CN107201558A - 一种手持喷枪式静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电纺丝设备技术领域，具体涉及一种手持喷枪式静电纺丝装置，包括绝缘腔体、高压气枪和气泵，所述绝缘腔体内设有溶液槽用于存放纺丝溶液，所述绝缘腔体内底部设置有多个金属针尖，所述金属针尖的高度高于纺丝溶液高度，所述绝缘腔体内顶部设有金属板，所述绝缘腔体外底部一侧设有振动装置，所述振动装置的振动头伸入绝缘腔体内并置于纺丝溶液内，所述绝缘腔体外底部另一侧设有高压电源，所述高压电源正极通过导线与多金属针尖连接，所述高压电源负极接地，所述绝缘腔体顶部一侧通过软管与高压气枪连通，所述绝缘腔体顶部另一侧通过软管与气泵连通。本发明纺丝效率高，提高表面修复的均匀性成与构建的效率。

Description

一种手持喷枪式静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝设备技术领域，具体涉及一种手持喷枪式静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝是一种直接、连续制备聚合物纤维的方法。静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低、可用的纺丝材料多、工艺可控等优点，成为了制备纳米纤维材料的主要方法之一。静电纺丝具有设备简单、操作方便、材料适用性强、可喷印溶液粘度高等优点，因而在近些年得到了迅猛的发展。静电纺丝通过施加静电高压作为纺丝溶液拉伸喷射的动力，静电纺丝过程黏弹性溶液在外电场的作用下发生形变产生泰勒锥，并诱使溶液从泰勒锥尖射出。

目前应用于静电纺丝生产或研究的静电纺丝设备主要可以分为单根纤维直写与批量纤维生产两种，单根纤维直写关注点在于纤维的精确定位与沉积，批量纤维制备主要关注纤维的较大面积应用。但是静电纺丝装备由多种仪器或部件组合在一起使用，使用过程中调节参数多且繁杂，不易便携。随着静电纺丝的运用范围扩大，便携简易产生纤维的静电纺丝装置必然要适应需求。如在野外作业、设备喷涂、课堂教学、收集板为绝缘物体等领域需要便携、易产生纤维的静电纺丝装置。

而对比文件中列举的几类手持式静电纺丝装置，其结构在静电纺丝过程中容易造成喷头堵塞，且由于采用的电压不稳定，所以导致整个纺丝距离较短，纤维产率较低，实用性差。

发明内容

为此，需要提供一种手持喷枪式静电纺丝装置，纺丝效率高，纺丝距离长，纤维产率高，实用性强。

为实现上述目的，本发明提供了手持喷枪式静电纺丝装置，包括绝缘腔体、高压气枪和气泵，所述绝缘腔体内设有溶液槽用于存放纺丝溶液，所述绝缘腔体内底部设置有多个金属针尖，所述金属针尖的高度高于纺丝溶液高度，所述绝缘腔体内顶部设有金属板，所述绝缘腔体外底部一侧设有振动装置，所述振动装置的振动头伸入绝缘腔体内并置于纺丝溶液内，所述绝缘腔体外底部另一侧设有高压电源，所述高压电源正极通过导线与多金属针尖连接，所述高压电源负极接地，所述绝缘腔体顶部一侧通过软管与高压气枪连通，所述绝缘腔体顶部另一侧通过软管与气泵连通。

进一步的，所述金属针尖的高度高于纺丝溶液高度h，h的取值范围为0mm＜h≤2mm，金属针尖表面具有亲水性。

进一步的，多个金属针尖在基座上均匀排列，针尖间距5~10mm。

进一步的，所述金属针尖为矩阵或圆形的排列方式。

进一步的，所述金属针尖的直径50~300µm，金属针尖根部直径为500~1000µm。

进一步的，所述绝缘腔体高5~15cm，绝缘腔体横截面为圆形、椭圆形、长方形或正方形，横截面直径或边长为10~20cm。

区别于现有技术，上述技术方案的有益效果如下：

本发明通过对整个手持式静电方式装置结构的改进，设置了振动装置，并且在容腔内设置多金属针尖，振动装置能够带动纺丝溶液液面上下振动在针尖表面形成锥形的纺丝溶液，在高压电场的作用下，在针尖位置形成向上的射流；配合气泵作用，在金属板下方形成高速气流，带动纺丝纤维从高压气枪喷嘴处喷出，手持式静电纺丝的优势在于可以方便地在指定的位置进行纳米纤维的沉积喷印与表面结构成型，可以方便纳米纤维在结构修复与表面组织构建方面的应用，提高表面修复的均匀性成与构建的效率，实现纳米纤维定位沉积控制。

附图说明

图1为本实施例的结构示意图。

附图标记说明：1高压气枪、2绝缘腔体、3金属板、4气泵、5振动装置、6溶液槽、7多金属针尖、8高压电源。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，本实施例的手持喷枪式静电纺丝装置，包括绝缘腔体2、高压气枪1和气泵4，所述绝缘腔体2内设有溶液槽6用于存放纺丝溶液，所述绝缘腔体2内底部设置有多个金属针尖7，所述金属针尖7的高度高于纺丝溶液高度，所述绝缘腔体内顶部设有金属板3，所述绝缘腔体2外底部一侧设有振动装置5，所述振动装置5的振动头伸入绝缘腔体2内并置于纺丝溶液内，所述绝缘腔体2外底部另一侧设有高压电源，所述高压电源正极通过导线与多金属针尖连接，所述高压电源负极接地，所述绝缘腔体顶部一侧通过软管与高压气枪连通，所述绝缘腔体顶部另一侧通过软管与气泵连通。

