CN106868610B - 一种激光诱导空泡静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光诱导空泡静电纺丝装置，包括用于盛装纺丝溶液的储液池、设置于所述储液池上方并用于收集纺丝射流的收集板、用于在所述储液池内的纺丝溶液中通过光学击穿产生空化现象并形成空泡的激光器，以及用于对空泡在纺丝溶液的液面破碎后产生的纺丝射流形成朝向所述收集板的吸引作用的吸引机构；所述储液池的壁板透明，且所述激光器的功率可调。本发明所公开的激光诱导空泡静电纺丝装置，通过激光器产生激光作用于纺丝溶液，再利用激光诱导空化原理产生空泡，空泡的尺寸大小受激光器的激光功率控制，因此可以方便、精确地控制空泡的尺寸大小，满足不同情况的纳米纤维的工业生产需求，提高气泡纺丝纤维的质量。

Description

一种激光诱导空泡静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种激光诱导空泡静电纺丝装置。

背景技术

气泡静电纺丝技术是在改变了传统静电纺丝喷头(直径在毫米级的毛细管)的基础上，应用气泡动力学原理，通过在纺丝的自由液面上形成许多气泡式凸起(类似于传统的泰勒锥)，气泡是一种日常生活和工业生产中司空见惯的现象。最简单的产生气泡的方法就是将气体强制性的通入到液体中，便可以产生大量气泡。形成的气泡大小和强度主要取决于通气量、外界环境以及液体表面张力的大小；通常情况下，气泡下表面的压力大于其上表面的压力，从而推动气泡不断上升、变形；当气泡上升至液体表面处时，由于液体内部分子对它的吸引力大于外部气体分子对它的吸引力，从而使液体表面有向内收缩的趋势，即为表面张力，当电场力大于溶液气泡的表面张力时，会有无数射流飞出，射流在高压电场中被电场力不断拉伸细化而形成纳米纤维。

气泡静电纺丝是批量生产纳米纤维的主要方法之一，生产的纳米材料主要包括光滑的纳米材料、珠纤维、纳米多孔材料、纳米颗粒、纳米卷曲材料和纳米纱。纳米多孔纤维由于具有相对密度低、强度高、重量轻、隔音、隔热、透气性好等优点具有非常广泛的应用前景，因此广泛应用于生物医学、能源安全、复合材料等领域。

然而，传统的气泡静电纺丝方法，气泡的形成受多种因素共同影响，气泡产生时的参数随机性太强，气泡的大小难以精确控制，极大影响了气泡纺丝纤维的质量和产量。

因此，如何使静电纺丝时的气泡尺寸可控，并提高气泡纺丝纤维的质量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光诱导空泡静电纺丝装置，能够使静电纺丝时的气泡尺寸可控，并提高气泡纺丝纤维的质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光诱导空泡静电纺丝装置，包括用于盛装纺丝溶液的储液池、设置于所述储液池上方并用于收集纺丝射流的收集板、用于在所述储液池内的纺丝溶液中通过光学击穿产生空化现象并形成空泡的激光器，以及用于对空泡在纺丝溶液的液面破碎后产生的纺丝射流形成朝向所述收集板的吸引作用的吸引机构；所述储液池的壁板透明，且所述激光器的功率可调。

优选地，所述吸引机构包括静电辅助装置，所述静电辅助装置的电极对分别接通所述储液池内的纺丝溶液和所述收集板，且所述储液池内的纺丝溶液与所述收集板间的电场方向朝向所述收集板。

