一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法，裝置主要包括接收平臺(tái)、微分陣列電極單元、陣列電極托臺(tái)、高壓靜電發(fā)生器、毛細(xì)管、噴嘴、支架、給料裝置、通斷轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，微分陣列電極單元置于接收平臺(tái)正下方5-10mm，而接收平臺(tái)放置于紡絲噴頭正下方70-110mm，陣列電極以陣列形式置于一塊絕緣的托臺(tái)上，陣列電極單元安裝在陣列電極托臺(tái)上，本發(fā)明由于采用微分陣列電極形式，通過將所需纖維沉積圖形進(jìn)行計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)編碼，控制通斷轉(zhuǎn)換器來改變陣列帶電情況，同時(shí)利用陣列托臺(tái)調(diào)節(jié)陣列電極與毛細(xì)管的距離等工藝參數(shù)，最終形成微納米級(jí)纖維沉積形狀可控制品，使得制備效率提高，減少后序纖維形狀裁剪加工，實(shí)現(xiàn)纖維制品到應(yīng)用的快速化。
【專利說明】一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 靜電紡絲裝置是一種利用靜電力制備超細(xì)纖維的裝置，一臺(tái)靜電紡絲裝置應(yīng)該由 直流高壓電源、物料供給裝置、噴頭和接收裝置幾個(gè)部分構(gòu)成。首先將聚合物溶液或熔體帶 上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細(xì)管末端形成Taylor 錐。當(dāng)電場力足夠大時(shí)，聚合物液滴在毛細(xì)管末端形成的Taylor錐液滴克服表面張力形成 噴射細(xì)流。在靜電紡絲過程中，液滴通常具有一定的靜電壓，并處于一個(gè)電場當(dāng)中，因此，當(dāng) 射流從毛細(xì)管末端向接收裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)加速現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了射流在電場中的拉 伸。射流在空氣中急速振蕩和鞭動(dòng)，不斷拉伸細(xì)化，同時(shí)因溶劑揮發(fā)或熔體熱量散失而使射 流固化，最終沉降在接收裝置上，得到類似非織造布狀納米或微米級(jí)超細(xì)纖維。
[0003] 具有特定排列結(jié)構(gòu)的纖維能作為細(xì)胞培養(yǎng)的支架、制備具有特殊性能的膜材料、 在微/納機(jī)電系統(tǒng)零件中具有廣泛的應(yīng)用，例如特定細(xì)胞的取向生長依賴于取向性纖維結(jié) 構(gòu)；因此需要織構(gòu)出纖維的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是目前缺乏對(duì)于微細(xì)纖維的操控技術(shù)，已經(jīng)開 發(fā)的技術(shù)如3D打印技術(shù)中的熔積成型技術(shù)其制備的熔絲直徑大多數(shù)在數(shù)十微米到數(shù)百微 米，而其他技術(shù)如自組裝、相轉(zhuǎn)換等技術(shù)制備效率低下，目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一，且缺乏靈活性。 因而，靜電紡絲技術(shù)作為快速制備微/納米纖維的一種方法，最有優(yōu)勢，通過技術(shù)改進(jìn)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)纖維落點(diǎn)進(jìn)行快速精確控制，以制備特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的纖維制品。已有的專利"一種結(jié)合 靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置（CN101837642A) "，雖然該發(fā)明接收裝置在三個(gè)維度 變化，但還是不能解決纖維鞭動(dòng)導(dǎo)致的局部沉積不可控的問題，不能形成落點(diǎn)精確可控的 纖維制品。"一種微量物料的靜電紡絲裝置（201220629650. 9)"專利，能實(shí)現(xiàn)向左、向上、向 下三個(gè)方向的紡絲，但也無法實(shí)現(xiàn)纖維沉積點(diǎn)可控。
[0004] 常規(guī)的靜電紡絲裝置存在一個(gè)很大的問題就是纖維沉積點(diǎn)不可控，制備的纖維是 隨機(jī)的無紡結(jié)構(gòu)。因此，需要提出一種靜電紡絲裝置，來實(shí)現(xiàn)為對(duì)纖維射流沉積點(diǎn)可控的目 的，從而實(shí)現(xiàn)由模型輸入決定特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)纖維的制備。所以開發(fā)纖維沉積路徑可控的靜 電紡絲裝置，用來制備特殊用途的拓?fù)淅w維結(jié)構(gòu)成為必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出利用控制微分陣列點(diǎn)電極開關(guān)來改變微分陣列電極帶電情況，達(dá)到電 場控制的目的，從而使紡出的纖維落點(diǎn)可控，然后形成軟件預(yù)定的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的取向排 列纖維。