本实施例中，所述金属针尖7的高度高于纺丝溶液高度0～2mm。 纺丝溶液在振动装置5的振动头带动下发生上下振动，形成自由表面 波动。所述振动装置5的振动头可为正方体、长方体、球体等形状， 横截面直径、边长为5～10mm，通过上下振动给溶液槽6中的纺丝溶 液提供足够的干扰作用力，破坏自由液面的平衡。由于金属材料具有 良好的亲水性，因此溶液会沿金属针尖7表面向上爬升并在金属针尖 7处聚集，根据公式推算出溶液的 爬升高度约为1～3mm，其中，(a是转轴半径，b是液面半径)， R₂由非牛顿流体中的一些惯性参数决定，H₂₁和H₂₂是由微 扰理论求出的函数。溶液表面略高于针尖，既保证了射流纺丝喷射的 效率、又能降低射流喷射启动电压。

本实施例中，所述多金属针尖在基座上均匀排列，针尖间距5~10mm，既可以克服针尖之间的电场干涉，保证每个针尖的射流喷射以提高纳米纤维喷射效率；金属针尖可以是但不局限于矩阵、圆形等排列方式；纺丝针尖直径50~300µm，纺丝针尖根部直径500~1000µm，通过这种形状的设计，溶液在针尖尖端形成弧面曲率合适的溶液表面，以确保能够快速地实现纺丝射流的喷射。针尖直径过小，易产生电晕放电破坏界面平衡，难以实现射流稳定喷射；针尖直径过大，针尖电场偏小需要提高施加电压，以确保产生足够大的电场强度。

本实施例中，所述绝缘腔体高5~15cm；腔体横截面可以是圆形、椭圆形、长方形或正方形；横截面直径、边长10~20cm。

本方案的高压电源为直流高压电源、脉冲高压电源或交流高压电源；直流高压电源电压500~50000V可调；脉冲高压电压电源电压值500~20000V可调，供电频率10~1000Hz可调，电压偏置0~10000V；交流高压电源输出电压波形可以但不限于是方波、正弦波、三角波等，输出电压频率10~1000Hz可调，输出电压幅值200~10000V可调。所述绝缘腔体1外侧壁设置有把手10，所述把手上设有电动推拉杆开关9，用于启动或关闭电动推拉杆8。

本发明的工作原理如下：

绝缘腔体内存有纺丝溶液，开启振动装置，振动装置的振动头带动纺丝溶液上下振动，高压电源通电后，正极通过导线与多金属针尖，产生高电压传递至多金属针尖，使得多金属针尖带上千伏的高压，使得在多金属针尖表面形成锥形的纺丝溶液，在高压电场的作用下，在多金属针尖位置形成向上的射流，使得纺丝纤维沉积收集于金属板上；此时开启气泵，在金属板下方形成高速气流，带动纺丝纤维从高压气枪喷嘴处喷出。

静电纺丝采用静电场拉伸溶液促其射流喷射，射流将携带走聚集在电极表面的自由电荷，喷射空间内充满自由电荷产生附加电场；腔体采用绝缘体，，静电纺丝过程绝缘体内表面易产生电荷聚集，从而对带电射流产生排斥力，可以避免带电纤维在腔体表面粘结，保证静电纺丝纳米纤维有效地传送。本实施例的静电纺丝溶液是采用高分子溶液、生物材料溶液等黏弹性溶液，本发明主要针对生物医疗、生物组织构建、表面修复、器件部件在线修复等领域的应用需求；本实施例的手持式静电纺丝的优势在于采用高压气枪进行喷射克服了喷嘴易堵塞的问题，在气泵4提供的高速气流作用下可进一步提高射流喷射的持续性以及给纳米纤维的运动提供导向作用，从而进一步提高纳米纤维的产量。手持式静电纺丝可以方便地在指定的位置进行纳米纤维的沉积喷印与表面结构成型，提高表面修复的均匀性成与构建的效率，克服了现有静电纺丝设备移动不便的缺陷，实现纳米纤维定位沉积控制的目标。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.手持喷枪式静电纺丝装置，其特征在于，包括绝缘腔体、高压气枪和气泵，所述绝缘腔体内设有溶液槽用于存放纺丝溶液，所述绝缘腔体内底部设置有多个金属针尖，所述金属针尖的高度高于纺丝溶液高度，所述绝缘腔体内顶部设有金属板，所述绝缘腔体外底部一侧设有振动装置，所述振动装置的振动头伸入绝缘腔体内并置于纺丝溶液内，所述绝缘腔体外底部另一侧设有高压电源，所述高压电源正极通过导线与多金属针尖连接，所述高压电源负极接地，所述绝缘腔体顶部一侧通过软管与高压气枪连通，所述绝缘腔体顶部另一侧通过软管与气泵连通。

2.根据权利要求1所述的手持喷枪式静电纺丝装置，其特征在于，所述金属针尖的高度高于纺丝溶液高度h，h的取值范围为0mm＜h≤2mm，金属针尖表面具有亲水性。

3.根据权利要求1所述的手持喷枪式静电纺丝装置，其特征在于，多个金属针尖在基座上均匀排列，针尖间距5~10mm。

4.根据权利要求1所述的手持喷枪式静电纺丝装置，其特征在于，所述金属针尖为矩阵或圆形的排列方式。

5.根据权利要求1所述的手持喷枪式静电纺丝装置，其特征在于，所述金属针尖的直径50~300µm，金属针尖根部直径为500~1000µm。

6.根据权利要求1所述的手持喷枪式静电纺丝装置，其特征在于，所述绝缘腔体高5~15cm，绝缘腔体横截面为圆形、椭圆形、长方形或正方形，横截面直径或边长为10~20cm。