CN204530034U - 一种集成型静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种集成型静电纺丝装置，该装置包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元；驱动单元包含步进电机、变压器以及步进电机控制电路；推进单元包含与步进电机连接的螺杆、与螺杆平行设置的至少一个导轨以及与螺杆垂直设置的推进板，螺杆在步进电机的驱动下转动、并带动推进板沿导轨滑动；静电纺丝单元包含注射器、可调式高压静电发生模块和电纺纤维收集极，注射器在推进板的滑动推动下，向电纺纤维收集极喷射电纺溶液，电纺溶液在高压静电场的作用下形成射流，完成静电纺丝。本装置结构紧凑、设备集成化程度较高，且实现了电压流速的可调节性，在静电纺丝技术领域具有较好的应用前景。

Description

一种集成型静电纺丝装置

技术领域

本实用新型涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种集成型静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是制备微纳米纤维最简单、有效的方法之一，其概念最早在1745年就已经提出，但直到20世纪90年代才开始发展，随着近年来纳米技术的兴起，静电纺丝技术逐渐引起全球范围内的关注，迎来了发展的黄金时期，并已经开始在组织工程支架、药物缓释、过滤、防护服、电池隔膜等领域崭露头角。

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。静电纺丝成功与否的影响因素有很多：例如聚合物的分子量、分子量分布和分子结构、溶液性质、电动势大小、毛细管和收集集之间的距离、环境参数、收集集的运动规律、以及喷丝口的针头形状等等。此外，静电纺丝机的结构、功能和工艺可控性也是影响静电纺丝成功与否的关键因素。

尽管现有市售静电纺丝机种类繁多，但其核心部件都是以市售的数显高压电源、推进泵等组合拼凑而成，集成度不高，导致现有的电纺装置体积大(至少1m³)、重量大(至少70kg)、移动操作困难、使用灵活性低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种设备集成化程度高、且电压流速可调的集成型静电纺丝装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置，包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元，其中，驱动单元包含步进电机、向步进电机供电的变压器以及控制步进电机工作的步进电机控制电路；推进单元包含与步进电机连接的螺杆、与螺杆平行设置的至少一个导轨以及与螺杆垂直设置的推进板；螺杆在步进电机的驱动下转动、并带动推进板沿导轨滑动；静电纺丝单元包含带针头和推杆的注射器、可调式高压静电发生模块和电纺纤维收集极，所述可调式高压静电发生模块的输出端正极与所述电纺纤维收集极相连通，所述可调式高压静电发生模块的输出端负极与所述注射器的针头相连通；且所述注射器的推杆被所述推进板滑动推动；可调式高压静电发生模块在注射器的针头与电纺纤维收集极之间形成高压静电场，注射器的推杆在推进板的滑动时被推动，注射器向电纺纤维收集极喷射电纺溶液，电纺溶液在高压静电场的作用下形成射流。

在上述包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元的集成型静电纺丝装置中，驱动单元主要通过变压器将外界的交流电转变为适合步进电机工作的电压后，供给步进电机作为其工作电压；步进电机工作时，驱动推进单元中的螺杆转动，并带动推进板沿导轨滑动；而推进板沿导轨的滑动又可进一步推动静电纺丝单元中的注射器向电纺纤维收集极喷射电纺溶液，同时可调式高压静电发生模块在注射器和电纺纤维收集极之间形成高压静电场，注射器所喷射的电纺溶液在该高压静电场的作用下，形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化等过程后沉积到电纺纤维收集极上，从而制备得到微纳米纤维膜。