[0006] 實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是，一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，主要包括 接收平臺(tái)、微分陣列電極單元、陣列電極托臺(tái)、高壓靜電發(fā)生器、毛細(xì)管、噴嘴、支架、給料裝 置、通斷轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，微分陣列電極單元置于接收平臺(tái)正下方5-10_，而接收 平臺(tái)放置于紡絲噴頭正下方70-110mm，即紡絲噴頭正下方放置接收平臺(tái)，接收平臺(tái)正下方 放置微分陣列電極單元。陣列電極以陣列形式置于一塊絕緣的托臺(tái)上，陣列電極單元安裝 在陣列電極托臺(tái)上，每個(gè)陣列電極由nXm個(gè)陣列電極單元組成，η和m為大于2的整數(shù)，η 和m的值越大說明電極越多，沉積可控的點(diǎn)越多，陣列電極托臺(tái)安裝在支架靠近下部的位 置；陣列電極通過通斷轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及高壓靜電發(fā)生器連接；給料裝置固定在 支架上端的中間部位，毛細(xì)管與噴嘴相連并接地，毛細(xì)管安裝在給料裝置的下端，毛細(xì)管軸 向中心位于接收平臺(tái)正上方。將需要得到的纖維沉積形狀輪廓進(jìn)行程序編碼并存于計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送給通斷轉(zhuǎn)換器來控制陣列電極帶電情況，從毛細(xì)管末 端噴出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向帶電陣列電極，由于接收平臺(tái)的阻擋，噴 射流就會(huì)堆積在接收平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)纖維的沉積可控。由于在靜電場下產(chǎn)生的紡絲介質(zhì)的噴 射流可以達(dá)到微米級(jí)或納米級(jí)，所以由此方法可制備出極微小的精密制品。
[0007] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，給料裝置可以是螺桿式的結(jié)構(gòu)， 主要包括料筒、料斗、轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置、螺桿、加熱器和溫度傳感器，紡絲介質(zhì)從料斗加入到料 筒中，轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)將紡絲介質(zhì)均勻地?cái)D入到噴嘴，經(jīng)噴嘴前端的毛細(xì)管流 出，毛細(xì)管和噴嘴采用錐面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接。在料筒外側(cè)包覆加熱器，溫度 傳感器安裝在料筒上。給料裝置亦可以是柱塞式的結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、柱塞、微位移驅(qū)動(dòng) 器、加熱器和溫度傳感器，將定量的紡絲介質(zhì)加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在紡絲 介質(zhì)上，微位移驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞使其在料筒內(nèi)移動(dòng)，柱塞通過微位移驅(qū)動(dòng)器的控制使紡絲 介質(zhì)經(jīng)由噴嘴和毛細(xì)管流出，在料筒外側(cè)包覆加熱器，在料筒上安裝溫度傳感器。
[0008] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，紡絲介質(zhì)可以顆粒狀或粉末狀的 聚合物，亦可以是聚合物溶液。當(dāng)紡絲介質(zhì)為聚合物溶液時(shí)，加熱器不工作。當(dāng)紡絲介質(zhì)為 顆粒狀或粉末狀的聚合物時(shí)，加熱器工作，為了延緩熔體噴射流的固化可以在接收平臺(tái)上 安裝紅外加熱燈。
[0009] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其陣列電極由微分陣列電極單元 組成，電極單元形狀可以是針尖、尖棱錐等有尖端及棱的形式，陣列規(guī)模、形狀輪廓隨紡絲 要求而定，微分陣列電極單元之間的間距為5-15mm，通常取10mm，微分陣列電極單元距離 太近會(huì)產(chǎn)生相互干擾，距離太遠(yuǎn)可控精度會(huì)較差。如果希望微分陣列電極單元距離小一些， 為了防止相互干擾，在陣列電極托臺(tái)上增加電極單元可升降功能，通電的微分陣列電極單 元升高，或不帶電的所有微分陣列電極單元整體下降。微分陣列電極單元距離很小的時(shí)候， 可以得到微小的沉積制品。
[0010] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其紡絲方法是：工作時(shí)，首先將紡 絲介質(zhì)加入到給料裝置中，將需要得到的纖維沉積形狀輪廓進(jìn)行程序編碼并存于計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)紡絲介質(zhì)的流量并使其從毛細(xì)管末端均勻流出；調(diào)節(jié)接收平臺(tái)上升至工作 位置；根據(jù)毛細(xì)管噴出的絲的尺寸要求，調(diào)節(jié)陣列電極托臺(tái)高度和高壓靜電發(fā)生器輸出電 壓，當(dāng)上述調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，清理接收平臺(tái)，然后啟動(dòng)高壓靜電發(fā)生器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行程 序，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送給通斷轉(zhuǎn)換器來控制陣列電極帶電情況，從毛細(xì)管末端噴出的 帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向帶電陣列電極，由于接收平臺(tái)的阻擋，噴射流就會(huì) 堆積在接收平臺(tái)上，熔融的纖維在接收平臺(tái)上沉積成所需形狀，關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器，停止 給料裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置的工作，一個(gè)按要求加工的產(chǎn)品完成。 