CN111394806A - 一种立体纤维膜制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种立体纤维膜制备装置及制备方法，该立体纤维膜制备装置包括纺丝沉积组件、承载板和移动平台，纺丝沉积组件包括纺丝喷头、金属件和正极与纺丝喷头连接、负极与金属件连接的高压电源，通过高压电源在纺丝喷头施加正电压，在金属件上施加负电压，纺丝喷头喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流覆盖在承载板上，金属件的针尖处形成集中的电场，在移动平台驱动金属件移动时，金属件顶端持续性的与纤维丝堆积的最高层高度相同，使得纺丝射流稳定的层层堆叠集中沉积在一起，形成立体形状的纤维膜，相对于传统的立体纤维膜制备装置，本发明省去了支架为纤维膜纺丝支撑，并且在立体纤维膜制备完成后，不需要额外的操作程序，工序简单，制造成本低。

Description

一种立体纤维膜制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及纤维膜制备技术领域，具体为一种立体纤维膜制备装置及制备方法。

背景技术

静电纺丝是利用聚合物溶液在高压电场力作用下形成喷射射流进行纺丝加工的一种工艺。利用静电纺丝制备的纤维膜能够达到纳米级别且具有较高的表面质量、长径比等优点，广泛应用在医疗、检测、制药等领域。传统静电纺丝制备纤维膜的接收装置一般为固定金属平板（如专利CN201210142467.0），最终沉积出的纤维膜只具有二维特征，大大限制了纺丝纤维的应用。

传统方法在静电纺丝制备三维立体纤维膜时，则需要利用支撑模板，但支撑模板结构简单，无法制造复杂的三维结构，且前期制备支撑模板增加了制造工序及制造难度，成型后模板与纤维膜分离时易造成产品损伤。发明专利CN108385282提供一种静电纺丝制备立体纤维膜的方法，相对于传统方法省去了支撑模板，但需要预先制备低熔点的金属支架作为对三维纤维膜纺丝支撑，增加了制造的工序和生产成本，并且在三维纤维膜成型后需要溶解金属支架、清洗、烘干等程序，制造过程繁琐。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种立体纤维膜制备装置及制备方法，省去了金属支架，能够降低制造成本，并简化制备工序。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种立体纤维膜制备装置，其包括：

纺丝沉积组件，包括喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流的纺丝喷头，位于所述纺丝喷头正下方、且靠近所述纺丝喷头的一端部为尖刺状的金属件和正极与所述纺丝喷头连接、负极与所述金属件连接的高压电源；

承载板，接地，且位于所述纺丝喷头和所述金属件之间，其顶部开设有供所述金属件穿过的通孔；

移动平台，分别驱动所述承载板和所述金属件升降。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备装置的一种优选方案，其中，所述移动平台包括：

底座；

第一电动伸缩杆，其一端安装在底座的顶部；

第二电动伸缩杆，其一端安装在底座的顶部；

第一支撑板，固定在所述第一电动伸缩杆的另一端，其顶部与所述金属件的底部固定安装；

第二支撑板，固定在所述第二电动伸缩杆的另一端，其顶部与所述承载板的底部固定安装；

其中，所述第二支撑板的顶部开设供所述第一支撑板从其底部贯穿至顶部的通孔。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备装置的一种优选方案，其中，还包括纺丝溶液输送组件，该纺丝溶液输送组件区分为纺丝溶液存储箱和输入口与所述纺丝溶液存储箱连通、排出口与所述纺丝喷头连通的纺丝溶液输送泵。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备装置的一种优选方案，其中，还包括固化剂输送组件，该固化剂输送组件区分为固化剂存储箱和输入口与所述固化剂存储箱连通的固化剂输送泵；

所述金属件为中空结构；

其中，所述固化剂输送泵的输出口与所述金属件通过软管相连通。

一种立体纤维膜制备方法，具体步骤包括：

启动高压电源，设置正极电压为0kV-10kV，负极电压为-10kV-0kV，使纺丝溶液从纺丝喷头处喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流，并覆盖在承载板上；

