CN111926397A - 一种静电纺丝装置及纺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于静电纺丝的技术领域，公开了一种静电纺丝装置，包括推进机构，所述推进机构用于通过控制活塞芯杆在注射器的针筒内部的移动，将存储在注射器内部的纺丝溶液送入喷嘴中，所述喷嘴设置在喷丝平板上，所述喷丝平板与移动机构相连，所述移动机构用于控制喷丝平板沿收丝滚筒的轴线方向移动，以及调节喷丝平板与收丝滚筒之间的距离，所述收丝滚筒的两端均设置在调节机构上，所述调节机构用于调节收丝滚筒与喷丝平板之间高度差。还公开了一种静电纺丝装置的纺丝方法。

Description

一种静电纺丝装置及纺丝方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝的技术领域，尤其涉及一种静电纺丝装置及纺丝方法。

背景技术

静电纺丝是一种电流体动力学过程，液滴被带电产生射流，然后进行拉伸和伸长以产生纤维。在静电纺丝过程中，由于表面张力，液体会从喷丝平板中挤出，产生悬垂液滴，在带电时，同种表面电荷之间的静电排斥将液滴变形为泰勒锥，从中喷射出带电的射流，射流最初沿直线延伸，然后由于弯曲不稳定性而经历剧烈的拉伸运动，随着射流拉伸成更细的直径，它会迅速凝固，导致固体纤维沉积在接地的收集器上。静电纺丝技术作为一种简单有效的新型纺丝加工方法，在空气净化、水处理、新能源、生物医疗等领域发挥着巨大的作用。

静电纺丝技术为了满足多方面的应用需求，纺丝纤维的有序性、纺丝纤维的厚度、接收的可控性等要求也越来越高。为了获得均匀有序的纺丝纤维，目前，通常采用滚筒接收、带有绝缘端口的导电板接收等，然而现有的静电纺丝装置由于发射位置固定，往往会出现纤维堆积问题，收集的纤维排列次序混乱，可控性较差，同时，发射位置和收集器之间的距离不可调，很难在同一装置上实现多种不同类型的纤维纺丝。

发明内容

本发明提供了一种静电纺丝装置及纺丝方法，解决了现有静电纺丝设备容易出现纤维堆积、很难在同一装置上实现多种不同类型的纤维纺丝等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种静电纺丝装置，包括推进机构，所述推进机构用于通过控制活塞芯杆在注射器的针筒内部的移动，将存储在注射器内部的纺丝溶液送入喷嘴中，所述喷嘴设置在喷丝平板上，所述喷丝平板与移动机构相连，所述移动机构用于控制喷丝平板沿收丝滚筒的轴线方向移动，以及调节喷丝平板与收丝滚筒之间的距离，所述收丝滚筒的两端均设置在调节机构上，所述调节机构用于调节收丝滚筒与喷丝平板之间高度差。

进一步，所述移动机构包括X轴移动机构和Y轴移动机构，所述X轴移动机构包括第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠沿收丝滚筒的轴线方向设置，其两端分别对应设置在第一U形板的两端，其丝杠螺母位置设置有滑台，所述滑台通过旋转机构与连接板的一端相连，所述连接板的另一端与喷丝平板相连，所述旋转机构用于带动喷丝平板以连接板的一端为圆心，以连接板的长度为半径做圆周运动，从而对喷丝平板与收丝滚筒的相对位姿进行微调，

所述第一滚珠丝杠的一端穿过第一U形板的端部与第一电动机的输出轴相连，所述第一电动机用于带动第一滚珠丝杠绕其轴线方向转动，

所述第一U形板设置在Y轴移动机构上，所述Y轴移动机构用于带动第一U形板沿垂直于收丝滚筒的轴线方向移动，从而调节喷丝平板与收丝滚筒之间的距离。

进一步，所述旋转机构包括平行设置在滑台的顶面上的两个耳朵，每个所述耳朵上均设置有通孔，所述连接板呈倾斜设置，其一端设置有通孔，传动轴依次穿过滑台上一个耳朵的通孔、连接板一端的通孔和另一个耳朵的通孔，将它们转动地连接在一起。

进一步，所述推进机构包括第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的两端分别对应设置在第二U形板的两端，其丝杠螺母位置设置有推进板，所述推进板与活塞芯杆的裸露端相连，所述针筒与第二U形板端部的支撑板的接触位置设置有弧形凹口，所述弧形凹口与针筒的外形配合，所述第二滚珠丝杠的一端穿过第二U形板的端部与第二电动机的输出轴相连，所述第二电动机用于带动第二滚珠丝杠绕其轴线方向转动。

