CN109750361A - 多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置 - Google Patents

Abstract

多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，属于电纺纤维喷射实验领域，为了解决对喷射流的运动行为及微观形态都会有所改变对问题，励磁线圈，呈圆环柱形紧密排列磁箱的内部，由电、磁支撑台的磁箱支撑部分固定，磁箱为管状结构，置放于电纺喷头下方，磁箱有圆形孔，励磁线圈的连线过圆形孔与控制面板相连接；极板共有12块，每三块呈半封闭三角形状态放置于励磁线圈下部，效果是引入电场的静电纺丝过程中电场对多喷射流作用，喷射流的运动行为及微观形态都会有所改变。

Description

多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置

技术领域

本发明属于电纺纤维喷射实验领域，涉及一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置。

背景技术

随着纳米科技的飞速发展,纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点,并在电子、机械、生物医学、化工、纺织等产业领域得到一定的应用，通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一，而静电纺丝技术是当今制备纳米纤维最简单有效的一种方法,所产生的纳米纤维具有众多优点,是未来发展的前景。静电纺丝的形成过程为：在聚合物溶液上加以足够大的高压静电，使聚合物滴液在与材料表面接触的时候能够产生喷射流。这些细流经过拉伸细化，与此同时经过弯曲、固化过程，沉积在物体表面形成纳米纤维膜。在静电纺丝工艺中，影响静电纺丝纤维形貌和性质的工艺变量主要为聚合物溶液的流体特性、纺丝工艺参数以及环境参数三个方面，聚合物溶液的流体特性主要为溶液的相对分子质量、相对分子质量分布、聚合物溶液的粘性、电导率、表面张力等特性参数；纺丝工艺参数主要为高分子溶液浓度、静电纺丝流体的流动速率、电场以及电场强度、毛细喷丝口与收集板之间的距离、收集板状态；环境参数主要为纺丝加工环境的温度和空气流动速度等，上述参数对静电纺丝工艺过程都起着决定性作用。但在传统的多针头电纺工艺过程中,由于高压电场的引入，使聚合物溶液粘度和表面张力有所改变，导致聚合物溶液射流在电场、力场和流场的共同作用下发生螺旋形式的不稳定鞭动运动。进而,由于多针头间电场存在强烈的相互干扰作用，使呈不稳定鞭动运动的射流出现多股并丝现象,严重影响纳米纤维沉积的均匀性和质量；而且传统多喷头纺丝实验对各溶液比例控制很难满足工艺要求，纺丝效率极其低下，同时多喷头并排纺丝时，由于同种电荷的排斥力作用，喷射流运动轨迹很难控制。

发明内容

本发明为了解决对喷射流的运动行为及微观形态都会有所改变对问题，提出如下技术方案：

一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，主要由电纺喷头、励磁线圈、磁箱、极板、收集板、驱动电机、收集装置支撑臂、电纺喷头固定装置、支撑台、同步电机、控制面板；电纺喷头置放于电纺喷头固定装置，电纺喷头共有4个，每个电纺喷头由电纺喷头固定装置固定，电纺喷头固定装置由固定杆、横向杆、以及十字固定轴组成，固定杆连接横向杆，横向杆连接十字固定轴，十字固定轴连接十字固定杆，十字固定杆是两轴交叉呈十字，使得4个电纺喷头呈十字对称分布，且随动十字固定轴转动；励磁线圈2，呈圆环柱形紧密排列磁箱的内部，由电、磁支撑台的磁箱支撑部分固定，磁箱为管状结构，置放于电纺喷头下方，磁箱有圆形孔，励磁线圈的连线过圆形孔与控制面板相连接；极板共有12块，每三块呈半封闭三角形状态放置于励磁线圈下部，由非金属材料将其固定成半密闭空间，在极板外部表面附有一层绝缘体，每个极板通入相应伏安数的电压，改变喷射流运动轨迹的位置；磁箱支撑部分包括固定杆横向杆、以及十字固定轴，固定杆连接横向杆，横向杆连接十字固定轴，，且所述的十字固定轴在竖向的不同高度分别连接磁箱十字固定杆和极板十字固定杆，且磁箱十字固定杆和极板十字固定杆随动十字固定轴转动，磁箱十字固定杆连接4个磁箱，极板十字固定杆连接4组极板；同步电机为励磁线圈提供励磁励磁电流，控制面板用于选择同步电机提供的励磁电流。

