一種雙向螺旋靜電紡絲裝置製造方法
2023-04-28 23:53:11 1
一種雙向螺旋靜電紡絲裝置製造方法
【專利摘要】一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，涉及一種靜電紡絲裝置。設有雙向螺紋導杆、儲液滑塊、豎直滑杆、導軌、機架、可控注射裝置、液體導管、分液裝置、高壓電源、氣泵、調壓閥、氣體導管、隔板、電機、從動帶輪、主動帶輪、V形帶、氣孔陣列和收集裝置。利用雙向螺紋導杆實現大面積、多射流噴射，以進一步提高靜電紡絲效率，減小紡絲射流間的靜電幹擾和電場集中現象，促進納米纖維在收集板上的均勻分布，提高所收集到的納米纖維薄膜厚度均勻性，改善納米纖維薄膜的質量，確保多射流的穩定快速噴射，實現大面積均勻納米薄膜的收集。適用於不同雙向螺紋導杆長度、數量、形狀以及不同螺紋形狀的噴射裝置。
【專利說明】—種雙向螺旋靜電紡絲裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種靜電紡絲裝置，尤其是涉及利用雙向螺紋導杆實現大面積、多射流噴射的一種雙向螺旋靜電紡絲裝置。
【背景技術】
[0002]靜電紡絲技術能將大部分聚合物及其共聚物、嵌端共聚物、衍生物等成功地製備成3nm?5 μ m範圍的電紡纖維，其原理是:在高壓靜電發生器作用下，紡絲液噴射裝置和納米纖維接收裝置之間形成高壓靜電場；聚合物溶液在高壓電場作用下充電而受電場力拉伸，變形產生Taylor錐；當電場力足夠大時,帶點液滴克服表面張力形成帶電射流,朝收集器加速運動；伴隨溶劑揮發發生彎曲和拉伸，帶電射流被拉伸變細、固化形成納米纖維結構。
[0003]近幾年來，靜電紡絲技術以其連續、方便、快速、工藝簡單、成本低廉的特點逐漸成為納米纖維製造的主流技術；靜電紡絲納米纖維具有形貌可控、比表積大、透氣性好等諸多優勢，己在過濾材料、防護材料、酶載體、傳感器膜等領域獲得了廣泛應用。但是，傳統的靜電紡絲裝置只能進行單射流紡絲，產量只有0.1?lg/h，效率非常低，難以適應靜電紡絲技術產業化的需要。因此，改變紡絲噴射電極結構實現多射流噴射是目前靜電紡絲技術批量生產研究的重點。目前，提高靜電紡絲效率的方法主要是採用多針頭靜電紡絲裝置(J.C.Almekinders and C.Jones.Multiple jet electrohydrodynamic spraying andapplicat1ns[J].J.Aerosol.Sc1., 1999, 17:969-971)來進行批量製造，從而提高納米纖維生產效率。但是，多紡絲噴頭的陣列排布易產生不均勻電場，噴頭之間相互電導播抑制影響，各個噴頭的噴射狀態不一致，難以保證各個噴嘴同時進行持續穩定射流噴射；並且，射流之間的靜電排斥作用也增加了射流的不穩定性，從而導致各個噴頭所噴射獲得的納米纖維形態尺寸差異很大，影響了所製備納米纖維薄膜的質量。此外，傳統靜電紡絲裝置大多採用標準注射紡絲噴頭作為噴嘴，具有易於堵塞、清洗困難等缺點，阻礙了其工業化推廣。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供利用雙向螺紋導杆實現大面積、多射流噴射的一種雙向螺旋靜電紡絲裝置。
[0005]本發明設有雙向螺紋導杆、儲液滑塊、豎直滑杆、導軌、機架、可控注射裝置、液體導管、分液裝置、高壓電源、氣泵、調壓閥、氣體導管、隔板、電機、從動帶輪、主動帶輪、V形帶、氣孔陣列和收集裝置；
[0006]所述雙向螺紋導杆裝夾固定於機架上，每根雙向螺紋導杆的端部均安裝有從動帶輪，從動帶輪通過V形帶與安裝於電機主軸的主動帶輪連接,實現電機同時帶動多根雙向螺紋導杆的旋轉運動，V形帶實現遠距離動力傳輸；所述儲液滑塊的側孔與雙向螺紋導杆配合，在雙向螺紋導杆上自由往復運動，儲液滑塊的底孔與豎直滑杆配合，豎直滑杆下端在安裝於機架的軌道上水平移動，豎直滑杆上端穿過儲液滑塊的底孔直接與雙向螺紋導杆螺旋線接觸，雙向螺紋導杆的旋轉運動帶動豎直滑杆水平移動，實現儲液滑塊在雙向螺紋導杆上的往復運動；
