CN106498512A - 一种可调节的静电纺丝针头及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节的静电纺丝针头，包括刻度盘、带孔导电柱、注射器、柔性软管、静电纺丝针头、推送机构、高压直流电源、可旋转收集装置、运动平台和控制系统，其中，所述刻度盘、注射器、推送机构和控制系统都设置在所述运动平台上，且所述控制系统分别与推送机构和运动平台相连接；所述注射器与所述推送机构相连接；所述柔性软管与所述注射器相连接；本发明解决了以往的静电纺丝针头位置单一的问题，可以实现任意调节静电纺丝针头位置的目的，灵活性好，能够实现多方位的静电纺丝，例如静电纺丝针头在垂直方向排布的静电纺丝或者静电纺丝针头成角度排布的静电纺丝。

Description

一种可调节的静电纺丝针头及其实现方法

技术领域

本发明涉及纺织技术领域，具体涉及一种可调节的静电纺丝针头及其实现方法。

背景技术

1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。20世纪30年代至80年代期间，静电纺丝技术发展较为缓慢，科研人员大多集中在静电纺丝装置的研究上，发布了一系列的专利，但是尚未引起广泛的关注。进入90年代，美国阿克隆大学Reneker研究小组对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究。特别是近年来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展，世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。此段时期，静电纺丝技术的发展大致经历了四个阶段：第一阶段主要研究不同聚合物的可纺性和纺丝过程中工艺参数对纤维直径及性能的影响以及工艺参数的优化等；第二阶段主要研究静电纺纳米纤维成分的多样化及结构的精细调控；第三个阶段主要研究静电纺纤维在能源、环境、生物医学、光电等领域的应用；第四阶段主要研究静电纺纤维的批量化制造问题。上述四个阶段相互交融，并没有明显的界线。

静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液珠会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，但与此同时，针头的液珠会慢慢聚集长大，最终极有可能在静电纺丝过程中掉落在收集板上，大大影响了静电纺丝的效果。并且静电纺丝针头的位置是固定的，只能实现单一方向的静电纺丝，静电纺丝灵活度低。另外，由于要得到直径较小的射流，通常要求注射器的直径较小，对注射器和推送机构的精密度有着相当高的要求，这对静电纺丝装置工业化造成一定程度上的阻碍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够实现多方位静电纺丝、安全可靠、灵活性好的可调节的静电纺丝针头。

本发明的另一目的在于提供一种可调节的静电纺丝针头的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种可调节的静电纺丝针头，包括刻度盘、带孔导电柱、注射器、柔性软管、静电纺丝针头、推送机构、高压直流电源、可旋转收集装置、运动平台和控制系统，其中，所述刻度盘、注射器、推送机构和控制系统都设置在所述运动平台上，且所述控制系统分别与推送机构和运动平台相连接，所述运动平台通过所述控制系统的控制可进行X-Y-Z三轴方向上的三维空间运动；所述注射器与所述推送机构相连接；所述柔性软管与所述注射器相连接；

所述刻度盘为圆盘且绕其圆周边缘处设有刻度，所述带孔导电柱设置在所述刻度盘的圆心上，以及设置在所述刻度盘的刻度上；所述柔性软管依次穿过位于注射器下方的带孔导电柱和所述圆心上的带孔导电柱，并与所述静电纺丝针头相连接，所述静电纺丝针头位于所述刻度上的带孔导电柱内；所述可旋转收集装置设置在所述静电纺丝针头朝向的方向上；所述高压直流电源通过导线钳分别与所述静电纺丝针头和含有静电纺丝针头的带孔导电柱相连接。

优选地，所述控制系统包括运动控制卡、电机驱动器、电机、工控机和显示屏；在该控制系统的各部件的作用下，可以使得上述平台做X-Y-Z三轴方向上的三维空间运动。

优选地，所述带孔导电柱以圆周阵列的排布方式嵌入在所述刻度盘上；这样设置使得静电纺丝针头的方位角度的控制得更加精确，即可以任意调节静电纺丝针头的方位，并且该导电柱为导电材料，可以改善穿过的静电纺丝针头在喷出射流时比较稳定有序地沉积在收集板上。

