CN206457563U - 一种新型便携式静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型便携式静电纺丝装置，包括主机和手持喷枪，所述主机包括主机外壳，主机外壳内设置有电源、气体发生机构和高压电源机构，所述手持喷枪包括枪体外壳、喷丝头和为喷丝头提供纺丝前驱液的供液机构，所述枪体外壳上设置有进气口和出气口，所述进气口连接气体发生机构的导气管，所述喷丝头自出气口伸出枪体外壳，喷丝头的喷射端口与出气口的中心轴线相重合；所述电源电连接高压电源机构、气体发生机构和供液机构，高压电源机构的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头。该装置喷丝部件和装置主机分离，更加方便使用，采用微型设备精确控制调节纺丝参数，应用范围广泛，且能够实现纤维定向沉积。

Description

一种新型便携式静电纺丝装置

技术领域

本实用新型涉及一种静电纺丝设备，具体涉及一种手持便携、定向沉积、原位纺丝的新型手持式式静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝法是制备一维微纳米纤维最简单高效的方法之一，与传统纳米材料制备技术相比，具有加工装置简单、原料来源广泛、纺丝成本低廉、可规模化制备等优势，近年来受到国内外的广泛研究报道。采用静电纺丝技术加工制备的微纳米纤维具有高比表面积、较大的长度/直径比以及独特的物理化学性质等优良特性，在生物组织工程、创伤敷料、过滤防护、药物缓释、柔性器件等领域展现出极大的应用潜力。静电纺丝法原理非常简单，简述为：在高压电场作用下，纺丝喷头处的聚合物溶液或熔体受到静电场力的作用而喷射出去，形成射流，射流在下落过程中发生劈裂和拉伸，同时溶剂挥发，形成微纳米纤维固化成型并沉积在收集极上。

传统静电纺丝装置主要是由高压电源、带有喷丝头的纺丝液容器和纤维收集板三部分组成。目前应用于微纳米纤维加工制备的静电纺丝装置研究呈现出两种趋势：一是纤维的精确沉积定位；二是工业化大规模生产。然而，在实际应用过程中，普通静电纺丝设备存在体积较大不易携带、纤维沉积不定向等局限，严重制约了静电纺丝技术的推广应用。为了解决以上问题，相关研究工作者对静电纺丝装置进行了诸多改进。如2012年龙云泽等首次报道了“一种便携式手持静电纺丝装置”（201210229010.3），该装置采用方形电池为高压直流逆变器提供电源，克服了现有设备无法随身携带的缺陷，使得便携真正成为可能,但该设备结构较为简单，在纳米纤维的定向沉积方面仍存在诸多不足；中国专利“一种快速获得纳米材料的电场喷射枪”（201320598875.7）虽然同样采用微型高压包供电，摆脱了外加电源的限制，可实现纳米材料的原位制备，但对于纳米纤维材料的准确沉积问题依然没有解决。因此，寻求设计一种携带方便、纤维定向沉积的新型静电纺丝装置具有广泛的应用前景和研究价值。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种新型便携式静电纺丝装置，该装置质量轻体积小携带方便，且喷丝部件和装置主机分离，更加方便使用，采用微型设备精确控制调节纺丝参数，应用范围广泛，且能够实现纤维定向沉积。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种新型便携式静电纺丝装置，包括主机和手持喷枪，所述主机包括主机外壳，主机外壳内设置有电源、气体发生机构和高压电源机构，所述手持喷枪包括枪体外壳、喷丝头和为喷丝头提供纺丝前驱液的供液机构，所述枪体外壳上设置有进气口和出气口，所述进气口连接气体发生机构的导气管向枪体外壳内充气，充入枪体外壳内的气体自出气口排出形成气流，所述喷丝头自出气口伸到枪体外壳，喷丝头的喷射端口与出气口的中心轴线相重合；所述电源通过导线连接高压电源机构、气体发生机构和供液机构为其供电，所述电源的电压经高压电源机构升压后变为高压直流电，高压电源机构的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头，所述主机外壳和枪体外壳均为绝缘结构。

