CN109913957A - 一种驻波微分静电纺丝装置 - Google Patents

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张有忱
陈晓青
李好义
许浩
陈明军
丁玉梅
杨卫民
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Abstract

本发明公开一种驻波微分静电纺丝装置，包括信号发生器、接收板、纤维束、直流高压静电发生器、驻波辅助装置、纺丝弦、储液槽、驻波发生器、气流辅助机、供液罐、气流通道和通气孔。频率发生器与驻波发生器相连，纺丝弦固定在储液槽的两侧壁面处，纺丝弦的一端与驻波发生器相连，另一端连接驻波辅助装置与高压静电发生器，储液槽正上方放置一块纤维接收板，接收板一侧通过导线接地，纤维束从纺丝弦的波峰区域产生。本发明装置通过驻波发生器和频率调节器控制琴弦驻波的形态和数量进行静电纺丝，纺丝弦的驻波波峰处容易形成大量泰勒锥，降低了静电纺丝的阈值电压，提高了纺丝过程的操作安全性。成本低，操作简便，可用于纳米纤维的工业化生产。

Description

一种驻波微分静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种驻波微分式静电纺丝装置。
背景技术
目前，静电纺丝技术是被公认为最具有工业化应用价值的纳米纤维生产技术。静电纺丝技术是溶液或熔体在高压静电场下被强力拉伸产生射流，最后固化成纤维并沉积在接收板上的过程。传统的单针式静电纺丝生产效率较低，且针头易堵塞难清洗。多针头并列的静电纺丝技术一定程度上提高了生产效率，但是生产量仍然有限，且容易存在电场干扰现象。
无针式静电纺丝技术因其具备避免针头易堵塞和电场干扰的优势备受关注。近年来，研究者们提出了旋转圆盘式、链轮式、弯曲凹槽式等多种无针静电纺丝装置和技术生产纳米纤维。中国专利CN 201510650659.6公布了一种多孔柔性管无针静电纺丝装置，采用液压装置进料，使用多孔弹性管与蛇皮金属软管相结合的复合柔性管作为射流喷射器，该装置解决了传统针头易堵塞的问题，但是柔性管上的小孔容易弹动使溶液射流方向稳定性差，对纤维的形貌和直径的控制也存在一定的局限性。
发明内容
本发明提出一种驻波微分静电纺丝装置，通过驻波发生器和信号发生器控制琴弦驻波的形态和数量进行静电纺丝，琴弦作为动态稳定的纺丝喷头替代传统旋转盘和针头式喷头，降低纺丝的阈值电压，进一步提高了纺丝过程的操作安全性，相比传统单射流有针纺丝，不仅解决了产量低和针头易堵塞的问题，同时可以实现对纤维直径和形态的控制。该纺丝装置结构简单、易扩展、生产效率高，适宜于溶液的大批量静电纺丝。
本发明采用的技术方案是一种驻波微分静电纺丝装置，包括信号发生器、接收板、纤维束、直流高压静电发生器、驻波辅助装置、纺丝弦、储液槽、驻波发生器、气流辅助机、供液罐、气流通道和通气孔，信号发生器与驻波发生器相连，位于储液槽左侧，纺丝弦固定在储液槽的两侧壁面处，纺丝弦的一端与驻波发生器相连，另一端连接驻波辅助装置与高压静电发生器，储液槽正上方5-30cm处放置一块纤维接收板，接收板一侧通过导线接地，储液槽右侧可添加一个气流辅助机，通过气流通道与储液槽内部相连通。调节驻波发生器使纺丝弦产生驻波运动，纤维束从纺丝弦的波峰区域产生。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，信号发生器的可调振幅为0-20mm，频率调节范围为0-2000Hz，频率数值可连续调节。可输出正弦、余弦或复合函数等信号。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，纺丝弦的材质为导电的金属材质，可为钢、铜或金等导电的柔软金属线。弦的直径范围0.1-3mm，具有一定的抗拉强度和弹性模量，同时长期使用不会生锈。控制纺丝弦的长度、张紧力和弦密度可以控制纺丝弦的固有频率。纺丝弦安装在储液槽两上侧面，一端固定，另一端可调松紧，距离槽顶面范围5-10mm处。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，驻波辅助装置频率可调范围在500-2000Hz，可产生微小的振动波，可与原有驻波发生干扰，在原来驻波上产生大量的小型干扰波。驻波辅助装置可选用扬声激振器，微波产生器等等。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，模块化扩展后，阵列三个驻波发生器并联调控三排纺丝弦产生动态稳定的驻波运动进行静电纺丝，可调节纺丝弦相位相错，以二分之一个相位相互错开，提高驻波在空间上的连续性，有助于在接收板上收集一层均匀厚度的纤维薄膜。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，接收板通过导线接地，接收板在储液槽正上方5-30cm，通过调节接收板与纺丝弦之间的距离可得到不同直径和表面形态的电纺纤维。