进一步的，收集板表面覆有一层锡纸收集电纺纤维。

进一步的，驱动电机为步进电机，由驱动电机支架固定，收集装置驱动电机、装置支撑臂驱动电机，收集装置驱动电机驱动收集装置转动，装置支撑臂驱动电机移动装置支撑臂的位置。

进一步的，收集装置支撑臂固定于底座，主要由T型可伸缩式结构支撑杆以及收集装置组成，收集装置由转轴与横向支撑杆相接，可伸缩式结构支撑杆与横向支撑杆相接，横向支撑杆通过转轴与收集板连接。

进一步的，收集装置由驱动电机带动旋转，使落入收集板上的纺丝纤维分布均匀，支撑杆由装置支撑臂驱动电机带动，调节收集装置位置，使落在收集板上的电纺纤维呈排列式分布。

进一步的，电、磁支撑台是由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，为L型结构固定于底座，主要分为磁箱支撑部分、极板支撑部分以及支撑台部分，电、磁支撑部分为十字式，共用同一横向杆，横向杆的长度与电纺喷头固定装置的横向杆的长度一致。

进一步的，底座置于纺丝实验台或纺丝工艺台，用于固定收集装置支撑臂，电纺喷头固定装置以及电、磁支撑台。

有益效果：该装置通过对收集装置的改进以及对磁场、电场的控制，将磁场、电场引入到静电纺丝过程中，从而控制喷射流的运动过程，电场的分布直接对纺丝过程的控制效果产生影响。与传统多喷头静电纺丝过程相比，引入电场的静电纺丝过程中电场对多喷射流作用，喷射流的运动行为及微观形态都会有所改变，主要为以下几个方面：(1)引入磁场后，带电喷射流受到一个促使其旋转的作用力，喷射流仍然围绕着喷丝口的轴线做旋转运动，此时的旋转运动是在向心洛伦兹力的引导下进行，这样使得喷射流的旋转具有一定的可控性和规律性；(2)外加磁场对喷射流有作用力，主要产生两个方向的作用力:径向方向和轴向方向。径向方向的作用力促使喷射流的旋转半径减小，轴向方向的作用力促使向下运动，进一步起到了稳定喷射流旋转运动的作用；(3)引入磁场后，在洛仑兹力的作用下，喷射流内部的大分子链进一步取向排列，排列更加紧密有序；(4)引入电场之后，喷射流的位置可根据调节极板通入电源的大小，改变喷射流运动位置，确保喷射流准确落入收集装置；(5)当喷射流落到收集装置上时，高速旋转的收集装置可进一步对电纺纤维拉伸细化；(6)比在进行不同比例的溶液进行纺丝时，可通过设置推进装置力的大小来改变各溶液间的比例；(7)该装置有四路电纺喷头同时工作，且在收集板上的电纺纤维可均匀混合，纺丝效率较高。

附图说明

图1装置示意图

图2磁箱示意图

图3电、磁支撑台示意图

图4底座装置示意图

具体实施方式

本发明是一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置。通过对收集装置的改进以及将可控磁场、电场引入到静电纺丝过程中，以较低的成本实现了对多喷头带电喷射流运动过程的轨迹控制，并且，在此过程中可收集到多种不同材料比列的电纺纤维，提高了纺丝纤维收集的效率及纺丝纤维的质量。

多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置由电纺喷头1、励磁线圈2、磁箱3、极板4、收集板5、驱动电机6、收集装置支撑臂7、电纺喷头固定装置8、电、磁支撑台9、同步电机10、控制版面11，底座12等部分组成。

电纺喷头1置放于电纺喷头固定装置8，主要负责各种溶液，使溶液在电场的作用下喷出。在本装置中，电纺喷头共有4个，每个电纺喷头由电纺喷头固定装置8固定，呈十字对称分布，减小电荷之间排斥力的作用。