本实用新型装置使用时，首先将配制好的电纺丝前驱液加入到手持喷枪的供液机构后，开启电源，调节主机中气体发生机构的出气量和高压电源机构的输出电压，气体发生装置的产生的气体经导气管从进气口充入手持喷枪中，出气口排出形成定向的气流，喷丝头连接高压电源机构电压输出端的正极，在电场力作用下纺丝前驱液在喷丝头喷射口处产生的射流，喷丝头自出气口伸出枪体外壳，喷丝头的喷射端口与出气口的中心轴线相重合，纺丝前驱液射流在气流辅助作用下，定向沉积在收集装置上得到微纳米纤维。现有的便携式静电纺丝装置，为了实现其轻便性尽量精简了装置的结构，这种结构过于简单的纺丝装置无法精确控制纺丝参数且较难实现电纺纤维的定向沉积，使得便携式静电纺丝装置在应用上受到了极大的限制。本实用新型的装置，将整个装置分为主机和手持喷枪两部分，使用时，只需手持手持喷枪将喷丝头喷射口朝向收集装置即可操作，方便使用和调剂，同时在主机内设计了可调节输出电压的高压电源机构和气体发生机构，为手持喷枪提供纺丝电压和辅助气流，通过对主机的高压电源机构和气体发生机构的控制可以实现对纺丝电压、风量等参数精确的控制，在保持便携式装置轻便易操作使用的同时，提高了电纺过程的操作性，更显著提高了电纺纳米纤维的质量和产量。

进一步的，所述电源为干电池电源或市电经整流滤波为直流的直流电源。该装置既可以采用干电池作为电源，也可通过插座连接市电电源，通过整流器进行整流滤波将220V交流电变直流电使用。

进一步的，所述高压电源机构包括高压直流逆变器及其电压调控电路，所述高压直流逆变器的电压输入端电连接电源，电压输出端连接控制高压静电发生装置输出电压大小的电压调控电路，电压调控电路的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头，所述电压调控电路的电压调节旋钮设置在主机外壳上，所述高压电源机构的输出电压为0~20KV。

进一步的，所述气体发生机构包括安装在主机外壳内的微型气泵和控制微型气泵出气量的气泵控制器，微型气泵电连接电源和气泵控制器，所述气泵控制器的风量控制旋钮设置于主机外壳上，微型气泵的出气管道通过导气管连接枪体外壳的进气口。调节风量控制旋钮可将微型气泵的出气量，以控制手持喷枪出气量处喷射的气流流速和流量，从而根据实际需要调节辅助气流，更好的实现电纺纤维的定向沉积。

进一步的，所述供液机构安装于手持喷枪的枪体外壳内，供液机构包括储存纺丝前驱液的注射器针筒、注射器活塞和微型活塞驱动部件，所述所述微型活塞驱动部件可推动注射器活塞在注射器针筒内运动，所述注射器针筒通过卡槽与枪体外壳内壁相连，枪体外壳上设置有换液盖，开启换液盖可取出注射器针筒添加、更换纺丝前驱液，所述注射器针筒的出液口连接喷丝头，所述喷丝头为金属毛细管。该装置在使用时，先开启枪体外壳的换液盖，取出注射器针筒，向注射器针筒中添加纺丝前驱液后，将注射器针筒放回到手持喷枪中用卡槽固定，然后关闭换液盖，调节微型活塞驱动部件以精确控制供液机构向喷丝头输送的纺丝前驱液的供液速率，更好更精确的控制纺丝参数。

进一步的，所述微型活塞驱动部件为线性驱动电机及控制线性驱动电机推杆推进速度的电机控制器，所述线性驱动电机的推杆连接注射器活塞，所述电机控制器的推进速度调节旋钮设置于主机外壳上；所述主机外壳上设置有显示高压电源机构输出电源、气体发生机构的出气量和线性驱动电机推杆推进速度的显示屏。通过电机控制器控制线性驱动电机推杆的推进速率，可以精确的控制注射器活塞的运动速度，进而精确控制注射器针筒注入金属毛细管的纺丝前驱液的供液速率，更好的调节纺丝参数，适用不同纺丝原料的加工条件，显示屏的设计可以直观精确的观察调节纺丝电源、辅助气流出气量、供液机构供液速率等纺丝参数，方便调节和使用。

进一步的，所述换液盖设置于注射器针筒上方的枪体外壳上，换液盖上设置有可观测注射器中纺丝前驱液液位的透明观测窗。

进一步的，所述的手持喷枪设置有方便手持的喷枪手柄，所述主机的主机外壳上安装有放置手持喷枪的喷枪卡槽。

进一步的，所述喷枪手柄上设置有线性驱动电机电源开关。可以更加方便的在手持喷枪处控制供液机构的开启和关闭，更加方便使用操作。

进一步的，所述主机和手持喷枪间通过管线相连，管线的两端口分别与主机外壳和枪体外壳上的通孔相连；连接电源与供液机构的导线、连接高压电源机构电压输出端正极与喷丝头的导线、连接其它发生机构和手持喷枪的进气口的导气管均位于管线内；所述主机外壳上设置安装有安全距离护套，所述安全距离护套套于出气口前，喷丝头的喷射口位于安全距离护套内。