启动移动平台带动金属件逐渐向上移动，且保持金属件与沉积的纺丝纤维高度相同，引导纺丝射流稳定沉积，最终在承载板上沉积出中空圆柱状立体结构的纤维膜或者启动移动平台带动承载板以0.01mm/s-1mm/s速度逐渐向上移动靠近纺丝喷头，使沉积的纺丝射流逐渐收缩堆积，同时使移动平台带动金属件逐渐向上移动，且保持金属件与沉积的纺丝纤维高度相同，引导纺丝射流稳定沉积，最终在承载板上沉积出锥形中空的立体纤维膜。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备方法的一种优选方案，其中，所述纺丝喷头喷射纺丝射流的步骤为：纺丝溶液输送泵将纺丝溶液存储箱内的纺丝溶液输送至纺丝喷头内，并从纺丝喷头的出口喷出。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备方法的一种优选方案，其中，还包括立体纤维膜固化步骤：在立体纤维膜沉积完成后，使移动平台带动金属件向下移动，同时开启固化剂输送泵，固化剂输送泵将固化剂输送至金属件内，并喷射至立体纤维膜内，使立体纤维膜固化。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备方法的一种优选方案，其中，所述移动平台带动金属件上下移动的方法如下：按动第一电动伸缩杆的伸长按钮或者缩短按钮，第一电动伸缩杆的伸缩端伸长或者缩短，带动第一支撑板上升或者下降，第一支撑板带动金属件逐渐上升或者逐渐下降。

作为本发明所述的一种立体纤维膜制备方法的一种优选方案，其中，所述动平台带动承载板上下移动的方法如下：按动第二电动伸缩杆的伸长按钮或者缩短按钮，第二电动伸缩杆的伸缩端伸长或者缩短，带动第二支撑板上升或者下降，第二支撑板带动承载板逐渐上升或者逐渐下降。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：通过高压电源在纺丝喷头施加正电压，在金属件上施加负电压，纺丝喷头喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流覆盖在承载板上，同时金属件的针尖处形成集中的电场，在移动平台驱动金属件移动时，金属件顶端持续性的与纤维丝堆积的最高层高度相同，使得纺丝射流稳定的层层堆叠集中沉积在一起，形成立体形状的纤维膜，相对于传统的立体纤维膜制备装置，本发明省去了支架为纤维膜纺丝支撑，并且在立体纤维膜制备完成后，不需要额外的操作程序，工序简单，制造成本底。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种立体纤维膜制备装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种立体纤维膜制备装置制备立体纤维膜过程的原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图1-图2示出的是本发明一种立体纤维膜制备装置一实施方式的整体结构示意图和原理图，请参阅图1和图2，本实施方式的一种立体纤维膜制备装置的主体部分包括纺丝沉积组件100、承载板200和移动平台300。

纺丝沉积组件100包括喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流的纺丝喷头110，位于纺丝喷头110正下方、且靠近纺丝喷头110的一端部为尖刺状的金属件120和正极与纺丝喷头110连接、负极与金属件120连接的高压电源130，通过高压电源130在纺丝喷头110施加正电压，使纺丝溶液在纺丝喷喷头110的出口处形成螺旋鞭动的纺丝射流覆盖在承载板200上，并且通过高压电源130在金属件120上施加负电压，由于金属件120的端部为尖刺状，根据电荷尖端效应在金属件120的尖刺部处形成集中的电场，使得纺丝射流稳定的堆叠集中沉积在一起，在本实施方式中，通过纺丝溶液输送组件400为纺丝喷头110持续的输送纺丝溶液，具体的，该纺丝溶液输送组件400包括纺丝溶液存储箱410和纺丝溶液输送泵420，纺丝溶液输送泵420的输入口与纺丝溶液存储箱410连通，纺丝溶液排出口与纺丝喷头110连通，在使用时，纺丝溶液输送泵420将纺丝溶液存储箱410内的纺丝溶液输送至纺丝喷头110内，并从纺丝喷头110的出口喷出，作为优选，该纺丝溶液输送泵420选用雷弗TYD01-02注射泵，纺丝喷头110选用普通工业用不锈钢平头点胶针头，其内径范围为30μm-1500μm，具体在本实施方式中，其内径为40μm，纺丝溶液为PEO溶液，20%浓度，溶剂为水和酒精。

承载板200接地，位于纺丝喷头110和金属件120之间，用于承载纺丝射流，形成立体纤维膜，该承载板200的顶部开设有供金属件120穿过的通孔，使金属件120能够穿过承载板200，持续性的在承载板200的上端形成形成集中的电场，使得纺丝射流稳定的在承载板200上层层堆叠集中沉积在一起。