进一步，所述针筒的针孔通过软管与喷嘴连通。

进一步，所述调节机构包括平行设置的两个支撑架，所述支撑架均包括配合设置的上支架和下支架，两者通过内嵌的伸缩杆连接在一起，所述上支架的顶部与收丝滚筒的端部连接，所述收丝滚筒的一端与第三电动机的输出轴连接，所述第三电动机用于带动收丝滚筒绕其轴线方向转动，

通过伸缩杆的伸张和收缩，带动上支架远离或者靠近下支架，从而调节收丝滚筒的高度。

一种基于上文所述的静电纺丝装置的纺丝方法，包括以下步骤：

步骤一、根据纺丝溶液的特性和纺丝要求，利用Y轴移动机构、旋转机构和调节机构调整喷丝平板与收丝滚筒之间的相对位姿；

步骤二、设置第二电动机的转速，控制注射器内部的纺丝溶液通过软管注射到喷嘴内部的注射量，设置第一电动机、第三电动机的转速，确保从喷嘴喷出的纺丝射流能够均匀地沉积在收丝滚筒上；

步骤三、打开第一电动机、第二电动机和第三电动机，开始纺丝作业。

本发明有益的技术效果在于：

1、采用滚筒方式收集静电丝纤维，收丝滚筒可设置不同的转速，能够收集到排列取向程度不同的丝纤维膜，随着收集滚筒转速增大，丝纤维直径减小，丝纤维主取向角的方差减小，即丝纤维取向角分布更为集中，丝纤维排列取向程度更高；收丝滚筒牵伸作用并不会使丝纤维内部产生新的结晶结构，单轴拉伸力学测试表明，沿收丝滚筒滚动方向的丝纤维膜断裂应力增大、断裂应变减小，而垂直滚筒转动方向的丝纤维膜呈现断裂应力减小，断裂应变增大的趋势，同时，借助移动机构中的X轴移动机构控制喷丝平板沿收丝滚筒4的轴线方向移动，实现对整个收丝滚筒表面的喷丝，提高了静电纺丝效率。

2、利用移动机构中Y轴移动机构、旋转机构以及调节机构实现对喷丝平板与收丝滚筒之间相对位姿的调节，从而是纺丝溶剂蒸发足够的飞行时间，沉积干燥的纤维束，提高纺丝质量。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

其中，1-活塞芯杆，2-针筒，3-喷丝平板，4-收丝滚筒，5-第一滚珠丝杠，6-第一U形板，7-第一电动机，8-滑台，9-连接板，10-第二滚珠丝杠，11-第二U形板，12-第二电动机，13-推进板，14-支撑架，15-伸缩杆，16-第三电动机。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种静电纺丝装置，包括推进机构，该推进机构用于通过控制活塞芯杆1在注射器的针筒2内部的移动，将存储在注射器内部的纺丝溶液送入喷嘴中，该喷嘴设置在喷丝平板3上，该喷丝平板3与移动机构相连，该移动机构用于控制喷丝平板3沿收丝滚筒4的轴线方向移动，以及调节喷丝平板3与收丝滚筒4之间的距离，该收丝滚筒4的两端均设置在调节机构上，该调节机构用于调节收丝滚筒4与喷丝平板5之间高度差。这样，借助移动机构控制喷丝平板3沿收丝滚筒4的轴线方向移动，实现对整个收丝滚筒4表面的喷丝，提高了静电纺丝效率；采用滚筒方式收集静电丝纤维，收丝滚筒可设置不同的转速，能够收集到排列取向程度不同的丝纤维膜，提高了接收到的纤维排列有序程度；同时，还可以利用移动机构和调节机构实现对喷丝平板3与收丝滚筒4之间相对位姿的调节，从而是纺丝溶剂蒸发足够的飞行时间，沉积干燥的纤维束，提高纺丝质量。

总所周知，在静电纺丝过程中，纺丝针头与收集器的间距会影响到电场的强度和纺丝液溶剂的挥发，从而影响到纺丝纤维的直径。如果电压保持恒定，则电场强度将与距离成反比。在一般的静电纺丝装置中，该距离范围为10cm至15cm，这通常允许溶剂蒸发足够的飞行时间，从而沉积干燥的纤维束，如果距离太短使得溶剂不充分蒸发，则可能形成熔合纤维，因此，根据纺丝溶液的特性、电场强度等实际情况，需要设计一些传动机构如本发明的移动机构和调节机构调整纺丝针头和收集器之间距离或者相对位姿，以确保得到符合要求的纺丝纤维。