优选地，所述刻度盘由绝缘材料制成；这样设置能够避免导电柱之间短路，使得导电柱有效分离，为静电纺丝的方位控制提供基础。

优选地，所述刻度盘上的刻度按照时钟上数字刻度的排列方式进行排列；这样设置可以清晰地知道该静电纺丝针头所处的方向参数(角度)，也有利于调节纺丝针头的方向。

一种由上述可调节的静电纺丝针头的实现方法，包括下述步骤：

(1)静电纺丝工作开始之前，控制系统控制运动平台运动到指定位置，先将柔性软管穿过位于其下方的刻度盘上的带孔导电柱，然后穿过刻度盘圆心上的带孔导电柱，接着通过调节柔性软管穿过不同的带孔导电柱，使得柔性软管上的静电纺丝针头指向不同的方位，由于带孔导电柱以圆周阵列的排布方式嵌入刻度盘上，使得对静电纺丝针头方位角度的控制得以实现，之后调节可旋转收集装置，使可旋转收集装置位于静电纺丝针头朝向的方向上；

(2)静电纺丝针头工作时，开启高压直流电源，控制系统控制推送机构使注射器进行喷射纺丝，纤维细丝从静电纺丝针头处喷出，落入可旋转收集装置内；

(3)纤维细丝收集完毕时，关闭推送机构和高压直流电源，工作完成。

本发明的工作原理：

静电纺丝工作开始之前，控制系统控制运动平台运动到指定位置，先将柔性软管穿过位于其下方的刻度盘上的带孔导电柱，然后穿过刻度盘圆心上的带孔导电柱，接着通过调节柔性软管穿过不同的带孔导电柱，使得柔性软管上的静电纺丝针头指向不同的方位，由于带孔导电柱以圆周阵列的排布方式嵌入刻度盘上，使得对静电纺丝针头方位角度的控制得以实现，之后调节可旋转收集装置，使可旋转收集装置位于静电纺丝针头朝向的方向上；静电纺丝针头工作时，开启高压直流电源，控制系统控制推送机构使注射器进行喷射纺丝，纤维细丝从静电纺丝针头处喷出，落入可旋转收集装置内，纤维细丝收集完毕时，关闭高压直流电源，工作完成。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明解决了以往的静电纺丝针头位置单一的问题，可以实现任意调节静电纺丝针头位置的目的，灵活性好，能够实现多方位的静电纺丝，例如静电纺丝针头在垂直方向排布的静电纺丝或者静电纺丝针头成角度排布的静电纺丝；

(2)本发明的静电纺丝针头能够成角度排布，而非竖直向下，这增大了溶液在静电纺丝针头受到的摩檫力，较大程度上改善了静电纺丝针头液滴在重力作用下，不受控制往下滴落，污染收集装置的情况；

(3)本发明的静电纺丝针头能够成角度排布，由于倾斜的角度起着放大流量的作用，即在注入相同高度的液体下，当静电纺丝的针头相对于水平方向的倾斜夹角越小，所需要注入的液体流量体积就越大，所以在较大程度上降低了静电纺丝推送机构的精度要求；

(4)本发明的静电纺丝针头穿过带孔导电柱，带孔导电柱起着削弱静电纺丝针头边缘电场的作用，减少了射流的鞭动现象，从而使射流较稳定地在收集装置处沉积。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明刻度盘和静电纺丝针头的结构示意图。

图中附图标记为：1、刻度盘；2、带孔导电柱；3、注射器；4、柔性软管；5、静电纺丝针头；6、推送机构；7、高压直流电源；8、可旋转收集装置；9、运动平台；10、控制系统。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-2所示，一种可调节的静电纺丝针头，包括刻度盘1、带孔导电柱2、注射器3、柔性软管4、静电纺丝针头5、推送机构6、高压直流电源7、可旋转收集装置8、运动平台9和控制系统10，其中，所述刻度盘1、注射器3、推送机构6和控制系统10都设置在所述运动平台9上，且所述控制系统10分别与推送机构6和运动平台9相连接，所述运动平台9通过所述控制系统10的控制可进行X-Y-Z三轴方向上的三维空间运动，所述控制系统10包括运动控制卡、电机驱动器、电机、工控机和显示屏；在该控制系统的作用下，可以使得上述平台可以做X-Y-Z三轴运动；所述注射器3与所述推送机构6相连接；所述柔性软管4与所述注射器3相连接；

所述刻度盘1由绝缘材料制成，所述刻度盘1为圆盘且绕其圆周边缘处设有刻度，所述刻度盘1上的刻度按照时钟上数字刻度的排列方式进行排列，所述带孔导电柱2设置在所述刻度盘1的圆心上，以及设置在所述刻度盘1的刻度上，具体来说所述带孔导电柱2是嵌入在所述刻度盘1上；所述柔性软管4依次穿过位于注射器下方的带孔导电柱2和所述圆心上的带孔导电柱2，并与所述静电纺丝针头5相连接，所述静电纺丝针头5位于所述刻度上的带孔导电柱2内；所述可旋转收集装置8设置在所述静电纺丝针头5朝向的方向上；所述高压直流电源7通过导线钳分别与所述静电纺丝针头5和含有静电纺丝针头5的带孔导电柱2相连接。

