一種基于實(shí)心針噴絲裝置的靜電噴絲系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及靜電噴絲技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)心針噴絲系統(tǒng)及其使用的靜電噴絲系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

納米纖維廣義上是指直徑在1000nm以下的纖維，具有比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高效過濾材料、創(chuàng)傷敷料、組織工程、復(fù)合材料、電池電極及微納米器件等領(lǐng)域。

靜電紡絲是通過高壓直流電源產(chǎn)生的電場力拉伸聚合物溶液或熔體來制備納米纖維的方法，是目前制備納米纖維的最有效技術(shù)之一。靜電紡絲包括溶液靜電紡絲和熔融靜電紡絲兩大類，其中溶液靜電紡絲由于其設(shè)備及工藝簡單而得到快速發(fā)展。

溶液靜電紡絲裝置主要包括高壓電源發(fā)生器、噴絲頭、供液系統(tǒng)和纖維接收裝置四部分。溶液靜電紡絲裝置可以采用單個金屬毛細(xì)針管作為噴絲頭實(shí)現(xiàn)紡絲，如專利200420020596.3、200410025622.6等所公開的技術(shù)。但是，由于傳統(tǒng)單個金屬毛細(xì)針管靜電紡絲產(chǎn)率較低，無法滿足工業(yè)化需求，成為制約其發(fā)展的瓶頸問題。

目前，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；o電紡絲的相關(guān)技術(shù)可以歸納為多針頭式(帶毛細(xì)孔針頭)和無針頭式兩大類。theron等將多個金屬毛細(xì)針管按照直線排列或矩形排列的方式組成多針頭靜電紡絲裝置[s.a.theron，a.l.yarin，e.zussman，e.kroll.multiplejetsinelectrospinning：experimentandmodeling.polymer，2005，46(9)：2889-2899.]，國內(nèi)及國際上也出現(xiàn)了很多類似專利，如200420107832.5、201510278266.7、wo2007035011等所公開的技術(shù)。

多針頭靜電紡絲技術(shù)噴絲位置可控、喂液量可控、噴絲過程穩(wěn)定，且在產(chǎn)量上有了大幅提高，但是多針頭靜電紡絲過程中會出現(xiàn)嚴(yán)重的“邊緣效應(yīng)(endeffect)”現(xiàn)象，即由于同排多針頭之間存在靜電排斥，導(dǎo)致兩邊的針頭出來的射流會向兩側(cè)嚴(yán)重傾斜，使接收裝置只能接收到中間的部分纖維，導(dǎo)致靜電紡絲效率和產(chǎn)量大打折扣，同時，由于各針頭之間場強(qiáng)的相互干擾，使得場強(qiáng)分布不均勻，導(dǎo)致獲取的纖維膜均勻度不好；除此之外，針頭堵塞、不便清洗、注射泵容量有限以及針頭所帶電荷回流易導(dǎo)致電器元件損毀、輸液管路易發(fā)生爆炸和著火等問題，都在很大程度上阻礙了多針頭靜電紡絲工業(yè)化的進(jìn)程。

無針頭靜電紡設(shè)備不存在針頭堵塞問題，產(chǎn)量比針頭式靜電紡提高了很多，但是由于發(fā)射極大多沒有尖峰且面積較大，泰勒錐產(chǎn)生的臨界場強(qiáng)大，能耗較高；同時，泰勒錐產(chǎn)生的位置和狀態(tài)不可控，所得纖維粗細(xì)不勻、纖維偏粗、產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。另外，無針頭靜電紡?fù)捎瞄_放式供液，會導(dǎo)致溶劑揮發(fā)、溶液濃度變大、噴絲過程不可控等問題，往往給工業(yè)化生產(chǎn)帶來很大不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域存在的上述問題，現(xiàn)提供一種基于實(shí)心針噴絲裝置的靜電噴絲系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)針管式靜電紡絲裝置針頭堵塞、不便清洗、單次紡絲溶液量有限、場強(qiáng)不均勻以及存在的“邊緣效應(yīng)”等問題和無針頭靜電紡絲中開放式供液導(dǎo)致的溶劑揮發(fā)、紡絲射流不可控及能耗過高等問題。

具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的第一個方面是提供一種實(shí)心針噴絲裝置，具有這樣的特征，包括：