励磁线圈2，呈圆环柱形紧密排列磁箱3内部，由电、磁支撑台9的磁箱支撑部分固定，主要负责提供空间磁场。

磁箱3为管状结构，是一种由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的高分子化合物材料，该材料具有较好的透明性、化学稳定性、力学性能、耐候性和易于加工等优点，置放于电纺喷头1下方。磁箱3中间部有两个直径为3cm的圆形孔洞，励磁线圈2可经过该空洞与控制版面11相连接。

极板4共有12块，每三块呈半封闭三角形状态放置于励磁线圈下部，由非金属材料将其固定成半密闭空间，在极板外部表面附有一层绝缘体，进行纺丝实验时，将每个极板通入相应伏安数的电压，主要用于改变喷射流运动轨迹的位置。

收集板5表面覆有一层锡纸，主要用于收集电纺纤维。在通常情况下，该收集板直径大于十字固定轴82长度，在进行纺丝实验时，收集板置放于收集装置72上，并可根据实验要求进行更换。

驱动电机6为步进电机，由驱动电机支架固定，主要分为收集装置驱动电机61、装置支撑臂驱动电机62，其中收集装置驱动电机61主要负责驱动收集装置转动；装置支撑臂驱动电机62主要负责移动装置支撑臂的位置。

收集装置支撑臂7固定于底座12，主要由T型可伸缩式结构支撑杆71以及收集装置72组成，其中收集装置由转轴73与支撑杆相接。在进行纺丝实验时，收集装置由驱动电机61带动旋转，使落入收集板上的纺丝纤维分布均匀，支撑杆由装置支撑臂驱动电机62带动，主要负责调节收集装置位置，使落在收集板上的电纺纤维呈排列式分布。

电纺喷头固定装置8由固定杆81以及十字固定轴82组成，固定于底座12主要负责固定电纺喷头，并可根据静电纺丝实验要求，调节电纺喷头位置。

电、磁支撑台9是由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，具有硬度高、抗腐蚀性好等优点，为L型结构固定与底座12。主要分为磁箱支撑部分、极板支撑部分以及支撑台部分，其中，电、磁支撑部分为十字式设计，其长度与十字固定轴82长度相同，主要负责固定磁箱以及极板。

同步电机10主要负责为励磁线圈2提供励磁励磁电流，使之产生空间磁场，改变静电纺丝工艺过程中喷射流受力情况。

控制版面11主要用于选择同步电机提供的励磁电流大小以及控制同步电机的运行。

底座12置于纺丝实验台或纺丝工艺台，主要用于固定收集装置支撑臂7，电纺喷头固定装置8以及电、磁支撑台9。

在常规的多喷头电纺纤维实验装置中喷射针头与收集板形成正负电压，带电电纺溶液从针头中喷射出来，落在收集板上，由于静电纺丝过程中多股喷射流下落过程中的不稳定性，导致了在纺丝过程中容易出现纤维结构单一、不均匀等后果，而且静电纺丝过程耗时较长，一次纺丝实验只能得出一种电纺纤维，纺丝效率低下。一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射装置由电纺喷头、磁箱、励磁线圈、极板、收集板、驱动电机、装置支撑臂、电纺喷头固定装置、电、磁支撑台等部分组成。电纺喷头由其固定装置固定，在纺丝实验开始之前，可根据纺丝实验要求调节电纺喷头高度；同步电机主要为励磁线圈提供励磁电流，使之产生均匀分布的空间磁场，可通过控制版面选择励磁电流大小，从而调节磁场强度，其中励磁线圈紧密排列于磁箱内部，由电、磁支撑台上侧固定，放置于电纺喷头下方，电纺喷头调节至磁箱圆心处；极板呈半封闭三角形状态由电、磁支撑台下侧固定，放置于磁箱下方，其位置应与磁箱位置分别对应，并由电源箱为其提供电源；装置支撑臂放置于极板下方，其中收集装置圆心位于电纺喷头轴心处。在静电纺丝工艺开始之前，首先调节电纺喷头至工艺要求高度，其次通过调节电、磁支撑台高度，分别调节极板高度以及磁箱高度，将收集板覆上一层锡纸，放置并固定于收集装置上。完成上述操作后，用电源线将收集板与高压电源的负极相连，电纺纤维的喷射针头电源正极相连接，进而保证了收集板与针头之间形成了促使电纺纤维喷射正负电压。然后，根据工艺要求将极板通入相应伏安的正电源，并在控制版面上选择选择励磁电流大小，一般通过调节励磁电流进一步调节磁场强度，磁场分布情况并不会改变，当励磁电流分别为I＝1A；2A；3A；4A时，励磁线圈中心区域水平面的磁场强度分别为：3.8×10^-5T；7.5×10^-5T；1.1×10^-4T；1.5×10^-4T。最后，分别启动收集装置驱动电机、装置支撑臂驱动电机，当驱动电机进入稳定运行状态时，打开电纺喷头推进装置，静电纺丝工艺开始。