[0007]所述分液裝置的一端通過液體導管與可控注射裝置連接，分液裝置的另一端與儲液滑塊連接，紡絲液由可控注射裝置供給，充滿分液裝置後流向各個儲液滑塊，隨著儲液滑塊的往復運動，在雙向螺紋導杆上均勻塗布；
[0008]所述隔板位於機架進氣口上方，與機架底面構成氣腔，氣體導管與氣泵相連，氣泵通過進氣口向氣腔內供氣，調壓閥調節輔助氣流氣壓大小；
[0009]每一根雙向螺紋導杆對應的機架底面位置均開有導軌槽，導軌槽內安裝有導軌，豎直滑杆一端在導軌上水平運動，豎直滑杆另一端沿雙向螺紋導杆的螺旋線運動，使雙向螺紋導杆的旋轉運動轉變為豎直滑杆的水平往復運動；
[0010]所述高壓電源的正極通過導線與雙向螺紋導杆連接，高壓電源的接地端與收集裝置連接。
[0011]所述輔助氣流可通過隔板上的氣孔陣列向上傳輸，有助於提高射流噴射的穩定性。
[0012]所述雙向螺紋導杆可由兩條方向相反的螺紋構成，雙向螺紋導杆的牙型可為三角形或鋸齒形等，尖角位置越尖銳越有助於電荷聚集形成高電場實現射流噴射。
[0013]相鄰雙向螺紋導杆間的距離可為0.5?2cm。所述雙向螺紋導杆的形狀可為直杆或彎杆；彎杆能夠改變電場的空間分布，減弱相鄰雙向螺紋導杆間的靜電幹擾，比直杆結構更有利於實現射流的穩定持續噴射；各個雙向螺紋導杆可以採用同一個電機帶動運行，也可以分別採用多臺電機進行獨立帶動運行，或是採用不同電機進行分組帶動運行。
[0014]不同雙向螺紋導杆上的儲液滑塊可以呈現直線分布或呈現波浪形交錯分布。
[0015]所述儲液滑塊上可設有回流槽。
[0016]多根雙向螺紋導杆通過機架裝夾固定，機架制約了雙向螺紋導杆導杆的水平竄動，使雙向螺紋導杆只可進行旋轉運動，並對整個裝置起支撐作用。此外，在與每一根雙向螺紋導杆對應的機架底面位置都開有導軌槽，槽內安裝有導軌，使豎直導杆能夠在導軌上往復運動。
[0017]電機主軸連接主動帶輪，電機的轉動帶動主動帶輪轉動，主動帶輪的轉動通過V形帶傳動帶動從動帶輪的轉動，每一根雙向螺旋導軌均連接一個從動帶輪，從而實現電機同時帶動多根導杆進行旋轉運動。帶傳動可以實現遠距離動力傳輸，使電機遠離高壓電源，以免高壓對電機工作產生幹擾。
[0018]豎直滑杆一端可在導軌運動，另一端穿過儲液滑塊與雙向螺紋導杆的螺旋線接觸並可沿螺旋線運動，雙向螺紋導杆的旋轉運動帶動豎直滑杆在導軌上往復運動，從而使儲液滑塊在雙向螺紋導杆上往復運動，儲液滑塊中的紡絲液隨著雙向螺紋導杆的旋轉運動均勻塗布在雙向螺紋導杆上。儲液滑塊上設有回流槽，防止雙向螺紋導杆與滑塊側壁接觸不緊密處出現漏液現象。儲液滑塊在雙向螺紋杆上的滑動不僅實現了紡絲溶液的持續穩定供給和塗布；並且儲液滑塊與雙向螺紋杆的相對運動破壞了液面的穩定，也將誘使促進紡絲射流的高效快速噴射；同時，儲液滑塊限制了雙向螺紋杆表面的液面形貌，提高了紡絲射流噴射過程的穩定性和電紡納米纖維的均勻性。
[0019]儲液滑塊在雙向螺紋導杆上的初始位置可以處於直線分布，也可以初始位置不同，如呈現波浪形交錯分布，交錯排布的儲液滑塊有利於減小射流間幹擾作用，使靜電紡絲納米纖維的過程更加持續穩定。
[0020]收集裝置位於雙向螺紋導杆平面上方，其底面平行於多根雙向螺紋導杆組成的平面。高壓電源的正極輸出連接雙向螺紋導杆，使雙向螺紋導杆帶有高電壓，收集裝置接地，從而在螺紋導杆與收集裝置間形成高壓靜電場。螺紋的尖角處聚集電荷產生高電場，在電場力的作用下，雙向螺紋導杆上的紡絲液被拉伸形成帶電射流。伴隨溶液揮發，在收集板上上收集到大面積均勻納米纖維薄膜。