与现有技术相比，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置克服了目前静电纺丝设备所面临的集成度低、体积大、重量大等不足之处，首次采用小型化的可调式高压静电发生模块代替传统的高压电源，来提供静电纺丝过程中的高压静电场，实现了电纺电压和流速的可调节性；此外，使该可调式高压静电发生模块与集成型静电纺丝装置的其他功能单元(推进单元和驱动单元)进行了模块化集成设计和融合，实现了集成型静电纺丝装置的高度集成化，使集成型静电纺丝装置的设备总体积缩减为0.02m³左右，与目前静电纺丝设备相比体积至少缩小了50倍，大大节省了设备存放空间；同时设备重量大幅度减小至3kg左右，操作人员单手即可灵活移动，操作控制极为方便，实用价值大大提升；而且由于体积大大减小，在较小的空间即可安置多组微型电纺设备同时进行静电纺丝，为快速制备电纺纤维提供了可能性。

优选地，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置中，推进单元中的螺杆、导轨和推进板之间的连接关系如下：螺杆穿过推进板、并与推进板之间通过螺母咬合连接；导轨穿过推进板、并与推进板之间通过滑动轴承连接。在上述的连接关系中，螺杆与推进板之间的螺母咬合连接保证了螺杆的转动可转变为推进板的直线运动，从而实现可靠的推进功能；而导轨与推进板之间的滑动轴承连接则确保了推进板在导轨上沿直线来回滑动。

进一步地，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置中，推进单元还包含平行设置的挡板和支撑架，导轨垂直连接挡板和支撑架，推进板在挡板和支撑架之间滑动。此外，步进电机可固定于支撑架远离导轨的一侧，与步进电机相连的螺杆穿过支撑架，且通过滚动轴承与挡板相连。通过挡板和支撑架的设置，为推进单元中推进板沿导轨的滑动运动限定了一个有限的空间距离，挡板和支撑架之间的距离可根据实际需求在生产过程中进行合理的设定；此外，支撑架还起到了固定步进电机的作用，从而进一步提高了集成型静电纺丝装置结构上的稳定性和紧凑性。

更进一步地，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置中，还包含控制面板，控制面板分别与步进电机控制电路和可调式高压静电发生模块相连。在控制面板上可设有各种功能键钮，通过调节这些功能键钮，即可以实现对步进电机控制电路以及可调式高压静电发生模块的控制调节，从而便捷地实现对集成型静电纺丝装置的电纺电压和电纺流速等的实时调整。

优选地，控制面板上还可设有有用于显示所述推进板的推进速度和推进时间的显示屏，对推进板的推进速度和推进时间的实时监测，可进一步提高集成型静电纺丝装置在使用过程中的工艺可控性。

优选地，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置中，注射器的针头为中空不锈钢针头。此外，该集成型静电纺丝装置还包含外壳，外壳上设有与可调式高压静电发生模块的输出端正极相连的正极插头、以及与可调式高压静电发生模块的输出端负极相连的负极防静电插头。电纺纤维收集极通过导线与正极插头相连、注射器的中空不锈钢针头则通过防静电高压线与负极防静电插头相连。在集成型静电纺丝装置工作过程中，中空不锈钢针头与电纺纤维收集极之间的距离可根据工艺需要进行调整，可调式高压静电发生模块的输出端在注射器的中空不锈钢针头和电纺纤维收集极之间形成稳定的电压可调式高压静电场，从而使得从中空不锈钢针头中流出的电纺溶液可形成稳定的射流，进而在电纺纤维收集极上形成微纳米纤维膜。

另外，本实用新型的实施方式所提供的集成型静电纺丝装置还可包含散热单元，该散热单元可以为设于集成型静电纺丝装置外壳上的散热风扇，散热风扇也可通过变压器提供电能来工作，达到为集成型静电纺丝装置的内部器件散热降温的作用，以此保证集成型静电纺丝装置内部部件在正常温度下工作，提高其操作稳定性、延长其使用寿命。

附图说明

图1是第一实施方式的集成型静电纺丝装置的结构示意图；

图2是第一实施方式的集成型静电纺丝装置中挡板部位局部放大图；

图3是第一实施方式的集成型静电纺丝装置中推进板部位局部放大图；

图4是第二实施方式的集成型静电纺丝装置中控制面板的结构示意图；

图5是第三实施方式的集成型静电纺丝装置的结构示意图；

图6是第五实施方式中所制备得到的聚己内酯(PCL)微纳米电纺纤维的电镜图；

图7是第六实施方式中所制备得到的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纳米电纺纤维的电镜图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

