一种利用气压恒定供液的静电纺丝装置的制作方法

本实用新型属于微纳米材料制备技术领域，具体涉及一种利用气压恒定供液的静电纺丝装置。

背景技术：

静电纺丝是目前制备一维微纳米纤维最简单高效的方法之一，与传统纳米材料制备技术相比，具有加工装置简单、原料来源广泛、纺丝成本低廉、可规模化制备等优势，受到国内外广泛关注与研究。采用静电纺丝技术加工制备的微纳米纤维具有高比表面积、较大的长度/直径比以及独特的物理化学等优良特性，在生物组织工程、创伤敷料、过滤防护、药物缓释、柔性器件等领域展现出极大的应用潜力。静电纺丝法原理非常简单，简述为：在高压电场作用下，纺丝喷头处的聚合物溶液或熔体受到静电场力的作用而喷射出去，形成射流，射流在下落过程中发生劈裂和拉伸，同时溶剂挥发，形成微纳米纤维固化成型并沉积在收集极上。然而传统的静电纺丝技术使用单一的针管作为纺丝液的储存装置配合一个针管推进泵作为供液装置，它的存液量小，供液速度缓慢，容易堵塞，无法适用于规模化、高产量的静电纺丝设备。近年来，针对现有阶段静电纺丝技术从实验室走向工业化面临的一系列难题，致力于实现电纺纳米纤维的批量化生产，如何实现稳定、高效地供液已经成为当前电纺技术研究领域的热点。在改进供液设备以适应大生产需求的过程中，发现精细化的金属供液器件很难在静电纺丝的大生产设备中使用，原因是在大规模静电纺丝过程中，往往使用高压电场，金属器件容易被击穿而无法正常工作，从而使规模化静电纺丝供液设备的发展受到阻碍，这也成为规模化静电纺丝供液设备开发的技术难题。目前静电纺丝的发展已经日新月异，大产量、大规模的纺丝喷头和纺丝方法层出不穷，但该技术仍停留在实验室阶段，缺少合适的静电纺丝供液设备作支撑。当前对于静电纺丝纳米纤维规模化制备的研究仅限于在喷头和纺丝方法上扩大产量，尚未有用于规模化制备静电纺纳米纤维的合适的连续供液装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于弥补现有技术不足，提供一种利用气压恒定供液的静电纺丝装置。该装置采用新型供液系统代替传统的注射泵或蠕动泵供液的方式，克服了现有供液装置供液不稳、易被击穿的问题，为静电纺丝技术的产业化转化应用打下基础。同时配合气流辅助线型纺丝电极，实现安全可靠地规模化制备高品质纳米纤维产品。

为了实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种利用气压恒定供液的静电纺丝装置，为纤维发射极提供纺丝前驱液的供液系统包括密封储液箱，所述密封储液箱上部设置有密封上盖，密封储液箱上还设置有出液口，输液管通过出液口插入密封储液箱的底部，所述密封储液箱上部设置有进气孔，导气管的端部与进气孔连通，导气管的另一端连接供气机构，所述供气机构可按设定的排气量向密封储液箱中匀速的充入气体。

供气机构按设定值的排气量向密封储液箱中充入气体，储液箱中的纺丝前驱液在气压的作用下，匀速的进入输液管，然后到达纤维发射极，实现对纤维发射极的连续恒定供液，纺丝液均匀的施加在纤维发射极上可以增加所得纤维的均匀性，更加适合规模化工业生产，由于纺丝前驱液处于密封容器中，溶剂不易挥发，纺丝前驱液浓度不易发生变化，避免了规模化生产纺丝纤维直径不均匀的问题。该装置通过对供液系统的改进解决了传统静电纺丝供液速度不均匀、容易堵塞喷头以及供液不连续、容易击穿损坏供液器件的难题，通过供气机构代替推进泵或蠕动泵的结构设计，实现了供液装置在高电压场中的良好工作，从而达到对规模化高压电场纺丝连续稳定供液的目的，推进规模化静电纺丝过程进入产业化。

优选的，所述供气机构包括气泵，所述气泵包括连接在其排气管上控制气泵排气量的调压阀，所述所述调压阀为电子调压阀或手动调压阀。

调压阀可以根据实际电纺前驱液的性质需要，调整设置气泵的排气量，从而调整供液系统供给纺丝液的速度，实现纺丝参数的灵活调节。

优选的，所述调压阀为电子调压阀，所述供气机构还包括设置于密封储液箱内的液位传感器，所述液位传感器连接控制器的信号输入端，液位传感器检测密封储液箱内液位变化并将信号传输给控制器，控制器的信号输出端连接气泵的电子调压阀，控制器预设所需的液位变化速率，控制器在接收到液位传感器的实际液位变化速率信号后，与预设值进行对比，根据需要调节控制电子调压阀的排气量，进而使密封储液箱中的液面按预设值下降，实现匀速供液，所述控制器为PID控制器或单片机，通过液位传感器的反馈和控制器对气泵调压阀的控制调节，可实现对液位变化速度即供液速度的精确调节。