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，储液槽外框均为有机玻璃(PMMA)等不导电高分子聚合物材质，槽壁厚5-12mm，高度5-8cm。储液槽侧壁内挖空一条空心通道，四条平行的上侧壁面均匀开若干个通气孔，孔直径约2-6mm。四条空心通道通过右边一条不开孔的空心通道集合连通。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，气流辅助机与储液槽外框的气流通道相连，气流流速可调为0.1-30m/s。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，供液罐安放在储液槽左侧壁内，容积范围0.2-2L，材质采用不导电材料，避免电场干扰现象。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，其优点如下:
(1)通过信号发生器和驻波发生器调节纺丝弦的运动状态，蘸液后在纺丝弦的驻波波峰处可产生大量溶液射流，可通过调节频率、振幅、纺丝弦的张紧力和材质等参数改变驻波形态，比如波长、波幅等，进而控制纤维成形的形貌和直径。相比于传统静电纺丝技术，可进一步提高产量，并解决了针头易堵塞的现象。
(2)该装置可通过模块化扩展，阵列三个驻波发生装置并联调控三排纺丝弦产生动态稳定的驻波运动进行静电纺丝，产量可观。
(3)三个储液槽可放置不同的聚合物纺丝溶液，同时通过调节纳米纤维接收板的形状可制备有取向排列的复合多功能纳米纤维膜。
(4)利用气流辅助机在聚合物纺丝的过程中对纳米纤维进行细化辅助。该装置可提供多种聚合物同时进行复合纳米纤维膜纺丝的需要，该纺丝装置结构简单、易扩展、生产效率高，适宜于溶液的大批量静电纺丝。
附图说明
图1是本发明一种驻波微分静电纺丝装置的示意图。
图2是图1所示的纺丝过程中驻波的形态示意图。a为纺丝弦静止时的状态，b为纺丝弦作驻波运动时的状态，c为驻波在驻波辅助装置的辅助波下的状态。
图3是图1所示的三条纺丝弦模块化扩展的示意图。
图4是图3所示的储液槽外框内壁面气流空心通道的分布状态。
图中：1-信号发生器，2-接收板，3-纤维束，4-直流高压静电发生器，5-驻波辅助装置，6-纺丝弦，7-储液槽，8-驻波发生器，9气流辅助机，10供液罐，11气流通道，12通气孔。
具体实施方式
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，装置示意图如图1所示，主要包括信号发生器1、接收板2、纤维束3、直流高压静电发生器4、驻波辅助装置5、纺丝弦6、储液槽7、驻波发生器8、气流辅助机9、供液罐10、气流通道11和通气孔12。信号发生器1与驻波发生器8相连，放置在储液槽7左侧，纺丝弦6固定在储液槽7的两侧壁面处，一端与驻波发生器8相连，另一端连接驻波辅助装置5与直流高压静电发生器4。纺丝弦6安装在储液槽7上侧面，距离槽顶面范围5-10mm处。纺丝弦6两端分别距离驻波发生器4，驻波辅助装置5与高压静电发生器4至少20cm，纺丝弦6一端在驻波发生器8连接处可调节纺丝弦6的张力。储液槽7正上方5-30cm处放置一块纤维接收板2，接收板2一侧通过导线接地，纤维束3从纺丝弦6的驻波波峰区域产生。储液槽7右侧可添加一个气流辅助机9，通过气流通道11与储液槽7内部相连通。
本发明一种驻波微分静电纺丝装置，其具体操作步骤为：配置聚合物溶液放置于储液槽7内作为纺丝溶液，液面距离纺丝弦7下表面2-15mm。调节好纺丝弦的张紧力度，打开信号发生器1和驻波发生器8，调节纺丝弦6作预期频率和振幅的驻波运动。必要时打开驻波辅助装置5，进一步调节驻波与辅助波叠加后的运动形态。接收板2接地，直流高压静电发生器4连接在纺丝弦6一端。纺丝时，打开直流高压静电发生器4，施加一定的电压，同时，可开启气流辅助机，调节一定的气流流量，气流通过如图4所示气流通道，从通气孔12往上吹，可进一步辅助细化纤维。纺丝弦6在驻波动态运动过程中源源不断的蘸取储液槽7内的纺丝溶液，纺丝弦6上悬挂的溶液微滴在驻波波峰区域内的高压静电场作用下形成大量泰勒锥，并被强力拉伸成纤维束，最后固化沉积在接收板2上。
本发明的一个具体实施例，如图3所示，分别配制PLA、PVA和功能纳米银溶液放置于三个供液罐内，打开频率调节器和驻波发生器，分别调节频率为50Hz，20Hz，120Hz。待纺丝弦作如图2所示的某一个动态稳定的驻波运动时，打开直流高压静电发生器，施加25KV的电压。打开气流辅助机，调节气流流速为3m/s。调节纤维收集装置在储液槽外框正上方18cm处，电极板放置于纺丝弦上方10mm处。从每个储液槽激发的溶液射流在高压静电场作用下拉伸成丝，固化并收集在接收板上，制备得到复合多功能纳米纤维膜。

