一種可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置的製作方法
2023-05-07 07:27:06
專利名稱：一種可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於靜電紡絲裝置技術領域，涉及一種基於靜電感應起電機的熔體靜電紡絲裝置，特別是一種可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置。
背景技術：
目前，靜電紡絲是製備一維微納米纖維簡單有效的方法之一，其原理簡單，先使高分子溶液或熔體帶電，並將其置於紡絲噴頭與收集極之間的高壓靜電場中，當靜電吸引力克服高分子溶液或熔體的表面張力時，紡絲液從噴頭噴射出來，形成帶電射流，並在高壓電場中運動，因拉伸或劈裂而細化，同時，帶電射流中溶劑揮發或射流冷卻而固化，最後形成微納米纖維沉積在金屬收集極上。與傳統纖維製備方法相比，靜電紡絲技術提高了纖維的線密度，同時具有獨特的易操作性和廣泛的適用性，可以製備有機、無機和複合材料等多種微納米纖維，現有靜電紡絲主要分為聚合物溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲，其中聚合物溶液靜電紡絲更為廣泛研究和使用。隨著靜電紡絲技術的發展，各種基於不同用途的靜電紡絲裝置被公開，在聚合物溶液靜電紡絲裝置方面，中國專利「共軸複合連續納/微米纖維的多噴頭靜電紡絲裝置」(申請號200310109222. 9)、「超細聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲複合製備方法及裝置」(申請號200710009595. 7)和「一種規模化製備靜電紡絲的裝置」(申請號201210380576. 6)利用不同的方法實現了靜電紡絲的大量快速製備；中國專利「一種製備有序排列和交叉結構納米纖維的低壓離心靜電紡絲裝置」(申請號201010184068.1)實現了納米纖維的有序組裝；中國專利「一種可攜式手持靜電紡絲裝置」(申請號201210229010. 3)和「一種壓電陶瓷電源式微型靜電紡絲裝置」(申請號201110255208. 4)實現了靜電紡絲裝置的小型化、便攜化和不依賴外部電源；在熔體靜電紡絲裝置方面，中國專利「一種熔體靜電紡絲生產複合纖維的裝置」(申請號200910078502. 5)實現了同時對兩種或多種聚合物進行熔體紡絲，並製得並列型或皮芯型等複合纖維；中國專利「一種可連續生產的高效熔體靜電紡絲裝置」(申請號200920105827. 3)公開了一種高效噴絲頭，使熔體靜電紡絲的效率得到大幅度的提高；中國專利「一種絲刷式微分熔體靜電紡絲裝置及方法」(申請號201110240911.8)引入微分絲刷技術，改變了傳統使用多噴頭或毛細管組件提高靜電紡絲效率的方式，極大地提高了紡絲效率，降低了製造和安裝成本，有望實現熔體靜電紡絲大規模工業化；現有靜電紡絲裝置一般用於科學研究和工業化生產，大部分都比較笨重、價格較高，不適合教學或者課堂演示實驗；中國專利「一種旋轉圓盤感應起電式靜電紡絲裝置」(申請號201110255225.8)和「一種可攜式手持靜電紡絲裝置」(申請號201210229010. 3)都公開了一種小型可攜式的聚合物溶液靜電紡絲演示裝置；對於聚合物熔體靜電紡絲，由於使用加熱裝置和傳統高壓電源，整個紡絲裝置一般都比較大、比較重、成本較高，不適合作為教學演示裝置。因此，尋求設計一種結構簡單、價格便宜、操作方便安全、趣味性強和演示效果好的可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置用於實驗教學或科研很有應用前景。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的缺陷，尋求設計一種基於靜電感應起電機的可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置，以常見的白砂糖為原料製備白砂糖纖維並在金屬杆收集極上形成白色棉花狀的三維堆垛結構，製備的白砂糖纖維與市售用棉花糖機製備的棉花糖非常相似，實驗現象明顯，演示效果好。