專利名稱：一種納米纖維批量制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米纖維批量制造裝置，尤其是涉及一種帶有可升降輔助點(diǎn)陣噴射頭的紡絲裝置。
背景技術(shù)：
納米纖維由于其很高的比表面積和優(yōu)越的力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)等性能，在傳感器、 執(zhí)行器、催化劑、電子、藥物緩釋、生物骨架、光學(xué)器件、過濾和防護(hù)服等很多領(lǐng)域潛在應(yīng)用廣泛。在制造納米纖維的方法中，靜電紡絲由于其技術(shù)簡單，成本低等特點(diǎn)，在未來有可能成為主要的納米纖維制造方法，近幾年成為研究的熱點(diǎn)。然而傳統(tǒng)靜電紡絲的產(chǎn)量只有0. 02g/h，效率很低，電紡納米纖維的迫切需求與其效率極端低下的矛盾日益突出， 嚴(yán)重制約納米纖維的工業(yè)應(yīng)用與商業(yè)化推廣。因此實(shí)現(xiàn)納米纖維的批量制造來降低產(chǎn)品成本提高市場競爭力，是其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。為此，世界范圍內(nèi)的科研人員開始嘗試各種方法實(shí)現(xiàn)納米纖維的批量電紡。S. A. Theron等(S. A. Theron， A.L. Yarin, E Zussman. Multiple jets inelectrospinning :experiment and modeling. Polymer 2005,46 =2889-2899)報(bào)道了一種組合多針尖噴頭陣列電紡。該方法是對傳統(tǒng)單根針尖噴頭的自然擴(kuò)展，將多根針尖以一定間距按直線、圓型、橢圓等方式排列進(jìn)行噴射紡絲，但該方法中各噴頭之間的電場相互影響，制備納米纖維的直徑差異性很大，甚至出現(xiàn)液滴和中間區(qū)域噴頭無法噴射的問題。A. L. Yarin等(A. L. Yarin, E. Zussman. Upward needleless electrospinning of multiple nanofibers. Polymer 2004,45:2977-2980) 提出了自噴射批量電紡技術(shù)，其將下層鐵磁性液體和上層聚合物溶液的分層溶液體系置于垂直磁場中。聚合物溶液通過磁性流體由于擾動效應(yīng)形成了許多針狀物噴射后再經(jīng)過電場拉伸，最終產(chǎn)生大量納米纖維然而這種方法由于射流中含有磁粉和硅油等其他雜質(zhì)，影響了纖維的質(zhì)量，極大限制了纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。尼日利亞研究人員O.O.Dosimmu等 (0. 0. Dosunmu, G. G. Chase，W. Kataphinan，D. H. Reneker. Electrospinning of polymer nanofibres frommultiple jets on a porous tubular surface. Nanotechnology 2006， 17 1123-1127)通過多孔管狀批量電紡裝置，利用氣壓裝置將管內(nèi)聚合物溶液緩慢的擠出孔外，在高壓電場的作用下，產(chǎn)生多束射流到外圍環(huán)繞的一層金屬圓柱形接收網(wǎng)上。此方法需要?dú)獗幂o助供液，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在管孔易堵塞問題。專利W02005/024101A1公開了一種無尖端批量紡絲，該方法采用浸入在聚合物溶液的圓柱形滾筒為噴射頭，利用液態(tài)薄膜與電場相互作用自身產(chǎn)生的大量微小突起或波峰作為射流源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)針尖噴頭進(jìn)行紡絲，產(chǎn)量顯著提高，但其有噴射電壓閾值高、滾筒上殘余溶液不易清理以及不適合長時(shí)間生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有批量電紡技術(shù)的缺陷，提供一種簡單易擴(kuò)展，無需氣泵，且無噴嘴堵塞的納米纖維批量制造裝置。
本發(fā)明設(shè)有高壓靜電發(fā)生器、收集板、供液槽、溶液槽、輔助點(diǎn)陣噴射頭和輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置；用于產(chǎn)生高壓的高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極與用于收集納米纖維的收集板連接并接地；收集板設(shè)于溶液槽上方；用于供給聚合物溶液的供液槽通過導(dǎo)管與盛裝聚合物溶液的溶液槽連通；輔助點(diǎn)陣噴射頭設(shè)有陣列小曲率半徑凸出，用于輔助形成高電場強(qiáng)度誘導(dǎo)溶液在凸出處產(chǎn)生射流，輔助點(diǎn)陣噴射頭設(shè)于輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置上，輔助點(diǎn)陣噴射頭與高壓靜電發(fā)生器的正極連接；輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置用于驅(qū)動輔助點(diǎn)陣噴射頭的周期性運(yùn)動。所述靜電高壓發(fā)生器的電壓輸出可為20 120kV。所述輔助點(diǎn)陣噴射頭可為導(dǎo)電平板，在導(dǎo)電平板上設(shè)有頂端小曲率半徑陣列噴頭；所述頂端小曲率半徑陣列噴頭的半徑可為0. 1 2. 5mm，所述陣列噴頭的形狀可以是但不局限于棱錐形、圓錐形或半球形，可任意排列。所述輔助點(diǎn)陣噴射頭可在液面附近上下運(yùn)動，周期為1 10s。所述輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置可采用磁力升降機(jī)構(gòu)、盤形凸輪機(jī)構(gòu)或圓柱形凸輪機(jī)構(gòu)等。