[0021]隔板由豎直滑杆水平移動的孔道以及輔助氣流向上傳輸的氣孔陣列組成。隔板位於機架的進氣口上方，與機架固定連接，和機架底面構成氣室。氣體導管一端連接氣泵，另一端連接機架，通過調壓閥調節氣壓大小。通過進氣口向機架與隔板之間的氣室通氣，輔助氣流通過氣孔向上傳輸，氣孔對輔助氣流有約束作用，促進射流向上噴射，提高紡絲射流的穩定性和持續性；並促使未形成射流的多餘紡絲液掉落於機架內，防止其幹擾射流的長時間穩定噴射。
[0022]本發明利用雙向螺紋導杆實現大面積、多射流噴射，以進一步提高靜電紡絲效率，減小紡絲射流間的靜電幹擾和電場集中現象，促進納米纖維在收集板上的均勻分布，提高所收集到的納米纖維薄膜厚度均勻性，改善納米纖維薄膜的質量，確保多射流的穩定快速噴射，實現大面積均勻納米薄膜的收集。
[0023]本發明適用於不同雙向螺紋導杆長度、數量、形狀以及不同螺紋形狀的噴射裝置。本發明通過電機帶動多根雙向螺紋導杆的連續旋轉進行大面積、多射流靜電紡絲，大大提高了靜電紡絲效率，實現了納米纖維薄膜的批量連續生產。利用儲液滑塊在雙向螺紋導杆上的往復運動，減小了紡絲射流間的靜電幹擾和電場集中現象，促進了納米纖維在收集板上的均勻分布，提高了所收集到的納米纖維薄膜厚度均勻性，輔助氣流有利於提高紡絲射流的持續穩定噴射，改善納米纖維薄膜的質量。通過利用雙向螺紋導杆進行靜電紡絲，消除了傳統靜電紡絲中噴嘴清洗的困難，可較好的實現多射流高效噴射提高納米纖維生產效率，並且克服了紡絲過程中噴嘴堵塞的問題，拆卸、更換方便，裝置簡單，容易實現自動化控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明實施例的俯視結構示意圖。
[0025]圖2是雙向螺紋導杆局部放大圖。
[0026]圖3是帶傳動示意圖。
[0027]圖4是本發明實施例的主視結構示意圖。
[0028]圖5是隔板結構示意圖。
[0029]圖6是儲液滑塊結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0031]參見圖1?6,本發明實施例設有雙向螺紋導杆4、儲液滑塊5、豎直滑杆14、導軌15、機架9、可控注射裝置1、液體導管2、分液裝置3、高壓電源6、氣泵10、調壓閥11、氣體導管12、隔板16、電機8、從動帶輪17、主動帶輪18、V形帶7、氣孔陣列19和收集裝置13。
[0032]所述雙向螺紋導杆4裝夾固定於機架9上，每根雙向螺紋導杆4的端部均安裝有從動帶輪17,從動帶輪17通過V形帶7與安裝於電機8主軸的主動帶輪18連接,實現電機8同時帶動多根雙向螺紋導杆4的旋轉運動，V形帶7實現遠距離動力傳輸；所述儲液滑塊5的側孔與雙向螺紋導杆4配合，在雙向螺紋導杆4上自由往復運動，儲液滑塊5的底孔與豎直滑杆14配合，豎直滑杆14下端在安裝於機架9的軌道上水平移動，豎直滑杆14上端穿過儲液滑塊5的底孔直接與雙向螺紋導杆4螺旋線接觸，雙向螺紋導杆4的旋轉運動帶動豎直滑杆14水平移動，實現儲液滑塊5在雙向螺紋導杆4上的往復運動。
[0033]所述分液裝置3的一端通過液體導管2與可控注射裝置I連接，分液裝置3的另一端與儲液滑塊5連接，紡絲液由可控注射裝置I供給，充滿分液裝置3後流向各個儲液滑塊5，隨著儲液滑塊5的往復運動，在雙向螺紋導杆4上均勻塗布。
[0034]所述隔板16位於機架9進氣口上方，與機架9底面構成氣腔，氣體導管12與氣泵10相連，氣泵10通過進氣口向氣腔內供氣，調壓閥11調節輔助氣流氣壓大小。
[0035]每一根雙向螺紋導杆4對應的機架9底面位置均開有導軌槽,導軌槽內安裝有導軌15，豎直滑杆14 一端在導軌15上水平運動，豎直滑杆14另一端沿雙向螺紋導杆4的螺旋線運動，使雙向螺紋導杆4的旋轉運動轉變為豎直滑杆14的水平往復運動。
