CN112708944A - 一种微纳米纤维制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种微纳米纤维制备装置，包括水箱、箱体、匀速供液推进泵、注射器和收集器。水箱设于箱体上方。水箱下端设有三通导水管，三通导水管另两端分别设有出水管，出水管下端伸入箱体内。两出水管正下方分别设有金属铁皮环。金属铁皮环的正下方设有金属桶。两金属铁皮环通过内部电线分别与两金属桶交叉相连。医用注射器前端设有针头。医用注射器设于匀速供液推进泵之上。其中一金属铁皮环通过外部电线与收集器相连。另一金属铁皮环通过外部电线与医用注射器上的针头相连。收集器设于针头正前方。本发明能够替代价格较贵的高压直流电源，同时可不依赖市电，在停电或没电的情况下也能利用静电纺丝技术制备微纳米纤维；且简易、节能、无污染。

Description

一种微纳米纤维制备方法及装置
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，具体涉及一种微纳米纤维制备方法及装置。
背景技术
在所有微纳米纤维制备方法中，静电纺丝技术被认为是最简单易操作，低价易推广的方法。特别是涉及一维长纳米材料制备时，无论是纯高分子聚合物纤维，还是复合功能纳米纤维，静电纺丝技术往往是首选。究其原因，正是此技术进入门槛低，制备产品性能好、应用广。目前此技术完全可走出实验室，进入市场各大行业。具体应用或产品较多体现在过滤材料（过滤网、防雾霾纱窗、防护口罩等）、传感器（力学拉伸传感器、气体敏感传感器等）、生物医学（人工血管、快速止血等）等多方面领域。目前，市面上最常见的静电纺丝设备主要包括纤维发生器和纤维收集器。纤维发生器主要就是高压直流电源，价格约4~5千元左右，按一般使用性能要求，不超过一万元。最简单的纤维收集器是平面金属（一般用铝箔）。纺丝过程是将高分子聚合物溶液装入带有金属针头的纺丝液容器中，并将高压直流电源的正极连接金属针头，负极连接纤维收集器。按电场约1 千伏/厘米的参考值进行设置纺丝距离（一般纺丝距离10~20厘米，纺丝电压10~30千伏）。聚合物溶液在强电场中会经历变形、射流、拉伸、劈裂等过程，最终会形成微纳米级别的纤维，沉积在收集器上。一般在没有任何干涉操作下，得到的产物为无纺布形式。
静电纺丝技术价格低廉是相对的。搭建一套比较正规的静电纺丝装置需花费近万元。更重要的是，此项技术极为依赖高压电源。这味着在没有高压电源或者停电的情况下，此技术也就失去了动力源，无法正常工作。因此，亟需寻求一种高压电源的替代品。在这方面，中国专利201110255225.8公布了一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置。无论教科研工作人员还是企业制造业人员，都需要一种新的更加灵活机动和低成本的静电纺丝装置。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于解决静电纺丝技术对高压直流电源的过分依赖性，并且设计一套组装极为简单、取材极为方便的超低价、极简易的静电纺丝装置。最简易静电纺丝装置的成本可控制在十元以内。并且依然能满足微纳米尺度的纤维的制备。让静电纺丝技术得到更大推广。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种微纳米纤维制备装置，包括水箱、箱体、匀速供液推进泵、注射器和收集器。
所述水箱设于箱体的上方，所述箱体为长方体结构。
优选的，所述箱体尺寸为长×宽×高=39.0厘米×21.0厘米×50.0厘米。
所述水箱的下端设置有三通导水管，所述三通导水管的另两端分别设置有水流量控制阀一和水流量控制阀二。