第一实施方式

本实用新型的第一实施方式涉及一种集成型静电纺丝装置，其结构如附图1所示，具体来说，该集成型静电纺丝装置包含一个外壳，本实施方式中该外壳是塑料外壳12，电源插头13固定于外壳12上；电源插头13的一端与220V交流电源线14连接，另一端通过导线与电源开关1相连；在塑料外壳12上设有控制面板3，控制面板3用于调整集成型静电纺丝装置中的步进电机控制电路16和可调式高压静电发生模块21的输出。此外，该集成型静电纺丝装置还包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元。

在驱动单元中，包含步进电机17、向步进电机17供电的变压器15以及控制步进电机17工作的步进电机控制电路16。步进电机控制电路16的一端与控制面板3通过导线相连，另一端与步进电机17通过导线相连；变压器15的输入端与电源开关1通过导线相连，输出端与装置中用电部分通过导线相连，为各用电部分提供12V直流电。

在推进单元中，包含与步进电机17连接的螺杆19、与螺杆19平行设置的两个导轨20以及与螺杆19垂直设置的推进板4；本实施方式中，螺杆19和导轨20均为不锈钢材质。螺杆19穿过推进板4、并与推进板4之间通过螺母41咬合连接；导轨20穿过推进板4、并与推进板4之间通过滑动轴承42连接；螺杆19在步进电机17的驱动下转动、并带动推进板4沿导轨20滑动。此外，推进单元还包含平行设置的挡板5和支撑架18，本实施方式中，螺杆19和导轨20均为塑料材质。导轨20垂直连接挡板5和支撑架18，因此，推进板4工作时是在挡板5和支撑架18之间滑动。本实施方式中的支撑架18还用来固定步进电机17：步进电机17固定于支撑架18远离导轨20的一侧，与步进电机17相连的螺杆19穿过支撑架18，且通过滚动轴承51与挡板5相连。推进单元中挡板5和推进板4部位的局部放大图如附图2和附图3所示。

在静电纺丝单元中，包含注射器6、可调式高压静电发生模块21和电纺纤维收集极9，注射器6设有中空不锈钢针头7；可调式高压静电发生模块21置于装置的最前端，其输入端通过导线与控制面板3相连接，且在装置的外壳12上设有与可调式高压静电发生模块21的输出端正极相连的正极插头11、以及与可调式高压静电发生模块21的输出端负极相连的负极防静电插头22。可调式高压静电发生模块21的输出端正极通过正极插头11和正极导线10与电纺纤维收集极9相连，可调式高压静电发生模块21的输出端负极通过负极防静电插头22和防静电高压线23与注射器6的中空不锈钢针头7相连。在工作时，可调式高压静电发生模块21在注射器6与电纺纤维收集极9之间形成高压静电场，注射器6的推杆在推进板4滑动时被推动，注射器向电纺纤维收集极9喷射电纺溶液，电纺溶液在高压静电场的作用下形成射流8。

第二实施方式

本实用新型的第二实施方式所涉及的一种集成型静电纺丝装置，其基本结构与第一实施方式相同，本实施方式的集成型静电纺丝装置对控制面板做了进一步的改进，使其更好地实现对电纺电压流速的实时调整和监控。本实施方式中的控制面板的结构示意图如附图4所示，具体来说，该控制面板包含：

液晶显示屏31，该液晶显示屏31位于控制面板3上，用来显示推进板4的推进速度和运行时间等参数；除此之外，控制面板3上还设有一系列调节键，以附图标记32～39表示各推进调节键，其中：选择键32、确定键33、增加键34、减少键35、启动键36、暂停键37、快速推进键38、快速回程键39；电压调节旋钮310共分为12个档位，分别对应0kV、2kV、4kV、6kV、8kV、10kV、12kV、14kV、16kV、18kV、20kV、22kV；附图标记中的311～313为LED指示灯，其中：电源指示灯311在打开电源开关1后点亮，推进指示灯312在推进板工作时点亮，高压指示灯313在可调式高压静电发生模块21工作时点亮。

