CN108532001B - 一种静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝设备，所述静电纺丝设备包括接收筒、分液器、推液装置、高压静电发生装置；所述接收筒具有两端开口、内部中空的圆筒结构，且所述接收筒为水平方向设置的；所述分液器设置在接收筒内部，所述分液器包括分液管和针头，所述分液管与接收筒为同轴心设置，所述针头设置在分液管上，针头与分液管的腔体连通；所述分液管的一端密封另一端开口，分液管的开口一端与推液装置连接，高压静电发生装置与分液器上的针头连接，为静电纺丝提供所需高压电场。本发明的静电纺丝设备通过对接收筒和分液器的结构设计，使得静电纺丝设备的纺丝效率和接收率大大提高，且能够使得纺丝更加均匀，成膜质量提高；同时该设备容易拆卸，方便调整，适应性好。

Description

一种静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及静电纺丝的技术领域，更具体地，涉及一种静电纺丝设备。

背景技术

自1930年Formhals发明静电纺丝技术以来，人们已成功制备各种聚合物纳米纤维并对其性能作了详细研究。静电纺丝技术的基本原理如下：在高压静电场中，聚合物溶液进入并在高场强下充电，带电的液滴受到库仑力、表面张力及溶液间的粘力作用，当液滴受力处于平衡状态时，液滴外观表现为泰勒锥；当库仑力继续增大，液滴的受力平衡被打破，纤维从液滴上抽出并在向收集端运动的过程中不断地分裂为纳米纤维，纳米纤维中的溶液在运动中挥发，形成纳米纤维丝。

在纳米纤维材料的制备方法中，静电纺丝技术具有独特的优点。首先，常规纺丝工业制备的超细纤维最高只能达到微米级别，无法达到精细过滤、多孔支架等许多领域应用中的要求，如在组织工程支架领域，需要更细小直径的纤维以便于机体的降解吸收。应用中的静电纺丝技术制备的纤维直径达到100nm至500nm，可较好的满足应用方面的需求。其次，静电纺丝已被公认是最为简单有效制备纳米纤维的方法，并且该项技术已成功用于多种材料的纳米纤维的制备。最后，采用静电纺丝技术获得的产品具有高孔隙性、高比表面、高渗性等特性，在组织工程、膜工程、传感器、生物芯片等领域得到了广泛的研究与应用。

静电纺丝的接收方式多种多样，如平板接收、转辊接收、转盘接收、飞轮接收、平行电极接收等。不同的接收方式得到的纤维形态不同。而采用转辊外表面进行接收的方式应用是最广泛的，并已逐渐实现产业化生产。目前已有利用静电纺丝制备的多孔支架实现产业化，而该产业化设备正是采用上述转辊接收的方式收集纤维。

虽然转辊式接收的静电纺丝设备已成功实现产业化，但是由于静电纺丝技术的特异性，其收集的效率比较低。具体地，一般在转辊接收过程中，随着电荷在接收辊表面的累计，以及周围电势较低，纤维的收集越来越困难。根据实际的产业化数据统计，转辊接收情况下，接收率仅为40％～60％(按照接收辊上纤维膜的重量/投料量计算)，其有效生产率比较低。而其他接收方式缺陷也比较突出，如平板接收的厚度从中间向周围递减，形成一个圆，圆的直径取决于接收距离，因为厚度的差异性较大，所以可使用的面积不大；转盘接收、平行电极接收的方式其效果如同平板一样；飞轮接收一般情况下得到的线状的纤维条，效率也不高。

因此，开发一种高效率的静电纺丝设备，对于静电纺丝产业化中提高生产效率、降低生产成本具有重要意义。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中静电纺丝效率以及接收率低的缺陷，提供一种高效静电纺丝设备，该设备能够有效提高静电纺丝设备的生产效率和接收率，大大降低了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种静电纺丝设备，包括接收筒、分液器、推液装置、高压静电发生装置；所述接收筒具有两端开口、内部中空的圆筒结构，且所述接收筒为水平方向设置的；所述分液器设置在接收筒内部，所述分液器包括分液管和针头，所述分液管与接收筒为同轴心设置，所述分液管的一端密封另一端开口，所述推液装置与分液管的开口一端与连接，所述针头设置在分液管上且与分液管的腔体连通；高压静电发生装置与分液器上的针头连接，为静电纺丝提供所需高压电场。

