一種振動多針尖靜電紡絲裝置的制作方法

本實用新型涉及靜電紡絲，尤其是涉及一種振動多針尖靜電紡絲裝置。

背景技術：

靜電紡絲是近年來比較流行的一種制造納米纖維的方法。由于其具有工藝簡單、容易操控、成本較低、材料來源廣泛等優點，所制備得到的纖維膜具有直徑小、孔隙率高、比表面積大、通透性高等特點，使其成為當前研究納米纖維制備的一個熱點。靜電紡絲技術制備的纖維在紡織、過濾器、生物醫學、光電材料、催化劑、傳感器等領域都有著廣泛的應用。

靜電紡絲是將聚合物溶液或者熔體帶上高壓靜電，在電場的作用下形成泰勒錐，當電場增大到足以克服液滴表面張力時，在泰勒錐錐尖處形成帶電噴射細流。在電場力、粘滯阻力、表面張力等作用下，通過纖維的鞭動、拉伸細化，溶劑揮發，最后沉積在收集裝置上，形成纖維。

傳統的靜電紡絲采用的是單根紡絲噴頭進行纖維的制備，效率較低，無法實現纖維的批量化生產。目前提高靜電紡絲納米纖維效率的方法主要是采用多紡絲噴頭進行靜電紡絲(Theron S A,Yarin AL,Zussman E,et al.Multiple jets in electrospinning:experiment and modeling[J].Polymer,2005,46(9):2889-2899)，并且大多數采用的是對多個標準的注射紡絲噴頭進行組裝，靠機械力的推動擠出溶液或熔體，靠電場力的拉伸進行紡絲。但是，標準的注射噴頭的噴絲口直徑大多處于微米級，用這種噴頭進行靜電紡絲，容易因溶劑揮發或熔體固化速度過快而導致噴頭的阻塞，造成紡絲制備的中斷，影響生產效率，同時需要更換噴頭和對噴頭進行清洗，造成紡絲效率的降低，紡絲成本的提高。并且，對于粘度較高的溶液或熔體，由于溶液或熔體的表面張力大，難以克服表面張力形成噴射細流，目前解決的方法主要是采用提高加在噴頭上的直流電壓，使得溶液或熔體在噴頭處的溶液克服表面張力形成噴射細流，但是過高的電壓容易造成空氣的電離。在靜電紡絲過程中，除了上述的利用電場力克服溶液的表面張力的方法之外，采用外力干擾也是一種有效破壞溶液的表面張力的方法。其中，采用機械振動可以增強溶液的流動性，采用外物接觸溶液表面，可以刺破表面，克服表面張力，均是有效破壞表面張力的途徑。目前有采用超聲波震蕩的方式使溶液處于動態流動狀態，克服溶液表面張力形成多射流。但是在靜電紡絲過程中，駐波的位置會偏移，泰勒錐形成的位置和方向不固定，射流和形成的纖維的均勻性較低，射流之間容易發生干擾。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本實用新型提供可克服標準注射噴頭引起的阻塞問題和高粘度溶液或熔體難以克服表面張力形成射流的問題，確保多噴射流的穩定快速噴射，實現纖維批量化生產的一種振動多針尖靜電紡絲裝置。

本實用新型設有電源、溶液槽、供液裝置、多針尖組、導向套板、伸縮桿、收集裝置、振動發生器、加熱塊、導管和振動換能器。所述溶液槽設有進液接口、出液接口和外接通孔；所述供液裝置通過溶液槽的進液接口和導管與溶液槽相連；所述振動發生器通過溶液槽的外接通孔和振動換能器與多針尖組的底座底面相連，外接通孔用密封圈密封；所述多針尖組的底面與伸縮桿頂部相連；所述伸縮桿底部固定連接在溶液槽的底面；所述加熱塊均勻分布于溶液槽內部，用于熔融電紡中加熱熔體；所述多針尖組通過導線與電源相連；所述收集裝置設于溶液槽的正上方；所述多針尖組、導向套板與振動換能器振動軸的對稱軸線相互重合。

所述溶液槽可采用敞開式絕緣塑料溶液槽，所述進液接口可設于溶液槽頂部，接口處密封處理，防止溶液的滲漏。

通過供液裝置向溶液槽添加紡絲溶液，并保持溶液槽內的紡絲溶液或熔體的液面高度在紡絲過程中保持不變。

所述伸縮桿可分布于多針尖組的下面，用于支撐多針尖組，使得多針尖組在振動時保持平衡。

所述振動發生器的振動頻率可為0.1Hz～20kHz，振幅可為0.001～50mm。

所述振動發生器與多針尖組連接用的外接通孔和振動換能器之間密封處理，防止溶液的滲漏。

所述多針尖組可由導體材料制成。

所述導向套板上可設有與多針尖組針尖排布、數量均相同的通孔，可由絕緣材料制成，以一定的高度固定在溶液槽內。

所述多針尖組的陣列針尖分別穿過所述導向套板上陣列的通孔，避免因為針尖的長徑比大、剛性差而產生過大的偏移，從而避免針尖之間的相互干涉。

所述加熱塊可設有至少2塊，至少2塊加熱塊均勻分布在溶液槽內。

本實用新型通過一個振動多針尖靜電紡絲裝置進行批量連續紡絲，通過振動發生器帶動多針尖組振動，多針尖組刺破溶液或熔體表面，破壞溶液或熔體的表面張力，再加上多針尖組頂端處的電場強度最大，因此在多針尖組上施加較小的電壓就足以克服溶液或熔體的表面張力，在陣列針尖處形成多根射流，有效地增加了紡絲的速率,增加了靜電紡絲的產量，可實現納米纖維的連續和規模化生產。本實用新型中的噴頭是采用向上的陣列多針尖組，有效避免了傳統采用的標準注射噴頭結構堵塞現象的發生，無需頻繁地更換和清洗噴頭，提高了生產效率。并且，由于整個振動多針尖靜電紡絲裝置是一個可以拆卸的敞開式的裝置，更易于清洗，容易操控。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的結構示意圖。