toon] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲方法，工作時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出連 通信號(hào)給陣列中的某個(gè)通斷轉(zhuǎn)換器時(shí)，此通斷轉(zhuǎn)換器接通，所連接陣列電極單元帶電；計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出斷開信號(hào)給陣列中的某個(gè)通斷轉(zhuǎn)換器時(shí)，此通斷器斷開，所連接的陣列電 極單元不帶電，其它陣列電極單元帶電情況同理。進(jìn)而通過預(yù)設(shè)的圖形編碼程序控制整個(gè) 陣列電極面的帶電情況及帶電時(shí)序差，和接地毛細(xì)管末端形成電勢差，紡絲介質(zhì)在電場力 的作用下，被拉伸到對(duì)應(yīng)的陣列電極單元上方接收平臺(tái)裝置上。
[0012] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法，由于采用了微分陣列電極 形式，通過將所需纖維沉積圖形進(jìn)行計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)編碼，控制通斷轉(zhuǎn)換器來改變陣列帶電情 況，同時(shí)利用陣列托臺(tái)調(diào)節(jié)陣列電極與毛細(xì)管的距離等工藝參數(shù)，最終形成微納米級(jí)的纖 維沉積形狀可控制品，使得制備效率提高，減少后序纖維形狀裁剪加工，實(shí)現(xiàn)纖維制品到應(yīng) 用的快速化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置中微分陣列電極連接拓?fù)?示意圖。
[0015] 圖中：1-柱塞，2-料筒，3-加熱器，4-毛細(xì)管，5-支架，6-接收板托臺(tái)，7-接收平 臺(tái)，8-微分陣列電極單元，9-通斷轉(zhuǎn)換器，10-高壓靜電發(fā)生器，11-陣列電極托臺(tái)，12-計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)，13-噴嘴。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要 包括柱塞1、料筒2、加熱器3、毛細(xì)管4、支架5、接收板托臺(tái)6、接收平臺(tái)7、微分陣列電極單 元8、通斷轉(zhuǎn)換器9、高壓靜電發(fā)生器10、陣列電極托臺(tái)11、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)12和噴嘴13。 本實(shí)施例中柱塞1的移動(dòng)采用定量砝碼或手工加力方式，微分陣列電極單元8置于接收平 臺(tái)7正下方5-10mm，而接收平臺(tái)7放置于紡絲噴頭13的正下方70-110mm。每個(gè)微分陣列 電極單元8與通斷轉(zhuǎn)換器9相連，微分陣列電極單元8的陣列電極安裝在陣列電極托臺(tái)11 上，陣列電極托臺(tái)11安裝在支架5靠近下部的位置，根據(jù)紡絲需要的形狀用計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)12進(jìn)行圖形編碼輸入到通斷轉(zhuǎn)換器9中，由通斷轉(zhuǎn)換器9來控制陣列電極單元8的帶電 情況，如圖2所示，進(jìn)而控制纖維在接收平臺(tái)7上的沉積軌跡，毛細(xì)管4接地，噴嘴13安裝 在料筒2的下端。
[0017] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。
[0018] 本發(fā)明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲方法，例如如圖2所示的在8X 12的排 列點(diǎn)陣中要紡出"N"字形的制品，工作時(shí)，打開加熱器，待溫度達(dá)到設(shè)定溫度，將紡絲介質(zhì)加 入到料筒2中，調(diào)節(jié)紡絲介質(zhì)的流量并使其從毛細(xì)管4末端均勻流出；接收平臺(tái)7上升至 工作位置；陣列電極托臺(tái)11上升，根據(jù)毛細(xì)管4噴出的絲的尺寸要求，調(diào)節(jié)陣列電極托臺(tái) 11高度和靜電高壓靜電發(fā)生器10輸出電壓，當(dāng)上述調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，清理接收平臺(tái)7上的自然 沉積纖維，然后啟動(dòng)靜電高壓靜電發(fā)生器12、同時(shí)將控制通斷轉(zhuǎn)換器9的編碼程序由計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)12給出，編碼程序以一定的時(shí)序間隔差作用在微分陣列電極單元8的陣列電極 上，掃描出"N"字形的陣列，產(chǎn)生相應(yīng)有序的電場力，最終熔融的纖維按所需的形狀沉積在 接收平臺(tái)7上，關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器10,關(guān)閉加熱器3, 一個(gè)纖維沉積路徑為"N"字形的制 品加工完成。
【權(quán)利要求】