第三实施方式

本实用新型的第三实施方式所涉及的一种集成型静电纺丝装置，在第二实施方式的基础上，对集成型静电纺丝装置增设了散热单元。附图5为本实施方式的集成型静电纺丝装置示意图，静音散热风扇2固定于外壳12上，来自变压器15的电能通过导线可以驱动该静音散热风扇2工作，达到为内部器件散热降温的目的，以此保证集成型静电纺丝装置内部部件在正常温度下工作，提高其操作稳定性、延长其使用寿命。

第四实施方式

本实用新型的第四实施方式涉及的是第三实施方式中的集成型静电纺丝装置的使用方法，包含下述步骤：

1、将静电纺丝前驱体溶液加入到带有中空不锈钢针头的注射器内，检查确保控制面板上的电压调节旋钮处于0kV档位上；

2、打开电源开关，调节控制面板上的快速回程键或快速推进键，使推进板处于合适位置，把带有纺丝溶液的注射器安装到纺丝装置上，调节使推进板顶住注射器的推杆；

3、将防静电高压线一端插到负极防静电插头上，另一端连接到中空不锈钢针头上，将正极导线一端插到正极插头上，另一端连接到电纺纤维收集极上，调节电纺纤维收集极与中空不锈钢针头至需要的距离；

4、调节控制面板上的推进调节键至需要的推进速度，开始推进，纺丝前驱体溶液开始从中空不锈钢针头内缓慢流出，然后再调节电压调节旋钮至需要的电压，中空不锈钢针头内流出溶液在高压静电场的作用下形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化等过程后沉积到电纺纤维收集极上，形成微纳米电纺纤维膜；

5、电纺完成后按照“先开后关”的原则操作装置，先调节控制面板上的电压调节旋钮至0kV档位，再按暂停键停止推进工作，最后关闭电源开关，电纺结束。

第五实施方式

本实用新型的第五实施方式涉及采用第三实施方式中的集成型静电纺丝装置制备聚己内酯(PCL)微纳米电纺纤维的具体方案：

溶液配制：本实施例采用15wt％聚己内酯(PCL，分子量：10万)/丙酮溶液。首先，用电子天平称量8.5g丙酮，称好后倒入带有磁子的锥形瓶中；用电子天平称量1.5克PCL颗粒，将称好后的PCL颗粒倒入盛有丙酮的锥形瓶中，与丙酮混合后室温下磁力搅拌2小时，再静置0.5小时，获得均匀透明的15wt％的PCL静电纺丝前躯体溶液。

具体操作方法：

1、将15wt％的PCL静电纺丝前躯体溶液加入到带有中空不锈钢针头的注射器内，检查确保控制面板上的电压调节旋钮处于0kV档位上；

2、打开电源开关，调节控制面板上的快速回程键或快速推进键，使推进板处于合适位置，把带有纺丝溶液的注射器安装到纺丝装置上，调节使推进板顶住注射器的推杆；

3、将防静电高压线一端插到负极防静电插头上，另一端连接到中空不锈钢针头上，将正极导线一端插到正极插头上，另一端连接到电纺纤维收集极上，调节电纺纤维收集极与中空不锈钢针头的距离为10cm；

4、调节控制面板上的推进调节键使推进速度为20mm/h，开始推进；然后再调节电压调节旋钮至16kV，中空不锈钢针头内流出溶液在高压静电场的作用下形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化等过程后沉积到电纺纤维收集极上，形成PCL微纳米电纺纤维膜(电镜图如图6所示)；

5、电纺完成后按照“先开后关”的原则操作装置，先调节控制面板上的电压调节旋钮至0kV档位，再按暂停键停止推进工作，最后关闭电源开关，电纺结束。

第六实施方式

本实用新型的第六实施方式涉及采用第三实施方式中的集成型静电纺丝装置制备聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纳米电纺纤维的具体方案：