圖中各標記為：1-振動發生器；2-自由伸縮桿；3-加熱塊；4-溶液槽；5-多針尖組；6-導向套板；7-電源；8-卷對卷收集裝置；9-導管；10-供液裝置；11-進液接口；12-出液接口；13-外接通孔；14-振動換能器。

圖2為本實用新型實施例1的俯視圖。

圖3為本實用新型實施例1中的導向套板的俯視圖。

圖4為本實用新型實施例1中的多針尖組的俯視圖。

圖5為本實用新型實施例2中的多針尖組的俯視圖。

圖6為本實用新型實施例3中的結構示意圖。

圖7為本實用新型實施例3中的多針尖組的俯視圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明。應理解，所描述的實施例僅僅是用于說明本實用新型，而不用于限制本實用新型的范圍。

實施例1：

如圖1、圖2所示，本實用新型實施例設有電源7、溶液槽4、供液裝置10、多針尖組5、導向套板6、伸縮桿2、收集裝置8、振動發生器1、加熱塊3和振動換能器14。所述溶液槽4設有進液接口11、出液接口12和外接通孔13；所述供液裝置10通過溶液槽4的進液接口11與溶液槽4相連；所述振動發生器14通過溶液槽4的外接通孔13和振動換能器14與多針尖組5的底座底面相連，外接通孔13用密封圈密封；所述多針尖組5的底面與伸縮桿2頂部相連；所述伸縮桿2底部固定連接在溶液槽4的底面；所述加熱塊3均勻分布于溶液槽4內部，用于熔融電紡中加熱熔體；所述多針尖組5通過導線與電源7相連；所述收集裝置8設于溶液槽4的正上方；所述多針尖組5、導向套板6與振動換能器14振動軸的對稱軸線相互重合。

所述溶液槽4可采用敞開式絕緣塑料溶液槽，所述進液接口11可設于溶液槽4頂部，接口處密封處理，防止溶液的滲漏。

通過供液裝置向溶液槽添加紡絲溶液，并保持溶液槽內的紡絲溶液或熔體的液面高度在紡絲過程中保持不變。

所述伸縮桿可分布于多針尖組的下面，用于支撐多針尖組，使得多針尖組在振動時保持平衡。

所述振動發生器的振動頻率可為0.1Hz～20kHz，振幅可為0.001～50mm。

所述振動發生器與多針尖組連接用的外接通孔和振動換能器之間密封處理，防止溶液的滲漏。

所述多針尖組可由導體材料制成。

所述導向套板上可設有與多針尖組針尖排布、數量均相同的通孔，可由絕緣材料制成，以一定的高度固定在溶液槽內。

所述多針尖組的陣列針尖分別穿過所述導向套板上陣列的通孔，避免因為針尖的長徑比大、剛性差而產生過大的偏移，從而避免針尖之間的相互干涉。

所述加熱塊可設有至少2塊，至少2塊加熱塊均勻分布在溶液槽內。

供液裝置10在紡絲過程根據需要向溶液槽4內注入溶液，保持溶液槽4內的液面高度始終保持一定的高度，使得多針尖組在振動過程中的最低點低于溶液表面位置，最高點高于溶液表面0.001～50mm，使得多針尖組既可以達到刺破液面，破壞表面張力，形成泰勒錐的效果，又可以在紡絲過程中向針尖頂部不斷地提供紡絲溶液或熔體。所述多針尖組5由陣列針尖和底座組成；所述振動發生器1通過外接通孔13和振動換能器14與所述多針尖組5的底座底面相連，由振動發生器1帶動多針尖組5振動，連接通孔用密封圈進行密封。所述多針尖組5通過導線與所述電源7的正電極相連；所述卷對卷收集裝置8由收卷滾筒、放卷滾筒、鋁箔及傳送帶組成，置于溶液槽4的正上方，并接地；所述多針尖組5與所述收集板之間的垂直距離為5-40cm。如圖3所示，所述導向套板6上設有11×11陣列的通孔，通孔的直徑是3mm，由絕緣材料制成；四周是支撐梁，與溶液槽4中預設的直槽相互配合安裝，用于固定導向套板6。如圖4所示，所述多針尖組5由11×11陣列的針尖組成，針尖的直徑是350μm，由不銹鋼材料制成；多針尖組5上的陣列針頭分別對應穿過導向套板6的陣列通孔，避免因為針尖的長徑比大、剛性差而產生過大的偏移，從而避免針尖之間的相互干涉。在多針尖組5和卷對卷收集裝置8之間形成靜電場，振動的多針尖組5刺穿溶液表面，破壞了溶液的表面張力，在針尖尖端的高靜電場的作用下，在針尖處誘導生成多個泰勒錐，進而形成多股射流，射向卷對卷收集裝置8，沉積在鋁箔上。在紡絲過程中，隨著傳送帶的移動，可實現大面積且連續的纖維膜的制備。

實施例2：

與實施例1類似，其區別在于：

如圖5所示，在本實施例中多針尖組的底座為圓形，針尖在圓形底座上以圓形陣列分布。導向套板的孔分布方式和針尖的分布方式對應。

實施例3：

與實施例1類似，其區別在于：

如圖6、圖7所示，在本實施例中多針尖組5是由多個獨立的針尖組組成，每個針尖組由獨立的振動發生器1-1、1-2、1-3…1-n驅動，每個振動發生器可以同步振動，也可以不同步振動。導向套板6的孔分布方式和針尖的分布方式對應。