CN215440775U - 一种便携式静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

一种便携式静电纺丝设备，包括壳体、第一加料单元、第二加料单元、高压电场发生模块、主管道、喷头和距离传感器；第一加料单元、第二加料单元和高压电场发生模块均位于壳体内；第一加料单元包括加料仓、推动装置、加热丝，加料仓上设有第一出口，加热丝环绕于加料仓的外侧，推动装置与加料仓连接并将加料仓中的原料从第一出口推出，第一出口连通主管道的内部；第二加料单元包括计量推进泵、注射器，计量推进泵将注射器内的溶液推出，注射器的出口端连接有针头，针头伸入主管道的内部，主管道伸入喷头内，喷头与壳体固定连接；高压电场发生模块的输出端通过高压供电线连接喷头。本实用新型可实现同轴纺丝，且使用方便，属于静电纺丝技术领域。

Description

一种便携式静电纺丝设备

技术领域

本实用新型涉及静电纺丝技术领域，具体涉及一种便携式静电纺丝设备。

背景技术

纳米纤维由于具有一系列特殊性能，如小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，使得其在诸多领域表现出备受瞩目的新奇特性，受到了高度关注。正是由于其在声光电热领域的特殊性能，使其逐渐被广泛应用在日常服饰制造业、生物医学工程、微尺度器件和纳米复合材料等方面。纳米纤维需要使用一系列特殊的方法进行纺丝，但是传统的纺丝方法无法制备出理想的直径仅为几百纳米，甚至几十纳米的纤维，因此静电纺丝法作为一种较为成熟且稳定的制备微纳米级纤维的纺丝方法进入到大众的视野中。

静电纺丝的原理是当聚合物熔体和溶液从针头状的流道(喷嘴)中推出后，会形成锥状液滴，而在喷嘴处可以人为地施加静电高压电场(一般0到上万伏)，进一步使聚合物溶液或熔体带电，当液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，液滴就会产生破碎，喷射出微小射流，这些微射流会在电场力作用下产生形变，受到拉伸、细化作用，或者是发生劈裂，产生微纳米纤维，与此同时溶剂(如果聚合物以溶液形式纺丝)挥发，聚合物固化，以随机的方向重复堆叠沉积在接收装置上，形成具有细微孔隙的聚合物纤维。控制喷嘴与接收装置的距离可以调控所得到聚合物纤维的性能，如粗细、形貌、孔隙率等。

可以看出，基础的静电纺丝装置需要高压电源、推进装置、针头状的流道(也叫喷嘴)和与喷嘴相连接的装载聚合物溶液(熔体)容器，以及纺丝纤维收集板三个部分组成，因此静电纺丝法的优势也主要体现于此，设备相对简单，易于通过注射流速、电压大小来控制纳米纤维的性质，同时原料来源较为广泛，溶液和熔体都可以作为纳米纺丝的原料，且成本也不会很高。由于具有上述优势，近些年来众多科研技术人员对纳米纺丝技术进行深入研究，使得这一领域得到了一定的发展，综合来看主要体现在两个方向，其一是针对工业化的需求，设计大规模、低成本制备大量微纳米纤维的大型静电纺丝装置；二是针对日常生活、科学研究、医疗急救等需要设计的便携式小型静电纺丝仪。目前常用的微型静电纺丝装置基本上着眼于室内研究，因此静电纺丝装置使用的高压电源一般都采用市售高压直流或交流电源，需要外部供电，在停电或室外的条件下难以使用。且装置体积较大，携带还是具有一定困难。为解决上述问题，现有技术提供了多种方案。

名称为“一种手持便携式静电纺丝设备”的实用新型专利(申请号：201821144768.6，公开日：2019.03.22，公开号：208632704U)公开了一种手持便携式静电纺丝设备，包括一体化设置的喷射仓室和驱动仓室，设备体积相对较小，重量轻，使用可充电电池供电，兼具操作简单与实现精确可靠的流体输送的特点，可以直接将纳米或微米级丝状材料喷涂于各种表面(如皮肤，大物体等)，但是该设备有以下缺点：第一，小型化程度不够高；第二只能对聚合物溶液进行纺丝，不能对聚合物熔体进行纺丝；第三，只能进行单轴纺丝，纺丝液必须是均一体系；第四，不能智能感应电纺丝喷头与纤维接收装置的距离，有触电的危险。