1. 一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：主要包括接收平臺(tái)、微分陣 列電極單元、陣列電極托臺(tái)、高壓靜電發(fā)生器、毛細(xì)管、噴嘴、支架、給料裝置、通斷轉(zhuǎn)換器及 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，紡絲噴頭正下方放置接收平臺(tái)，接收平臺(tái)正下方放置微分陣列電極單元； 陣列電極以陣列形式置于一塊絕緣的托臺(tái)上，陣列電極單元安裝在陣列電極托臺(tái)上，陣列 電極托臺(tái)安裝在支架靠近下部的位置；陣列電極單元通過通斷轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及 高壓靜電發(fā)生器連接；給料裝置固定在支架上端的中間部位，毛細(xì)管與噴嘴相連并接地，毛 細(xì)管安裝在給料裝置的下端，毛細(xì)管軸向中心位于接收平臺(tái)正上方；將需要得到的纖維沉 積形狀輪廓進(jìn)行程序編碼并存于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送給通斷轉(zhuǎn)換器 來控制陣列電極單元帶電，從毛細(xì)管末端噴出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向帶 電陣列電極單元的電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：微分 陣列電極單元置于接收平臺(tái)正下方5-10mm，而接收平臺(tái)放置于紡絲噴頭正下方70-110mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：給料 裝置可以是螺桿式的結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、料斗、轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置、螺桿、加熱器和溫度傳感 器，紡絲介質(zhì)從料斗加入到料筒中，轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)將紡絲介質(zhì)均勻地?cái)D入到 噴嘴，經(jīng)噴嘴前端的毛細(xì)管流出，毛細(xì)管和噴嘴采用錐面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接； 在料筒外側(cè)包覆加熱器，溫度傳感器安裝在料筒上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：給料 裝置是柱塞式的結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、柱塞、微位移驅(qū)動(dòng)器、加熱器和溫度傳感器，將定量的 紡絲介質(zhì)加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在紡絲介質(zhì)上，微位移驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞使 其在料筒內(nèi)移動(dòng)，柱塞通過微位移驅(qū)動(dòng)器的控制使紡絲介質(zhì)經(jīng)由噴嘴和毛細(xì)管流出，在料 筒外側(cè)包覆加熱器，在料筒上安裝溫度傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：紡絲 介質(zhì)可以顆粒狀或粉末狀的聚合物，亦可以是聚合物溶液。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：陣列 電極由微分陣列電極單元組成，微分陣列電極單元形狀可以是針尖或尖棱錐等有尖端的形 式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：微分 陣列電極單元之間的間距為5-15mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，其特征在于：在陣 列電極托臺(tái)上增加微分陣列電極單元可升降功能，通電的微分陣列電極單元能夠升高，或 不帶電的所有微分陣列電極單元能夠整體下降。
9. 采用權(quán)利要求1所述的一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置進(jìn)行紡絲的方法，其 特征在于：首先將紡絲介質(zhì)加入到給料裝置中，將需要得到的纖維沉積形狀輪廓進(jìn)行程序 編碼并存于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)紡絲介質(zhì)的流量并使其從毛細(xì)管末端均勻流出；調(diào)節(jié) 接收平臺(tái)上升至工作位置；根據(jù)毛細(xì)管噴出的絲的尺寸要求，調(diào)節(jié)陣列電極托臺(tái)高度和高 壓靜電發(fā)生器輸出電壓，當(dāng)上述調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，清理接收平臺(tái)，然后啟動(dòng)高壓靜電發(fā)生器、計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行程序，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送給通斷轉(zhuǎn)換器來控制陣列電極帶電情況， 從毛細(xì)管末端噴出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向帶電微分陣列電極單元，由于 接收平臺(tái)的阻擋，噴射流就會(huì)堆積在接收平臺(tái)上，熔融的纖維在接收平臺(tái)上沉積成所需形 狀，關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器，停止給料裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置的工作，一個(gè)按要求加工的產(chǎn)品完 成。
【文檔編號(hào)】D01D13/00GK104153013SQ201410389928
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】李好義, 曾良濱, 張羅, 何雪濤, 丁玉梅, 楊衛(wèi)民 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)