所述磁力升降機(jī)構(gòu)設(shè)有彈簧連接板、電磁鐵和控制電路，電磁鐵設(shè)在彈簧連接板下方并與控制電路電連接，通過磁力升降設(shè)備控制導(dǎo)電平板的升降。所述盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)有平板、驅(qū)動裝置、固定在平板上的盤形凸輪及其連接桿，平板設(shè)在盤形凸輪頂部，盤形凸輪通過連接桿與驅(qū)動裝置連接。通過盤形凸輪的轉(zhuǎn)動控制導(dǎo)電平板的升降。其轉(zhuǎn)動速度和盤形凸輪輪廓線根據(jù)生產(chǎn)過程中各單個(gè)射流的持續(xù)產(chǎn)生時(shí)間來確定。所述圓柱形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)有刻有螺旋形軌道的圓柱體凸輪、驅(qū)動裝置，所述圓柱體凸輪與驅(qū)動裝置連接，通過沿螺旋形軌道運(yùn)動的凸輪滾動控制導(dǎo)電平板的升降，其轉(zhuǎn)動速度和凸輪輪廓線根據(jù)生產(chǎn)過程中各單個(gè)射流的持續(xù)產(chǎn)生時(shí)間來確定。所述供液槽和溶液槽至少通過一根導(dǎo)管連通，供液槽內(nèi)溶液通過重力作用向溶液槽供液。在納米纖維批量制造過程中，首先開啟高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生高壓，接著輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置將浸沒在聚合物溶液中的輔助點(diǎn)陣噴射頭上升至液面以上，其凸出頂端帶有一薄層溶液。凸出頂端的強(qiáng)電場誘導(dǎo)該處的溶液產(chǎn)生許多射流，射流經(jīng)過電場拉伸和溶劑揮發(fā)后在收集板上得到納米纖維；當(dāng)凸出頂端的溶液產(chǎn)生射流后，輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置將輔助點(diǎn)陣噴射頭下降到液面以下，此時(shí)溶液表面的射流繼續(xù)噴射一段時(shí)間。在所誘導(dǎo)的射流停止噴射之前繼續(xù)將輔助點(diǎn)陣噴射頭上升至液面之上相同高度，如此周而復(fù)始， 液面上的射流不斷噴射，連續(xù)收集到大量的納米纖維。在生產(chǎn)的整個(gè)過程中由于供液槽對溶液槽的持續(xù)供液，溶液槽中的溶液并不會減少，液面與收集板的距離保持不變。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、采用輔助點(diǎn)陣噴射頭，能夠有效降低紡絲時(shí)的工作電壓閾值，無需清洗；2、通過周期性升降輔助點(diǎn)陣噴射頭的方法，使紡絲的過程能夠連續(xù)進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中的輔助點(diǎn)陣噴射頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中的磁力升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中的盤形凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例3中的圓柱形凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 如圖1 3所示，一種納米纖維批量制造裝置包括高壓靜電發(fā)生器1、收集板2、供液槽3、溶液槽4、輔助點(diǎn)陣噴射頭5、輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6。供液槽3對溶液槽4供液。收集板2與高壓靜電發(fā)生器1的負(fù)極連接并接地。輔助點(diǎn)陣噴射頭5與高壓靜電發(fā)生器1的正極相連接。收集板2置于溶液槽4的正上方。所述的輔助點(diǎn)陣噴射頭5放置于溶液槽4內(nèi)，與輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6相連接。本實(shí)施例中，輔助點(diǎn)陣噴射頭5為設(shè)有半球形噴頭的導(dǎo)電平板，半球形噴頭的直徑為2mm。輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6為磁力升降機(jī)構(gòu)。所述磁力升降機(jī)構(gòu)設(shè)有彈簧連接板8、電磁鐵9和控制電路7，電磁鐵9設(shè)在彈簧連接板8下方并與控制電路7電連接，通過磁力升降機(jī)構(gòu)控制導(dǎo)電平板的升降。工作溶液為濃度15%的聚氧化乙烯(ΡΕ0，平均分子量 300，000)水溶液。收集板2與溶液槽4之間距離設(shè)為12cm。點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6帶動輔助點(diǎn)陣噴射頭5從溶液內(nèi)上升至液面以上2mm處。調(diào)節(jié)高壓靜電發(fā)生器1的電壓至27kV， 在各噴頭上開始產(chǎn)生射流，在收集板2上收集到納米纖維，接著輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6 帶動輔助點(diǎn)陣噴射頭5下降至溶液液面以下，溶液上的射流繼續(xù)噴射。3s后，輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6帶動輔助點(diǎn)陣噴射頭5上升至液面以上2mm處，如此反復(fù)。實(shí)施例2如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于，輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6為盤形凸輪機(jī)構(gòu)，所述盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)有平板13、盤形凸輪11和電機(jī)101，平板13設(shè)在盤形凸輪11頂部，盤形凸輪11設(shè)在電機(jī)101主軸上。