名称为“一种气流辅助手持便携式静电纺丝设备及其应用”的发明专利(申请号：201810373378.4，公开日：2020.05.08，公开号：108441972B)公开了一种气流辅助手持便携式静电纺丝设备，包括绝缘外壳、大容量二次电池、充电插孔、高压导线、高压静电发生单元、高压静电发生开关、气流导管连接器、气流导管、注射器固定支架、一次性注射器、针头固定支架、不锈钢针头、气流定向罩等。这一设备特点是体积小，集成度高，利用气流辅助进行微丝生成和定向，成本较低，但是该设备为了简化，舍弃了流量控制装置，转而利用人为控制纺丝溶液流量，可能会影响最终纺丝成品的均匀性，并且暴露部分较多，可能会在使用过程中误触从而出现危险，同时只能进行单轴纺丝，纺丝液必须是均一体系，不能进行聚合物溶体纺丝，从而使使用广度受到限制。

“一种手持式静电直喷装置及一种低电压静电纺丝方法”的专利申请(申请号：202010427773.3，公布日：2020.08.25，公开号：111575813A)公开了一种手持式静电直喷装置及一种低压静电纺丝方法。手持式静电直喷装置由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管，导电块内部设有贯穿的线形狭缝；导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。该设备特征是设备便捷，安全性较好，纺丝射流多，产量较大。但是该设备有以下缺点：第一，只能对聚合物溶液进行纺丝，不能对聚合物熔体进行纺丝；第二，只能进行单轴纺丝，纺丝液必须是均一体系；第三，不能智能感应电纺丝喷头与纤维接收装置的距离，容易造成触电危险。因此，亟待开发一种新型手持式静电纺丝装置，既能解决现有手持式纺丝装置不能智能感应电纺丝喷头与纤维接收装置的距离并做出断电动作的问题、又能解决不能同轴纺丝和不能使用熔体纺丝的问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种使用方便且可实现同轴纺丝的便携式静电纺丝设备。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种便携式静电纺丝设备，包括壳体、第一加料单元、第二加料单元、高压电场发生模块、主管道、喷头和红外距离传感器；第一加料单元、第二加料单元和高压电场发生模块均位于壳体内；第一加料单元包括加料仓、推动装置、加热丝，加料仓上设有第一出口，加热丝环绕于加料仓的外侧，推动装置与加料仓连接并将加料仓中的原料从第一出口推出，第一出口连通主管道的内部；第二加料单元包括计量推进泵、注射器、推动板，计量推进泵经推动板与注射器连接，从而计量推进泵将注射器内的溶液推出，注射器的出口端连接有针头，针头伸入主管道的内部，主管道伸入喷头内，喷头与壳体固定连接；高压电场发生模块的输出端通过高压供电线连接喷头；红外距离传感器安装在壳体上。采用这种结构后，可实现同轴纺丝，且通过计量推进泵与推动装置进行加料，使用方便，可手持使用，还可以预设定感应距离阈值，在喷头与接收装置之间的距离小于预设定的阈值时，红外距离感应器报警提醒，如果喷头与接收装置之间的距离继续减小至1cm，自动切断高压电源，以防止触电风险。

作为一种优选，主管道包括喷出段和连接段，喷出段和连接段垂直连接，从而主管道呈L形，第一出口经连接段与喷出段连接，针头伸入喷出段内并与喷出段同轴。

作为一种优选，一种便携式静电纺丝设备还包括主电源、副电源；壳体包括枪身、供手持的前柄、供手持的后柄，前柄和后柄均固定连接于枪身的外侧，喷头固定连接于枪身的一端，后柄相对于前柄远离喷头；第二加料单元位于枪身内，主电源和高压电场发生模块均位于后柄内，主电源分别电连接计量推进泵和高压电场发生模块；第一加料单元和副电源均位于前柄内，副电源分别电连接推动装置和加热丝。采用这种结构后，外壳整体呈枪状，且外壳的材质为绝缘材料，作为手持使用时最外层的保护屏障，同时给内部的所有元件提供支撑作用，主电源同时给计量推进泵和高压电场发生模块供电，副电源给推动装置和加热丝供电。

作为一种优选，枪身包括枪身主体和保护枪头，前柄和后柄均固定连接于枪身主体的外侧；保护枪头为中空结构，保护枪头由圆柱结构和圆台结构组成，枪身主体、圆柱结构、圆台结构和喷头依次连接，喷头呈圆柱状，圆柱结构的外径大于喷头的外径。

作为一种优选，针头与主管道的连接处设有第一密封圈。

作为一种优选，加料仓包括仓体和加料门，仓体和加料门均由金属材料制成，加料门与仓体的连接处设有第二密封圈。采用这种结构后，加料门四周利用具有较好膨胀性能和热稳定性的天然橡胶进行密封，内部温度升高时由于其具有比金属更好的膨胀性能会塞紧加料门的缝隙，防止熔体溢出。

