有第二精密气压调节阀。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述喷管的管径为3mm-6mm。

本发明的有益效果：采用本发明所述装置进行纺丝方法工艺简单，成本较低，适于溶液电纺和熔融电纺，适于用不同的纺丝材料制备不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维纤维支架，并且可以通过该方法直接制备大量纳米纤维生物支架；

本发明创新地采用负压接收装置，将气泡纺丝获得的纳米纤维进行三维收集，在高速辅助气流喷射和负压接收装置的负压吸引作用下，气流路径可控性大大增强，相比传统平板收集器或者封闭式收集器，可有效地使高速气流通过，从而避免产生反冲气流，影响纤维沉积。相反地，高速气流将辅助纳米纤维在收集器上定向沉积成为具有特定形状、结构三维支架结构，解决了电纺三维纤维收集难的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

参照图1，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。

本发明提供了一种负压气泡静电纺丝装置，包括底座1、高压供电装置2、液体供应装置3、罩在所述底座1上的护罩4以及设在所述护罩4顶部的负压接收装置5，所述负压接收装置5接地或连接负高压供电装置，所述底座1上设有若干喷管6，底座1呈圆形，所述喷管6在底座1上均匀分布。所述底座上1在各喷管6的外侧设有环形的第一出气口11，第一出气口11通过第一吹气导管71与气压供应装置7（气泵）连接，所述第一吹气导管71上设有第一精密气压调节阀72，喷管6与底座1采用桥式连接，高速辅助气流可从环状的第一出气口11喷出。喷管6内设有第二出气口，第二出气口通过第二吹气导管73与气压供应装置7连接，所述第二吹气导管73上设有第二精密气压调节阀74，第二出气口用以在喷管6内分别吹出单气泡。所述高压供电装置2分出若干分别通入各所述喷管6中的电极，并在所述电极和负压接收装置5间形成产生射流（溶液射流或熔体射流）所需的电场，所述高压供电装置2可提供任意波形、频率、幅值的电压，可提供直流气泡静电纺丝与交流气泡电纺两种模式。所述液体供应装置3分出若干分别通入各所述喷管6中的溶液导管61，所述负压接收装置5包括收集器51、负压管52和可在负压管52内产生负压的负气压发生器53，所述负气压发生器53优选为设在所述负压管52上的真空泵，所述负压管52在护罩4的顶部形成负压管口，所述收集器51具有多孔结构并嵌套在所述负压管口内，所述收集器51为呈立方体状或圆筒状的金属栅网，或者所述收集器51为呈圆筒状的多孔无纺布制件，从而可使得气流通过而纤维受阻，并收集纤维成特定形状。所述护罩4内外表面绝缘，护罩4和底座1连接，并在内部形成密闭的纺丝空间，所述护罩4顶部设有平衡纺丝空间与外界压强差的微孔41。本发明中底座1上的喷管6、电极和负压接收装置5置于护罩4内，可减少外界环境对纺丝过程和纤维沉积的影响，同时提高安全性，防止高压电场造成意外伤害。

其中，所述喷管6的管径为3mm-6mm。本发明公开的气泡纺丝装置中最好是采用直径较细的喷管，如此设置，在保证气泡成为单气泡的同时，能减少蒸发面积。

本发明的工作原理：气压供应装置7、负气压发生器53启动，液体供应装置3工作并将聚合物溶液输入至各喷管6中，调节第一精密气压调节阀72和第二精密气压调节阀74，通过第二出气口在喷管6内分别吹出单气泡进行纺丝，同时在第一出气口11的气流和产生射流所需的电场作用下，在负压接收装置5上收集并成为具有与收集器形状相匹配的三维结构纳米纤维。

本发明所述制备方法工艺简单，成本较低，适于溶液电纺和熔融电纺，适于用不同的纺丝材料制备不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维纤维支架，并且可以通过该方法直接制备大量纳米纤维生物支架；

本发明创新地采用负压接收装置5，将气泡纺丝获得的纳米纤维进行三维收集，在高速辅助气流喷射和负压接收装置5的负压吸引作用下，气流路径可控性大大增强，相比传统平板收集器或者封闭式收集器，可有效地使高速气流通过，从而避免产生反冲气流，影响纤维沉积。相反地，高速气流将辅助纳米纤维在收集器上定向沉积成为具有特定形状、结构三维支架结构，解决了电纺三维纤维收集难的问题。箱体上方有两个微孔，可用于平衡箱体内外压强差。

本发明所述高压供电装置可提供任意波形、频率、幅值的电压，可提供直流静电纺丝与交流电纺两种模式。当需要的三维纤维支架厚度相对较小时，可采用传统的直流高压静电纺丝模式，操作环境更安全，纤维均匀性好；当需要的支架厚度要求很大时，可采用交流高压模式，射流在交变电场、气流剪力和拉力的共同作用下，劈裂、拉伸成为电中性的纳米纤维，可更有效地避免因已沉积纤维造成电荷积累和同种电荷的排斥力影响后续的纤维沉积，从而在高速气流推力和负压吸引的共同作用下，在负压接收器上沉积成为厚度极大的三维纳米纤维支架。

与传统电纺相比，本发明在高压电场和高速辅助气流的共同作用下，生产效率极大地提高，是传统电纺的20-30倍。而且，在高速辅助气流剪力的作用下，气泡破裂更容易，形成射流的启动电压大幅度降低。

本发明采用直径较细的喷管，如此设置，在保证气泡成为单气泡的同时，能减少蒸发面积，使溶液浓度稳定，从而获得直径均匀的纳米纤维。同时，高速气流和负压气流能将溶剂蒸汽及时排出纺丝区域，防止纤维二次溶解。

本发明获得的三维纤维支架，厚度极大、结构蓬松，更有利于细胞生长。在组织工程领域有极大的应用价值。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：包括底座、高压供电装置、液体供应装置、罩在所述底座上的护罩以及设在所述护罩顶部的负压接收装置，所述负压接收装置接地或连接负高压供电装置，所述底座上设有若干喷管，所述底座上在各喷管的外侧设有环形的第一出气口，第一出气口通过第一吹气导管与气压供应装置连接，喷管内设有第二出气口，第二出气口通过第二吹气导管与气压供应装置连接，所述高压供电装置分出若干分别通入各所述喷管中的电极，并在所述电极和负压接收装置间形成产生射流所需的电场，所述液体供应装置分出若干分别通入各所述喷管中的溶液导管，所述负压接收装置包括收集器、负压管和可在负压管内产生负压的负气压发生器，所述负压管在护罩的顶部形成负压管口，所述收集器具有多孔结构并嵌套在所述负压管口内。

2.根据权利要求1所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述护罩内外表面绝缘，护罩和底座连接，并在内部形成密闭的纺丝空间，所述护罩顶部设有平衡纺丝空间与外界压强差的微孔。

3.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述收集器为呈立方体状或圆筒状的金属栅网。

4.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述收集器为呈圆筒状的多孔无纺布制件。

5.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述负气压发生器为设在所述负压管上的真空泵。

6.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：底座呈圆形，所述喷管在底座上均匀分布。

7.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述第一吹气导管上设有第一精密气压调节阀。

8.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述第二吹气导管上设有第二精密气压调节阀。

9.根据权利要求1或2所述的负压气泡静电纺丝装置，其特征在于：所述喷管的管径为3mm-6mm。