优选地，所述静电辅助装置内设置有用于调节电场强度的场强调节模块。

优选地，所述激光器设置于所述储液池的底部，且其激光出射方向正对所述储液池的底板。

优选地，所述激光器可在水平面内自由移动。

优选地，所述激光器的底部设置有可水平运动的运动平台，且所述运动平台的运动速度可调。

优选地，所述运动平台内设置有驱动电机和用于控制所述驱动电机的转速和方向的控制器。

优选地，所述激光器内设置有用于调节出射激光功率的功率调节模块。

优选地，所述收集板可相对于所述储液池进行垂向升降。

本发明所提供的激光诱导空泡静电纺丝装置，主要包括储液池、收集板、激光器和吸引机构。其中，储液池主要用于盛装纺丝溶液，而收集板设置在储液池上方，主要用于收集在纺丝溶液表面产生的纺丝射流。激光器主要用于产生大功率激光，并作用在储液池内的纺丝溶液中，当激光聚焦在纺丝溶液中时，激光与纺丝溶液相互作用发生光学击穿，局部压力低于该温度的饱和蒸汽或液体中局部温度高于常压下饱和蒸汽温度，产生空化现象，空化现象则伴随着空泡的产生。空泡产生后会逐渐上升，而随着空泡的上升，泡内的压力逐渐大于周围液体的静压力，空泡到达液面时，空泡表面所受到的电场力大于空泡本身的表面张力，空泡破裂在纺丝溶液的液面上形成无数射流。而吸引机构主要用于对这些纺丝射流形成吸引作用，使其趋向于朝着收集板所在的位置运动，如此，纺丝射流在空中运动时，受到吸引机构的吸引作用，经过摆动、拉伸细化等过程，最终聚集到收集板上固化沉积为纳米纤维膜。同时，储液池的壁板是透明的，可方便激光器产生的激光透过，并且激光器的功率是可调的，可根据实际需求调节功率大小，而激光器的出射激光的功率，直接影响了空化现象的剧烈程度，进而影响形成的空泡的尺寸大小。因此，本发明所提供的激光诱导空泡静电纺丝装置，通过激光器产生激光作用于纺丝溶液，再利用激光诱导空化原理产生空泡，空泡的尺寸大小受激光器的激光功率控制，因此可以方便、精确地控制空泡的尺寸大小，满足不同情况的纳米纤维的工业生产需求，提高气泡纺丝纤维的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

其中，图1中：

储液池—1，收集板—2，激光器—3，静电辅助装置—4，运动平台—5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，激光诱导空泡静电纺丝装置主要包括储液池1、收集板2、激光器3和吸引机构。

其中，储液池1主要用于盛装纺丝溶液，而收集板2设置在储液池1上方，主要用于收集在纺丝溶液表面产生的纺丝射流。

激光器3主要用于产生大功率激光，并作用在储液池1内的纺丝溶液中，当激光聚焦在纺丝溶液中时，激光与纺丝溶液相互作用发生光学击穿，局部压力低于该温度的饱和蒸汽或液体中局部温度高于常压下饱和蒸汽温度，产生空化现象，空化现象则伴随着空泡的产生。空泡产生后会逐渐上升，而随着空泡的上升，泡内的压力逐渐大于周围液体的静压力，空泡到达液面时，空泡表面所受到的电场力大于空泡本身的表面张力，空泡破裂在纺丝溶液的液面上形成无数射流。

吸引机构主要用于对这些纺丝射流形成吸引作用，使其趋向于朝着收集板2所在的位置运动，如此，纺丝射流在空中运动时，受到吸引机构的吸引作用，经过摆动、拉伸细化等过程，最终聚集到收集板2上固化沉积为纳米纤维膜。

同时，储液池1的壁板是透明的，可方便激光器3产生的激光透过，并且激光器3的功率是可调的，可根据实际需求调节功率大小，而激光器3的出射激光的功率，直接影响了空化现象的剧烈程度，进而影响形成的空泡的尺寸大小。

因此，本实施例所提供的激光诱导空泡静电纺丝装置，通过激光器3产生激光作用于纺丝溶液，再利用激光诱导空化原理产生空泡，空泡的尺寸大小受激光器3的激光功率控制，因此可以方便、精确地控制空泡的尺寸大小，满足不同情况的纳米纤维的工业生产需求，提高气泡纺丝纤维的质量。

在关于吸引机构的一种优选实施方式中，该吸引机构具体包括静电辅助装置4。该静电辅助装置4上设置有一对电极对，并且该电极对的电极分别接通储液池1内的纺丝溶液和收集板2——收集板2为金属板。如此在纺丝溶液与收集板2之间就形成了定向静电场，并且该电场的电场方向朝向收集板2。比如，静电辅助装置4的正电极与储液池1的纺丝溶液接通，同时静电辅助装置4的负电极与收集板2接通，如此，储液池1中的纺丝溶液将带正电，收集板2带负电，当空泡在纺丝溶液表面破碎并形成射流后，射流将在电场的作用下聚集到收集板2上，形成纳米纤维层，从而有效地引导射流运动轨迹，改善射流发散，不稳定的问题，提高生产效率。