该设备在进行静电纺丝时，通过推液装置将静电纺丝液推送到分液管中，其中推液装置可以设计成类似注射器推杆活塞式，也可以设计成螺旋推杆的形式，这样在推进或旋进推液装置时，分液管中的纺丝液在压力作用下从针头挤出，纺丝液在高压静电发生装置的作用下形成纤维并被接收至接收筒的内表面上。相对比平板形接收器和转棍外表面接收器，本发明利用接收筒内表面进行接收的方式对纺丝的接收率要明显提高。同时接收筒的两端设置为开放的开口，可以使纺丝纤维中的溶液快速挥发以形成纤维丝，同时，接收筒及分液管均为水平设置，这样不仅使各针头内的液体压力差异较小，方便控制，同时使得接收到的纤维膜厚度均匀一致。

优选的，接收筒的内径(半径)为20cm～60cm，进一步优选为25cm～40cm。

优选的，所述分液管上设置有多个出液口，所述针头通过所述出液口与分液管可拆卸连接。所述可拆卸连接的方式可以为螺纹连接，也可以为卡接或者其他形式。

进一步的，所述针头的一端是带有螺纹的，所述针头通过所述出液口与分液管螺纹连接并固定在分液管上。

优选的，所述针头的数量可以为多个，任意相邻的两个针头的针尖间距为4cm～10cm，多个针头的出液端距离接收筒内表面的距离相同。针头的排列方式可以是沿着分液管的轴向排成一列，也可以设计成多列，还可以是沿着分液管的轴向外表面呈螺旋形排列或在分液管的周向上呈环形排列。当针头沿着分液管的周向呈环形排列时，同一环形上相邻的两个针头之间的夹角不小于45度，任意相邻的两个针头的针尖间距为4cm～10cm。通过设置多个针头并将针头之间的角度和距离设置在合适的范围内，使得静电纺丝的效率大大提高，同时针头之间的电场相互干扰较小，使得纺丝得到的膜材更均匀。

优选的，所述分液器还包括套设在所述分液管上的套筒，套筒上设置有通孔，所述针头穿过套筒上的通孔并在通孔处与套筒固定连接。这样设置可以使套筒进一步固定及支撑针头并对针头一端起到隔离保护的作用，防止针头折损。进一步优选的，分液管的直径为4cm～8cm，套筒直径为8cm～12cm，且套筒的直径比分液管的直径大4cm。

进一步的，所述针头上设置有带有压力传感器的阀门，优选的，阀门在分液管与套筒之间的针头上，阀门能够根据压力传感器反馈的静电纺丝液的压力值控制阀门的打开与关闭。压力传感器和阀门可分别与控制器连接，通过在控制器上预先设定好压力阈值，当压力传感器测得针头内液体压力达到该压力阈值时，控制器控制阀门打开，完成喷射纺丝液的过程。这样的设计能够控制各针头进行纺丝时的液体压力相同，使得纺丝液的喷射速度以及纤维丝的粗细都基本一致，这样能够进一步的保证纺丝的均匀性，提高静电纺丝纤维膜的质量。

本发明通过将分液器设置为在分液管外设置套筒的双层结构，其中分液管可以用于提供纺丝溶液，套筒有助于进一步固定电纺针头，同时将带有压力传感器的阀门封闭在分液管和套筒的双层结构之间，可以为所有针头供液提供稳定相同的压力，且防止压力传感器和阀门直接裸露在外导致受损或影响寿命。

进一步的，所述静电纺丝设备还包括转动装置，所述转动装置能使接收筒与分液器之间发生相对转动。二者的相对转动能够促使纺丝更加均匀的分布在整个接收筒的内表面上。具体的，可以是仅接收筒转动，分液器不动；或者是分液器转动，接收筒不动；也可以是接收筒和分液器二者向相反的方向转动。优选为接收筒转动，分液器不动的方式，这样的设计不仅方便实现，而且设备的结构简单，不会影响静电纺丝过程中纺丝液的正常推送。具体可以通过在所述接收筒外表面连接皮带或者将接收筒的外表面设置成齿轮形状，再通过皮带或齿轮带动接收筒进行转动。当然本领域的技术人员可以理解的是，也可以设计成其他的转动结构。

