CN109825885B - 基于可控复杂电场的静电纺丝实验方法 - Google Patents

Abstract

基于可控复杂电场的静电纺丝实验方法，属于电纺纤维实验领域，为了解决提高静电纺丝的效率的问题，在纺丝工艺过程中，根据不同工艺要求，调节驱动电机转速大小，从而调节电场转速以及电纺喷头转速；在进行纺丝工艺时，根据工艺要求选择电纺喷头位置及角度，极板固定杆由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，经过阳极氧化处理的铝镁合金表面形成一层氧化膜，在极板通入直流电时做绝缘体，效果是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。

Description

基于可控复杂电场的静电纺丝实验方法

技术领域

本发明属于电纺纤维实验领域，涉及一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置。

背景技术

近几年来，纳米材料的研究成为一个热点问题，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，国内外针对静电纺丝技术开展了深入的研究。与传统的分离与拉伸方式相比，静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控、在纳米纤维的提取上具有更为明显的有效性等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。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。电纺纤维批量化生产技术是未来静电纺丝技术研究的一个重要方向，国内外研究者纷纷对静电纺丝装置进行了改进研究，以期提高电纺纤维的产量。其中，同时利用多个喷嘴进行静电纺丝成为一个研究热点，有多股喷射流同时从不同的喷丝口喷射出来，落到同一个收集板。由于喷射流自身所具有非稳定摆动特性，导致喷射流之间会产生影响，每股喷射流之间互相交错，收集到的纤维分布具有任意性。

发明内容

为了解决提高静电纺丝的效率的问题，本发明提出如下技术方案：一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验方法，电纺喷头上端置于电纺喷头转动杆凹槽内，并可在凹槽内平稳滑动，中间部分由伸缩杆固定于电纺喷头转动杆底面，该伸缩杆用于调节电纺喷头与电纺喷头转动杆底面角度，在纺丝工艺过程中，根据不同工艺要求，调节驱动电机转速大小，从而调节电场转速以及电纺喷头转速；在进行纺丝工艺时，根据工艺要求选择电纺喷头位置及角度，极板固定杆由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，经过阳极氧化处理的铝镁合金表面形成一层氧化膜，在极板通入直流电时做绝缘体，极板固定杆一端接有滑轮组置于双扇形圆轨外层凹槽内，由电机带动滑轮组滑行，双极板为伸缩式结构，在通入直流电源时，用于调节电场空间的大小。

进一步的，在纺丝工艺开始前，根据电纺纤维材质的特点、喷射要求以及工艺要求选择驱动电机是否工作，并调节极板固定杆以及电纺喷头角度、位置，选择合适的电场空间大小，调节极板高度，并使两个极板高度相同，确保所形成的电场均匀稳定，如两电纺喷头所放有不同电性电荷的溶液，两喷头应呈对放状态，将距正电荷较近的极板通入正电源，距负电荷较近的极板通入负电源，通入电源的两极板之间会产生均匀分布的空间电场，喷射流经过电场落到收集板。

有益效果：该装置通过电场控制的静电纺丝过程，来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。在静电纺丝过程开始之前，调节两电纺喷头之间的距离以及两喷头和电纺喷头转动杆间的角度。以两电纺喷头所放有不同电性电荷的溶液为例，两喷头之间应呈对放状态，将距正电荷较近的极板通入正电源，距负电荷较近的极板通入负电源，通入电源的两极板之间会产生均匀分布的空间电场，喷射流经过电场落到收集板；如两种溶液所带电荷相同，两喷头之间呈竖直状态，两个极板都应通入负电源，与传统的静电纺丝过程相比，引入电场的静电纺丝过程中电场对双喷射流作用，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)引入电场后，由于电场做匀速旋转运动，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电场力的引导下进行，这样使得喷射流的旋转具有一定的可控性和规律性。

(2)带不同电荷喷射流受到外加电场的作用力，并且不同电性电荷所受的电场力方向相反；进一步，两中不同电性电荷的溶液所喷出的喷射流在电场力的作用下，可形成交织网格状新型结构；带相同电荷的溶液由于和极板有吸引力的作用，可防止两股喷射流之间互相交错。

(3)引入电场后，喷射流的摆动幅度减小，相应的损耗能量减小，促使喷射流的运动速度进一步增加，纤维直径相应减小。

(4)此外，两种电纺溶液带相同电荷情况下，在静电纺丝过程中，当接地针式辅助电极逐渐靠近两个电纺喷头时，两个喷头会同时产生多股喷射流，极大提高了静电纺丝的效率。

附图说明

图1是引入电场的静电纺丝过程中电场对双喷射流作用对比图；

图2是装置示意图；

图3是电纺喷头固定示意图；

图4是极板固定杆连接示意图；

图5是传动装置示意图。

具体实施方式

本发明是一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置。通过简洁、实用的机械结构设计，将可控旋转复合电场引入到静电纺丝过程中，以较低的成本实现了对双喷头带电喷射流运动过程的轨迹控制，提高了纺丝纤维收集的效率及纺丝纤维的质量。

