CN203782282U - 一种静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种静电纺丝装置。静电纺丝装置包括注射器推送机构、注射器、静电纺丝喷头、控制系统、运动平台、收集器，注射器安装在运动平台上，注射器推送机构装设在注射器的一端，静电纺丝喷头安装在注射器的另一端，高压直流电源与静电纺丝喷头连接，高压直流电源及运动平台均与控制系统相连，收集器安装在运动平台上，静电纺丝喷头包括连接注射器的喷头上部分及喷头下部分，喷头上部分是中空结构，侧壁设有通孔，喷头下部分是实心锥形，注射器内溶液从通孔渗出，顺着锥形流至喷头末端形成泰勒锥及射流，射流在收集器上收集沉积为纤维。本实用新型能解决喷头的堵塞问题，且能纺出更细的纤维丝。本实用新型喷头的清洗方法操作简单方便。

Description

一种静电纺丝装置

技术领域

本实用新型是一种静电纺丝装置，属于静电纺丝装置的创新技术。

背景技术

电纺丝技术电纺丝技术最早由Formhzls在1934年提出，随后Taylor等人于1964年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念，直到上个世纪90年代人们开始广泛关注电纺丝技术。但静电纺丝生产出来的纳米纤维很难有序收集，也很难做到有序排布。

目前，通过近场电纺直写技术已经实现了直径由几纳米到数百纳米范围内近百种不同聚合物纳米纤维、各种类型聚合物、无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维的制备。由高压静电纺丝技术所制备的纳米纤维材料已经在光电子、传感器和生物科学领域表现出极大的应用潜力。

电液耦合喷印技术作为一种新兴的微纳米制造技术以其工艺简单、操作方便、原料来源广泛等众多优点，日益受到了工业界和学术界的关注。与传统的IC硅微制造技术相比，电液耦合喷印技术设备简单、制造成本低，常温、常压、非洁净环境下课再多种基底商实现微纳接收的快速、高精度制造，更能满足柔性电子器件的大批量连续生产要求，并可实现有机电子与生物器件的集成。电液耦合喷印技术以其独特的优点，已经在众多领域显示出了巨大的发展潜力和市场前景。

电液耦合喷印是利用静电场诱导液体发生流变形成泰勒锥，当电场力足以克服溶液表面张力束缚时，便产生射流从泰勒锥锥尖射出，射流经溶剂会发，拉伸变形等过程后沉积于收集板上形成微纳结构。电液耦合喷印过程受空间电场分布。溶液波动等多方面不稳定因素的影响，难于实现微纳米结构的精确控制，极大地限制了该技术的快速应用发展。

孙道恒等人在2006年提出了近场静电纺丝技术，通过采用实心探针喷头、降低喷头至收集板距离等方法实现了单根纳米纤维的可控沉积；但近场静电纺丝技术采用了蘸取离散液滴方式进行补液，无法实现长时间连续喷射。业内人士Chang C等改进了近场静电纺丝技术，利用探针针尖刺破喷头处液滴的方法实现了有序纳米纤维的长时间连续制备。但手工测破液滴的方法难于保证喷射过程的稳定性，也无法达到对喷射过程进行有效的启停控制，无法在产业化生产中取得更广泛的应用。业内人士Roger等采用脉冲电源进行离散微纳液滴的喷印，基本实现了液滴喷射频率、液滴尺寸的控制，受空间电场、溶液溶剂挥发等因素的影响微纳结构喷印精度有待进一步提高；在空心喷头内加装道题针尖是目前常采用的一种喷头结构，导体针尖的加装降低了喷射启动电压，减小液滴尺寸，通过调节施加电压的频率、幅值可控制喷射液滴的喷射频率和尺寸，但这种控制方式结构复杂，对电压性能要求高，且仍难以完成喷射过程的自由启停控制及实现真正意义上的按需、定点喷印。

中国专利公开号CN 102179362 B 中公开了一种连续工作可控静电喷射装置，此装置是采用实心喷头结构，但此装置结构复杂，难于在产业化中批量生产制造，也没有提及如何解决聚合物在纺丝过程中凝固的清洗问题。