[0036]所述高壓電源6的正極通過導線與雙向螺紋導杆4連接，高壓電源6的接地端與收集裝置13連接。
[0037]所述輔助氣流可通過隔板16上的氣孔陣列19向上傳輸，有助於提高射流噴射的
穩定性。
[0038]所述雙向螺紋導杆可由兩條方向相反的螺紋構成，雙向螺紋導杆的牙型可為三角形或鋸齒形等，尖角位置越尖銳越有助於電荷聚集形成高電場實現射流噴射。
[0039]相鄰雙向螺紋導杆間的距離可為0.5?2cm。所述雙向螺紋導杆的形狀可為直杆或彎杆；彎杆能夠改變電場的空間分布，減弱相鄰雙向螺紋導杆間的靜電幹擾，比直杆結構更有利於實現射流的穩定持續噴射；各個雙向螺紋導杆可以採用同一個電機帶動運行，也可以分別採用多臺電機進行獨立帶動運行，或是採用不同電機進行分組帶動運行。
[0040]不同雙向螺紋導杆上的儲液滑塊可以呈現直線分布或呈現波浪形交錯分布。
[0041]所述儲液滑塊上可設有回流槽。
[0042]可控注射裝置I可以控制紡絲液的供給速度，連接液體導管2 —端，液體導管2另一端與分液裝置3輸液口相連接。每一個儲液滑塊5的進液口 53分別與分液裝置3的出液口相連接。雙向螺紋導杆4與儲液滑塊5的側孔相配合，可以自由進行旋轉運動。雙向螺紋導杆4裝夾固定於機架9上，只可進行旋轉運動，其軸向竄動受到限制。高壓電源的正極輸出通過導線與各根雙向螺紋導杆4相連，使其帶有高電壓。電機8的主軸旋轉運動通過V形帶7傳輸動力帶動雙向螺紋導杆4的旋轉。
[0043]圖2局部放大雙向螺紋導杆4，雙向螺紋導杆由兩條方向相反的螺紋構成，牙型可為鋸齒形、三角形等。豎著滑杆14沿一條螺旋線運動，當到達終點時，可於兩條螺旋線交點處沿反方向螺旋線繼續運動，從而實現雙向螺紋導杆4單向旋轉條件下儲液滑塊5的往復運動。
[0044]圖3表示電機8與雙向螺紋導杆4之間利用V形帶7傳輸動力的過程。電機8上裝有主動帶輪17，每一根雙向螺紋導杆上都裝有從動帶輪16，主動帶輪17與從動帶輪16之間通過V形帶7連接，通過V形帶7的動力傳輸作用將主動帶輪17的旋轉運動傳遞給從動帶輪16,從而帶動雙向螺紋導杆4的旋轉。
[0045]在圖4中，每一根雙向螺紋導杆對應的機架9底面位置都開有導軌槽，槽內安裝有導軌15。豎直滑杆14 一端在導軌15上水平運動，另一端沿雙向螺紋導杆4的螺旋線運動，使雙向螺紋導杆4的旋轉運動轉變為豎直滑杆14的水平往復運動。豎直滑杆14與儲液滑塊5底面小孔相配合，穿過儲液滑塊5底面的小孔與雙向螺紋導杆4相接觸，豎直滑杆14的水平往復運動帶動儲液滑塊5沿雙向螺紋導杆4的水平往復運動。收集裝置14位於雙向螺紋導杆4組成平面的上方，其底面平行於多根雙向螺紋導杆4組成的平面。氣泵10通過調壓閥11控制氣壓大小，通過氣體導管12向機架9與隔板16之間的氣室通氣，輔助氣流通過隔板上的氣孔陣列19向上傳輸，促進射流向上噴射及未噴射溶液的掉落，有助於靜電紡絲過程的持續穩定進行。
[0046]圖5表示隔板16的結構，孔道對應於豎直滑杆14的位置，豎直滑杆14可沿孔道做往復運動。隔板上均勻分布有可供輔助氣流向上傳輸的氣孔陣列19，氣孔對輔助氣流具有約束作用，有助於射流的向上噴射以及未噴射溶液的向下掉落，可提高紡絲射流的持續穩定噴射，對於提高納米纖維薄膜的質量具有輔助作用。
[0047]圖6表示儲液滑塊5的結構，導杆孔(側孔)54與雙向螺紋導杆4相配合，雙向螺紋導杆4能在孔內自由旋轉。滑杆孔(底孔)52與豎直滑杆14相配合，豎直滑杆14穿過底孔上與雙向螺紋導杆4的螺旋線接觸，下與導軌15接觸，通過豎直滑杆14在導軌15上的滑動將雙向螺紋導杆4的旋轉運動轉變為儲液滑塊5的水平移動。儲液滑塊5的側壁上開有回流槽51，可以防止儲液滑塊5與雙向螺紋導杆4的接觸處發生漏液現象影響紡絲過程。