作为一种优选，第一密封圈和第二密封圈的材料均为天然橡胶。

作为一种优选，第二加料单元还包括固定支架，固定支架上开有安装孔，固定支架固定安装于枪身内，注射器穿过安装孔并与固定支架固定连接；副电源位于前柄的底部，主电源位于后柄的底部，后柄的体积大于前柄。

作为一种优选，主电源和副电源均为充电电池，主电源的容量大于副电源的容量。采用这种结构后，可保证设备可以在室外或无电源的条件下使用。

作为一种优选，推动装置包括步进电机和压板，步进电机与压板连接并驱动压板在加料仓内滑动。

总的说来，本实用新型具有如下优点：首先，本实用新型的设备较为轻便，可供操作员手持使用，同时使用充电电池供电，大大拓宽了设备的使用环境；其次，在操作简单的同时，可以根据需要选择进行聚合物溶液纺丝或聚合物溶液纺丝。由于加装了加热丝，可以实现难熔材料的纺丝，提高了可供这一设备使用的原料类型；再者，可以进行同轴纺丝。同轴喷头可用于制作中空结构的纳米纤维，壳核结构的纳米纤维，微米纤维等。运用同轴喷射技术，可以将不同性质的聚合物结合在一起制成具有特殊性能的纳米纤维。另外，有一些纺丝性能差的聚合物也可以用同轴喷射技术制备成性能特异的纳米纤维，此时，应将可纺性差的聚合物用在同轴喷头的外层，而纺丝性能好的聚合物作为内层结构。最后，由于使用电压较高，本实用新型特别加装了距离感应器，特别是将该设备用于生物医学领域时，可防止操作者和病人有触电风险。

附图说明

图1为一种便携式静电纺丝设备的结构示意图。

图2为一种便携式静电纺丝设备局部结构放大图。

其中，1为喷头，2为保护枪头，3为主管道，4为第一密封圈，5为针头，6为注射器，7为固定支架，8为推动板，9为计量推进泵，10为高压供电线，11为距离感应器，12为加料仓，13为第二密封圈，14为第一速控旋钮，15为推动装置，16为副电源，17为温控旋钮，18为加料门，19为加热丝，20为前柄充电口，21为第二速控旋钮，22为电压控制旋钮，23为副电源，24为后柄充电口，25为高压电场发生模块，26为壳体。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例一

一种便携式静电纺丝设备，包括壳体、第一加料单元、第二加料单元、高压电场发生模块、主管道、喷头和红外距离传感器；第一加料单元、第二加料单元和高压电场发生模块均位于壳体内；第一加料单元包括加料仓、推动装置、加热丝，加料仓上设有第一出口，加热丝环绕于加料仓的外侧，推动装置与加料仓连接并将加料仓中的原料从第一出口推出，第一出口连通主管道的内部；第二加料单元包括计量推进泵、注射器、推动板，计量推进泵经推动板与注射器连接，从而计量推进泵将注射器内的溶液推出，注射器的出口端连接有针头，针头伸入主管道的内部，主管道伸入喷头内，喷头与壳体固定连接；高压电场发生模块的输出端通过高压供电线连接喷头；红外距离传感器安装在壳体上。

主管道包括喷出段和连接段，喷出段和连接段垂直连接，从而主管道呈L形，第一出口经连接段与喷出段连接，针头伸入喷出段内并与喷出段同轴。

一种便携式静电纺丝设备还包括主电源、副电源；壳体包括枪身、供手持的前柄、供手持的后柄，前柄和后柄均固定连接于枪身的外侧，喷头固定连接于枪身的一端，后柄相对于前柄远离喷头；第二加料单元位于枪身内，主电源和高压电场发生模块均位于后柄内，主电源分别电连接计量推进泵和高压电场发生模块；第一加料单元和副电源均位于前柄内，副电源分别电连接推动装置和加热丝。

枪身包括枪身主体和保护枪头，前柄和后柄均固定连接于枪身主体的外侧；保护枪头为中空结构，保护枪头由圆柱结构和圆台结构组成，枪身主体、圆柱结构、圆台结构和喷头依次连接，喷头呈圆柱状，圆柱结构的外径大于喷头的外径。

针头与主管道的连接处设有第一密封圈。

加料仓包括仓体和加料门，仓体和加料门均由金属材料制成，加料门与仓体的连接处设有第二密封圈。

第一密封圈和第二密封圈的材料均为天然橡胶。

第二加料单元还包括固定支架，固定支架上开有安装孔，固定支架固定安装于枪身内，注射器穿过安装孔并与固定支架固定连接；副电源位于前柄的底部，主电源位于后柄的底部，后柄的体积大于前柄。

