CN108251897B - 一种手持式熔体静电纺丝制备装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式熔体静电纺丝制备装置及使用方法，主要包括安全罩、端盖、紧固螺钉、外壳、支撑板、滚筒、保温棉、隔离板、风扇、电阻加热丝、通气孔、通气管、滚轮、微型高压静电发生器、通线孔、电极接头、送料管、针头、排气孔、金属垫片、通气管孔、送料管孔、锥形孔等。本装置利用丝料连续进料，由电阻加热丝加热的空气传热对物料加热熔融；针头连接高压与接地的接收板之间形成电场；传热完毕的热空气从针头与端盖锥形孔的狭缝之间排出，对纤维进行二次拉伸。本装置对熔体静电纺丝制备装置进行简化，使其小型化、轻量化、便携化，纤维制备更加方便快捷，能够用于实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具方面的小批量纤维制备。

Description

一种手持式熔体静电纺丝制备装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种手持式的熔体静电纺丝制备装置及使用方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

目前静电纺丝法被公认为制备微纳米纤维最简单高效的方法，与其他方法相比较静电纺丝法具有原料来源广泛、纺丝成本低廉、可规模化制备等优势，在微纳过滤、锂电池隔膜、生物医药等领域展现出极大的应用潜力，因而引起研究者的广泛关注。

现有的研究及产业化应用围绕静电纺丝批量化装置产生了大量创新，但是便携式、小体积易操作的微型、小型静电纺丝装置较少。然而这类小型装置在实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具方面具有巨大潜力。中国专利(201720057770.9)一种新型便携式静电纺丝装置，虽然对静电纺丝装置进行了便携化改进，但该装置只能实现溶液静电纺丝法，而对于高分子熔体无法实现。高分子熔体由于需要加热并保持高温运行，意味着需要复杂的加热系统、原料供给系统、隔热及绝缘系统等，对便携化设计提出了很大的挑战。因此，寻求设计一种便携式、小体积易操作的小型熔体静电纺丝制备装置具有广泛的应用前景和研究价值。

针对以上问题，本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置及使用方法，利用高温高压气体对物料及滚轮对连续输送丝料进行加热熔融替代了螺杆挤出机熔融和输送物料的传统方式，并且简化收集装置，使熔体静电纺丝设备小型化、轻量化、便携化，纤维制备更加方便快捷，能够用于实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具方面的小批量纤维制备。

发明内容

本发明提出一种手持式熔体静电纺丝制备装置及使用方法，利用高温高压气体对物料进行加热熔融以及滚轮对连续输送丝料替代了螺杆挤出机熔融和输送物料的传统方式，进一步利用传热完毕的气体使得射流细化，并且简化收集装置，使熔体静电纺丝设备小型化、轻量化、便携化，使得微纳米纤维能够连续制备。实现了熔体静电纺纳米纤维制备装置的便携化，满足热塑性材料即纺即用，更好地促进纳米纤维的应用与发展。