具体地，该移动机构包括X轴移动机构和Y轴移动机构，该X轴移动机构用于控制喷丝平板3沿收丝滚筒4的轴线方向即X轴方向移动，包括第一滚珠丝杠5，该第一滚珠丝杠5沿收丝滚筒4的轴线方向设置，其两端分别对应设置在第一U形板6的两端，该第一U形板6包括一个横板，其两端各设置一个竖板，第一滚珠丝杠5的一端穿过一个竖板与第一电动机7的输出轴相连，另一端通过轴承设置在另一个竖板内部，在第一滚珠丝杠5的丝杠螺母位置设置有滑台8，还可以设置两个与第一滚珠丝杠5平行的光杆，它们分别穿过滑台8的左右两侧，其端部固定在第一U形板6的竖板上，该滑台8通过旋转机构与连接板9的一端相连，该连接板9的另一端与喷丝平板3相连，这样，第一电动机7带动设置在滑台8上喷丝平板沿收丝滚筒4的轴线方向移动，同时也会使滑台8在两个光杆的轴向移动，从而确保移动过程的稳定性，进一步保障喷丝质量，实现对整个收丝滚筒4表面的喷丝。

该旋转机构包括平行设置在滑台8的顶面上的两个耳朵，每个耳朵上均设置有通孔，该连接板9呈扁平状，倾斜设置，其一端设置有通孔，另一端与喷丝平板3垂直连接，传动轴依次穿过滑台8上一个耳朵的通孔、连接板9一端的通孔和另一个耳朵的通孔，将它们转动地连接在一起，从而带动喷丝平板3以连接板9的一端为圆心，以连接板9的长度为半径做圆周运动，这样，就可以实现喷丝平板3与收丝滚筒4之间相对位姿的微调，包括相对水平面或者竖直面上的距离、角度等等，以确保从喷嘴喷出的纺丝射流可以更加均匀落到收丝滚筒4的表面。

另外，利用旋转机构调节收丝滚筒4和喷丝平板3之间的相对距离毕竟有限，还可以将该第一U形板6设置在Y轴移动机构上，该Y轴移动机构用于带动第一U形板6沿垂直于收丝滚筒4的轴线方向即Y轴方向移动，从而带动设置在其上的喷丝平板3沿垂直于收丝滚筒4的轴线方向即Y轴方向移动，有效调节喷丝平板3与收丝滚筒4之间的距离，也就实现了根据纺丝溶液的特性和纺丝要求，对喷嘴和收丝滚筒4之间接收距离的调节。该Y轴移动机构可以采用与X轴移动机构相似的结构，即利用滚珠丝杠加电动机，可以设置两套，分别设置在第一U形板6的两端，以增加整个装置的稳固性，当然也可以采用其他类型的结构实现。

静电纺丝过程中，纺丝速率是由注射器的推进速度来决定，调节纺丝速率的快慢不仅决定着纺丝纤维如纳米纤维的生产效率，更重要的是会影响针头液滴的稳定性和纤维的直径大小。例如在制备纳米纤维的过程中，随着纺丝速度的增加，制备得到纳米纤维的直径会逐渐增加，甚至导致珠状纤维的形成，这主要是由于纺丝纤维射流在喷嘴和金属收集器如收丝滚筒4之间的飞行过程中不能够完全干燥，因此，作为注射器的推进机构也是静电纺丝装置的重要组成部分。

本发明的推进机构采用与X轴移动机构相似的结构，具体包括第二滚珠丝杠10，其两端分别对应设置在第二U形板11的两端，同样该第二U形板11也包括一个横板，其两端各设置一个竖板，第二滚珠丝杠10的一端穿过一个竖板与第二电动机12的输出轴相连，另一端通过轴承设置在另一个竖板内部，在第二U形板11的丝杠螺母位置设置有推进板13，该推进板13与活塞芯杆1的裸露端相连，还可以两个与第二滚珠丝杠10平行的光杆，其分别穿过推进板13的左右两侧，其端部也设置在第二U形板11的两个竖板上，这样，第二电动机12带动第二滚珠丝杠10上的推进板10移动时，推进板10也可以在两个光杆的轴向移动，从而确保推进板10移动的稳定性。

该针筒2成圆柱体结构，可以将与第二U形板11端部的支撑板即竖板的接触位置设置有弧形凹口，该弧形凹口与针筒2的外形配合，为了增加牢固性，可以再设置一个支撑板，用于支撑针筒2。

为了方便移动，该针筒3的针孔通过软管与喷嘴连通。

该调节机构包括平行设置的两个支撑架14，每个支撑架14均包括配合设置的上支架和下支架，两者通过内嵌的伸缩杆15连接在一起，该上支架的顶部与收丝滚筒4的端部连接，该收丝滚筒4的一端与第三电动机16的输出轴连接，该第三电动机16用于带动收丝滚筒4绕其轴线方向转动，这样，通过伸缩杆15的伸张和收缩，带动上支架远离或者靠近下支架，从而调节收丝滚筒4的高度。当然也可以采用其他伸缩机构实现对收丝滚筒4的高度调节。