實(shí)心針，實(shí)心針包括針體以及設(shè)于針體一端的針尖；以及針套，針套內(nèi)沿其軸向方向開設(shè)有與實(shí)心針相配合的中心孔，針體設(shè)置針尖的一端從針套的一端伸入中心孔內(nèi)，并且，實(shí)心針的外壁與中心孔的孔壁間隙配合，針套另一端的側(cè)壁上設(shè)有喂液通道，喂液通道貫穿針套的側(cè)壁并與中心孔連通，喂液通道內(nèi)設(shè)有進(jìn)液閥，中心孔內(nèi)相對靠近喂液通道的一端設(shè)有出液閥，針套另一端的中心孔的孔壁上同軸套設(shè)有電極環(huán)，并且，電極環(huán)套設(shè)于出液閥的外周。

上述的實(shí)心針噴絲裝置，還具有這樣的特征，針體、針尖均為圓柱體狀，并且，針尖通過與針體橫截面面積相同的底面連接于針體上。

上述的實(shí)心針噴絲裝置，還具有這樣的特征，針體由金屬材料制成，針尖由絕緣材料制成，上述絕緣材料包括聚酰亞胺、聚甲醛、酚醛樹脂、聚四氟乙烯、聚丙烯、高強(qiáng)聚乙烯或陶瓷等有機(jī)或無機(jī)絕緣材料。

上述的實(shí)心針噴絲裝置，還具有這樣的特征，針套由絕緣材料制成，上述絕緣材料包括聚酰亞胺、聚甲醛、酚醛樹脂、高強(qiáng)聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或陶瓷等有機(jī)或無機(jī)絕緣材料。

上述的實(shí)心針噴絲裝置，還具有這樣的特征，進(jìn)液閥和出液閥均為單向閥。

本發(fā)明的第二個方面是提供一種靜電噴絲系統(tǒng)，包括靜電發(fā)生器、接收裝置、供液裝置和升降系統(tǒng)，具有這樣的特征，還包括若干上述的實(shí)心針噴絲裝置，供液裝置設(shè)有若干與實(shí)心針噴絲裝置一一對應(yīng)的微流管道，微流管道與進(jìn)液閥一一對應(yīng)連通，升降系統(tǒng)與實(shí)心針連接并驅(qū)動實(shí)心針做往復(fù)直線運(yùn)動，接收裝置位于出液閥的下方，電極環(huán)均與靜電發(fā)生器中的正壓電極電連接，接收裝置中的接收電極與靜電發(fā)生器中的負(fù)壓電極電連接。

上述的靜電噴絲系統(tǒng)，還具有這樣的特征，供液裝置設(shè)有衣架式供液流道，微流管道設(shè)于供液流道的底部且與供液流道內(nèi)部連通。

上述的靜電噴絲系統(tǒng)，還具有這樣的特征，升降系統(tǒng)包括針板以及驅(qū)動針板做往復(fù)直線運(yùn)動的驅(qū)動電機(jī)，各實(shí)心針中針體相對針尖另一端均與針板連接。

上述的靜電噴絲系統(tǒng)，還具有這樣的特征，接收裝置還包括兩幅平行設(shè)置的導(dǎo)輥以及纏繞于兩幅導(dǎo)輥之間的基布，基布位于出液閥的下方。