优选的，静电纺丝设备可以包括用于支撑接收筒的第一支撑装置，所述第一支撑装置能够支撑接收筒。

进一步的，接收筒可以沿其外表面上设置有环形齿轮，第一支撑装置上设置有与环形齿轮相匹配的驱动齿轮，所述驱动齿轮连接驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述驱动齿轮转动，所述驱动齿轮能够带动环形齿轮转动从而使得接收筒相对于分液器转动。这样驱动齿轮可以同时起到支撑接收筒和带动接收筒转动的作用，简化了设备的结构。环形齿轮可以为单条也可以为多条，优选的，可以为多条均匀分布在接收筒的外表面上。

优选的，接收筒的转速范围为50r/min～1000r/min。

优选的，静电纺丝设备包括用于支撑分液器的第二支撑装置，所述第二支撑装置能够支撑分液器。进一步的，第二支撑装置的支撑高度可调节，这样可以在更换不同直径的接收筒时，通过调节第二支撑装置对分液器的支撑高度，以确保分液管与接收筒是同轴心的。

进一步的，套筒长度与接收筒长度相同，分液管的长度长于套筒，分液管长出套筒的部分与第二支撑装置相连接，第二支撑装置是一个可以调节高度的升降台。第二支撑装置可根据不同的接收筒直径，将分液管支撑至不同的高度，以确保分液管与接收筒是同轴心的。

优选的，接收筒上设置有缝隙，所述缝隙内设置有用于切割静电纺丝纤维的切割刀具。所述切割刀具可以是隐藏在缝隙内的，可以自动弹出和/或沿着接收筒的轴向运动，以在静电纺丝结束后对接收筒内表面上的静电纺丝纤维膜进行切割，这样可以在不损伤接收筒表面的情况下方便将纤维膜取下。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过采用两端开口的接收筒内设置分液器，分液器上分布多个针头的结构，且接收筒与分液器均为水平放置且两者为同轴心设置，使得静电纺丝设备能够大大提高静电纺丝的纺丝效率和接收率；进一步的结合分液器的特殊结构设计能够使得纺丝更加均匀，成膜质量提高；且本发明的静电纺丝设备容易拆卸，方便调整，适应性好。

附图说明

图1是本发明静电纺丝设备的整体结构示意图。

图2是本发明带有套筒的静电纺丝设备的结构示意图。

图3是本发明外表面带有环形齿轮的接收筒的正面及横截面结构示意图。

图4是本发明的分液器的横截面和正面结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种静电纺丝设备，包括圆筒形接收筒1、分液器2、推液装置3、高压静电发生装置4；接收筒1内部为两端开口、圆筒形中空的腔体，且所述接收筒为水平方向设置的；分液器2包括分液管21和针头22，分液管21一端密封另一端开口，分液管21与接收筒1同轴且直径小于接收筒1，推液装置3与分液管21开口一端活动连接，针头22设置在分液管21外部并与分液管21的腔体连通，分液管21内能够装有静电纺丝液，高压静电发生装置4与分液器2上的针头22连接，为静电纺丝提供所需高压电场，推液装置3运动能够使得纺丝液从针头22喷出至接接收筒1内表面上形成静电纺丝纤维膜。

如图2及图4所示，分液器2还可以包括套设在所述分液管21上的套筒24，针头22为多个并沿分液管21及套筒24的外表面呈环形或螺旋形排列，多个针头22的出液端距离接收筒1内表面的距离相同，其中针头22穿过套筒24表面并与套筒24固定连接。

接收筒1的内径(半径)可以为20cm～60cm，优选25cm～40cm。分液管21的直径优选为4cm～8cm，套筒的直径优选为8cm～12cm，套筒的直径比分液管的直径大4cm。分液管21上的针头22可呈环形分布或螺旋形分布，任意两个相邻的针头其针尖间距优选4cm～10cm。

针头22上可以设置有带有压力传感器的阀门23，阀门23设置在分液管21与套筒24之间，阀门23能够根据压力传感器反馈的静电纺丝液的压力值控制阀门23的打开与关闭。

接收筒1能够相对于分液器2转动。

静电纺丝设备可以包括第一支撑装置5，第一支撑装置5能够支撑接收筒1。静电纺丝设备可以包括第二支撑装置6，第二支撑装置6能够支撑分液器2，且第二支撑装置6的支撑高度可调节。针头22可以是可拆卸地安装在分液管上。