最后，在静电纺丝过程，纺丝溶剂蒸发速率和溶液对湿度的敏感性受环境温度和湿度的影响很大，包括形成纤维，纤维直径，珠子或光滑纤维，多孔纤维和扁平纤维的能力，都取决于所使用的材料和添加剂，所得纺丝纤维的目标功能和性能也可能受环境条件的影响。在正常的室内空气中，空气主要由水蒸气、氮气、氧气和二氧化碳组成，这些分子也可以与静电纺丝材料相互作用或反应。因此，可以在整个静电纺丝装置的外围设置一个密封壳体，便于实现对其内部的温湿度控制，从而为静电纺丝提供一个良好的纺丝环境。

一种基于上文所述的静电纺丝装置的纺丝方法，包括以下步骤：

步骤一、根据纺丝溶液的特性和纺丝要求，利用Y轴移动机构、旋转机构和调节机构调整喷丝平板与收丝滚筒之间的相对位姿；

步骤二、设置第二电动机的转速，控制注射器内部的纺丝溶液通过软管注射到喷嘴内部的注射量，设置第一电动机、第三电动机的转速，确保从喷嘴喷出的纺丝射流能够均匀地沉积在收丝滚筒上；

步骤三、打开第一电动机、第二电动机和第三电动机，开始纺丝作业。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种静电纺丝装置，其特征在于：包括推进机构，所述推进机构用于通过控制活塞芯杆在注射器的针筒内部的移动，将存储在注射器内部的纺丝溶液送入喷嘴中，所述喷嘴设置在喷丝平板上，所述喷丝平板与移动机构相连，所述移动机构用于控制喷丝平板沿收丝滚筒的轴线方向移动，以及调节喷丝平板与收丝滚筒之间的距离，所述收丝滚筒的两端均设置在调节机构上，所述调节机构用于调节收丝滚筒与喷丝平板之间高度差。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述移动机构包括X轴移动机构和Y轴移动机构，所述X轴移动机构包括第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠沿收丝滚筒的轴线方向设置，其两端分别对应设置在第一U形板的两端，其丝杠螺母位置设置有滑台，所述滑台通过旋转机构与连接板的一端相连，所述连接板的另一端与喷丝平板相连，所述旋转机构用于带动喷丝平板以连接板的一端为圆心，以连接板的长度为半径做圆周运动，从而对喷丝平板与收丝滚筒的相对位姿进行微调，

所述第一滚珠丝杠的一端穿过第一U形板的端部与第一电动机的输出轴相连，所述第一电动机用于带动第一滚珠丝杠绕其轴线方向转动，

所述第一U形板设置在Y轴移动机构上，所述Y轴移动机构用于带动第一U形板沿垂直于收丝滚筒的轴线方向移动，从而调节喷丝平板与收丝滚筒之间的距离。

3.根据权利要求2所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述旋转机构包括平行设置在滑台的顶面上的两个耳朵，每个所述耳朵上均设置有通孔，所述连接板呈倾斜设置，其一端设置有通孔，传动轴依次穿过滑台上一个耳朵的通孔、连接板一端的通孔和另一个耳朵的通孔，将它们转动地连接在一起。

4.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述推进机构包括第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的两端分别对应设置在第二U形板的两端，其丝杠螺母位置设置有推进板，所述推进板与活塞芯杆的裸露端相连，所述针筒与第二U形板端部的支撑板的接触位置设置有弧形凹口，所述弧形凹口与针筒的外形配合，所述第二滚珠丝杠的一端穿过第二U形板的端部与第二电动机的输出轴相连，所述第二电动机用于带动第二滚珠丝杠绕其轴线方向转动。

5.根据权利要求4所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述针筒的针孔通过软管与喷嘴连通。

6.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于：所述调节机构包括平行设置的两个支撑架，所述支撑架均包括配合设置的上支架和下支架，两者通过内嵌的伸缩杆连接在一起，所述上支架的顶部与收丝滚筒的端部连接，所述收丝滚筒的一端与第三电动机的输出轴连接，所述第三电动机用于带动收丝滚筒绕其轴线方向转动，

通过伸缩杆的伸张和收缩，带动上支架远离或者靠近下支架，从而调节收丝滚筒的高度。

7.一种基于权利要求1所述的静电纺丝装置的纺丝方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据纺丝溶液的特性和纺丝要求，利用Y轴移动机构、旋转机构和调节机构调整喷丝平板与收丝滚筒之间的相对位姿；

步骤二、设置第二电动机的转速，控制注射器内部的纺丝溶液通过软管注射到喷嘴内部的注射量，设置第一电动机、第三电动机的转速，确保从喷嘴喷出的纺丝射流能够均匀地沉积在收丝滚筒上；

步骤三、打开第一电动机、第二电动机和第三电动机，开始纺丝作业。

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