当然，吸引机构的具体结构并不仅限于在储液池1内的纺丝溶液和收集板2之间形成电场，其余比如吸引机构在储液池1的纺丝溶液液面与收集板2的表面之间的空间形成定向电场，然后同时使纺丝溶液带电，使其在定向电场内受到朝向收集板2的作用力即可。

进一步的，本实施例还在静电辅助装置4内增设了场强调节模块，主要用于调节静电辅助装置4的所产生的定向静电场的电场强度，如此，可精确调节纺丝射流受到的作用力，对纺丝射流进行进一步的拉伸细化，经过摆动、蒸发、细化过程，最终固结到收集板2上形成纳米纤维膜，提高了纺丝射流在收集板2上的分布均匀性。

另外，为方便激光器3聚焦在储液池1内，可将激光器3设置在储液池1的底部，并且将激光器3的激光出射方向正对储液池1的底板。当然，由于储液池1的壁板是透明的，因此激光器3的设置位置可任意调整。

此外，为提高激光器3产生空泡的生产效率，本实施例中，激光器3可在水平面内自由移动。具体的，本实施例在激光器3的底部设置了运动平台5，该运动平台5可进行水平运动，并且其运动速度可调。如此设置，在运动平台5的带动下，激光器3可在水平面内自由运动，而在纺丝溶液中的焦点位置也同步变化，从而可以连续地在不同位置产生空泡，提高空泡的生成效率和纳米纤维膜的成型质量。

进一步的，为方便运动平台5调节激光器3的运动速度，提高运动精度，本实施例在运动平台5内设置了驱动电机和用于控制驱动电机的转速和方向的控制器。具体的，该驱动电机可为步进电机。如此设置，通过控制器调节驱动电机的转速，可使激光器3的运动速度控制在合理范围，进而使在不同激光焦点位置产生的空泡互不影响，激光器3的运动速度过小则容易导致空泡堆积、密度过高，过大则容易导致空泡产生效率低、尺寸控制精度低。

另外，为方便激光器3调节出射激光功率，本实施例在激光器3内设置了功率调节模块，具体可通过调节调节出射电压或出射电流的方式控制其功率。

不仅如此，考虑到纺丝射流在形成后在静电场空间内的运动速度和运动时间，本实施例中的收集板2可以相对储液池1进行垂向升降。如此，当收集板2垂向降低时，将拉近与储液池1的间距，此时纺丝射流在静电场空间内的运动时间较短，运动速度增长较慢，但纺丝射流在收集板2上的分布密度较高；反之，纺丝射流在静电场空间内的时间较长，运动速度增长较快，纺丝射流在收集板2上的分布密度较低。通过调节收集板2相对于储液池1的高度，可以获得不同物理性质的纳米纤维膜。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，包括用于盛装纺丝溶液的储液池(1)、设置于所述储液池(1)上方并用于收集纺丝射流的收集板(2)、用于在所述储液池(1)内的纺丝溶液中通过光学击穿产生空化现象并形成空泡的激光器(3)，以及用于对空泡在纺丝溶液的液面破碎后产生的纺丝射流形成朝向所述收集板(2)的吸引作用的吸引机构；所述储液池(1)的壁板透明，且所述激光器(3)的功率可调。

2.根据权利要求1所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述吸引机构包括静电辅助装置(4)，所述静电辅助装置(4)的电极对分别接通所述储液池(1)内的纺丝溶液和所述收集板(2)，且所述储液池(1)内的纺丝溶液与所述收集板(2)间的电场方向朝向所述收集板(2)。

3.根据权利要求2所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述静电辅助装置(4)内设置有用于调节电场强度的场强调节模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述激光器(3)设置于所述储液池(1)的底部，且其激光出射方向正对所述储液池(1)的底板。

5.根据权利要求4所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述激光器(3)可在水平面内自由移动。

6.根据权利要求5所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述激光器(3)的底部设置有可水平运动的运动平台(5)，且所述运动平台(5)的运动速度可调。

7.根据权利要求6所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述运动平台(5)内设置有驱动电机和用于控制所述驱动电机的转速和方向的控制器。

8.根据权利要求7所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述激光器(3)内设置有用于调节出射激光功率的功率调节模块。

9.根据权利要求8所述的激光诱导空泡静电纺丝装置，其特征在于，所述收集板(2)可相对于所述储液池(1)进行垂向升降。