一种具有辅助电极的静电纺丝系统和静电纺丝方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有辅助电极的静电纺丝系统，包括料筒、喷嘴、第一高压电源、接受装置、第二高压电源、辅助电极和移动控制装置，其中，喷嘴与辅助电极分别位于接受装置的上方和下方；喷嘴固定不动，辅助电极能够在移动控制装置的控制下移动；第一高压电源用于在接受装置和料筒之间形成差值为V1的第一电压差，第二高压电源用于在接受装置和辅助电极之间形成差值为V2的第二电压差，使料筒与辅助电极之间的电压差值为V1与V2之和。相应的，还提供一种应用具有辅助电极的静电纺丝系统的静电纺丝方法。本发明的通过设置可移动的辅助电极，使静电纺织时喷射的纳米纤维能够按照辅助电极的移动路径沉积成相应的图案。
【专利说明】一种具有辅助电极的静电纺丝系统和静电纺丝方法
【技术领域】
[0001]本发明属于静电纺丝领域，具体涉及一种具有辅助电极的静电纺丝系统和静电纺丝方法。
【背景技术】
[0002]静电纺丝法是一种高效制备纳米纤维的方法，其制造装置简单，纺丝成本低廉，可以用来电纺的物质种类较多，而且在纺丝过程中，可通过改变纺丝电压、纺丝液流速、电纺丝距离、溶液浓度等纺丝工艺控制纤维形貌参数。
[0003]静电纺丝法的工作原理是，在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。接受装置与喷嘴之间存在外加电场，在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成泰勒锥。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表面张力，液体从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，最终形成直径在纳米级的纤维，并以随机的方式散落在收集装置上，形成无纺布。
[0004]现有的静电纺丝得到的纳米纤维是以无纺布形式存在的，纤维排列非常凌乱，这对一些实际应用造成了不少困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决目前静电纺丝所制备的纳米纤维有序度不高的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种具有辅助电极的静电纺丝系统，包括料筒、喷嘴、第一高压电源、接受装置、第二高压电源、辅助电极和移动控制装置，其中，所述喷嘴连接在所述料筒下端，所述喷嘴与所述辅助电极分别位于所述接受装置的上方和下方；所述喷嘴固定不动，所述辅助电极能够在所述移动控制装置的控制下移动；所述第一高压电源用于在接受装置和所述料筒之间形成差值为Vl的第一电压差，第二高压电源用于在接受装置和辅助电极之间形成差值为V2的第二电压差，使料筒与辅助电极之间的电压差值为Vl与V2之和。
[0007]优选的，所述辅助电极在一个平面内移动。
[0008]优选的，所述平面与所述接受装置的上表面平行。
[0009]优选的，所述移动控制装置中预先设定有所述辅助电极的移动路径。
[0010]优选的，所述移动路径为直线形、蛇形或螺旋形路径。
[0011]优选的，所述辅助电极的可移动范围在接受装置的正下方。
[0012]优选的，所述辅助电极与所述接受装置的距离范围为5-lOcm。
[0013]优选的，所述接受装置连接至地电位；所述第一高压电源连接在所述料筒与所述接受装置之间，所述第二高压电源连接在所述接受装置与所述辅助电极之间。[0014]优选的，所述第二电压差的差值范围为10-30KV。
[0015]优选的，所述辅助电极的顶端形状为圆柱形、棱柱形或针尖形。
[0016]优选的，辅助电极和/或接受装置还可以上下移动。
[0017]相应的，本发明还提供一种应用上述静电纺丝系统的静电纺丝方法，所述第一高压电源在所述料筒与所述接受装置之间施加差值为Vl的第一电压差；所述喷头中的熔融液滴在第一电压差的电场作用下下变形喷射而出时，所述第二高压电源在所述辅助电极与所述接受装置之间施加差值为V2的第二电压差，使料筒与辅助电极之间形成差值为Vl与V2之和的电压差；开启所述移动控制装置，控制所述辅助电极按照预设的移动路径移动，在所述接受装置上形成与所述移动路径图案相同的纳米纤维。