本实用新型的装置可以应用于原料为聚己内酯（PCL）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚氨酯（PU）、聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氧化乙烯（PEO）、明胶、透明质酸、丝素蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠、壳聚糖等高分子材料中的一种或多种材料的混合物的电纺微纳米纤维的制备。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种新型便携式静电纺丝装置，该装置质量轻体积小携带方便，且喷丝部件和装置主机分离，更加方便使用，采用微型设备精确控制调节纺丝参数，应用范围广泛，且能够实现纤维定向沉积。具体的说：

（1）本实用新型的装置，将整个装置分为主机和手持喷枪两部分，使用时，只需手持手持喷枪将喷丝头喷射口朝向收集装置即可操作，方便使用和调剂，同时在主机内设计了可调节输出电压的高压电源机构和气体发生机构，为手持喷枪提供纺丝电压和辅助气流，通过对主机的高压电源机构和气体发生机构的控制可以实现对纺丝电压、风量等参数精确的控制，在保持便携式装置轻便易操作使用的同时，提高了电纺过程的操作性，更显著提高了电纺纳米纤维的质量和产量。

（2）高压电源机构的输出电压为0~20KV，这一范围的纺丝电压可适应于原料为聚己内酯（PCL）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚氨酯（PU）、聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氧化乙烯（PEO）、明胶、透明质酸、丝素蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠、壳聚糖等高分子材料中的一种或多种材料的混合物的电纺微纳米纤维的制备要求，扩大了便携式静电纺丝装置的使用范围。

（3）采用微型气泵作为气体发生机构，微型气泵体积小质量轻，安装于主机中使得本实用新型的便携式静电纺丝装置更加小巧轻便易携带。调节主机上的风量控制旋钮可将微型气泵的出气量，以控制手持喷枪出气量处喷射的气流流速和流量，从而根据实际需要调节辅助气流，更好的实现电纺纤维的定向沉积。

（4）注射器针筒、注射器活塞和微型的线性驱动电机组成的供液系统非常小巧，使得本实用新型的手持喷枪更加轻便小巧，方便手持操作，通过电机控制器控制线性驱动电机推杆的推进速率，可以精确的控制注射器活塞的运动速度，进而精确空气注射器针筒注入金属毛细管的纺丝前驱液的供液速率，更好的调节纺丝参数，适用不同纺丝原料的加工条件，显示屏的设计可以直观精确的观察调节纺丝电源、辅助气流出气量、供液机构供液速率等纺丝参数，方便调节和使用。

附图说明

图1：本实用新型装置的外观示意图；

图2：本实用新型装置主机的内部结构示意图；

图3：本实用新型装置的主机上部外壳的构件示意图；

图4：本实用新型装置的手持喷枪的结构示意图；

图中：1-主机；2-显示屏；3-风量控制旋钮；4-推进速度调节旋钮；5-电压调节旋钮；6-手持喷枪；7-换液盖；8-喷枪卡槽；9-管线；10-干电池电源；11-主机外壳；12-高压直流逆变器；13-微型气泵；14-枪体外壳；15-安全距离护套；16-线性驱动电机电源开关；17-喷枪手柄；18-透明观测窗；19-喷丝头； 20-线性驱动电机；21-进气口；22-出气口。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过实施方式对本方案进行阐述。

实施例1：

1. 如图1至4所示，一种新型便携式静电纺丝装置，包括主机1和手持喷枪6，所述主机1包括主机外壳11，主机外壳11内设置有电源、气体发生机构和高压电源机构，所述手持喷枪6包括枪体外壳14、喷丝头19和为喷丝头19提供纺丝前驱液的供液机构，所述枪体外壳14上设置有进气口21和出气口22，所述进气口21连接气体发生机构的导气管向枪体外壳14内充气，充入枪体外壳14内的气体自出气口22排出形成气流，所述喷丝头19自出气口22伸到枪体外壳14，喷丝头19的喷射端口与出气口22的中心轴线相重合；所述电源通过导线连接高压电源机构、气体发生机构和供液机构为其供电，所述电源的电压经高压电源机构升压后变为高压直流电，高压电源机构的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头19，所述主机外壳11和枪体外壳14均为绝缘结构。