进一步的，所述纤维发射极为线形电极，所述线形电极连接高压直流电源正极，线形电极的正上方设置收集极，所述收集极连接高压直流电源负极或接地。

进一步的，所述线形电极为伸直的金属链条，所述金属链条采用多个相同细金属环相扣形成，金属链条正下方设置有向上喷射气流的辅助供气系统。

该装置在使用时，开启供液系统，使其在金属链条上施加纺丝前驱液，然后开启位于金属链条正下方的辅助供气系统，在辅助供气系统向上喷射的气流的作用下构成金属链条的金属环中形成大量纺丝液前驱液气泡，与金属链条的边线共同构成纺丝液射流触发点，增加了触发点数量；开启高压直流电源，在金属链条和收集极间施加高压电场，链条边线纺丝前驱液和金属环中的纺丝前驱液气泡同时产生大量的带电射流，射流经劈裂，细化，溶剂挥发在收集极上沉积形成大量超细纤维，可明显提高电纺纤维效率。金属链条的金属环沿线性周期排列，电场分布比较均匀有利于纤维在收集区间的均匀沉积。辅助供气系统提供的向上的气流还可以减少由重力作用从金属链条上滴落的纺丝前驱液，减少废液，提高原料利用率，同时，气流方向与纺丝射流方向相同，有助于引导纤维沉积范围，提高纤维收集效率。采用金属链条代替针头作为纤维发射极，可有效避免单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，采用连续恒定供液的供液系统向金属链条施加纺丝前驱液，可避免纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，得到直径较均匀的电纺纤维。该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。

进一步的，所述辅助供气系统包括设置于金属链条正下方的供气管，所述供气管的正上方均匀设置多个喷气口，所述供气管一端封闭，另一端设置进气口A，所述进气口A连接送气管的端部，送气管的另一端连接辅助气泵。

进一步的，所述供液系统包括通过输液管连接储液箱的供液刷头，所述供液刷头通过上端设置的进液口连接输液管端部，所述供液刷头上设置有通液孔，通液孔设置于进液孔下方并与进液孔连通，金属链条穿过通液孔，所述供液刷头连接直线往复运动驱动机构，所述直线往复运动驱动机构驱动供液刷头沿金属链条做直线往复运动。

供液刷头通过通液孔套在金属链条上，在直线往复运动驱动机构的作用下沿金属链条做直线往复运动，储存于密封储液箱中的纺丝前驱液在气泵的驱动下通过进液口进入供液刷头的通液孔中，并随供液刷头的运动连续恒量均匀的涂覆于金属链条上，从而使所得微纳米纤维更加均匀，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱中，通过对微流泵泵速和直线往复运动驱动机构运动速度的调整少量多次的涂覆于金属链条上，避免了纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，同时，针对不同的纺丝原料，可以通过调节气泵排气量和直线往复运动驱动机构调整金属链条上纺丝前驱液的施加量，实现纺丝参数的灵活调整。

进一步的，所述直线往复运动驱动机构为直线推杆电机，所述直线推杆电机安装在金属链条端部的下方，直线推杆电机的推杆可沿金属链条轴向往复运动，推杆的端部连接供液刷头。

进一步的，所述供气管的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的金属链条，供气管上设置喷气口的范围大于金属链条在供气管上的投影面积。

喷气口的设置范围大于金属链条在水平面上(供气管上)的投影面积，可以确保金属链条完全处于供气管喷气口喷射的气流的作用范围内，更好的起到气流促进纺丝液气泡射流触发点形成，提高纤维产量，加速纺丝液溶剂挥发，改善纺丝形貌与性能，减少纺丝前驱液体滴落，提高原料利用率的作用。

本实用新型所述的静电纺丝可适用的纺丝原料为聚几内酯(PCL)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氧化乙烯(PEO)、明胶、透明质酸、丝素蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠、壳聚糖等高分子材料中的一种或多种材料的混合物。

本实用新型的有益效果：本实用新型弥补了现有技术不足，提供了一种利用气压恒定供液的静电纺丝装置。该装置采用新型供液系统代替传统的注射泵或蠕动泵供液的方式，克服了现有供液装置供液不稳、易被击穿的问题，为静电纺丝技术的产业化转化应用打下基础。同时配合气流辅助线型纺丝电极，实现安全可靠地规模化制备高品质纳米纤维产品。具体而言：