实现上述目的的技术方案是：一种手持式熔体静电纺丝制备装置，主要包括安全罩、端盖、紧固螺钉、外壳、支撑板、滚筒、保温棉、隔板、加热腔外壳、风扇、电阻加热丝、通气孔、通气管、滚轮、微型高压静电发生器、通线孔、电极接头、送料管、针头、排气孔、金属垫片、锥形孔等。外壳上部放置滚筒，丝料缠绕在滚筒上；风扇、加热腔外壳、隔板及电阻加热丝从右到左同轴布置构成加热腔，通气管一端连接加热腔，一端连接金属垫片与端盖之间的空腔，且通气管外加保温棉隔热保温，通气管有多根并沿周向均布；两个由电机驱动转速可调的滚轮相反运动构成滚轮对，滚轮对缝隙中心线与送料管同轴布置，送料管位于滚轮对的左侧，且相距1-3cm，丝料穿过外壳和保温棉经由滚轮对输送入送料管，送料管与针头螺纹连接，所述送料管的内径略大于丝料直径；通气管和送料管由支撑板进行环向固定，外壳底部和隔板的阶梯孔对其轴向固定；安全罩安装在端盖处，端盖中心处有孔，微型高压静电发生器通过电极接头、端盖、金属垫片及导线与针头连接，使针头携带高压静电，与接地的接收板在安全罩内部形成电场，所述端盖、金属垫片与外壳通过紧固螺钉连接。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，通过滚轮对相反运动挤压并连续输送丝料，滚轮的转速可调，以满足不同进料量控制；且采用风扇带动气流，使大部分气流进入加热腔，流经电阻加热丝，使得气体温度达到要求，且温度可控，以满足不同物料的熔融要求，并连续稳定供给输送到端盖和金属垫片之间的空腔中，和针头传热使针头与送料管连接处的物料熔融，替代了螺杆挤出机熔融和输送物料的传统方式，有效的减小了装置的体积和重量，保证了装置的便携性。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，传热完毕的热空气通过端盖底部的锥形孔与针头的狭缝中排出，且端盖底部的锥形孔，有助于气流与纤维方向一致，锥形孔出气口的面积与通气孔面积和比为(1/2，1)，即大于1/2至小于1，或者在端盖底部加辅助排气孔其面积和加上锥形孔面积与通气孔面积和比为1/2-1，即大于1/2至小于1，锥形孔出气口的气流对丝具有牵伸作用同时避免气流滞留，有利于纤维规整收集且纤维直径的进一步细化。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，加热腔外壳与外壳之间留有5-20mm空间，使未进入加热腔的冷空气对装置外壳冷却，避免外壳温度过高烫伤操作人员，提高安全性。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其中端盖、金属垫片及针头为导电导热材料，外壳、料管和通气管材料要求在高达350℃高温下不变形的绝缘材料，具体可以是玻璃管、陶瓷管或聚醚醚酮等。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，在端盖处安装有一个可拆卸的安全罩，安全罩周向均布斜向气孔，用于外部冷空气和手持装置喷出的热空气的交换，使得热气流在到达纤维接收平面之前达到冷却状态，避免了接收平面的烫伤，且气体不会因无法排出在安全罩内形成旋流，影响纤维规整收集。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，本装置采用微型高压静电发生器，或将静电发生装置外置，且所有电能都由外置电源或固定插座供电，减小体积和重量，提高便携性。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，本装置利用丝料进料，丝料缠绕在滚筒上，由电机驱动的滚轮将其连续送入送料管中；气体由风扇进入装置中，采用风扇带动气流，少量气体流入隔板与外壳的空隙中，从通气孔中排出，其余大部分气体由风扇带动气流吹入加热腔，经过电阻加热丝，经由通气管连续稳定供给输送到端盖和金属垫片之间的空腔中，与针头接触传热，使针头与送料管连接处的物料熔融，传热完毕的气体以一定的压力喷出端盖锥形孔和针头之间的狭缝；针头携带高压静电，与接地的接收装置在安全罩内形成电场，在电场力和气流的双重作用下，纤维被拉伸细化，在收集板上被规整收集。

本发明与现有技术相比，其优势有：

1.本发明装置将熔体静电纳米纤维制备过程及装置简化，利用高温高压气体对物料进行加热熔融，进一步利用传热完毕的气体使得射流细化，使设备小型化、轻量化、便携化，满足热塑性材料的即用即纺，制备纤维的方法更加快捷。

2.本发明装置热空气温度可调、驱动滚轮的电机转速可调，可满足不同物料的熔融要求，匹配不同的进料速度，使本装置应用更加广泛。

3.本发明装置端盖处安装一个可拆卸的安全罩，且安全罩上周向均布排气孔，方便气体排出，提高安全性，有利于纤维的规整收集。

附图说明

图1为本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置结构示意图。

图2为图1所示结构的熔融出料部分旋转放大图。

图3为图1所示结构的A—A截面放大图。

图中：1-安全罩；2-端盖；3-紧固螺钉；4-外壳；5-支撑板；6-滚筒；7-保温棉；8-隔板；9-加热腔外壳；10-风扇；11-电阻加热丝；12-通气孔；13-通气管；14-滚轮；15-微型高压静电发生器；16-通线孔；17-电极接头；18-送料管；19-针头；20-排气孔；21-金属垫片；22-锥形孔。