移动平台300用于驱动承载板200和金属件120升降，并使金属件120的顶端持续性的与纤维丝堆积的最高层高度相同，具体的，在本实施方式中，移动平台300包括底座310、第一电动伸缩杆320、第二电动伸缩杆330、第一支撑板340和第二支撑板350，第一电动伸缩杆320和第二电动伸缩杆330的一端均安装在底座310的顶部，第一支撑板340固定在第一电动伸缩杆320的另一端，其顶部与金属件120的底部固定安装，第二支撑板350固定在第二电动伸缩杆330的另一端，其顶部与承载板200的底部固定安装，在使用时，通过按动第一电动伸缩杆320的伸长按钮或者缩短按钮，使第一电动伸缩杆320的伸缩端伸长或者缩短，带动第一支撑板340上升或者下降，进而使第一支撑板340带动金属件120逐渐上升或者逐渐下降；通过按动第二电动伸缩杆330的伸长按钮或者缩短按钮，使第二电动伸缩杆330的伸缩端伸长或者缩短，带动第二支撑板350上升或者下降，进而第二支撑板350带动承载板200逐渐上升或者逐渐下降。

进一步的，在本实施方式中，该立体纤维膜制备装置还包括固化剂输送组件500，该固化剂输送组件500包括固化剂存储箱510和输入口与固化剂存储箱510连通的固化剂输送泵520，并且在本实施方式中，将金属件120设计为中空结构，固化剂输送泵520的输出口与金属件120通过软管相连通，在纺丝射流在承载板200上集中沉积形成立体纤维膜后，使移动平台300带动金属件120在立体纤维膜内逐渐向下移动，并同时打开固化剂输送泵520，将固化剂存储箱510内的固化剂持续性的输送至金属件120内，并通过金属件120喷射在立体纤维膜内，进一步加速立体纤维膜的固化，缩短速立体纤维膜的固化时间。

本发明还提供一种立体纤维膜制备方法，下面将通过两种对立体纤维膜的具体的制备实例对上述立体纤维膜制备装置的具体工作过程和本立体纤维膜制备方法作具体的描述。

立体纤维膜制备实例1

S1：启动高压电源130，设置正极电压为+1.6kV，负极电压为-1.2kV，使纺丝溶液从纺丝喷头110处喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流，并覆盖在承载板200上，具体的，纺丝喷头110喷出的纺丝射流通过纺丝溶液输送泵420从纺丝溶液存储箱410内持续性的向纺丝喷头110内输送，该纺丝溶液输送泵420流量为0.02mL/min，纺丝溶液存储箱410内的纺丝溶液的浓度为20%。

S2：启动移动平台300带动金属件120逐渐向上移动，且保持金属件120与沉积的纺丝纤维高度相同，引导纺丝射流稳定沉积，最终在承载板200上沉积出中空圆柱状立体结构的纤维膜。

立体纤维膜制备实例2

S1：启动高压电源130，设置正极电压为+1.6KV，负极电压为-1.2kV，使纺丝溶液从纺丝喷头110处喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流，并覆盖在承载板200上，具体的，纺丝喷头110喷出的纺丝射流通过纺丝溶液输送泵420从纺丝溶液存储箱410内持续性的向纺丝喷头110内输送，该纺丝溶液输送泵420流量为0.02mL/min，纺丝溶液存储箱410内的纺丝溶液的浓度为20%。

S2：启动移动平台300带动承载板200以0.05mm/s速度逐渐向上移动靠近纺丝喷头110，使沉积的纺丝射流逐渐收缩堆积，同时使移动平台300带动金属件120逐渐向上移动，且保持金属件120与沉积的纺丝纤维高度相同，引导纺丝射流稳定沉积，最终在承载板200上沉积出锥形中空的立体纤维膜。

在上述立体纤维膜制备实例1和立体纤维膜制备实例2的步骤S2完成后，还可以使移动平台300带动金属件120在立体纤维膜内逐渐向下移动，并同时打开固化剂输送泵520，将固化剂存储箱510内的固化剂持续性的输送至金属件120内，并通过金属件120喷射在立体纤维膜内，进一步加速立体纤维膜的固化，缩短速立体纤维膜的固化时间。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种立体纤维膜制备装置，其特征在于，包括：

纺丝沉积组件(100)，包括喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流的纺丝喷头(110)，位于所述纺丝喷头(110)正下方、且靠近所述纺丝喷头(110)的一端部为尖刺状的金属件(120)和正极与所述纺丝喷头(110)连接、负极与所述金属件(120)连接的高压电源(130)；