具体而言，所述电源为市电经整流滤波为直流的为12V直流电源。除此之外，为了使该装置更好的适应使用环境，也可以采用设置于主机外壳11内的干电池电源（10）作为电源。所述高压电源机构包括高压直流逆变器12及其电压调控电路，所述高压直流逆变器12的电压输入端电连接电源，电压输出端连接控制高压静电发生装置输出电压大小的电压调控电路，电压调控电路的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头19，所述电压调控电路的电压调节旋钮5设置在主机外壳11上，所述高压电源机构的输出电压为0~20KV。所述气体发生机构包括安装在主机外壳11内的微型气泵13和控制微型气泵13出气量的气泵控制器，微型气泵13电连接电源和气泵控制器，所述气泵控制器的风量控制旋钮3设置于主机外壳11上，所用微型气泵的出气量为0~12L/min（设置10个档,1档至10档的出气量分别为1.2L/min，2.4 L/min，3.6 L/min，4.8 L/min，6 L/min，7.2 L/min，8.4 L/min，9.6 L/min，10.8L/min，12 L/min），微型气泵13的出气管道通过导气管连接枪体外壳14的进气口21。所述供液机构安装于手持喷枪6的枪体外壳14内，供液机构包括储存纺丝前驱液的注射器针筒、注射器活塞和活塞驱动部件，所述所述活塞驱动部件可推动注射器活塞在注射器针筒内运动，所述注射器针筒通过卡槽与枪体外壳14内壁相连，枪体外壳14上设置有换液盖，开启换液盖可取出注射器针筒添加、更换纺丝前驱液，所述注射器针筒的出液口连接喷丝头19，所述喷丝头19为金属毛细管。所述活塞驱动部件为线性驱动电机20及控制线性驱动电机20推杆推进速度的电机控制器，所述线性驱动电机20的推杆连接注射器活塞，所述电机控制器的推进速度调节旋钮4设置于主机外壳11上，通过调节推进速度调节旋钮4可将注射器针筒注入金属毛细管的纺丝前驱液的供液速率控制在10~1000μL/min的任意值；所述主机外壳11上设置有显示高压电源机构输出电源、气体发生机构的出气量和线性驱动电机20推杆推进速度的显示屏2。所述换液盖7设置于注射器针筒上方的枪体外壳14上，换液盖7上设置有可观测注射器中纺丝前驱液液位的透明观测窗。所述的手持喷枪6设置有方便手持的喷枪手柄17，所述主机1的主机外壳11上安装有放置手持喷枪6的喷枪卡槽8。所述喷枪手柄17上设置有线性驱动电机电源开关16。所述主机1和手持喷枪6间通过管线9相连，管线9的两端口分别与主机外壳11和枪体外壳14上的通孔相连；连接电源与供液机构的导线、连接高压电源机构电压输出端正极与喷丝头19的导线、连接其它发生机构和手持喷枪6的进气口21的导气管均位于管线9内；所述主机外壳11上设置安装有安全距离护套15，所述安全距离护套15套于出气口22前，喷丝头19的喷射口位于安全距离护套15内。

实施例2：

称取1.3克聚乙烯吡咯烷酮粉末（PVP，分子量130万），全部溶解在8.7克无水乙醇中，室温下磁力搅拌2小时至完全溶解，得到溶质质量分数为13%的均匀PVP纺丝前驱液。

应用实施例1的装置制备PVP微纳米纤维，首先将配制好的PVP纺丝前驱液加入到注射器针筒内，打开换液盖7，将注射器针筒固定在手持枪体6内部的卡槽内，注射器针筒前端连接喷丝头19，通过插座连接市电电源，调节推进速度调节旋钮4设置纺丝液推进速率为80μL/min，调节风量控制旋钮3将风量设置为6档，旋转电压调节旋钮5设置纺丝电压 10千伏，纺丝高度设定为15厘米，开启手持喷枪6上的线性驱动电机电源开关16，随着纺丝前驱液液缓慢被挤出，在喷丝头19的喷射口处产生的纺丝前驱液射流，在出气口22的气流辅助作用下，定向沉积在收集装置上得到微纳米纤维，纤维平均直径在556±228纳米。

实施例3

称取2克聚己内酯（PCL，分子量为45000），全部溶解在8克丙酮中，室温下磁力搅拌2小时至完全溶解，得到溶质质量分数为20%的均匀PCL纺丝前驱液。

应用实施例1的装置制备PVP微纳米纤维，首先将配制好的PCL纺丝前驱液加入到注射器针筒内，打开换液盖7，将注射器针筒固定在手持枪体6内部的卡槽内，注射器针筒前端连接喷丝头19，通过插座连接市电电源，调节推进速度调节旋钮4设置纺丝液推进速率为100μL/min，调节风量控制旋钮3将风量设置为6档，旋转电压调节旋钮5设置纺丝电压 8千伏，纺丝高度设定为10厘米，开启手持喷枪6上的线性驱动电机电源开关16，随着纺丝前驱液液缓慢被挤出，在喷丝头19的喷射口处产生的纺丝前驱液射流，在出气口22的气流辅助作用下，定向沉积在收集装置上得到微纳米纤维，纤维平均直径在665±124纳米。