在进行不同比例的溶液进行纺丝，例如溶液比例为3:3:2:2时，可通过设置推进装置力的大小来改变各溶液间的比例，当电纺喷头进行工作时，喷射流首先经过磁场，此时喷射流受到一个促使其旋转的洛伦兹力，这样使得喷射流的旋转具有一定的可控性和规律性，此外，外加磁场对喷射流主要产生两个方向的作用力:径向方向和轴向方向，径向方向的作用力促使喷射流的旋转半径减小，轴向方向的作用力促使向下运动，进一步起到了稳定喷射流旋转运动的作用。然后，喷射流经磁场进入电场，由于各极板通入的电压大小各部相同，此电压可改变带电喷射流位置，并使各喷射流可均匀落到收集板。因电纺喷头距收集板位置较高，且下落期间受洛伦兹力作用，可使喷射流呈线型落到收集板上，同时，收集装置呈高速旋转状态，可进一步对纺丝纤维拉伸细化，并使得不同材料的纤维进行混合，此外，装置支撑臂进行水平位置上的缓慢移动，进一步扩大纤维接收面积，并使纺丝纤维均匀、紧密排列。

一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验通过对收集装置的改进以及对磁场、电场的控制，将磁场、电场引入到静电纺丝过程中，进而控制喷射流的运动过程。高速旋转且缓慢移动的收集装置可使不同比例的纺丝纤维进行均匀混合，使纤维紧密排列。磁场以及电场的引入可改变喷射流运动轨迹，使喷射流运动轨迹趋向于平稳运动。

一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验方法，根据纺丝实验要求调节电纺喷头高度，同步电机为励磁线圈提供励磁电流，使之产生均匀分布的空间磁场，通过控制面板选择励磁电流大小，调节磁场强度；

调节电、磁支撑台高度，分别调节极板高度以及磁箱高度，将收集板覆上一层锡纸，放置并固定于收集装置上，电源线将收集板与高压电源的负极相连，电纺纤维的喷射针头与电源正极相连接；

根据工艺要求将极板通入相应伏安的正电源，并在控制版面上选择选择励磁电流大小，分别启动收集装置驱动电机、装置支撑臂驱动电机，当驱动电机进入稳定运行状态时，打开电纺喷头推进装置，静电纺丝工艺开始；

在进行不同比例的溶液进行纺丝，当电纺喷头进行工作时，喷射流首先经过磁场，喷射流受到一个促使其旋转的洛伦兹力，外加磁场对喷射流产生两个方向的作用力:径向方向和轴向方向，径向方向的作用力促使喷射流的旋转半径减小，轴向方向的作用力促使向下运动，稳定喷射流旋转运动；

喷射流经磁场进入电场，各极板通入的电压大小各部相同，电压改变带电喷射流位置，并使各喷射流可均匀落到收集板。

进一步的，励磁线圈紧密排列于磁箱内部，由电、磁支撑台上侧固定，放置于电纺喷头下方，电纺喷头调节至磁箱圆心处；极板呈半封闭三角形状态，由电、磁支撑台下侧固定，放置于磁箱下方，其位置与磁箱位置分别对应，并由电源箱为其提供电源；装置支撑臂放置于极板下方，收集装置的圆心位于电纺喷头轴心处；