(1)供气机构按设定值的排气量向密封储液箱中充入气体，储液箱中的纺丝前驱液在气压的作用下，匀速的进入输液管，然后到达纤维发射极，实现对纤维发射极的连续恒定供液，纺丝液均匀的施加在纤维发射极上可以增加所得纤维的均匀性，更加适合规模化工业生产，由于纺丝前驱液处于密封容器中，溶剂不易挥发，纺丝前驱液浓度不易发生变化，避免了规模化生产纺丝纤维直径不均匀的问题。该装置通过对供液系统的改进解决了传统静电纺丝供液速度不均匀、容易堵塞喷头以及供液不连续、容易击穿损坏供液器件的难题，通过供气机构代替推进泵或蠕动泵的结构设计，实现了供液装置在高电压场中的良好工作，从而达到对规模化高压电场纺丝连续稳定供液的目的，推进规模化静电纺丝过程进入产业化。

(2)该装置在使用时，开启供液系统，使其在金属链条上施加纺丝前驱液，然后开启位于金属链条正下方的辅助供气系统，在辅助供气系统向上喷射的气流的作用下构成金属链条的金属环中形成大量纺丝液前驱液气泡，与金属链条的边线共同构成纺丝液射流触发点，增加了触发点数量；开启高压直流电源，在金属链条和收集极间施加高压电场，链条边线纺丝前驱液和金属环中的纺丝前驱液气泡同时产生大量的带电射流，射流经劈裂，细化，溶剂挥发在收集极上沉积形成大量超细纤维，可明显提高电纺纤维效率。金属链条的金属环沿线性周期排列，电场分布比较均匀有利于纤维在收集区间的均匀沉积。辅助供气系统提供的向上的气流还可以减少由重力作用从金属链条上滴落的纺丝前驱液，减少废液，提高原料利用率，同时，气流方向与纺丝射流方向相同，有助于引导纤维沉积范围，提高纤维收集效率。采用金属链条代替针头作为纤维发射极，可有效避免单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，采用连续恒定供液的供液系统向金属链条施加纺丝前驱液，可避免纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，得到直径较均匀的电纺纤维。该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。

(3)供液刷头通过通液孔套在金属链条上，在直线往复运动驱动机构的作用下沿金属链条做直线往复运动，储存于密封储液箱中的纺丝前驱液在气泵的驱动下通过进液口进入供液刷头的通液孔中，并随供液刷头的运动连续恒量均匀的涂覆于金属链条上，从而使所得微纳米纤维更加均匀，大部分的纺丝前驱液储存在储液箱中，通过对微流泵泵速和直线往复运动驱动机构运动速度的调整少量多次的涂覆于金属链条上，避免了纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，同时，针对不同的纺丝原料，可以通过调节气泵排气量和直线往复运动驱动机构调整金属链条上纺丝前驱液的施加量，实现纺丝参数的灵活调整。

(4)供气管的喷气口的设置范围大于金属链条在水平面上(供气管上)的投影面积，可以确保金属链条完全处于供气管喷气口喷射的气流的作用范围内，更好的起到气流促进纺丝液气泡射流触发点形成，提高纤维产量，加速纺丝液溶剂挥发，改善纺丝形貌与性能，减少纺丝前驱液体滴落，提高原料利用率的作用。

附图说明

图1为本实用新型的静电纺丝装置的结构示意图；

图2为本实用新型的供液刷头的剖面图；

图3为带有辅助供气系统的静电纺丝装置的结构示意图；

图4为链电极实现气泡电纺与无针头链式电纺技术结合示意图；

图5为本实用新型的辅助供气系统的供气管的结构示意图；

图6为本实用新型的供液系统的电气原理图；

图中：1-金属链条，2-收集极，3-高压直流电源，4-供液刷头，41-进液口，42-通液孔，5-输液管，6-密封储液箱，7-气泵，8-导气管，9-控制器，10-液位传感器，11-直线推杆电机，12-辅助气泵，13-供气管，14-送气管，15-进气口A，16-喷气口，17-边线纺丝射流，18-气泡纺丝射流，19-纺丝前驱液气泡。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本实用新型而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。

实施例

如图1至6所示，一种利用气压恒定供液的静电纺丝装置，为纤维发射极提供纺丝前驱液的供液系统包括密封储液箱6，所述密封储液箱6上部设置有密封上盖，密封储液箱6上还设置有出液口，输液管5通过出液口插入密封储液箱6的底部，所述密封储液箱6上部设置有进气孔，导气管8的端部与进气孔连通，导气管的另一端连接供气机构，所述供气机构可按设定的排气量向密封储液箱6中匀速的充入气体。

