CN201638460U

CN201638460U - 一种便携式低压近场静电纺丝演示装置

Info

Publication number: CN201638460U
Application number: CN2010201564206U
Authority: CN
Inventors: 龙云泽; 李蒙蒙; 郑杰; 尹红星; 唐成春
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-04-09

Abstract

本实用新型涉及一种便携式低压近场静电纺丝演示装置，实验仪壳体上侧面中心处制有手提柄，前侧面右半面制有控制面板，左半面制成单开式的单扇门，后侧面上接出电源线与电源插头电连通；实验仪壳体内腔底部制有与实验仪壳体底面对应尺寸的绝缘基底面，绝缘基底面左侧中间处设置有标尺支撑杆，标尺支撑杆上半部横向制有连接杆，连接杆一端点处制有纺丝针盘，纺丝针盘中设置有金属纺丝针，金属纺丝针顶端接高压直流电源正极，金属纺丝针底端上制有泰勒锥，泰勒锥尖部喷射出纺丝射流；绝缘基底面中心处偏右侧铺置铝箔，铝箔与高压直流电源负极连接并接接地线，其结构简单，使用操作灵便，安全可靠，能耗低，演示效果好，演示性强。

Description

一种便携式低压近场静电纺丝演示装置

技术领域：

本实用新型属于静电纺丝技术制备无纺布微纳米纤维领域，涉及一种便携式低压近场静电纺丝演示装置。

背景技术：

目前，一维纳米材料(纳米纤维、纳米线、纳米管、纳米球、纳米棒等)正在成为业界研究的热点技术之一，其特殊的尺寸产生了量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等许多特殊的性质，使其在诸多领域有着广泛的应用前景。一维纳米纤维是纳米材料领域中很重要的一个分支。静电纺丝是一种简便易行、可以直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法，其制备的纳米纤维通常是无序的，并且是以无纺布形式存在的。静电纺丝技术具有一些突出的优点：设备和实验成本较低，纤维产率较高，制备出的纤维比表面积比较大，一般纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内，并且适用于许多不同种类的材料。静电纺丝的原理和设备非常简单，高压电源提供高压，正极接在纺丝喷头上，负极(接地)接在铝箔上。实验时，将纺丝溶液装入带有纺丝喷头的容器内，并加上高压电场的作用，在喷头处形成“泰勒锥”；当电场力克服了溶液的表面张力时，就形成了纤维射流，朝收集极快速移动；纤维射流在高压电场中经过拉伸和分裂，同时溶剂快速挥发，在收集板上就得到了纳米尺度的“干态”纤维。到目前为止，国内外已经有大量的文献专利报道了静电纺丝法制备不同材料、性质、形貌的一维纳米纤维，然而仔细观察会发现，几乎所有的文献中所用的电压都比较高，一般在8kV到40kV之间；并且采用的都是“远场”收集，针头到收集极间的距离(工作距离)一般在8cm到30cm之间。例如，Yang等(Advanced Materials，2007，19，3702-3706)用静电纺丝技术制备PVA超细纤维，其所用的电压为10-18kV，工作距离为10cm；Li等(Nanoscale，2010，2，218-221)用25kV、10cm的条件得到了静电纺丝复合PMMA纳米纤维；专利“一种静电纺丝装置及其工业应用”(申请号：200410025622.6)采用的电压和工作距离分别为10-40kV、10-30cm。然而，“低压”(电压小于4kV)并且“近场”(工作距离仅为几个毫米)的静电纺丝尚未见有报道。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计制备一种可以灵活搬动和安装，便于携带的低压近场静电纺丝演示装置。