所述基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置由传动装置1、驱动电机2、电纺喷头3、双极板4、极板固定杆5、针式辅助电极、收集板7、电机支撑架8、伸缩杆9等部分组成。

传动装置1主要为钛镁合金材料组成，具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收等诸多优点，其表面附有一层绝缘橡胶，可防止极板在通入直流电源时对空间磁场产生影响。传动装置1是由转轴11、转动杆12两部分组成，其中转轴11为上下两层设计，其上层为圆环柱形设计，下层为两直径不同的同心圆柱设计；其中转动杆12为贯穿式凹槽设计，分为极板转动杆与电纺喷头转动杆，分别对称固定于转轴的上下层，主要用于固定并调节极板及电纺喷头位置。

驱动电机2为两个步进电机，固定于电机支撑架，分别负责传动装置中转轴的上下结构转动。

电纺喷头3主要负责各种溶液，使溶液在电场的作用下喷出。

双极板4分为两层伸缩式结构设计，可根据静电纺丝过程中工艺要求，选择合适极板高度。在双极板分别通入直流电源时，两极板之间会产生均匀分布的空间电场。

极板固定杆5为杆状结构，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，极板固定杆主要负责放置并支撑极板，其一端接有滑轮组置于双扇形圆轨外层凹槽内，可由电机带动滑轮组滑行。

针式辅助电极置于两电纺喷头中间位置处，可由推送装置上下移动，在做同种电性电荷溶液电纺工艺时，辅助电极在靠近电纺喷头的过程中可使电纺喷头喷出多股喷射流，以提高电纺效率。

收集板7表面覆有一层锡纸，主要用于收集电纺纤维。

电机支撑架8主要负责支撑电机。

伸缩杆9主要负责连接电纺喷头与扇形圆轨内层底面，用于调节电纺喷头与扇形圆轨内层底面之间角度。

具体技术内容：

在常规的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只有一个喷头工作，纺丝效率及其低下，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。一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置由传动装置、驱动电机、电纺喷头、双极板、极板固定杆、针式辅助电极、收集板等部分组成。其中传动装置由钛镁合金材料组成，具有有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收等诸多优点，其表面附有一层绝缘橡胶，可防止极板在通入直流电源时对空间电场产生影响。电纺喷头上端置于电纺喷头转动杆凹槽内，并可在凹槽内平稳滑动，中间部分由伸缩杆固定于电纺喷头转动杆底面，该伸缩杆主要用于调节电纺喷头与电纺喷头转动杆底面角度。在纺丝工艺过程中，可根据不同工艺要求，调节驱动电机转速大小，从而调节电场转速以及电纺喷头转速。在进行纺丝工艺时，可根据工艺要求选择电纺喷头位置及角度。极板固定杆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，此外，经过阳极氧化处理的铝镁合金表面形成一层氧化膜，在极板通入直流电时，可做良好的绝缘体。极板固定杆一端接有滑轮组置于双扇形圆轨外层凹槽内，可由电机带动滑轮组滑行。双极板为伸缩式结构，在通入直流电源时，可用于调节电场空间的大小。一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置，在纺丝工艺开始前，应根据电纺纤维材质的特点、喷射要求以及工艺要求选择驱动电机是否工作，并调节极板固定杆以及电纺喷头角度、位置，选择合适的电场空间大小，调节极板高度，并使两个极板高度相同，以确保所形成的电场均匀稳定。如两电纺喷头所放有不同电性电荷的溶液，两喷头应呈对放状态，如图所示，将距正电荷较近的极板通入正电源，距负电荷较近的极板通入负电源，通入电源的两极板之间会产生均匀分布的空间电场，喷射流经过电场落到收集板。与传统的静电纺丝过程相比，引入电场的静电纺丝过程中电场对双喷射流作用，喷射流受电场力的作用，其运动行为及微观形态都会有所改变。如两种溶液所带电荷相同，两喷头之间呈平行状态竖直方置，如图1所示，两个极板都应通入负电源或接地，带相同电荷的溶液由于和极板有吸引力的作用，可防止两股喷射流之间互相交错，同时在静电纺丝过程中，针式辅助电极接地，并逐渐向电纺喷头靠近，在某一位置处，两个喷头会同时产生多股喷射流，极大提高了静电纺丝的效率。