具体而言，所述供气机构包括气泵7，所述气泵包括连接在其排气管上控制气泵排气量的调压阀，所述所述调压阀为电子调压阀或手动调压阀，所述调压阀可以为电子调压阀，此时供气机构还包括设置于密封储液箱6内的液位传感器10，所述液位传感器10连接控制器9的信号输入端，液位传感器10检测密封储液箱6内液位变化并将信号传输给控制器9，控制器9的信号输出端连接气泵7的电子调压阀调节控制电子调压阀的排气量，所述控制器9为PID控制器或单片机。如图6的电气原理图所示，控制器9预设所需的液位变化速率，控制器9在接收到液位传感器10的实际液位变化速率信号后，与预设值进行对比，根据需要调节控制气泵7电子调压阀的排气量，进而使密封储液箱6中的液面按预设值下降，实现匀速供液，通过液位传感器10的反馈和控制器9对气泵7调压阀的控制调节，可实现对液位变化速度即供液速度的精确调节。

所述纤维发射极为线形电极，所述线形电极连接高压直流电源3正极，线形电极的正上方设置收集极，所述收集极连接高压直流电源3负极或接地，所述线形电极为伸直的金属链条1，所述金属链条1采用多个相同细金属环相扣形成，金属链条1正下方设置有向上喷射气流的辅助供气系统，所述辅助供气系统包括设置于金属链条1正下方的供气管13，所述供气管13的正上方均匀设置多个喷气口16，所述供气管13一端封闭，另一端设置进气口A15，所述进气口A15连接送气管14的端部，送气管14的另一端连接辅助气泵12。所述供液系统包括通过输液管5连接储液箱6的供液刷头4，所述供液刷头4通过上端设置的进液口41连接输液管5端部，所述供液刷头4上设置有通液孔42，通液孔42设置于进液孔41下方并与进液孔41连通，金属链条1穿过通液孔41，所述供液刷头4连接直线往复运动驱动机构，所述直线往复运动驱动机构驱动供液刷头4沿金属链条1做直线往复运动，所述直线往复运动驱动机构为直线推杆电机11，所述直线推杆电机11安装在金属链条1端部的下方，直线推杆电机11的推杆可沿金属链条1轴向往复运动，推杆的端部连接供液刷头4，所述供气管13的横向和纵向尺寸均大于位于其正上方的金属链条1，供气管13上设置喷气口16的范围大于金属链条1在供气管13上的投影面积。

供气机构按设定值的排气量向密封储液箱中充入气体，密封储液箱6中的纺丝前驱液在气压的作用下，匀速的进入输液管5，然后到达纤维发射极，实现对纤维发射极的连续恒定供液，纺丝液均匀的施加在纤维发射极上可以增加所得纤维的均匀性，更加适合规模化工业生产，由于纺丝前驱液处于密封容器中，溶剂不易挥发，纺丝前驱液浓度不易发生变化，避免了规模化生产纺丝纤维直径不均匀的问题。该装置通过对供液系统的改进解决了传统静电纺丝供液速度不均匀、容易堵塞喷头以及供液不连续、容易击穿损坏供液器件的难题，通过供气机构代替推进泵或蠕动泵的结构设计，实现了供液装置在高电压场中的良好工作，从而达到对规模化高压电场纺丝连续稳定供液的目的，推进规模化静电纺丝过程进入产业化。

该装置在使用时，开启供液系统，使其在金属链条1上施加纺丝前驱液，然后开启位于金属链条1正下方的辅助供气系统，在辅助供气系统向上喷射的气流的作用下构成金属链条1的金属环中形成大量纺丝液前驱液气泡，与金属链条的边线共同构成纺丝液射流触发点，增加了触发点数量；开启高压直流电源3，在金属链条1和收集极2间施加高压电场，链条边线纺丝前驱液产生边线纺丝射流17，金属环中的纺丝前驱液气泡19形成气泡纺丝射流18，边线纺丝射流17和气泡纺丝射流18同时产生大量的带电射流，射流经劈裂，细化，溶剂挥发在收集极2上沉积形成大量超细纤维，可明显提高电纺纤维效率。金属链条1的金属环沿线性周期排列，电场分布比较均匀有利于纤维在收集极2的均匀沉积。辅助供气系统提供的向上的气流还可以减少由重力作用从金属链条1上滴落的纺丝前驱液，减少废液，提高原料利用率，同时，气流方向与纺丝射流方向相同，有助于引导纤维沉积范围，提高纤维收集效率。采用金属链条代替针头作为纤维发射极，可有效避免单针头电纺和多针头电纺的针头堵塞等问题，采用连续恒定供液的供液系统向金属链条施加纺丝前驱液，可避免纺丝前驱液直接大面积暴露于空气中，电纺过程中溶剂挥发，纺丝前驱液浓度不稳定，造成电纺纤维直径不均匀的问题，得到直径较均匀的电纺纤维。该装置操作简单，能够显著提高电纺纤维效率，实现微纳米纤维的规模化生产。

以上所述，仅为本实用新型的说明实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围。本实用新型未详尽公开处均为现有技术。