上述的靜電噴絲系統(tǒng)，還具有這樣的特征，靜電噴絲系統(tǒng)還包括控制器，控制器與驅(qū)動電機(jī)電連接。

上述方案的有益效果是：

本發(fā)明所設(shè)計的實(shí)心針噴絲裝置中，利用針套包裹的實(shí)心針和電極環(huán)，可有效減弱針頭間的靜電斥力以及末端效應(yīng)現(xiàn)象；同時，通過調(diào)整電極環(huán)的高度使每個電極環(huán)與接收電極處于合適的距離，可實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)均勻，從而達(dá)到均勻紡絲的效果；實(shí)心針的上、下往復(fù)運(yùn)動，可有效解決毛細(xì)管(針頭)式靜電紡絲更注重的針套堵塞現(xiàn)象；設(shè)置的單向進(jìn)液閥和單向出液閥配合實(shí)心針的運(yùn)動可防止電荷逆流，且?guī)щ娙芤簝H限于針尖和針套頂端之間很小區(qū)域，極大地降低了大量電荷在喂液通道積累引起的爆炸、著火概率，可實(shí)現(xiàn)安全喂液和連續(xù)生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中提供的單個實(shí)心針噴絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中提供的基于多個實(shí)心針噴絲裝置的靜電噴絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中：1、實(shí)心針；11、針體；12、針尖；2、針套；21、中心孔；211、出液閥；22、喂液通道；221、進(jìn)液閥；23、電極環(huán)；3、靜電發(fā)生器；31、正壓電極；32、負(fù)壓電極；4、接收裝置；41、導(dǎo)輥；42、基布；5、供液裝置；51、微流管道；52、供液流道；6、升降系統(tǒng)；61、針板。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中提供的實(shí)心針噴絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中提供的靜電噴絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的實(shí)施例中提供的靜電噴絲系統(tǒng)，包括：靜電發(fā)生器3、接收裝置4、供液裝置5和升降系統(tǒng)6，還包括實(shí)心針噴絲裝置，供液裝置5設(shè)有若干與實(shí)心針噴絲裝置一一對應(yīng)的微流管道51，微流管道51與進(jìn)液閥221一一對應(yīng)連通，升降系統(tǒng)6與實(shí)心針1連接并驅(qū)動實(shí)心針1做往復(fù)直線運(yùn)動，接收裝置4位于出液閥211的下方，電極環(huán)23均與靜電發(fā)生器3中的正壓電極31電連接，接收裝置4中的接收電極(圖中未顯示)與靜電發(fā)生器3中的負(fù)壓電極32電連接。

具體的，供液裝置5設(shè)有衣架式供液流道52，微流管道51設(shè)于供液流道52的底部且與供液流道52內(nèi)部連通，本實(shí)施例中，微流管道51通過微流管道與進(jìn)液閥221一一對應(yīng)連通，以便為各實(shí)心針1均勻供液。

具體的，升降系統(tǒng)6包括針板61以及驅(qū)動針板61做往復(fù)直線運(yùn)動的偏心輪或凸輪機(jī)構(gòu)、直線滑軌、驅(qū)動電機(jī)，各實(shí)心針1中針體11相對針尖12的另一端均與針板61連接。

具體的，接收裝置4包括兩幅平行設(shè)置的導(dǎo)輥41以及纏繞于兩幅導(dǎo)輥41之間的基布42，基布42位于出液閥211的下方，在此基礎(chǔ)上采用基布退繞和卷繞裝置可替代本發(fā)明實(shí)施例圖示的定長循環(huán)卷繞機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)靜電紡。

此外，本發(fā)明的實(shí)施例提供的靜電噴絲系統(tǒng)中，靜電噴絲系統(tǒng)還包括控制器(圖中為顯示)，控制器與驅(qū)動電機(jī)電連接，本實(shí)施例中控制器用于控制升降系統(tǒng)6以及實(shí)心針1上下往復(fù)運(yùn)動的頻率、動程以及起始平衡點(diǎn)。

具體的，如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例中提供的實(shí)心針噴絲裝置，包括：實(shí)心針1，實(shí)心針1包括針體11以及設(shè)于針體11一端的針尖12；以及針套2，針套2內(nèi)沿其軸向方向開設(shè)有與針體11相配合的中心孔21，針體11設(shè)置針尖12的一端從針套2的一端伸入中心孔21內(nèi)，并且，實(shí)心針1的外壁與中心孔21的孔壁間隙配合，針套2另一端的側(cè)壁上設(shè)有喂液通道22，喂液通道22貫穿針套2的側(cè)壁并與中心孔21連通，喂液通道22內(nèi)設(shè)有進(jìn)液閥221，中心孔21內(nèi)相對靠近喂液通道22的一端設(shè)有出液閥211，針套2另一端的中心孔21的孔壁上同軸套設(shè)有電極環(huán)23，并且，電極環(huán)23套設(shè)于出液閥211的外周，本實(shí)施例中，電極環(huán)23由金屬材料制成，其外徑與中心孔21的直徑相等。

具體的，本發(fā)明的實(shí)施例中，針體11和針尖12均為圓柱體狀，針尖12通過與針體11的橫截面相同的底面連接于針體11的一端，具體的，針體11由金屬材料制成，本實(shí)施例中針體11由不銹鋼制成；針尖12由絕緣材料制成，本實(shí)施例中針尖12由聚四氟乙烯制成，針套2由絕緣材料制成，本實(shí)施例中針套2由熱固性酚醛樹脂制成。