通過盤形凸輪的轉(zhuǎn)動控制導(dǎo)電平板的升降。其轉(zhuǎn)動速度和盤形凸輪輪廓線根據(jù)生產(chǎn)過程中各單個(gè)射流的持續(xù)產(chǎn)生時(shí)間來確定。通過控制凸輪轉(zhuǎn)動和改變凸輪輪廓線控制輔助點(diǎn)陣噴射頭5的升降周期。實(shí)施例3如圖5所示，本實(shí)施例與實(shí)施例2的不同之處在于，點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置6為圓柱型凸輪機(jī)構(gòu)，所述圓柱形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)有支架14、圓柱形凸輪12和電機(jī)102，支架14設(shè)在圓柱形凸輪12 —側(cè)，圓柱形凸輪12設(shè)在電機(jī)102主軸上。通過沿螺旋形軌道運(yùn)動的凸輪滾動控制導(dǎo)電平板的升降，其轉(zhuǎn)動速度和凸輪輪廓線根據(jù)生產(chǎn)過程中各單個(gè)射流的持續(xù)產(chǎn)生時(shí)間來確定。通過控制凸輪轉(zhuǎn)動和改變凸輪輪廓線控制輔助點(diǎn)陣噴射頭5的升降周期。
權(quán)利要求
1.一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于設(shè)有高壓靜電發(fā)生器、收集板、供液槽、溶液槽、輔助點(diǎn)陣噴射頭和輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置；用于產(chǎn)生高壓的高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極與用于收集納米纖維的收集板連接并接地；收集板設(shè)于溶液槽上方；用于供給聚合物溶液的供液槽通過導(dǎo)管與盛裝聚合物溶液的溶液槽連通；輔助點(diǎn)陣噴射頭設(shè)有陣列小曲率半徑凸出，用于輔助形成高電場強(qiáng)度誘導(dǎo)溶液在凸出處產(chǎn)生射流，輔助點(diǎn)陣噴射頭設(shè)于輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置上，輔助點(diǎn)陣噴射頭與高壓靜電發(fā)生器的正極連接；輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置用于驅(qū)動輔助點(diǎn)陣噴射頭的周期性運(yùn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述靜電高壓發(fā)生器的電壓輸出為20 120kV。
3.如權(quán)利要求1所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述輔助點(diǎn)陣噴射頭為導(dǎo)電平板，在導(dǎo)電平板上設(shè)有頂端小曲率半徑陣列噴頭。
4.如權(quán)利要求3所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述頂端小曲率半徑陣列噴頭的半徑為0. 1 2. 5mm，所述陣列噴頭的形狀可以是但不局限于棱錐形、圓錐形或半球形，可任意排列。
5.如權(quán)利要求1所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述輔助點(diǎn)陣噴射頭在液面附近上下運(yùn)動，周期為1 10s。
6.如權(quán)利要求1所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置采用磁力升降機(jī)構(gòu)、盤形凸輪機(jī)構(gòu)或圓柱形凸輪機(jī)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述磁力升降機(jī)構(gòu)設(shè)有彈簧連接板、電磁鐵和控制電路，電磁鐵設(shè)在彈簧連接板下方并與控制電路電連接，通過磁力升降設(shè)備控制導(dǎo)電平板的升降。
8.如權(quán)利要求1所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)有平板、驅(qū)動裝置、固定在平板上的盤形凸輪及其連接桿，平板設(shè)在盤形凸輪頂部，盤形凸輪通過連接桿與驅(qū)動裝置連接。
9.如權(quán)利要求1所述的一種納米纖維批量制造裝置，其特征在于所述圓柱形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)有刻有螺旋形軌道的圓柱體凸輪、驅(qū)動裝置，所述圓柱體凸輪與驅(qū)動裝置連接。
全文摘要
一種納米纖維批量制造裝置，提供一種簡單易擴(kuò)展，無需氣泵，且無噴嘴堵塞的納米纖維批量制造裝置。設(shè)有高壓靜電發(fā)生器、收集板、供液槽、溶液槽、輔助點(diǎn)陣噴射頭和輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置；用于產(chǎn)生高壓的高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極與用于收集納米纖維的收集板連接并接地；收集板設(shè)于溶液槽上方；用于供給聚合物溶液的供液槽通過導(dǎo)管與盛裝聚合物溶液的溶液槽連通；輔助點(diǎn)陣噴射頭設(shè)有陣列小曲率半徑凸出，用于輔助形成高電場強(qiáng)度誘導(dǎo)溶液在凸出處產(chǎn)生射流，輔助點(diǎn)陣噴射頭設(shè)于輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置上，輔助點(diǎn)陣噴射頭與高壓靜電發(fā)生器的正極連接；輔助點(diǎn)陣噴射頭驅(qū)動裝置用于驅(qū)動輔助點(diǎn)陣噴射頭的周期性運(yùn)動。
文檔編號D01D5/00GK102191574SQ201110131548
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者吳德志, 孫道恒, 胡興旺, 費(fèi)云飛, 黃翔宇 申請人:廈門大學(xué)