具体实施方式

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，如图1所示，其主要包括：安全罩1，端盖2，紧固螺钉3，外壳4，支撑板5，滚筒6，保温棉7，隔板8，加热腔外壳9，风扇10，电阻加热丝11，通气孔12，通气管13，滚轮14，微型高压静电发生器15，通线孔16，电极接头17，送料管18，针头19，排气孔20和金属垫片21。本装置利用丝料进料，丝料缠绕在滚筒6上，两个滚轮14构成滚轮对挤压丝料将其连续送入送料管18中，其中滚轮14连接电机，且电机转速可调，如图3所示；送料管18的内径略大于丝料直径，避免出现丝料在送料管18中弯曲打折现象；气体由风扇10带入装置中，采用风扇10带动气流，少量气体流入加热腔外壳9与外壳4的空隙中，从通气孔12中排出，使装置加速冷却，避免外壳温度过高；其余大部分气体由风扇10带动气流吹入加热腔，经过电阻加热丝11，使得气体温度达到要求，经由通气管13连续稳定供给输送到端盖2和金属垫片21之间的空腔中，且通气管13外加保温棉7隔热保温，减少热量损失，使热空气与针头19充分接触传热，使送料管18与针头19连接处的丝料熔融，其中送料管18与针头19螺纹连接；通气管13和送料管18由支撑板5进行环向固定，外壳4底部和隔板8的阶梯孔对其轴向固定；微型高压静电发生器15通过电极接头17、金属材质的端盖2、金属垫片21以及导线与针头19连接，使针头19携带高压静电，与接地的接收装置在安全罩1内形成电场，利用电场力拉伸细化纤维，其中端盖2、金属垫片21与外壳4通过紧固螺钉3连接。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，传热完毕的热空气通过端盖2底部的锥形孔22与针头19的狭缝中排出，且端盖2底部的锥形孔22，如图2所示，有助于气流与纤维方向一致，有利于纤维直径的进一步细化。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置，端盖2处安装一个可拆卸的安全罩1，如图3所示，通气管13均布并给送料管18留出安装空间，且安全罩上周向均布排气孔20，方便气体排出，提高安全性，有利于纤维的规整收集。

本发明一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，设定空气加热温度为300℃，丝料材质为PLA，滚轮线速度为5mm/min，外置接收面接地且与针头6cm。先打开风扇和电阻加热丝进行预热五分钟，然后打开滚轮电机，保证装置处于持续供料状态。料丝加热成熔融物料后，打开微型高压静电发生器，在高压静电场的作用下，针头处形成射流并拉伸细化形成超细纤维，在接收板上可进行规整收集。

Claims (7)

1.一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其特征在于：包括安全罩、端盖、紧固螺钉、外壳、支撑板、滚筒、保温棉、隔板、加热腔外壳、风扇、电阻加热丝、通气孔、通气管、滚轮、微型高压静电发生器、通线孔、电极接头、送料管、针头、排气孔和金属垫片，外壳上部放置滚筒，丝料缠绕在滚筒上；风扇、加热腔外壳、隔板及电阻加热丝从右到左同轴布置构成加热腔，通气管一端连接加热腔，一端连接金属垫片与端盖之间的空腔，且通气管外加保温棉隔热保温，通气管有多根并沿周向均布；两个由电机驱动转速可调的滚轮相反运动构成滚轮对，滚轮对缝隙中心线与送料管同轴布置，送料管位于滚轮对的左侧，丝料穿过外壳和保温棉经由滚轮对输送入送料管，送料管与针头螺纹连接，所述送料管的内径略大于丝料直径；通气管和送料管由支撑板进行环向固定，外壳底部和隔板的阶梯孔对其轴向固定；安全罩安装在端盖处，端盖中心处有孔，微型高压静电发生器通过电极接头、端盖、金属垫片及导线与针头连接，使针头携带高压静电，与接地的接收板在安全罩内部形成电场，所述端盖、金属垫片与外壳通过紧固螺钉连接；端盖、金属垫片及针头为导电导热材料，外壳、料管和通气管材料为绝缘材料；送料管位于滚轮对的左侧，送料管的端部距离滚轮对1-3cm。

2.根据权利要求1所述的一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其特征在于：端盖底部的孔为锥形孔，锥形孔出气口的面积与通气孔面积和比大于1/2至小于1。

3.根据权利要求1所述的一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其特征在于：端盖底部的孔为锥形孔，在端盖底部加辅助排气孔其面积和加上锥形孔面积与通气孔面积和比大于1/2至小于1。

4.根据权利要求1所述的一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其特征在于：加热腔外壳与外壳之间留有5-20mm空间。

5.根据权利要求1所述的一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其特征在于：外壳、料管和通气管材料为玻璃管、陶瓷管或聚醚醚酮。

6.根据权利要求1所述的一种手持式熔体静电纺丝制备装置，其特征在于：安全罩周向均布斜向气孔。

7.一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，其特征在于：采用权利要求1所述的一种手持式熔体静电纺丝制备装置，利用丝料进料，丝料缠绕在滚筒上，由电机驱动的滚轮将其连续送入送料管中；气体由风扇进入装置中，采用风扇带动气流，少量气体流入隔板与外壳的空隙中，从通气孔中排出，其余大部分气体由风扇带动气流吹入加热腔，经过电阻加热丝，经由通气管连续稳定供给输送到端盖和金属垫片之间的空腔中，与针头接触传热，使针头与送料管连接处的物料熔融，传热完毕的气体以一定的压力喷出端盖锥形孔和针头之间的狭缝；针头携带高压静电，与接地的接收装置在安全罩内形成电场，在电场力的作用下和气流的双重作用下，纤维被拉伸细化，在收集板上被规整收集。

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