具體的，本發(fā)明的實(shí)施例中，進(jìn)液閥221和出液閥211均為單向閥，本實(shí)施例中通過設(shè)置進(jìn)液單向閥221和出液單向閥211，使得紡絲液只可以由外部進(jìn)入絕緣針套2的中心孔21，無法反向流動，且紡絲液可以被針體11推出，但是空氣不會被吸入。

本發(fā)明的實(shí)施例中，實(shí)心針1與中心孔21緊密配合，當(dāng)升降系統(tǒng)6驅(qū)動實(shí)心針1向上運(yùn)動時，負(fù)壓吸附作用迫使出液單向閥211關(guān)閉、進(jìn)液單向閥221打開，紡絲液由供液裝置5通過進(jìn)液單向閥221被吸入到中心孔21，順利實(shí)現(xiàn)紡絲液的喂入，并有效防止來自針尖12或電極環(huán)23位置的紡絲液攜帶的電荷逆流而上進(jìn)入喂液通道22而帶來的安全隱患；當(dāng)升降系統(tǒng)6驅(qū)動實(shí)心針1向下運(yùn)動時，正壓力將紡絲液向下推出，出液單向閥211打開、進(jìn)液單向閥221關(guān)閉，實(shí)心針1將紡絲液向下推出，并在到達(dá)電極環(huán)23處時被電場激發(fā)而產(chǎn)生泰勒錐，并進(jìn)一步有效地防止來自針尖12或電極環(huán)23位置的紡絲液攜帶的電荷逆流而上進(jìn)入喂液通道22而帶來的安全隱患，同時，由于實(shí)心針1可以上、下往復(fù)運(yùn)動，相對于氣體式供液動力而言，可以為規(guī)?；a(chǎn)提供足量、不間斷的紡絲液供給(單位時間內(nèi)的供液次數(shù)即供液頻率由升降系統(tǒng)6中的偏心輪或凸輪主軸的轉(zhuǎn)速決定)，可有效解決毛細(xì)管針式靜電紡絲堵塞現(xiàn)象，在有效地防止來自針尖12或電極環(huán)23位置的紡絲液攜帶的電荷逆流而上進(jìn)入喂液通道22而帶來的安全隱患的同時，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、安全的喂液，有效防止由于電荷積累引起的著火、爆炸等隱患的發(fā)生。

本發(fā)明提供的靜電噴絲系統(tǒng)的工作原理和過程為：各實(shí)心針1對應(yīng)的電極環(huán)23通過金屬導(dǎo)線串聯(lián)并與靜電發(fā)生器3的正壓電極31相連，并通上指定電壓值，接收裝置4中的接收電極與靜電發(fā)生器3的負(fù)壓電極32相連，并通上指定電壓值；根據(jù)所需供液量計算實(shí)心針1的上升距離，控制器控制驅(qū)動電機(jī)啟動并驅(qū)動提升實(shí)心針1，此時進(jìn)液閥221關(guān)閉，隨著實(shí)心針1的上升，針套2內(nèi)出現(xiàn)真空區(qū)域，當(dāng)實(shí)心針1被提升到喂液通道22以上區(qū)域時，進(jìn)液閥221打開，供液裝置5中的紡絲液通過喂液通道22被吸入到針套2底部的真空區(qū)域中，且實(shí)心針1被提升到指定高度后，驅(qū)動電機(jī)開始推動實(shí)心針1往下運(yùn)動，此時進(jìn)液閥221關(guān)閉，出液閥211打開，紡絲液通過出液閥211流出，并在到達(dá)電極環(huán)23處時被電場激發(fā)而產(chǎn)生泰勒錐，進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓/電場的大小可獲得紡絲射流，射流在電場力的作用下向接收裝置飛行的過程中，紡絲溶劑揮發(fā)、聚合物固化、沉積在接收裝置上形成納米纖維，實(shí)心針1按照上述工作過程持續(xù)運(yùn)動，不斷吸液、噴液以進(jìn)行持續(xù)紡絲。

以上僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的實(shí)施方式及保護(hù)范圍，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識到凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。