所述水流量控制阀一的下端设置有出水管一，所述出水管一的下端伸入到箱体内。
所述水流量控制阀二的下端设置有出水管二，所述出水管二的下端伸入到箱体内。
优选的，所述出水管一和出水管二的口径为二点五毫米。
所述箱体内悬挂设置有金属铁皮环一和金属铁皮环二，所述金属铁皮环一位于出水管一的正下方，所述金属铁皮环二位于出水管二的正下方。
所述金属铁皮环一和金属铁皮环二分别为上下两端开口的环状结构。
优选的，所述金属铁皮环一和金属铁皮环二上分别设置有横向标尺和竖向标尺，所述横向标尺可以在箱体上水平移动，所述竖向标尺可以在箱体上进行上下移动；所述金属铁皮环一和金属铁皮环二可分别通过调节水平移动的横向标尺和上下移动的竖向标尺来控制位置。
优选的，所述金属铁皮环一和金属铁皮环二的尺寸为：高度五厘米，直径为七点二厘米。
所述箱体内设置有金属桶二和金属桶一，所述金属桶二位于金属铁皮环一的正下方，所述金属桶一位于金属铁皮环二的正下方。
所述金属铁皮环一下端设置有内部电线一，所述内部电线一的另一端与金属桶一相连。所述金属铁皮环二下端设置有内部电线二，所述内部电线二的另一端与金属桶二相连。从而使得金属铁皮环一、金属铁皮环二通过内部电线一和内部电线二交叉与金属桶一、金属桶二相连，即一个圆环正下方的圆筒用电线与另一个圆环相连接。
进一步的，所述箱体内金属桶一和金属桶二的下方设置有绝缘缓冲垫。
优选的，所述金属桶一和金属桶二的尺寸是：高度十二点五厘米，直径是十三厘米。
所述医用注射器的前端设置有针头。优选的，所述医用注射器采用五毫升的医用注射器。
所述医用注射器设置在匀速供液推进泵之上。通过匀速供液推进泵实现匀速可持续供液。
所述箱体内金属铁皮环一上设置有外部电线一，所述外部电线一的另一端伸出箱体并与收集器相连。
所述箱体内金属铁皮环二上设置有外部电线二，所述外部电线二的另一端伸出箱体并与医用注射器上的针头相连。
所述收集器为微纳米纤维收集器，优选采用铝箔材料制作而成。
所述收集器设置在针头的正前方。优选的，所述针头与收集器之间的最近距离（即纺丝距离）为两厘米。
一种使用上述微纳米纤维制备装置的微纳米纤维制备方法，具体包括如下步骤：
a 用电子天平称取1.0克聚乙烯醇，加入到锥形瓶中；
b 再加入9.0克去离子水，混合后密封锥形瓶，得到质量分数为10%的聚乙烯醇（PVA）溶液；
c 用磁力搅拌器,在30℃水浴下搅拌2小时得纺丝液；
d 搅拌时间结束后，取配好的纺丝液加入到医用注射器当中，设置好匀速供液推进泵的推进速率；
e 向水箱中加满自来水，之后打开水流量控制阀二和水流量控制阀一,使初始水流速度为0.5米/秒；
f 经过几秒之后，针头与收集器之间产生高压，静电纺丝过程即可开始实施；
g 在收集器处收集微纳米纤维。
本发明的有益效果为：
1、能够替代价格较贵的高压直流电源，同时可以不依赖市电，即在停电或者没电的情况下也能利用静电纺丝技术制备微纳米纤维；
2、发明装置极为简单，组装材料来源广，涉及到的材料均日常可见，例如自来水、塑料管、铁皮桶、电线等等；
3、可实现超低价的装置组装，如果单纯想搭建一个演示装置来示范微纳米纤维的制备过程，一套最简易成本可控制在十元以内；
4、节能，利用水流发电实现高压，过程无污染、不耗能，而且还可回收重复利用。
附图说明
图1为本发明主体外部结构示意图；
图2为本发明主体内部结构示意图；
图3为利用本发明制备的微纳米纤维扫描电镜（较小放大倍数）图片；
图4为利用本发明制备的微纳米纤维扫描电镜（1万倍放大）图片。