为了实现上述目的，本实用新型的主体结构包括实验仪壳体、电压供给区、控制面板、单扇门、手提柄、电源插头、纺丝针盘、接地线、高压直流电源、金属纺丝针、标尺支撑杆、连接杆、绝缘基底面、铝箔、盖玻片、泰勒锥和纺丝射流；长方体盒式结构的实验仪壳体上侧面中心处制有手提柄，实验仪壳体前侧面右半面制有控制面板，左半面制成单开式的单扇门，实验仪壳体的后侧面上接出电源线与电源插头电连通；实验仪壳体内腔中设置有实验仪主体内部结构，内腔底部制有与实验仪壳体底面对应尺寸的绝缘基底面，绝缘基底面左侧中间处直立式设置有标尺支撑杆，标尺支撑杆上半部横向制有连接杆，连接杆一端点处制有纺丝针盘，纺丝针盘中直立式设置有1-10根金属纺丝针，金属纺丝针顶端接高压直流电源正极，金属纺丝针底端上制有泰勒锥，泰勒锥尖部喷射出纺丝射流；绝缘基底面中心处偏右侧铺置铝箔，铝箔上放置盖玻片；铝箔与高压直流电源负极连接并接接地线。

本实用新型的外壳材质均为绝缘材料，其壳体的几何尺寸长×宽×高为30×15×15cm，单扇门为透明绝缘体便于观察实验现象，实验仪壳体顶侧面可分为实验工作区和电压供给区，实验工作区即为壳体内空间，将现有的静电纺丝装置中带有金属针头的注射器用金属纺丝针代替，其溶液的配置、电纺操作和纤维收集等工艺步骤均与现有静电纺丝类似；经过改进的高压直流电源的正极接入蘸有纺丝溶液的金属纺丝针，负极接入铝箔并接地；实验演示时，金属纺丝针底端到收集极铝箔的垂直距离控制在20mm以下；在金属纺丝针和收集极铝箔之间施加1～3kV电压，金属纺丝针所蘸有的纺丝液下滴形成泰勒锥，在电场作用下从锥形中喷出形成纺丝射流；带电的纺丝射流在电场中加速、拉伸、劈裂，直径逐渐减小，最终形成微纳米纤维，被收集到盖玻片。

本实用新型在标尺支撑杆上每隔一定距离钻一个洞，以通过连接杆固定纺丝针盘并调节工作距离；控制面板用于控制整个仪器的总电源和调节电压，形成电压供给区，工作距离和电压为固定值，简化了实验操作；金属纺丝针固定在纺丝针盘中心处，并通过连接杆将金属纺丝针盘和标尺支撑杆连在一起确定工作距离；金属纺丝针在纺丝针盘以下的距离等于标尺支撑杆上的零点到绝缘基底面的距离L；连接杆所在孔对应的标尺示数即为静电纺丝的工作距离。

本实用新型采用的近场工作距离小，金属纺丝针针尖的形状对静电纺丝纤维的形貌有较大的影响，金属纺丝针的针尖形状包括针尖状、直杆和尖头状三种；纺丝针盘上可以钻制1-10个孔便于放置多个金属纺丝针来进行多针头的静电纺丝，提高纺丝的效率。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：一是采用电压仅为1～3kV，与传统静电纺丝降低了一个数量级，实验操作安全性高，能量损耗小，节约能源；二是采用近场工作距离为毫米级，减小了实验空间，便于实验装置的集成化；三是将整个装置进行改进、简化降低了成本，使实验简单化，实验效率高；四是将整个装置集成到箱体空间内，便于携带和移动；五是样品沉积在盖玻片上，可直接在显微镜下观察，摆脱了超细纤维对扫描电子显微镜(SEM)依赖，实验演示性强；六是所收集到的纤维除了均匀无纺布形式的微纳米纤维外，还有螺旋结构的微纳米纤维，增进对静电纺丝机理的理解；七是金属纺丝针上形成的泰勒锥小，收集的微纳米纤维无纺布的面积小，能够更精确的控制纤维的沉积位置。

附图说明：

图1为本实用新型的壳体外形结构原理示意图。

图2为本实用新型的演示仪结构原理示意图。

图3为本实用新型的金属纺丝针针尖的三种形状。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例做进一步说明。