[0018]本发明的具有辅助电极的静电纺丝系统，与现有技术相比具有下列优点:
[0019]本发明的静电纺丝系统，只需要接受装置的下方设置可移动的辅助电极，在纺织纤维时，在辅助电极上施加高压，改变纺丝喷头与辅助电极之间的电场位置，从而使喷射出的纺丝可以落在接受装置的不同位置，使所纺纳米纤维具有很高的有序度。而且，使静电纺织喷射的纳米纤维能够按照可移动的辅助电极的移动路径沉积成相应的图案。
[0020]另外，本发明的静电纺丝系统，在现有装置的基础上，只需要增加一个移动控制装置和高压电源，为辅助电极提供高压以及移动驱动，不需要复杂的辅助设备，具有较大的应用价值。另一方面，采用两个高压电源在料筒与辅助电极之间提供高压，可以降低静电纺丝系统的高压电源成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明所述的具有辅助电极的静电纺丝系统的示意图；
[0022]图2为本发明所述的辅助电极在一个平面移动方式的示意图；
[0023]图3为本发明所述的辅助电极的移动路径的示意图；
[0024]图4为本发明所述的具有辅助电极的静电纺丝系统所纺织纳米纤维的示意图；
[0025]图5为本发明所述的具有辅助电极的静电纺丝系统纺织纳米纤维时的三维立体示意图；
[0026]图6为本发明所述的具有辅助电极的静电纺丝系统所纺织双层纳米纤维示意图。【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合静电纺丝系统具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0028]本发明提供了一种具有辅助电极的静电纺丝系统，可以解决目前静电纺丝所制备的纳米纤维有序度不高的问题。
[0029]如图1所示，本发明所述的具有辅助电极的静电纺丝系统，包括料筒O、喷嘴1、第一高压电源2、接受装置3、第二高压电源4、辅助电极5和移动控制装置6。其中，喷嘴I连接在料筒O下端，喷嘴I与辅助电极5分别位于接受装置6的上方和下方，喷嘴O固定不动，辅助电极能够在移动控制装置6的控制下移动。第一高压电源2用于在接受装置3和料筒O之间形成差值为差Vl的第一电压差，第二高压电源4连接在接受装置和辅助电极之间形成差值为V2的第二电压差，使料筒O与辅助电极5之间的电压差值为Vl与V2之和。
[0030]本发明中所述的喷嘴O与辅助电极5分别位于所述接受装置3的上方和下方，理解为，喷嘴与辅助电极分别位于接受装置的相对两侧，喷嘴面向接受装置的底端与辅助电极面向接受装置的顶端之间的直线通过接受装置。
[0031]由于第二高压装置4在辅助电极5与接受装置3之间施加了第二电压差，使料筒O与辅助电极5之间的电压差大于料筒O与接受装置之间的电压差，因此，通过移动辅助电极5使喷射流微观的不规则螺旋运动在宏观上表现出可设定性，随着辅助电极5的移动，使喷嘴中喷射的纳米纤维能够按照辅助电极5的移动路径沉积成与移动路径相应的图案。例如，可以设计一些平面图案，甚至可设计一些三维立体的纺丝结构。
[0032]优选的，辅助电极5在一个平面内移动。该平面优选为与接受装置的上表面平行，例如辅助电极可以在与接受装置上表面平行的表面内移动。如图2所示，辅助电极5可以在一个平面的横向X和纵向y方向上移动。通过控制横向X和纵向y，可以使辅助电极5在平面上任意移动。辅助电极5的移动范围不超过接受装置3的尺寸范围，优选的，辅助电极5的可移动范围在接受装置的正下方，即辅助电极在接受装置下表面的投影始终在接受装置的下表面上。
[0033]移动控制装置6中可以预先设定有辅助电极5的移动路径，使辅助电极在设定的路径内移动。辅助电极5的移动路径可以为直线形、蛇形、螺旋形等路径形状。