所述基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置以控制静电纺丝过程中喷射流运动的不稳定性以及纺丝产量较低为目的，利用电场来控制喷射流运动轨迹，解决多股喷射流交错绞缠问题，并利用辅助电极使电纺喷头喷出多股喷射流，以提高纺丝产量。

一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验装置，包括传动装置、驱动电机、电纺喷头、双极板、极板固定杆、针式辅助电极、收集板、电机支撑架、伸缩杆，传动装置表面附有一层绝缘橡胶，传动装置是轴承，轴承外围被连接在两个双扇形圆轨之间，两个双扇形圆轨，各圆轨的下端面连接极板固定杆，极板连接在极板固定杆以随动极板固定杆在圆轨的扇形移动而转动，轴承内围的顶部段、底部段分别伸出轴承外围的上端面、下端面，伸出的轴承内围的顶部段与驱动电机通过传送带连接，传送带围绕在其上的槽内，伸出的轴承内围的底部段具有同轴外围，且该外围与所述轴承外围是间断的，且该外围两侧连接两个扇形圆轨，所述扇形圆轨可滑动连接电纺喷头。

进一步的，所述的双极板分为两层，是上下伸缩式结构调整极板高度，在双极板分别通入直流电源，两极板之间产生均匀分布的空间电场。

进一步的，极板固定杆为杆状结构，由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，极板固定杆主要负责放置并支撑极板，其一端接有滑轮组，滑轮组置于双扇形圆轨的凹槽内，由电机带动滑轮组在凹槽内滑行以形成扇形轨迹。(且滑轮组的滑轮头贯穿凹槽，并位于扇形圆轨的顶面的表面之上而滑动)。

进一步的，伸缩杆连接在电纺喷头，且伸缩杆为倾斜向下的可伸缩杆，电纺喷头一端接有滑轮组，滑轮组置于扇形圆轨的凹槽内，以在凹槽内滑动，且伸缩杆被联动，伸缩杆连接电纺喷头与扇形圆轨的内层底面，用于调节电纺喷头与扇形圆轨内层底面之间角度。(所述的凹槽，是开在扇形圆轨的内槽，且滑轮组的滑轮头位于内槽，沿着内槽壁滑动)。

进一步的，驱动电机为两个步进电机，固定于电机支撑架，分别负责传动装置中转轴的上下结构转动。

进一步的，收集板表面覆有一层锡纸，主要用于收集电纺纤维，电机支撑架主要负责支撑电机。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于可控复杂电场的静电纺丝实验方法，其特征在于，传动装置为钛镁合金材料组成，其表面附有一层绝缘橡胶，防止极板在通入直流电源时对空间磁场产生影响；传动装置是由转轴、转动杆两部分组成，其中转轴为上下两层设计，其上层为圆环柱形设计，下层为两直径不同的同心圆柱设计；其中转动杆为贯穿式凹槽设计，分为极板转动杆与电纺喷头转动杆，分别对称固定于转轴的上下层，用于固定并调节极板及电纺喷头位置；驱动电机为两个步进电机，固定于电机支撑架，分别负责传动装置中转轴的上下结构转动；电纺喷头上端置于电纺喷头转动杆凹槽内，并在凹槽内平稳滑动，电纺喷头的中间部分由伸缩杆固定于电纺喷头转动杆底面，该伸缩杆用于调节电纺喷头与电纺喷头转动杆底面角度，在纺丝工艺过程中，根据不同工艺要求，调节驱动电机转速大小，从而调节电场转速以及电纺喷头转速；在进行纺丝工艺时，根据工艺要求选择电纺喷头位置及角度，极板固定杆由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，经过阳极氧化处理的铝镁合金材料表面形成一层氧化膜，在极板通入直流电时做绝缘体，极板固定杆一端接有滑轮组置于双扇形圆轨外层凹槽内，由电机带动滑轮组滑行，双极板为伸缩式结构，在通入直流电源时，用于调节电场空间的大小。

2.如权利要求 1 所述的基于可控复杂电场的静电纺丝实验方法，其特征在于，在纺丝工艺开始前，根据电纺纤维材质的特点、工艺要求选择驱动电机是否工作，并调节极板固定杆以及电纺喷头角度、位置，选择合适的电场空间大小，调节极板高度，并使两个极板高度相同，确保所形成的电场均匀稳定，两电纺喷头所放有不同电性电荷的溶液，两喷头应呈对放状态，将距正电荷较近的极板通入正电源，距负电荷较近的极板通入负电源，通入电源的两极板之间会产生均匀分布的空间电场，喷射流经过电场落到收集板。

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