本实施例的主体结构包括实验仪壳体1、电压供给区2、控制面板3、单扇门4、手提柄5、电源插头6、纺丝针盘7、接地线8、高压直流电源9、金属纺丝针10、标尺支撑杆11、连接杆12、绝缘基底面13、铝箔14、盖玻片15、泰勒锥16和纺丝射流17，长方体盒式结构的实验仪壳体1上侧面中心处制有手提柄5，实验仪壳体1前侧面右半面制有控制面板3，左半面制成单开式的单扇门4，实验仪壳体1的后侧面上接出电源线与电源插头6电连通；实验仪壳体1内腔中设置有实验仪主体内部结构，内腔底部制有与实验仪壳体1底面对应尺寸的绝缘基底面13，绝缘基底面13左侧中间处直立式设置有标尺支撑杆11，标尺支撑杆11上半部横向制有连接杆12，连接杆12一端点处制有纺丝针盘7，纺丝针盘7中心直立式设置有金属纺丝针10，金属纺丝针10顶端接高压直流电源9正极，金属纺丝针10底端上制有泰勒锥16，泰勒锥16尖部连接有纺丝射流17；绝缘基底面13中心偏右侧铺置铝箔14，铝箔14上放置盖玻片15；铝箔14与高压直流电源9负极连接并接接地线8。

实施例：

本实施例演示所选取的纺丝溶液为质量百分比为20wt％，25wt％和30wt％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液，先将2g PVP(分子量为10000)粉末在磁力搅拌下缓慢加入8g无水乙醇中，磁力搅拌2h，然后室温静置0.5h，即可得均匀透明的20wt％的PVP静电纺丝前躯体溶液，25wt％和30wt％的PVP纺丝溶液用相同的方法制得；选用单针头的纺丝针盘7，并用连接杆12将其固定在标尺支撑杆11上，调节纺丝工作距离，在绝缘基底面13上放一片铝箔14，并在其上放一片盖玻片15，用来收集和观察纺丝纤维；高压直流电源9的正极接金属纺丝针10，负极接铝箔14并接地；将金属纺丝针10的针尖蘸上配制好的纺丝溶液，纺丝液滴在重力作用下形成凸形的半球状，关闭单扇门4，将演示仪电源插头6插在220V电源上，调节控制面板3上的电压调节旋钮，设定电压，并按下电源总开关，使之处于“ON”状态；静电纺丝开始，透过实验工作区单扇门4观察实验现象，半球状纺丝液滴在电场的作用下形成泰勒锥，并射出纺丝射流17；带电纺丝射流17在电场中加速、拉伸、劈裂，直径逐渐减小，最终形成微纳米纤维，被收集到盖玻片上，形成白色的无纺布，形状呈圆形，面积直径约为2mm；纺丝完成后，按下控制面板3上的电源总开关，使之处于“OFF”状态，调节电压调节旋钮，使之处于0V；然后打开单扇门4，用镊子取出沉积有纺丝微纳米纤维的盖玻片15，放在光学显微镜下观察。本实施例对三种不同重量比的溶液分别做静电纺丝实验演示，结果显示所收集到的纤维除了均匀无纺布形式的微纳米纤维外，还可观察到螺旋结构的微纳米纤维，采用纺丝针盘进行多针头静电纺丝实验，可提高纺丝的产率，实现纤维沉积位置的控制，得到与金属纺丝针排列相同的多块圆形无纺布。

Claims

1.一种便携式低压近场静电纺丝演示装置，主体结构包括实验仪壳体、电压供给区、控制面板、单扇门、手提柄、电源插头、纺丝针盘、接地线、高压直流电源、金属纺丝针、标尺支撑杆、连接杆、绝缘基底面、铝箔、盖玻片、泰勒锥和纺丝射流，其特征在于长方体盒式结构的实验仪壳体上侧面中心处制有手提柄，实验仪壳体前侧面右半面制有控制面板，左半面制成单开式的单扇门，实验仪壳体的后侧面上接出电源线与电源插头电连通；实验仪壳体内腔中设置有实验仪主体内部结构，内腔底部制有与实验仪壳体底面对应尺寸的绝缘基底面，绝缘基底面左侧中间处直立式设置有标尺支撑杆，标尺支撑杆上半部横向制有连接杆，连接杆一端点处制有纺丝针盘，纺丝针盘中直立式设置有1-10根金属纺丝针，金属纺丝针顶端接高压直流电源正极，金属纺丝针底端上制有泰勒锥，泰勒锥尖部喷射出纺丝射流；绝缘基底面中心处偏右侧铺置铝箔，铝箔上放置盖玻片；铝箔与高压直流电源负极连接并接接地线。