CN108547005A - 一种机械波干涉静电纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械波干涉静电纺丝装置，主要包括直流高压静电发生器、激振器、储液槽、收卷装置、电极板、导电板、偏心块、流量计、泵、供液槽、信号发生器及功率放大器，其中储液槽水平放置，导电板贴放在储液槽两个相对的内侧面，外侧固定一个偏心块；激振器接在储液槽外侧；信号发生器与功率放大器相连，与激振器并联；激振器传送信号波给储液槽内的纺丝溶液，激发液体产生周期性波动，波干涉产生驻波，当振幅越高，波峰处纺丝溶液越易于在电场下拉伸成丝。调节信号发生器输出信号不同，可使槽内液体作不同类型的周期性谐振波动。通过调节不同频率和振幅，电场力大小等条件可控制槽内纺丝液体的波形和波长等参数，进而控制纤维质量和形貌。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种机械波干涉的静电纺丝装置。
背景技术
随着纳米技术的快速发展，静电纺丝技术也逐渐成为研究的热点。作为纳米纤维主要的制备技术，静电纺丝应用广泛，制备原料包括了各种各样的可溶或可熔的高聚物，可制备出应用于医药、环境、食品等各个领域的纳米纤维产品。
静电纺丝技术的工艺和装置一直是该领域研究的一个热点，传统的针式静电纺丝，产量低且纺出的纳米纤维容易出现直径分布不均匀，纤维不连续等现象。因此，为了克服原有技术的缺陷，并进行大量生产纳米纤维，越来越多的新工艺、新设备被逐渐开发出来。专利CN104963007A公布了一种无针式生产纳米纤维纺丝装置，操作较简便，但易导致纳米纤维直径均匀性较差，纺丝溶液回收困难。因此，如何简化工艺和实验装置，减少原料的浪费，并能大量高效地生产均匀性较好的纳米纤维是目前的一个研究重点。
发明内容
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，目的是提供一种能通过周期性机械波干涉信号传给纺丝溶液，纺丝溶液作周期性振动，在机械波干涉下产生的驻波处产生大量射流的装置。该装置属于无针式静电纺丝装置，避免了传统的针头易堵塞难清洗的缺点，并减少纺丝原料的浪费,可在机械波频率稳定时制备均匀性较好的纳米纤维。
本发明采用的技术方案是：一种机械波干涉静电纺丝装置，主要包括直流高压静电发生器、激振器、储液槽、收卷装置、电极板、导电板、偏心块、流量计、泵、供液槽、信号发生器及功率放大器，其中储液槽水平放置，导电板贴放在储液槽两个相对的内侧面，外侧固定一个偏心块；电极板放置于储液槽正上方8-40cm处，有利于调节电场强度；收卷装置放置于储液槽正上方5-30cm处，且在电极板正下方，收卷装置的尺寸略大于储液槽上侧面，有益于纤维的有序收集；激振器接在储液槽外侧，偏下方；信号发生器与功率放大器相连，与激振器并联；直流高压静电发生器正极与储液槽内侧的导电板相连，负极与电极板相连；流量计安装在泵上，泵一边连接到供液槽，另一边与储液槽相连，供液槽内的纺丝溶液通过泵输送到储液槽，保持纺丝过程中储液槽液面高度的稳定。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，储液槽为正方形，选材为不导电的木质或塑料类材料。形状也可为正多边形，边数为偶数。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，导电板选材最好为导电的不锈钢片，形状为正方形，与储液槽的内侧面尺寸等大，厚度为1-5mm，厚度不宜太大，能实现导电功能即可。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，偏心块侧面面积约为导电板侧面的三分之一，形状不定，可购买市售。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，激振器最好为电动式，频率可调，振幅范围±3～±20mm，使液面有波纹凸起，以实现凸起处在电场下被拉伸出大量的纳米纤维；放置于储液槽的外侧面偏下方，可为一个、两个相对或多个不相对的侧面。此外可在储液槽底面添加一个激振器。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，激振器与储液槽的连接为绝缘连接，激振器输出轴外包裹一层绝缘材料，通过绝缘连接器与储液槽和导电板连接，激振器距离储液槽水平距离约10-40cm，防止高压直流电场的干扰。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，电极板为矩形，与储液槽上侧面等大，厚度1-5mm，选材为铜或铝箔等导电材质。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，信号发生器最好为谐振信号发生器，也可为矩形或者三角波等其他信号发生器。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，泵最好为蠕动泵，也可为其他能连续输送纺丝溶液的泵。
本发明与现有的技术相比具有如下优点：
激振器传送信号波给储液槽内的纺丝溶液，激发液体产生周期性波动，波干涉产生驻波，当振幅越高，波峰处纺丝溶液越易于在电场下拉伸成丝。
调节信号发生器输出信号不同，可使槽内液体作不同类型的周期性谐振波动。通过调节不同频率和振幅，电场力大小等条件可控制槽内纺丝液体的波形和波长等参数，进而控制纤维的质量和形貌。