以上所列举的实施方式仅供理解本实用新型之用，并非是对本实用新型所描述的技术方案的限定，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还可以作出多种变化或变形，所有等同的变化或变形都应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，包括主机（1）和手持喷枪（6），所述主机（1）包括主机外壳（11），主机外壳（11）内设置有电源、气体发生机构和高压电源机构，所述手持喷枪（6）包括枪体外壳（14）、喷丝头（19）和为喷丝头（19）提供纺丝前驱液的供液机构，所述枪体外壳（14）上设置有进气口（21）和出气口（22），所述进气口（21）连接气体发生机构的导气管向枪体外壳（14）内充气，充入枪体外壳（14）内的气体自出气口（22）排出形成气流，所述喷丝头（19）自出气口（22）伸出枪体外壳（14），喷丝头（19）的喷射端口与出气口（22）的中心轴线相重合；所述电源通过导线连接高压电源机构、气体发生机构和供液机构为其供电，所述电源的电压经高压电源机构升压后变为高压直流电，高压电源机构的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头（19），所述主机外壳（11）和枪体外壳（14）均为绝缘结构。

2.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述电源为干电池电源（10）或市电经整流滤波为直流的直流电源。

3.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述高压电源机构包括高压直流逆变器（12）及其电压调控电路，所述高压直流逆变器（12）的电压输入端电连接电源，电压输出端连接控制高压静电发生装置输出电压大小的电压调控电路，电压调控电路的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头（19），所述电压调控电路的电压调节旋钮（5）设置在主机外壳（11）上，所述高压电源机构的输出电压为0~20KV。

4.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述气体发生机构包括安装在主机外壳（11）内的微型气泵（13）和控制微型气泵（13）出气量的气泵控制器，微型气泵（13）电连接电源和气泵控制器，所述气泵控制器的风量控制旋钮（3）设置于主机外壳（11）上，微型气泵（13）的出气管道通过导气管连接枪体外壳（14）的进气口（21）。

5.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述供液机构安装于手持喷枪（6）的枪体外壳（14）内，供液机构包括储存纺丝前驱液的注射器针筒、注射器活塞和微型活塞驱动部件，所述所述微型活塞驱动部件可推动注射器活塞在注射器针筒内运动，所述注射器针筒通过卡槽与枪体外壳（14）内壁相连，枪体外壳（14）上设置有换液盖，开启换液盖可取出注射器针筒添加、更换纺丝前驱液，所述注射器针筒的出液口连接喷丝头（19），所述喷丝头（19）为金属毛细管。

6.如权利要求5所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述微型活塞驱动部件为线性驱动电机（20）及控制线性驱动电机（20）推杆推进速度的电机控制器，所述线性驱动电机（20）的推杆连接注射器活塞，所述电机控制器的推进速度调节旋钮（4）设置于主机外壳（11）上；所述主机外壳（11）上设置有显示高压电源机构输出电源、气体发生机构的出气量和线性驱动电机（20）推杆推进速度的显示屏（2）。

7.如权利要求5所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述换液盖（7）设置于注射器针筒上方的枪体外壳（14）上，换液盖（7）上设置有可观测注射器中纺丝前驱液液位的透明观测窗（18）。

8.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述的手持喷枪（6）设置有方便手持的喷枪手柄（17），所述主机（1）的主机外壳（11）上安装有放置手持喷枪（6）的喷枪卡槽（8）。

9.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述喷枪手柄（17）上设置有线性驱动电机电源开关（16）。

10.如权利要求1所述的一种新型便携式静电纺丝装置，其特征在于，所述主机（1）和手持喷枪（6）间通过管线（9）相连，管线（9）的两端口分别与主机外壳（11）和枪体外壳（14）上的通孔相连；连接电源与供液机构的导线、连接高压电源机构电压输出端正极与喷丝头（19）的导线、连接其它发生机构和手持喷枪（6）的进气口（21）的导气管均位于管线（9）内；所述主机外壳（11）上设置安装有安全距离护套（15），所述安全距离护套（15）套于出气口（22）前，喷丝头（19）的喷射口位于安全距离护套（15）内。