如图3所示，圆筒形接收筒1沿其外表面上设置有环形齿轮7(例如接收筒周向上的外表面设置有凸起的卡槽)。第一支撑装置5上设置有与环形齿轮7相匹配的驱动齿轮，所述驱动齿轮连接驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述驱动齿轮转动，所述驱动齿轮能够带动环形齿轮7转动从而使得接收筒1相对于分液器2转动。

套筒24的长度与接收筒1长度相同，分液管21长于套筒24，分液管21长于套筒24的部分与第二支撑装置6相连接，第二支撑装置6是一个可以调节高度的升降台。

接收筒1上设置有缝隙，缝隙内设置有用于切割形成在接收筒内表面上的静电纺丝纤维膜的切割刀具。

实施例一

1)制备分液管直径4cm，套筒直径为8cm的双层结构分液器，分液器上设置有多个针头，所述针头固定在分液管上并穿过套筒表面，所述针头在分液管及套筒表面呈环形分布，分液管及套筒的一个周向上分布8个针头，同一环形上两相邻的针头间的夹角为45度，相邻两个环之间的环间距为6cm，将装配好的分液器安装在第二支撑装置上，其中第二支撑装置为一个升降台。并将分液器与推液装置、高压静电发生装置连接。

2)制备一个内径(半径)为30cm的圆筒形接收筒，并将其安装在第一支撑装置上，第一支撑装置同时为转动装置，并调节第二支撑装置的支撑高度使分液器与接收筒同圆心。

3)称量40g聚己内酯，分子量为22w，溶解在400ml三氟乙醇溶液中，搅拌溶解16h，得到质量溶度为10％的纺丝溶液。

4)将步骤3)中得到的纺丝溶液装入纺丝液大推进器中，所述大推进器与静电纺丝设备中的分液器相连。大推进器为外接的用于储存纺丝溶液的装置。

5)称量40g聚己内酯，分子量为22w，溶解在400ml三氟乙醇溶液中，搅拌溶解16h，得到质量浓度为10％的纺丝溶液。

6)将步骤5)的纺丝溶液装入8支注射器中，将注射器与针头连接后安装在现有技术中普通转辊接收(即以转棍的外表面进行接收)的静电纺丝设备上，并调节接收距离为20cm。作为本发明实施例1的静电纺丝设备的对照。

7)开启本发明所设计的静电纺丝设备和对照组的普通转辊接收静电纺丝设备，调节正高压到28kv，普通转辊接收静电纺丝设备的负高压调节到-3kv。开始静电纺丝。

8)待注射器中的料液推完后，关闭电压。取下本发明设备中接收筒和对照组中普通接收辊上的膜材，并分别进行称量。称量结果为：本发明设备的接收筒上的纤维膜总重量为35.2148g，对照组设备的普通接收辊上的纤维膜总重量为22.7350g。

9)接收率计算：

本发明设备的接收率＝35.2148÷40×100％＝88.037％。

对照组设备的接收率＝22.7350÷40×100％＝56.8375％。

可见，本发明的静电纺丝设备的接收率达到88％，而现有技术中转棍式静电纺丝设备的接收率只有约57％。表明本发明的静电纺丝设备能够显著提高接收率。

实施例二

1)制备分液管直径6cm，套筒直径为10cm的双层结构分液器，分液器上设置有多个针头，所述针头固定在分液管上并穿过套筒表面，所述针头在分液管及套筒表面呈环形分布，分液管及套筒的一个周向上分布6个针头，呈环形分布，同一环形上两相邻的针头间的夹角为60度，相邻两个环之间的环间距为6cm，并将装配好的分液器安装在第二支撑装置上，其中第二支撑装置为一个升降台。并将分液器与推液装置、高压静电发生装置连接。