主电源和副电源均为充电电池，主电源的容量大于副电源的容量。

推动装置包括步进电机和压板，步进电机与压板连接并驱动压板在加料仓内滑动。从而步进电机对上方的聚合物熔体产生可计量的推动作用。

前柄安装有第一速控旋钮和温控旋钮，第一速控旋钮用于控制第一加料单元的加料速度，温控旋钮可用于控制连接加热丝的长度，从而控制加热功率，进而控制加热温度，其工作时最高可使熔点为90℃的聚合物材料从喷头中推出纺丝。前柄还安装有前柄充电口，用于对副电源充电。加料仓外包裹隔热材料，防止内部温度升高导致外部手柄发烫影响人为操作。

后柄安装有第二速控旋钮和电压控制旋钮，第二速控旋钮用于控制计量推进泵的输出功率，进而控制第二加料单元的加料速度，电压控制旋钮用于控制输出的电压大小，为不同原材料提供合适的纺丝电压。后柄还安装有后柄充电口，用于对主电源进行供电，

注射器为5ml容积的一次性注射器。

使用时，将固态颗粒状原料通过加料门加入到加料仓中，并将原材料溶液加入到注射器中，去掉原有的针头，在其出口处放置尺寸确定的针头，将针头插入主流道中，并利用天然橡胶圈密封，推动板顶在注射器底部。

纺丝开始后推动板受计量推进泵控制向前运动，以一定的速度推动注射器中的原料成液滴，进入针头。同时通过第一速控旋钮控制第一加料单元的加料速度，并通过温控旋钮控制加热丝的加热功率，熔融的液流从第一加料单元顶端进入主管道，在喷头处与从第二加料单元输送出来的溶液汇合，调节两种原料的流量比例，将喷头对准接收装置，通过电场作用，实现复合材料纤维的静电纺丝。

红外距离传感器用于感应喷头与接收装置之间的距离，使用时预设定感应距离阈值为5cm，在喷头与接收装置之间的距离小于5cm时，红外距离感应器报警提醒，如果喷头与接收装置之间的距离继续减小至1cm，自动切断高压电源。

上述实施例为实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：包括壳体、第一加料单元、第二加料单元、高压电场发生模块、主管道、喷头和红外距离传感器；

第一加料单元、第二加料单元和高压电场发生模块均位于壳体内；

第一加料单元包括加料仓、推动装置、加热丝，加料仓上设有第一出口，加热丝环绕于加料仓的外侧，推动装置与加料仓连接并将加料仓中的原料从第一出口推出，第一出口连通主管道的内部；

第二加料单元包括计量推进泵、注射器、推动板，计量推进泵经推动板与注射器连接，从而计量推进泵将注射器内的溶液推出，注射器的出口端连接有针头，针头伸入主管道的内部，主管道伸入喷头内，喷头与壳体固定连接；

高压电场发生模块的输出端通过高压供电线连接喷头；

红外距离传感器安装在壳体上。

2.按照权利要求1所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：主管道包括喷出段和连接段，喷出段和连接段垂直连接，从而主管道呈L形，第一出口经连接段与喷出段连接，针头伸入喷出段内并与喷出段同轴。

3.按照权利要求1所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：还包括主电源、副电源；

壳体包括枪身、供手持的前柄、供手持的后柄，前柄和后柄均固定连接于枪身的外侧，喷头固定连接于枪身的一端，后柄相对于前柄远离喷头；

第二加料单元位于枪身内，主电源和高压电场发生模块均位于后柄内，主电源分别电连接计量推进泵和高压电场发生模块；

第一加料单元和副电源均位于前柄内，副电源分别电连接推动装置和加热丝。

4.按照权利要求3所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：枪身包括枪身主体和保护枪头，前柄和后柄均固定连接于枪身主体的外侧；

保护枪头为中空结构，保护枪头由圆柱结构和圆台结构组成，枪身主体、圆柱结构、圆台结构和喷头依次连接，喷头呈圆柱状，圆柱结构的外径大于喷头的外径。

5.按照权利要求1所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：针头与主管道的连接处设有第一密封圈。

6.按照权利要求5所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：加料仓包括仓体和加料门，仓体和加料门均由金属材料制成，加料门与仓体的连接处设有第二密封圈。

7.按照权利要求6所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：第一密封圈和第二密封圈的材料均为天然橡胶。

8.按照权利要求3所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：第二加料单元还包括固定支架，固定支架上开有安装孔，固定支架固定安装于枪身内，注射器穿过安装孔并与固定支架固定连接；

副电源位于前柄的底部，主电源位于后柄的底部，后柄的体积大于前柄。

9.按照权利要求3所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：主电源和副电源均为充电电池，主电源的容量大于副电源的容量。

10.按照权利要求1所述的一种便携式静电纺丝设备，其特征在于：推动装置包括步进电机和压板，步进电机与压板连接并驱动压板在加料仓内滑动。

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