发明内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种解决纺丝喷头容易堵塞的问题，且可以纺出更细的纤维丝的静电纺丝装置。本实用新型设计合理，方便实用。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的静电纺丝装置，包括有注射器推送机构、注射器、静电纺丝喷头、高压直流电源、控制系统、运动平台、收集器，注射器安装在运动平台上，注射器推送机构装设在注射器的一端，静电纺丝喷头安装在注射器的另一端，注射器推送机构在力的作用下，将注射器里面的溶液从静电纺丝喷头挤出，高压直流电源与静电纺丝喷头连接，导电的收集器 与大地电场连接，在高压直流电源的作用下，收集器与静电纺丝喷头之间形成高压电场，为静电纺丝提供电场，高压直流电源与控制系统相连，控制高压直流电源的电压输出；收集器安装在运动平台上，运动平台与控制系统连接, 其中静电纺丝喷头包括有连接注射器的喷头上部分及喷头下部分两部分，喷头上部分是中空结构，中空结构的侧壁设有用于溶液的渗出及方便清洗的通孔，喷头下部分是锥形，溶液在压力作用下从喷头上部分侧面的通孔渗出后，顺着锥形的喷头下半部分流至喷头末端，在电场作用下形成泰勒锥及形成射流，射流在收集器上收集沉积为纤维。

    本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

    1）本实用新型所用的静电纺丝喷头分为上下两部分组成，上部分连接供液注射器的结构为直径比较大的空心结构，同时上部分的侧面设有用于溶液渗出的通孔，溶液在注射器的压力作用下从通孔渗出，此通孔为静电纺丝连续供液提供了可能，由于本实用新型的通孔是在喷头的侧面，容易实现自动清洗，方便实际运用，解决了静电纺丝中连续供液中，长期纺丝喷头堵塞的问题。

    2）本实用新型所用的静电纺丝喷头的下部分为实心结构，喷头直径是自上而下不断变小的锥形结构，在连续供液的静电纺丝喷头中，多采用空心的，喷头过大，会造成纺丝丝径变大，同时纺丝电压需求也比较高，喷头直径比较小时又容易造成堵塞，本实用新型静电纺丝喷头的下部分的锥形结构方便溶液顺势流至针尖而形成稳定供液，同时针尖部分小，可以纺出更细的纤维丝，纺丝电压也相对较小。

    3）本实用新型所用的静电纺丝喷头的清洗方法为：纺丝暂停后，系统自动控制给喷头喷洒清洗用清洗剂，使得喷头得到润湿，然后自动将喷头运动到刷子处往复运动刷洗喷头,清洗简单方便。

附图说明

图1为静电纺丝装置的结构示意图;

图2为静电纺丝喷头的结构示意图；

图3为图2中C处的局部放大图；

图4为静电纺丝喷头清洗的示意图。

具体实施方式

实施例：

本实用新型的结构示意图如图1、2、3、4所示，本实用新型的静电纺丝装置，包括有注射器推送机构1、注射器2、静电纺丝喷头3、高压直流电源5、控制系统7、运动平台9、收集器12，注射器2安装在能实现纺丝过程运动的运动平台9上，注射器推送机构1装设在注射器2的一端，静电纺丝喷头3安装在注射器2的另一端，注射器推送机构1在力的作用下，将注射器2里面的溶液从静电纺丝喷头3挤出，高压直流电源5通过导线4与静电纺丝喷头3连接，导电的收集器12通过导线10与大地电场11连接，在高压直流电源5的作用下，收集器12与静电纺丝喷头3之间形成高压电场，为静电纺丝提供电场，高压直流电源5通过导线6与控制系统7相连，控制高压直流电源的电压输出；收集器12安装在运动平台9上，实现纺丝过程运动的运动平台9通过导线8与控制系统7连接, 其中静电纺丝喷头3包括有连接注射泵的喷头上部分15及喷头下部分17两部分，喷头上部分15是中空结构，中空结构的侧壁设有用于溶液的渗出及方便清洗的通孔16，喷头下部分17是锥形，溶液在压力作用下从喷头上部分15侧面的通孔16渗出后，顺着锥形的喷头下半部分17流至喷头末端，在电场作用下形成泰勒锥，在一定条件下后形成射流，射流在收集器12上收集沉积为纤维。纺丝时，静电纺丝喷头3固定不动，纺丝完后，静电纺丝喷头3需要清洗时，运动平台9将静电纺丝喷头3送到清洗处。静电纺丝中用于射流形成的静电纺丝喷头3的直径大小对沉积的纤维直径有很大地影响，静电纺丝喷头3直径越小，纺丝直径越小，但静电纺丝喷头3直径小会容易导致堵塞，影响生产，同时，如果静电纺丝喷头3末端是实心的话，比同直径的空心喷头纺丝更小，本实用新型所用的静电纺丝喷头的下部分的锥形结构方便溶液顺势流至针尖而形成稳定供液，同时针尖部分小，可以纺出更细的纤维丝，纺丝电压也相对较小。本实施例中，上述喷头上部分15是中空圆柱结构。