进一步的，电纺喷头距收集板位置较高，且下落期间受洛伦兹力作用，使喷射流呈线型落到收集板上，同时，收集装置呈高速旋转状态对纺丝纤维拉伸细化，并使得不同材料的纤维进行混合，装置支撑臂进行水平位置上的缓慢移动，扩大纤维接收面积，并使纺丝纤维均匀、紧密排列。

进一步的，通过调节励磁电流进一步调节磁场强度，磁场分布情况并不会改变，当励磁电流分别为I＝1A；2A；3A；4A时，励磁线圈中心区域水平面的磁场强度分别为：3.8×10^-5T；7.5×10^-5T；1.1×10^-4T；1.5×10^-4T。

上述实施方式是实现本装置功能的具体实施例,本领域的普通技术人员可以理解，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变。

Claims (7)

1.一种多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，主要由电纺喷头、励磁线圈、磁箱、极板、收集板、驱动电机、收集装置支撑臂、电纺喷头固定装置、支撑台、同步电机、控制面板；电纺喷头置放于电纺喷头固定装置，电纺喷头共有4个，每个电纺喷头由电纺喷头固定装置固定，电纺喷头固定装置由固定杆、横向杆、以及十字固定轴组成，固定杆连接横向杆，横向杆连接十字固定轴，十字固定轴连接十字固定杆，十字固定杆是两轴交叉呈十字，使得4个电纺喷头呈十字对称分布，且随动十字固定轴转动；励磁线圈，呈圆环柱形紧密排列磁箱的内部，由电、磁支撑台的磁箱支撑部分固定，磁箱为管状结构，置放于电纺喷头下方，磁箱有圆形孔，励磁线圈的连线过圆形孔与控制面板相连接；极板共有12块，每三块呈半封闭三角形状态放置于励磁线圈下部，由非金属材料将其固定成半密闭空间，在极板外部表面附有一层绝缘体，每个极板通入相应伏安数的电压，改变喷射流运动轨迹的位置；磁箱支撑部分包括固定杆横向杆、以及十字固定轴，固定杆连接横向杆，横向杆连接十字固定轴，，且所述的十字固定轴在竖向的不同高度分别连接磁箱十字固定杆和极板十字固定杆，且磁箱十字固定杆和极板十字固定杆随动十字固定轴转动，磁箱十字固定杆连接4个磁箱，极板十字固定杆连接4组极板；同步电机为励磁线圈提供励磁励磁电流，控制面板用于选择同步电机提供的励磁电流。

2.如权利要求1所述的多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，收集板表面覆有一层锡纸收集电纺纤维。

3.如权利要求1所述的多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，驱动电机为步进电机，由驱动电机支架固定，收集装置驱动电机、装置支撑臂驱动电机，收集装置驱动电机驱动收集装置转动，装置支撑臂驱动电机移动装置支撑臂的位置。

4.如权利要求1所述的多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，收集装置支撑臂固定于底座，主要由T型可伸缩式结构支撑杆以及收集装置组成，收集装置由转轴与横向支撑杆相接，可伸缩式结构支撑杆与横向支撑杆相接，横向支撑杆通过转轴与收集板连接。

5.如权利要求1所述的多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，收集装置由驱动电机带动旋转，使落入收集板上的纺丝纤维分布均匀，支撑杆由装置支撑臂驱动电机带动，调节收集装置位置，使落在收集板上的电纺纤维呈排列式分布。

6.如权利要求1所述的多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，电、磁支撑台是由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，为L型结构固定于底座，主要分为磁箱支撑部分、极板支撑部分以及支撑台部分，电、磁支撑部分为十字式，共用同一横向杆，横向杆的长度与电纺喷头固定装置的横向杆的长度一致。

7.如权利要求1所述的多溶液配比的电纺纤维可控电磁场喷射实验装置，其特征在于，底座置于纺丝实验台或纺丝工艺台，用于固定收集装置支撑臂，电纺喷头固定装置以及电、磁支撑台。