2)制备一个内径(半径)为36cm的圆筒形接收筒，并将其安装在第一支撑装置上，第一支撑装置同时为转动装置，并调节第二支撑装置使分液管与接收筒同圆心。

3)称量30g聚偏氟乙烯，分子量为17w，溶解在200ml丙酮和二甲基亚砜溶液中，加热到85℃搅拌溶解2h，得到质量浓度为15％的纺丝溶液。

4)将步骤3)中得到的纺丝溶液装入纺丝液大推进器中，所述大推进器与静电纺丝设备中的分液器相连。大推进器为外接的用于储存纺丝溶液的装置。

5)称量30g聚偏氟乙烯，分子量为17w，溶解在200ml丙酮和二甲基亚砜溶液中，加热到85℃搅拌溶解2h，得到质量浓度为15％的纺丝溶液。

6)将步骤5)的纺丝溶液装入8支注射器中，将注射器与针头连接后安装在现有技术中普通转辊接收(即以转棍的外表面进行接收)的静电纺丝设备上，并调节接收距离为24cm。作为本发明实施例2的静电纺丝设备的对照。

7)开启本发明所设计的静电纺丝设备和对照组的普通转辊接收静电纺丝设备，调节正高压到33kv，开始静电纺丝。

8)待注射器中的料液推完后，关闭电压。取下本发明设备中接收筒和对照组设备中普通接收辊上的膜材，并分别进行称量。称量结果为：本发明设备的接收筒上的纤维膜总重量为25.2561g，对照组设备的普通接收辊上的纤维膜总重量为13.1287g。

9)接收率计算：

本发明设备的接收率＝25.2561÷30×100％＝84.187％

对照组设备的接收率＝13.1287÷30×100％＝43.762％

可见，本发明的静电纺丝设备的接收率达到84％，而现有技术中转棍式静电纺丝设备的接收率只有约44％。表明本发明的静电纺丝设备能够显著提高接收率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种静电纺丝设备，其特征在于，包括接收筒(1)、分液器(2)、推液装置(3)、高压静电发生装置(4)；所述接收筒(1)具有两端开口、内部中空的圆筒结构，且所述接收筒为水平方向设置的；所述分液器(2)设置在接收筒(1)内部，所述分液器(2)包括分液管(21)和针头(22)；

所述分液管(21)与接收筒(1)为同轴心设置，所述分液管(21)的一端密封另一端开口，所述推液装置(3)与分液管(21)的开口一端连接；

所述针头(22)为多个并沿着分液管(21)的周向环形分布，所述多个针头的出液端与接收筒(1)内表面的距离相同；且同一环形上相邻的两个针头之间的夹角不小于45度，任意相邻的两个针头的针尖距离为4cm～10cm；

所述针头(22)设置在分液管(21)上并与分液管(21)的腔体连通，所述高压静电发生装置(4)与分液器(2)上的针头(22)连接，为静电纺丝提供所需高压电场；

所述分液器(2)还包括套设在所述分液管(21)上的套筒(24)，所述针头(22)穿过套筒(24)表面并与套筒(24)固定连接；

所述针头(22)上设置有带有压力传感器的阀门(23)，所述阀门(23)设置在分液管(21)与套筒(24)之间，所述阀门(23)能够根据压力传感器反馈的静电纺丝液的压力值控制阀门(23)的打开与关闭。

2.根据权利要求1所述静电纺丝设备，其特征在于，所述分液管(21)上设置有多个出液口，所述针头(22)通过所述出液口与分液管(21)可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述静电纺丝设备，其特征在于，所述针头(22)为多个并沿着分液管(21)的外表面环形或螺旋形排列，所述多个针头的出液端与接收筒(1)内表面的距离相同。

4.根据权利要求1所述静电纺丝设备，其特征在于，所述静电纺丝设备还包括转动装置，所述转动装置能使所述接收筒(1)与分液器(2)之间发生相对转动。

5.根据权利要求1所述静电纺丝设备，其特征在于，所述静电纺丝设备包括用于支撑接收筒的第一支撑装置(5)和用于支撑分液器的第二支撑装置(6)，所述第二支撑装置(6)与分液管(21)相连接，且第二支撑装置(6)的支撑高度可调节。

6.根据权利要求5所述静电纺丝设备，其特征在于，所述接收筒沿其外表面上设置有环形齿轮(7)，所述第一支撑装置(5)上设置有与环形齿轮(7)相匹配的驱动齿轮，所述驱动齿轮连接驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述驱动齿轮转动，所述驱动齿轮能够带动环形齿轮(7)转动从而使得接收筒(1)相对于分液器(2)转动。

7.根据权利要求1所述静电纺丝设备，其特征在于，所述接收筒(1)上设置有缝隙，所述缝隙内设置有用于切割静电纺丝纤维的切割刀具。

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