附图标记：1-水箱，2-箱体，3-三通导水管，4-外部电线一，5-外部电线二，6-匀速供液推进泵，7-注射器，8-针头，9-收集器，10-金属桶一，11-金属桶二，12-金属铁皮环二，13-金属铁皮环一，14-内部电线一，15-内部电线二，16-横向标尺一，17-横向标尺二，18-竖向标尺二，19-竖向标尺一，20-水流量控制阀二，21-水流量控制阀一，22-绝缘缓冲垫,23-出水管二，24-出水管一。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案作进一步具体描述：
如图1-图4所示，一种微纳米纤维制备装置，包括水箱1、箱体2、三通导水管3、匀速供液推进泵6、注射器7、收集器9、金属桶一10、金属桶二11、金属铁皮环二12和金属铁皮环一13。
水箱1设于箱体2的上方。
箱体2为长方体结构，箱体2优选采用的尺寸为长×宽×高=39.0厘米×21.0厘米×50.0厘米。
水箱1的下端设置有三通导水管3。
三通导水管3的另两端分别设置有水流量控制阀二20和水流量控制阀一21。
水流量控制阀一21的下端设置有出水管一24，出水管一24的下端伸入到箱体2内。
水流量控制阀二20的下端设置有出水管二23，出水管二23的下端伸入到箱体2内。
出水管一24和出水管二23的口径为二点五毫米。
箱体2内悬挂设置有金属铁皮环一13和金属铁皮环二12，金属铁皮环一13位于出水管一24的正下方，金属铁皮环二12位于出水管二23的正下方。
金属铁皮环一13和金属铁皮环二12分别为上下两端开口的环状结构。
金属铁皮环一13和金属铁皮环二12的尺寸为：高度五厘米，直径为七点二厘米。
金属铁皮环一13上设置有横向标尺一16和竖向标尺一19；横向标尺一16可以在箱体2上水平移动，竖向标尺一19可以在箱体2上进行上下移动；金属铁皮环一13可以通过可调节水平移动的横向标尺一16和可调节上下移动的竖向标尺一19来控制位置。
金属铁皮环二12上设置有横向标尺二17和竖向标尺二18；横向标尺二17可以在箱体2上水平移动，竖向标尺二18可以在箱体2上进行上下移动；金属铁皮环二12可以通过可调节水平移动的横向标尺二17和可调节上下移动的竖向标尺二18来控制位置。
箱体2内底部设置有金属桶二11和金属桶一10，金属桶二11位于金属铁皮环一13的正下方，金属桶一10位于金属铁皮环二12的正下方。
金属铁皮环一13下端设置有内部电线一14，内部电线一14的另一端与金属桶一10相连。金属铁皮环二12下端设置有内部电线二15，内部电线二15的另一端与金属桶二11相连。从而使得金属铁皮环一13、金属铁皮环二12通过内部电线一14和内部电线二15交叉与金属桶一10、金属桶二11相连，即一个圆环正下方的圆筒用电线与另一个圆环相连接。
箱体2内金属桶一10和金属桶二11的下方设置有绝缘缓冲垫22。绝缘缓冲垫22可以防止水流流下时产生迸溅现象。
金属桶一10和金属桶二11的尺寸是：高度十二点五厘米，直径是十三厘米。
医用注射器7的前端设置有针头8。医用注射器7优选采用五毫升的医用注射器。
医用注射器7设置在匀速供液推进泵6之上。通过匀速供液推进泵6实现匀速可持续供液。
箱体2内金属铁皮环一13上设置有外部电线一4，外部电线一4伸出箱体2，外部电线一4的另一端与收集器9相连。
箱体2内金属铁皮环二12上设置有外部电线二5，外部电线二5伸出箱体2，外部电线二5的另一端与医用注射器7上的针头8相连。
收集器9为铝箔材料制作而成的微纳米纤维收集器。
收集器9设置在距离针头8两厘米的正前方。
一种使用上述微纳米纤维制备装置的微纳米纤维制备方法，具体包括如下步骤：
a 用电子天平称取1.0克聚乙烯醇，加入到锥形瓶中；
b 再加入9.0克去离子水，混合后密封锥形瓶，得到质量分数为10%的聚乙烯醇（PVA）溶液；
c 用磁力搅拌器,在30℃水浴下搅拌2小时得纺丝液；
d 搅拌时间结束后，取配好的纺丝液加入到医用注射器7当中，设置好匀速供液推进泵6的推进速率；