静电纺丝工作开始之前，控制系统10控制运动平台9运动到指定位置，先将柔性软管4穿过位于其下方的刻度盘1上的带孔导电柱2，然后穿过刻度盘1圆心上的带孔导电柱2，接着通过调节柔性软管4穿过不同的带孔导电柱2，使得柔性软管4上的静电纺丝针头5指向不同的方位，由于带孔导电柱2以圆周阵列的排布方式嵌入刻度盘1上，使得对静电纺丝针头5方位角度的控制得以实现，之后调节可旋转收集装置8，使可旋转收集装置8位于静电纺丝针头5朝向的方向上；静电纺丝针头5工作时，开启高压直流电源7，控制系统10控制推送机构6使注射器3进行喷射纺丝，纤维细丝从静电纺丝针头5处喷出，落入可旋转收集装置8内，纤维细丝收集完毕时，关闭推送机构6和高压直流电源7，工作完成。

本发明解决了以往的静电纺丝针头位置单一的问题，可以实现任意调节静电纺丝针头位置的目的，灵活性好，能够实现多方位的静电纺丝，例如静电纺丝针头在垂直方向排布的静电纺丝或者静电纺丝针头成角度排布的静电纺丝；静电纺丝针头能够成角度排布，而非竖直向下，这增大了溶液在静电纺丝针头受到的摩擦力，较大程度上改善了静电纺丝针头液滴在重力作用下，不受控制往下滴落，污染收集装置的情况；静电纺丝针头能够成角度排布，由于倾斜的角度起着放大流量的作用，较大程度上降低了静电纺丝推送机构的精度要求；静电纺丝针头穿过带孔导电柱，带孔导电柱起着削弱静电纺丝针头边缘电场的作用，减少了射流的鞭动现象，从而使射流较稳定地在收集装置处沉积。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调节的静电纺丝针头，其特征在于，包括刻度盘、带孔导电柱、注射器、柔性软管、静电纺丝针头、推送机构、高压直流电源、可旋转收集装置、运动平台和控制系统，其中，所述刻度盘、注射器、推送机构和控制系统都设置在所述运动平台上，且所述控制系统分别与推送机构和运动平台相连接，所述运动平台通过所述控制系统的控制可进行X-Y-Z三轴方向上的三维空间运动；所述注射器与所述推送机构相连接；所述柔性软管与所述注射器相连接；

所述刻度盘为圆盘且绕其圆周边缘处设有刻度，所述带孔导电柱设置在所述刻度盘的圆心上，以及设置在所述刻度盘的刻度上；所述柔性软管依次穿过位于注射器下方的带孔导电柱和所述圆心上的带孔导电柱，并与所述静电纺丝针头相连接，所述静电纺丝针头位于所述刻度上的带孔导电柱内；所述可旋转收集装置设置在所述静电纺丝针头朝向的方向上；所述高压直流电源通过导线钳分别与所述静电纺丝针头和含有静电纺丝针头的带孔导电柱相连接。

2.根据权利要求1所述可调节的静电纺丝针头，其特征在于，所述控制系统包括运动控制卡、电机驱动器、电机、工控机和显示屏。

3.根据权利要求1所述可调节的静电纺丝针头，其特征在于，所述带孔导电柱以圆周阵列的排布方式嵌入在所述刻度盘上。

4.根据权利要求1所述可调节的静电纺丝针头，其特征在于，所述刻度盘由绝缘材料制成。

5.根据权利要求1所述可调节的静电纺丝针头，其特征在于，所述刻度盘上的刻度按照时钟上数字刻度的排列方式进行排列。

6.一种由权利要求1-5任一项所述可调节的静电纺丝针头的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)静电纺丝工作开始之前，控制系统控制运动平台运动到指定位置，先将柔性软管穿过位于其下方的刻度盘上的带孔导电柱，然后穿过刻度盘圆心上的带孔导电柱，接着通过调节柔性软管穿过不同的带孔导电柱，使得柔性软管上的静电纺丝针头指向不同的方位，由于带孔导电柱以圆周阵列的排布方式嵌入刻度盘上，使得对静电纺丝针头方位角度的控制得以实现，之后调节可旋转收集装置，使可旋转收集装置位于静电纺丝针头朝向的方向上；

(2)静电纺丝针头工作时，开启高压直流电源，控制系统控制推送机构使注射器进行喷射纺丝，纤维细丝从静电纺丝针头处喷出，落入可旋转收集装置内；

(3)纤维细丝收集完毕时，关闭推送机构和高压直流电源，工作完成。