与单针和多针式静电纺丝装置相比，该静电纺丝装置和工艺简单，便于规模化扩展，避免了喷头易堵塞的现象，进一步提高纤维的均匀性和产量。
附图说明
图1是本发明一种机械波干涉静电纺丝装置的示意图。
图2是本发明一种机械波干涉静电纺丝装置的导电板和偏心块的示意图。
图3是本发明一种机械波干涉静电纺丝装置添加放置一个激振器于储液槽底面时，液面产生的波形示意图。
图4是本发明一种机械波干涉静电纺丝装置的储液槽不同形状、激振器不同安放方式以及液面波形示意图。
图中：1-直流高压静电发生器、2-激振器、3-储液槽、4-收卷装置、5-电极板、6-导电板、7-偏心块、8-流量计、9-泵、10-供液槽、11-信号发生器、12-功率放大器。
具体实施方式
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，装置示意图如图1所示，主要包括直流高压静电发生器1、激振器2、储液槽3、收卷装置4、电极板5、导电板6、偏心块7、流量计8、泵9、供液槽10、信号发生器11、功率放大器12。其中储液槽3水平放置，导电板6贴放在储液槽3两个相对的内侧面，导电板6上固定一个偏心块7；电极板5放置于储液槽3正上方8-40cm处；收卷装置4放置于储液槽3正上方5-30cm处，且在电极板5正下方，收卷装置4的尺寸略大于储液槽3上侧面；激振器2接在储液槽3外侧，偏下方；信号发生器11与功率放大器12相连，与激振器2并联；直流高压静电发生器1放置于储液槽3侧面，正极与导电板6相连，负极与电极板5相连。流量计8安装在泵9上，泵9一边连接到供液槽10，另一边与储液槽3相连，供液槽10内的纺丝溶液通过泵9输送到储液槽3，保持纺丝过程中储液槽3液面高度的稳定。
本发明一种机械波干涉静电纺丝装置，其使用方法步骤为：配置聚合物溶液作纺丝原料，放置于储液槽3内。纺丝时，先开启信号发生器11和功率放大器12，信号波通过激振器2传输到导电板6，导电板6内侧固定一块偏心块7，如图2所示。导电板6上的信号传送到储液槽3内的纺丝溶液，纺丝溶液产生相应的周期性谐振波动，待振幅稳定时转动收卷装置4，开启直流高压静电发生器1开始纺丝，同时开启泵9进行供液，波峰处液面在电场拉伸下和重力作用下进一步被细化，最终接收沉积在收卷装置4处。振幅越大，纳米纤维的直径越小。
储液槽3的底面可添加一个激振器2，于侧面的激振器2平行放置于储液槽3底面，在液体内部同时形成方向垂直的纵波和横波，如图3所示，两种波形纵横交叉干涉增加波峰的高度，当激振器2输出频率相同时，驻波和交叉波大量产生使得纺丝射流数大量增加。储液槽3可设置为正多边形，不相对侧面各安装一个激振器2，如图4所示，储液槽3边数和激振器2数的增加可增加驻波数量和波峰高度，图4(a)、图4(b)和图4(c)激振器2数两量分别为3个、4个和5个，储液槽3分别为正六边形、正八边形和正十边形。
下面结合具体实施案例对本发明做进一步详细阐述。
配置质量分数为8％的聚乙烯醇(PVA)溶液，置于储液槽内，液面为槽高度的四分之三，选用频率为50Hz的信号发生器，调节信号发生器正弦信号sin(x)输出，开启激振器，调节液面振幅稳定约在10mm，转动收卷装置速度约5rpm，开启直流高压静电发生器，收卷装置置于储液槽正上方18cm处，电极收集板在收卷装置正上方5cm处。对纺丝溶液施加40KV的电压，同时开启泵进行供液，并调节流量，驻波处产生大量纳米纤维，在电场拉伸下向上沉积在收卷装置上。液面的波幅和波形稳定时，波干涉产生的驻波随之稳定，因而纳米纤维形貌和直径也相对稳定一致。
Claims (6)
1.一种机械波干涉静电纺丝装置，其特征在于：主要包括直流高压静电发生器、激振器、储液槽、收卷装置、电极板、导电板、偏心块、流量计、泵、供液槽、信号发生器及功率放大器，其中储液槽水平放置，导电板贴放在储液槽两个相对的内侧面，外侧固定一个偏心块；电极板放置于储液槽正上方8-40cm处，有利于调节电场强度；收卷装置放置于储液槽正上方5-30cm处，且在电极板正下方，收卷装置的尺寸略大于储液槽上侧面，有益于纤维的有序收集；激振器接在储液槽外侧，偏下方；信号发生器与功率放大器相连，与激振器并联；直流高压静电发生器正极与储液槽内侧的导电板相连，负极与电极板相连；流量计安装在泵上，泵一边连接到供液槽，另一边与储液槽相连，供液槽内的纺丝溶液通过泵输送到储液槽，保持纺丝过程中储液槽液面高度的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种机械波干涉静电纺丝装置，其特征在于：储液槽选材为不导电的木质或塑料类材料，形状为正多边形，边数为偶数。
3.根据权利要求1所述的一种机械波干涉静电纺丝装置，其特征在于：激振器为电动式，频率可调，振幅范围±3～±20mm，使液面有波纹凸起，以实现凸起处在电场下被拉伸出大量的纳米纤维；放置于储液槽的外侧面偏下方，可为一个、两个相对或多个不相对的侧面。
4.根据权利要求1所述的一种机械波干涉静电纺丝装置，其特征在于：在储液槽底面添加一个激振器。
5.根据权利要求1所述的一种机械波干涉静电纺丝装置，其特征在于：激振器与储液槽的连接为绝缘连接，激振器输出轴外包裹一层绝缘材料，通过绝缘连接器与储液槽和导电板连接，激振器距离储液槽水平距离约10-40cm，防止高压直流电场的干扰。
6.根据权利要求1所述的一种机械波干涉静电纺丝装置，其特征在于：电极板为矩形，与储液槽上侧面等大，厚度1-5mm，选材为导电材质。
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