為了實現上述目的，本發明的主體結構包括拆除放電桿的靜電感應起電機、電熱棒金屬支架、電熱棒、金屬圓球、金屬杆收集極、收集極金屬支架、T型放電桿、塑料勺、原料盒和工具盒；拆除放電桿的靜電感應起電機為靜電紡絲提供高壓靜電，長度為23釐米的電熱棒金屬支架的一端距彎折點13釐米處與拆除放電桿的靜電感應起電機中的一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端距彎折點10釐米處與電熱棒焊接在一起，電熱棒採用功率30W的外熱式電烙鐵芯製成，直徑為6毫米的金屬球焊接在電熱棒的底端，存儲在拆除放電桿的靜電感應起電機的萊頓瓶裡的電荷通過電熱棒金屬支架和電熱棒傳遞給金屬球；長度為13釐米的收集極金屬支架的一端與拆除放電桿的靜電感應起電機中的另一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端與長度為10釐米的金屬杆收集極固定連接，金屬杆收集極位於電熱棒正下方7釐米處，能夠任意從收集極金屬支架上安裝或取下，存儲在拆除放電桿的靜電感應起電機中的另一個萊頓瓶的電荷通過收集極金屬支架傳遞給金屬杆收集極；原料盒固定於拆除放電桿的靜電感應起電機的底座上用來存放原料，其長度為4釐米，寬度為3釐米，高度為3釐米；工具盒固定於拆除放電桿的靜電感應起電機的底座上，工具盒中裝有T型放電桿和塑料勺；T型放電桿的手柄為玻璃棒，頭部為長8釐米的金屬棒，用來引出萊頓瓶內電荷；塑料勺用來從原料盒中舀取熔體原料。本發明實現紡絲時，以常見的白砂糖為原料，先將電熱棒接通220伏交流電，將金屬球電加熱，再將原料盒中的白砂糖接觸金屬球，白砂糖被加熱熔化形成白砂糖熔體粘在金屬球上，用手搖動拆除放電桿的靜電感應起電機使金屬球與金屬杆收集極之間產生高壓靜電場，金屬球上的白砂糖熔體帶有大量的靜電荷，並在電場力的作用下形成帶電射流，射流在空氣中經劈裂、拉伸和冷卻固化過程後形成白砂糖纖維，最後沉積在金屬杆收集極上，形成棉花糖結構狀的三維堆垛纖維。本發明與現有技術相比，利用靜電感應起電機產生高壓靜電，以小型電熱棒為熱源，能夠很好的展現熔體靜電紡絲的過程和原理，原料易獲取，將生活中常見的棉花糖與熔體靜電紡絲技術相結合，提出了 一種新的製備棉花糖的方法，有利於培養學生的科研興趣，開拓學生的思維和視野；其整體裝置簡單，體積小，成本低，操作方便，有利於培養學生的科研興趣，開拓學生的思維和視野，可對熔點較低的聚合物和金屬/合金進行熔體靜電紡絲，製備多種材料的微納米纖維。
圖1為本發明的主體結構原理示意圖。圖2為本發明涉及的金屬杆收集極上的白砂糖纖維照片。圖3為本發明製備的白砂糖纖維光學顯微鏡照片。
具體實施例方式
下面通過實施例並結合附圖對本發明作進一步說明。實施例本實施例的主體結構包括拆除放電桿的靜電感應起電機1、電熱棒金屬支架2、電熱棒3、金屬圓球4、金屬杆收集極5、收集極金屬支架6、T型放電桿7、塑料勺8、原料盒9和工具盒10 ;拆除放電桿的靜電感應起電機I為靜電紡絲提供高壓靜電，長度為23釐米的電熱棒金屬支架2的一端(距彎折點13釐米)與拆除放電桿的靜電感應起電機I中的一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端(距彎折點10釐米)與電熱棒3焊接在一起，電熱棒3採用功率30W的外熱式電烙鐵芯製成，直徑為6毫米的金屬球焊接在電熱棒3的底端，存儲在拆除放電桿的靜電感應起電機I的萊頓瓶裡的電荷通過電熱棒金屬支架2和電熱棒3傳遞給金屬球4 ;長度為13釐米的收集極金屬支架6的一端與拆除放電桿的靜電感應起電機I中的另一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端與長度為10釐米的金屬杆收集極5固定連接，金屬杆收集極5位於電熱棒3正下方7釐米處,可以任意從收集極金屬支架6上安裝或取下，存儲在拆除放電桿的靜電感應起電機I中的另一個萊頓瓶的電荷通過收集極金屬支架6傳遞給金屬杆收集極5 ;原料盒9固定於拆除放電桿的靜電感應起電機I的底座上用來存放原料，其長度為4釐米，寬度為3釐米，高度為3釐米；工具盒10固定於拆除放電桿的靜電感應起電機I的底座上，工具盒10中裝有T型放電桿7和塑料勺8 ；T型放電桿7的手柄為玻璃棒，頭部為長8釐米的金屬棒，用來引出萊頓瓶內電荷；塑料勺8用來從原料盒9中舀取原料。