[0048]本實施例在使用時，紡絲液由可控注射裝置供給，通過液體導管流入分液裝置，充滿後均勻流入各個儲液滑塊。電機主軸轉動通過帶傳動帶動雙向螺紋導杆旋轉，通過豎直滑杆沿螺旋線在導軌上的運動帶動儲液滑塊的雙向螺紋導杆上移動，隨著雙向螺紋導杆的旋轉，溶液均勻塗布在雙向螺紋導杆上。雙向螺紋導杆通過導線與高壓電源連接，高電壓在雙向螺紋導杆的螺紋尖角處產生高電場，使紡絲液形成射流噴射。根據實際需要，輔助氣流大小通過調壓閥調節，輔助氣流促進紡絲射流向上噴射，沉積在上方的收集裝置，得到大面積的納米纖維薄膜。
【權利要求】
1.一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於設有雙向螺紋導杆、儲液滑塊、豎直滑杆、導軌、機架、可控注射裝置、液體導管、分液裝置、高壓電源、氣泵、調壓閥、氣體導管、隔板、電機、從動帶輪、主動帶輪、V形帶、氣孔陣列和收集裝置； 所述雙向螺紋導杆裝夾固定於機架上，每根雙向螺紋導杆的端部均安裝有從動帶輪，從動帶輪通過V形帶與安裝於電機主軸的主動帶輪連接,實現電機同時帶動多根雙向螺紋導杆的旋轉運動，V形帶實現遠距離動力傳輸；所述儲液滑塊的側孔與雙向螺紋導杆配合，在雙向螺紋導杆上自由往復運動，儲液滑塊的底孔與豎直滑杆配合，豎直滑杆下端在安裝於機架的軌道上水平移動，豎直滑杆上端穿過儲液滑塊的底孔直接與雙向螺紋導杆螺旋線接觸，雙向螺紋導杆的旋轉運動帶動豎直滑杆水平移動，實現儲液滑塊在雙向螺紋導杆上的往復運動； 所述分液裝置的一端通過液體導管與可控注射裝置連接，分液裝置的另一端與儲液滑塊連接，紡絲液由可控注射裝置供給，充滿分液裝置後流向各個儲液滑塊，隨著儲液滑塊的往復運動，在雙向螺紋導杆上均勻塗布； 所述隔板位於機架進氣口上方，與機架底面構成氣腔，氣體導管與氣泵相連，氣泵通過進氣口向氣腔內供氣，調壓閥調節輔助氣流氣壓大小； 每一根雙向螺紋導杆對應的機架底面位置均開有導軌槽，導軌槽內安裝有導軌，豎直滑杆一端在導軌上水平運動，豎直滑杆另一端沿雙向螺紋導杆的螺旋線運動，使雙向螺紋導杆的旋轉運動轉變為豎直滑杆的水平往復運動； 所述高壓電源的正極通過導線與雙向螺紋導杆連接，高壓電源的接地端與收集裝置連接。
2.如權利要求1所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於所述輔助氣流通過隔板上的氣孔陣列向上傳輸，有助於提高射流噴射的穩定性。
3.如權利要求1所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於所述雙向螺紋導杆由兩條方向相反的螺紋構成。
4.如權利要求1或3所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於雙向螺紋導杆的牙型為三角形或鋸齒形。
5.如權利要求1或3所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於相鄰雙向螺紋導杆間的距離為0.5?2cm。
6.如權利要求1或3所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於所述雙向螺紋導杆的形狀為直杆或彎杆。
7.如權利要求1所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於不同雙向螺紋導杆上的儲液滑塊呈現直線分布或呈現波浪形交錯分布。
8.如權利要求1所述一種雙向螺旋靜電紡絲裝置，其特徵在於所述儲液滑塊上設有回流槽。
【文檔編號】D01D5/00GK104032383SQ201410298359
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】鄭高峰, 姜佳昕, 吳佳靜, 孫玲玲, 鄭建毅, 孫道恆 申請人:廈門大學