溶液配制：13wt％聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量：130万)/乙醇溶液。首先，用电子天平称量8.7g乙醇，称好后倒入带有磁子的锥形瓶中；用电子天平称量1.3克PVP粉末，将称好后的PVP粉末倒入盛有乙醇的锥形瓶中，与乙醇混合后室温下磁力搅拌2小时，再静置0.5小时，获得均匀透明的13wt％的PVP静电纺丝前躯体溶液。

具体操作方法：

1、将13wt％的PVP静电纺丝前躯体溶液加入到带有中空不锈钢针头的注射器内，检查确保控制面板上的电压调节旋钮处于0kV档位上；

2、打开电源开关，调节控制面板上的快速回程键或快速推进键，使推进板处于合适位置，把带有纺丝溶液的注射器安装到纺丝装置上，调节使推进板顶住注射器的推杆；

3、将防静电高压线一端插到负极防静电插头上，另一端连接到中空不锈钢针头上，将正极导线一端插到正极插头上，另一端连接到电纺纤维收集极上，调节纺纤维收集极与中空不锈钢针头的距离为15cm；

4、调节控制面板上的推进调节键使推进速度为30mm/h，开始推进；然后再调节电压调节旋钮至18kV，中空不锈钢针头内流出溶液在高压静电场的作用下形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化等过程后沉积到电纺纤维收集极上，形成PVP微纳米电纺纤维(电镜图如图7所示)；

5、电纺完成后按照“先开后关”的原则操作装置，先调节控制面板上的电压调节旋钮至0kV档位，再按暂停键停止推进工作，最后关闭电源开关，电纺结束。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (10)

1.一种集成型静电纺丝装置，其特征在于，包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元：

所述驱动单元包含步进电机、向所述步进电机供电的变压器以及控制所述步进电机工作的步进电机控制电路；

所述推进单元包含与所述步进电机连接的螺杆、与所述螺杆平行设置的至少一个导轨以及与所述螺杆垂直设置的推进板；所述螺杆在所述步进电机的驱动下转动、并带动所述推进板沿所述导轨滑动；

所述静电纺丝单元包含带针头和推杆的注射器、可调式高压静电发生模块和电纺纤维收集极，所述可调式高压静电发生模块的输出端正极与所述电纺纤维收集极相连通，所述可调式高压静电发生模块的输出端负极与所述注射器的针头相连通；且所述注射器的推杆被所述推进板滑动推动。

2.根据权利要求1所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，所述螺杆穿过所述推进板、并与所述推进板之间通过螺母咬合连接；所述导轨穿过所述推进板、并与所述推进板之间通过滑动轴承连接。

3.根据权利要求1所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，所述推进单元还包含平行设置的挡板和支撑架，所述导轨垂直连接所述挡板和所述支撑架，所述推进板在所述挡板和所述支撑架之间滑动。

4.根据权利要求3所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，所述步进电机固定于所述支撑架远离所述导轨的一侧，所述与步进电机相连的螺杆穿过所述支撑架，且通过滚动轴承与所述挡板相连。

5.根据权利要求1所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，还包含控制面板，所述控制面板分别与所述步进电机控制电路和所述可调式高压静电发生模块相连。

6.根据权利要求5所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，所述控制面板上设有用于显示所述推进板的推进速度和推进时间的显示屏。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，所述注射器的针头为中空不锈钢针头。

8.根据权利要求1所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，还包含外壳，所述外壳上设有与所述可调式高压静电发生模块的输出端正极相连的正极插头、以及与所述可调式高压静电发生模块的输出端负极相连的负极防静电插头。

9.根据权利要求8所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，所述电纺纤维收集极通过正极导线与所述正极插头相连、所述注射器的针头通过防静电高压线与所述负极防静电插头相连。

10.根据权利要求9所述的集成型静电纺丝装置，其特征在于，还包含散热单元，所述散热单元为设于所述外壳上的散热风扇。