本實施例以常見的白砂糖為原料製備白砂糖纖維，先將電熱棒3接通220伏交流電，將金屬球4電加熱，再將原料盒9中的白砂糖接觸金屬球4，白砂糖被加熱熔化形成白砂糖熔體粘在金屬球4上，用手搖動拆除放電桿的靜電感應起電機I使金屬球4與金屬杆收集極5之間產生高壓靜電場，金屬球4上的白砂糖熔體帶有大量的靜電荷，並在電場力的作用下形成帶電射流，射流在空氣中經劈裂、拉伸和冷卻固化過程後形成白砂糖纖維，最後沉積在金屬杆收集極5上，形成類似棉花糖的三維堆垛結構，具體工藝步驟為(I)、檢查原料盒9和工具盒10，確保原料充足，工具齊全；(2 )、將電熱棒3接通220伏交流電電源；(3)、等待2分鐘後，金屬球4被電熱棒3加熱到180°C，用塑料勺8從原料盒9中舀取白砂糖，使塑料勺8中的白砂糖與金屬球4相接觸，白砂糖被加熱後會熔化粘在金屬球4上，然後將塑料勺8中剩餘的白砂糖倒回原料盒9中，將塑料勺8放入工具盒10內；(4)、白砂糖完全熔化後，開始用手搖動拆除放電桿的靜電感應起電機1，金屬球4與金屬杆收集極5之間產生高壓靜電場，使金屬球4上熔化的白砂糖帶有大量的靜電荷，在電場力的作用下形成帶電射流，射流在空氣中經劈裂、拉伸和固化過程後沉積在金屬杆收集極5上形成白砂糖纖維，無射流產生時停止搖動拆除放電桿的靜電感應起電機I ;(5)、將電熱棒3電源斷開，使電熱棒3逐漸冷卻下來；用放電桿7輕觸金屬球4和金屬杆收集極5，放出多餘電荷；(6)、將金屬杆收集極5從收集極金屬支架6上取下，可以清楚看到沉積在收集極5上的白砂糖微納米纖維，如圖2所示；重複上述步驟使收集的棉花糖體積更大，從白砂糖纖維光學顯微鏡照片中可以看出，製備的白砂糖纖維形貌較好，粗細均勻。
權利要求
1.一種可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置，其特徵在於主體結構包括拆除放電桿的靜電感應起電機、電熱棒金屬支架、電熱棒、金屬圓球、金屬杆收集極、收集極金屬支架、T型放電桿、塑料勺、原料盒和工具盒；拆除放電桿的靜電感應起電機為靜電紡絲提供高壓靜電，長度為23釐米的電熱棒金屬支架的一端距彎折點13釐米處與拆除放電桿的靜電感應起電機中的一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端距彎折點10釐米處與電熱棒焊接在一起，電熱棒採用功率30W的外熱式電烙鐵芯製成，直徑為6毫米的金屬球焊接在電熱棒的底端，存儲在拆除放電桿的靜電感應起電機的萊頓瓶裡的電荷通過電熱棒金屬支架和電熱棒傳遞給金屬球；長度為13釐米的收集極金屬支架的一端與拆除放電桿的靜電感應起電機中的另一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端與長度為10釐米的金屬杆收集極固定連接，金屬杆收集極位於電熱棒正下方7釐米處，能夠任意從收集極金屬支架上安裝或取下，存儲在拆除放電桿的靜電感應起電機中的另一個萊頓瓶的電荷通過收集極金屬支架傳遞給金屬杆收集極；原料盒固定於拆除放電桿的靜電感應起電機的底座上用來存放原料，其長度為4釐米，寬度為3釐米，高度為3釐米；工具盒固定於拆除放電桿的靜電感應起電機的底座上，工具盒中裝有T型放電桿和塑料勺；T型放電桿的手柄為玻璃棒，頭部為長8釐米的金屬棒，用來引出萊頓瓶內電荷；塑料勺用來從原料盒中舀取熔體原料。
2.根據權利要求1所述的可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置，其特徵在於實現紡絲時，以常見的白砂糖為原料，先將電熱棒接通220伏交流電，將金屬球電加熱，再將原料盒中的白砂糖接觸金屬球，白砂糖被加熱熔化形成白砂糖熔體粘在金屬球上，用手搖動拆除放電桿的靜電感應起電機使金屬球與金屬杆收集極之間產生高壓靜電場，金屬球上的白砂糖熔體帶有大量的靜電荷，並在電場力的作用下形成帶電射流，射流在空氣中經劈裂、拉伸和冷卻固化過程後形成白砂糖纖維，最後沉積在金屬杆收集極上，形成棉花糖結構狀的三維堆垛纖維。
全文摘要
本發明屬於靜電紡絲裝置技術領域，涉及一種可攜式熔體靜電紡絲教學演示裝置，電熱棒金屬支架的一端與拆除放電桿的靜電感應起電機中的一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端與電熱棒焊接在一起，金屬球焊接在電熱棒的底端；收集極金屬支架的一端與拆除放電桿的靜電感應起電機中的另一個萊頓瓶頂部金屬棒焊接在一起，另一端與金屬杆收集極固定連接，金屬杆收集極位於電熱棒正下方；原料盒固定於拆除放電桿的靜電感應起電機的底座上；工具盒固定於拆除放電桿的靜電感應起電機的底座上，工具盒中裝有T型放電桿和塑料勺；其整體裝置簡單，體積小，成本低，操作方便，有利於培養學生的科研興趣，可對熔點較低的聚合物和金屬/合金進行熔體靜電紡絲。
文檔編號G09B25/02GK103065543SQ20131002542
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月20日 優先權日2013年1月20日
發明者龍雲澤, 劉術亮, 黃淵源, 孫彬, 張紅娣, 張君誠 申請人:青島大學