本实施例中，上述运动平台9能进行X-Y-Z三轴运动。

本实施例中，上述静电纺丝喷头3安装在注射器2的末端。

   本实施例中，上述静电纺丝喷头3的喷头下半部分17是自上而下半径不断变小的实心针尖。

   本实施例中，上述注射器推送机构1是精密注射器推送机构。上述注射器2是精密注射器。

本实施例中，上述运动平台9的旁侧装设有刷子13，刷子13的两侧设有刷毛，两侧的刷毛交叉横向放置，相对安装。

   本实用新型静电纺丝装置的静电纺丝喷头的清洗方法，包括如下步骤：

   1) 当静电纺丝装置中的微电流检测装置检测到纺丝过程中电流持续处于预定值时，此时静电纺丝喷头3出现堵塞情况，需要进行清洗，;

2)在控制系统7的控制下，能进行X-Y-Z方向运动的运动平台9将静电纺丝喷头3送至清洗处，控制系统7控制喷洒设备向静电纺丝喷头3喷洒清洗剂，静电纺丝喷头3得到润湿，以方便清洗；

3) 静电纺丝喷头3润湿后，在控制系统7的控制下，运动平台9将静电纺丝喷头3送至刷子13处往复运动进行清洗工作，清洗静电纺丝喷头3上的堵塞残留物。

    本实用新型的工作原理如下：精密注射器储液器的半径为R，精密注射器的推杆进给速度为V，由质量守恒得，则单位时间内从喷头流出溶液的流量为                                                ，溶液从喷头圆柱部分侧面的小孔渗出之后，在电场力的作用下，依附在小孔上的小夜珠突破表面张力和黏力以及摩擦力的作用，顺着喷头管壁流至喷头实心针尖部分形成泰勒锥，进而在电场作用下形成射流，在收集器上形成纳米纤维。

Claims (8)

1.一种静电纺丝装置，包括有注射器推送机构、注射器、静电纺丝喷头、高压直流电源、控制系统、运动平台、收集器，注射器安装在运动平台上，注射器推送机构装设在注射器的一端，静电纺丝喷头安装在注射器的另一端，注射器推送机构在力的作用下，将注射器里面的溶液从静电纺丝喷头挤出，高压直流电源与静电纺丝喷头连接，导电的收集器 与大地电场连接，在高压直流电源的作用下，收集器与静电纺丝喷头之间形成高压电场，为静电纺丝提供电场，高压直流电源与控制系统相连，控制高压直流电源的电压输出；收集器安装在运动平台上，运动平台与控制系统连接, 其特征在于静电纺丝喷头包括有连接注射器的喷头上部分及喷头下部分两部分，喷头上部分是中空结构，中空结构的侧壁设有用于溶液的渗出及方便清洗的通孔，喷头下部分是实心锥形，溶液在压力作用下从喷头上部分侧面的通孔渗出后，顺着锥形的喷头下半部分流至喷头末端，在电场作用下形成泰勒锥及形成射流，射流在收集器上收集沉积为纤维。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于上述运动平台能进行X-Y-Z三轴运动。

3.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于上述静电纺丝喷头安装在注射器的末端。

4.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于上述静电纺丝喷头的喷头下半部分是自上而下半径不断变小的实心针尖。

5.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于上述注射器推送机构是精密注射器推送机构。

6.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于上述注射器是精密注射器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的静电纺丝装置，其特征在于上述喷头上部分是中空圆柱结构。

8.根据权利要求7所述的静电纺丝装置，其特征在于上述运动平台的旁侧装设有刷子，刷子的两侧设有刷毛，两侧的刷毛交叉横向放置，相对安装。