Claims (9)

1.一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：包括信号发生器、接收板、纤维束、直流高压静电发生器、驻波辅助装置、纺丝弦、储液槽、驻波发生器、气流辅助机、供液罐、气流通道和通气孔，信号发生器与驻波发生器相连，位于储液槽左侧，纺丝弦固定在储液槽的两侧壁面处，纺丝弦的一端与驻波发生器相连，另一端连接驻波辅助装置与高压静电发生器，储液槽正上方放置一块纤维接收板，接收板一侧通过导线接地，调节驻波发生器使纺丝弦产生驻波运动，纤维束从纺丝弦的波峰区域产生；纺丝弦的材质为导电的金属材质；储液槽外框和供液罐均为不导电高分子聚合物材质；储液槽右侧放置一个气流辅助机，通过气流通道与储液槽内部相连通。
2.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：储液槽正上方5-30cm处放置一块纤维接收板。
3.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：信号发生器的振幅为0-20mm，频率调节范围为0-2000Hz。
4.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：纺丝弦的材质为钢、铜或金的柔软金属线，弦的直径范围0.1-3mm，具有一定的抗拉强度和弹性模量，同时长期使用不会生锈。
5.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：纺丝弦安装在储液槽两上侧面，一端固定，另一端可调松紧，距离槽顶面范围5-10mm处。
6.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：驻波辅助装置频率范围在500-2000Hz，产生微小的振动波，与原有驻波发生干扰，在原来驻波上产生大量的小型干扰波，驻波辅助装置选用扬声激振器或微波产生器。
7.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：阵列三个驻波发生器并联调控三排纺丝弦产生动态稳定的驻波运动进行静电纺丝，纺丝弦相位相错，以二分之一个相位相互错开，提高驻波在空间上的连续性。
8.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：储液槽外框均为有机玻璃，槽壁厚5-12mm，高度5-8cm，储液槽侧壁内挖空一条空心通道，四条平行的上侧壁面均匀开若干个通气孔，孔直径约2-6mm，四条空心通道通过右边一条不开孔的空心通道集合连通。
9.根据权利要求1所述的一种驻波微分静电纺丝装置，其特征在于：气流辅助机与储液槽外框的气流通道相连，气流流速为0.1-30m/s。
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