e 向水箱1中加满自来水，之后打开水流量控制阀二20和水流量控制阀一21（参见图2）,使初始水流速度为0.5米/秒；
f 经过几秒之后，产生高压，其原理主要是利用水流发电实现高压，水落下，经过金属铁皮环二和金属铁皮环一，利用感应电荷的正反馈积聚，使得两个金属铁皮环之间的电压差在短时间内达到几千伏甚至十几千伏，从而使针头与收集器之间产生高压，静电纺丝过程即可开始实施；
g 在收集器9处收集微纳米纤维。
本发明能够替代价格较贵的高压直流电源，同时可以不依赖市电，即在停电或者没电的情况下也能利用静电纺丝技术制备微纳米纤维。
纺丝结束后，对制备的微纳米纤维取样进行形貌表征。取纤维置于玻璃片之上，先用ETD-2000喷金仪进行镀膜，之后用EM-30 AX Plus扫描电子显微镜扫描拍照。如图3所示，照片为制备的PVA纤维簇照片，放大倍数为200。为更好地测量单根纤维的直径，拍摄一万倍放大图像，如图4所示。经数据分析得出，制备的微纳米纤维直径一般为几百个纳米。
上述实施例只是对本发明技术方案的举例说明或解释，而不应理解为对本发明技术方案的限制，显然，本领域的技术人员可对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些修改和变型在内。

Claims (4)

1.一种微纳米纤维制备装置，其特征在于：包括水箱、箱体、匀速供液推进泵、注射器和收集器；
所述水箱设于箱体的上方，所述箱体为长方体结构；
所述水箱的下端设置有三通导水管，所述三通导水管的另两端分别设置有水流量控制阀一和水流量控制阀二；
所述水流量控制阀一的下端设置有出水管一，所述出水管一的下端伸入到箱体内；
所述水流量控制阀二的下端设置有出水管二，所述出水管二的下端伸入到箱体内；
所述箱体内悬挂设置有金属铁皮环一和金属铁皮环二，所述金属铁皮环一位于出水管一的正下方，所述金属铁皮环二位于出水管二的正下方；
所述箱体内设置有金属桶二和金属桶一，所述金属桶二位于金属铁皮环一的正下方，所述金属桶一位于金属铁皮环二的正下方；
所述金属铁皮环一下端设置有内部电线一，所述内部电线一的另一端与金属桶一相连，所述金属铁皮环二下端设置有内部电线二，所述内部电线二的另一端与金属桶二相连；
所述医用注射器的前端设置有针头，所述医用注射器设于匀速供液推进泵之上；
所述箱体内金属铁皮环一上设置有外部电线一，所述外部电线一的另一端伸出箱体并与收集器相连；
所述箱体内金属铁皮环二上设置有外部电线二，所述外部电线二的另一端伸出箱体并与医用注射器上的针头相连；
所述收集器为微纳米纤维收集器，所述收集器设于针头正前方。
2.根据权利要求1所述的微纳米纤维制备装置，其特征在于：所述金属铁皮环一和金属铁皮环二上分别设置有横向标尺和竖向标尺，所述横向标尺可以在箱体上水平移动，所述竖向标尺可以在箱体上进行上下移动。
3.根据权利要求2所述的微纳米纤维制备装置，其特征在于：所述箱体内金属桶一和金属桶二的下方设置有绝缘缓冲垫。
4.一种使用权利要求1-3中任一项所述的微纳米纤维制备装置的微纳米纤维制备方法，具体包括如下步骤：
a 用电子天平称取1.0克聚乙烯醇，加入到锥形瓶中；
b 再加入9.0克去离子水，混合后密封锥形瓶，得到质量分数为10%的聚乙烯醇（PVA）溶液；
c 用磁力搅拌器,在30℃水浴下搅拌2小时得纺丝液；
d 搅拌时间结束后，取配好的纺丝液加入到医用注射器当中，设置好匀速供液推进泵的推进速率；
e 向水箱中加满自来水，之后打开水流量控制阀二和水流量控制阀一,使初始水流速度为0.5米/秒；
f 经过几秒之后，针头与收集器之间产生高压，静电纺丝过程即可开始实施；
g 在收集器处收集微纳米纤维。
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