承载板(200)，接地，且位于所述纺丝喷头(110)和所述金属件(120)之间，其顶部开设有供所述金属件(120)穿过的通孔；

移动平台(300)，分别驱动所述承载板(200)和所述金属件(120)升降。

2.根据权利要求1所述的一种立体纤维膜制备装置，其特征在于，所述移动平台(300)包括：

底座(310)；

第一电动伸缩杆(320)，其一端安装在底座(310)的顶部；

第二电动伸缩杆(330)，其一端安装在底座(310)的顶部；

第一支撑板(340)，固定在所述第一电动伸缩杆(320)的另一端，其顶部与所述金属件(120)的底部固定安装；

第二支撑板(350)，固定在所述第二电动伸缩杆(330)的另一端，其顶部与所述承载板(200)的底部固定安装；

其中，所述第二支撑板(350)的顶部开设供所述第一支撑板(340)从其底部贯穿至顶部的通孔。

3.根据权利要求1所述的一种立体纤维膜制备装置，其特征在于，还包括纺丝溶液输送组件(400)，该纺丝溶液输送组件(400)区分为纺丝溶液存储箱(410)和输入口与所述纺丝溶液存储箱(410)连通、排出口与所述纺丝喷头(110)连通的纺丝溶液输送泵(420)。

4.根据权利要求1所述的一种立体纤维膜制备装置，其特征在于，还包括固化剂输送组件(500)，该固化剂输送组件(500)区分为固化剂存储箱(510)和输入口与所述固化剂存储箱(510)连通的固化剂输送泵(520)；

所述金属件(120)为中空结构；

其中，所述固化剂输送泵(520)的输出口与所述金属件(120)通过软管相连通。

5.一种立体纤维膜制备方法，采用如权利要求1-4任一项所述的一种立体纤维膜制备装置制备，具体步骤包括：

启动高压电源(130)，设置正极电压为0kV-10kV，负极电压为-10kV-0kV，使纺丝溶液从纺丝喷头(110)处喷射形成螺旋鞭动的纺丝射流，并覆盖在承载板(200)上；

启动移动平台(300)带动金属件(120)逐渐向上移动，且保持金属件(120)与沉积的纺丝纤维高度相同，引导纺丝射流稳定沉积，最终在承载板(200)上沉积出中空圆柱状立体结构的纤维膜或者启动移动平台(300)带动承载板(200)以0.01mm/s-1mm/s速度逐渐向上移动靠近纺丝喷头(110)，使沉积的纺丝射流逐渐收缩堆积，同时使移动平台(300)带动金属件(120)逐渐向上移动，且保持金属件(120)与沉积的纺丝纤维高度相同，引导纺丝射流稳定沉积，最终在承载板(200)上沉积出锥形中空的立体纤维膜。

6.根据权利要求5所述的一种立体纤维膜制备方法，其特征在于，所述纺丝喷头(110)喷射纺丝射流的步骤为：纺丝溶液输送泵(420)将纺丝溶液存储箱(410)内的纺丝溶液输送至纺丝喷头(110)内，并从纺丝喷头(110)的出口喷出。

7.根据权利要求1所述的一种立体纤维膜制备方法，其特征在于，还包括立体纤维膜固化步骤：在立体纤维膜沉积完成后，使移动平台(300)带动金属件(120)向下移动，同时开启固化剂输送泵(520)，固化剂输送泵(520)将固化剂输送至金属件(120)内，并喷射至立体纤维膜内，使立体纤维膜固化。

8.根据权利要求5所述的一种立体纤维膜制备方法，其特征在于，所述移动平台(300)带动金属件(120)上下移动的方法如下：按动第一电动伸缩杆(320)的伸长按钮或者缩短按钮，第一电动伸缩杆(320)的伸缩端伸长或者缩短，带动第一支撑板(340)上升或者下降，第一支撑板(340)带动金属件(120)逐渐上升或者逐渐下降。

9.根据权利要求1所述的一种立体纤维膜制备方法，其特征在于，所述动平台(300)带动承载板(200)上下移动的方法如下：按动第二电动伸缩杆(330)的伸长按钮或者缩短按钮，第二电动伸缩杆(330)的伸缩端伸长或者缩短，带动第二支撑板(350)上升或者下降，第二支撑板(350)带动承载板(200)逐渐上升或者逐渐下降。

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