[0034]优选的，辅助电极5与接受装置3的距离范围为5-10cm。在本发明的其他实施例中，辅助电极5和/或接受装置3可以上下移动，通过移动接受装置3或者辅助电极5调节辅助电极5与接受装置3的距离，以及喷嘴I与接受装置3的距离，这样可以方便的纺出三维结构的纳米纤维。辅助电极5的上下移动也可以由移动控制装置控制。优选的，辅助电极5上下移动的距离范围为l_5mm ;接受装置3可以上下微调。
[0035]辅助电极5面向接受装置3的顶端尺寸远小于接受装置3的尺寸，优选的，辅助电极5的顶端形状可以为圆柱形、棱柱形、针尖形等形状，优选的，辅助电极5的顶端形状为针尖形。辅助电极5的材料无特别要求，一般为金属材料即可，优选为不锈钢材料。
[0036]接受装置3为通常为绝缘材料的薄壁平板。接受装置3可以连接至地，第一高压电源2连接在料筒O与接受装置3之间，第二高压电源4连接在接受装置3与辅助电极5之间，接受装置3接地，通过设置第一高压电源2与第二高压电源的输出可以使料筒与辅助电极之间的电压差值为Vl与V2之和。
[0037]第一电压差和第二电压差的差值(VI和V2)可以根据需要进行设定。优选的，第二电压差的值V2的范围为10-30KV，优选为10KV。第一电压差的值Vl优选为10KV。例如，第一高压电源在料筒O与接受装置3之间施加IOKV的电压差(Vl=IOKV),第二高压电源在接受装置和辅助电极之间施加-10KV的电压差(V2=10KV)，在料筒与辅助电极之间形成的电压差为20KV。
[0038]本发明中，移动控制装置6可以为设定有移动路径的计算机。第一高压装置和第二高压装置可以为高压电源。喷头I可以采用金属喷头。
[0039]相应的，本发明还提供一种基于上述静电纺丝系统的静电纺丝方法，第一高压电源2在料筒O与接受装置3之间施加电压值为Vl的第一高压；喷头I中的熔融液滴在第一电压差的电场作用下变形喷射而出时，第二高压电源4在辅助电极5与接受装置3之间施加差值为V2的第二电压差，使料筒O与辅助电极之间形成差值为Vl与V2之和的电压差；开启移动控制模块6，控制辅助电极5按照预设的移动路径移动，在接受装置3上形成与所述移动路径图案相同的纳米纤维。
[0040]下面结合附图介绍本发明具有辅助电极的静电纺丝系统的工作过程。接受装置3的上表面为水平面，并且接地电位，参见图1。首先将装有待纺丝聚合物的料筒O加热的预设温度，然后打开第一高压电源2在料筒O与接受装置3之间施加电压值为Vl的第一高压，直到喷头I中的熔融液滴在第一高压场下变形然后喷射而出，此时再打开第二高压电源4，在辅助电极5与接受装置3之间施加电压值为V2的第二高压，并开启移动控制模块6，控制辅助电极5按照图3中预设的蛇形路径从A位置移动至B位置。在该过程中，喷头I所喷射出的纳米纤维会被辅助电极5所释放的高压电场吸引，从而沿着辅助电极5所移动路径而改变方向，最终在接受装置3上形成规则的纳米纤维图案。如图4所示，接受装置3上接收到的纳米纤维图案与辅助电极5的移动路径相同。
[0041]如图5所示，本发明所述的具有可移动辅助电极的静电纺丝系统纺织纳米纤维时的三维立体示意图。通过移动控制装置6改变辅助电极5的移动路径，可以纺织立体纤维结构，如图6所示，为纺织了两层的纳米纤维结构，纺织两层纳米纤维结构时，辅助电极的移动路径不同。
[0042]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有辅助电极的静电纺丝系统，其特征在于，该静电纺丝系统包括料筒、喷嘴、第一高压电源、接受装置、第二高压电源、辅助电极和移动控制装置，其中， 所述喷嘴连接在所述料筒下端，所述喷嘴与所述辅助电极分别位于所述接受装置的上方和下方； 所述喷嘴固定不动，所述辅助电极能够在所述移动控制装置的控制下移动； 所述第一高压电源用于在接受装置和所述料筒之间形成差值为Vl的第一电压差，第二高压电源用于在接受装置和辅助电极之间形成差值为V2的第二电压差，使料筒与辅助电极之间的电压差值为Vl与V2之和。
2.根据权利要求1所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述辅助电极在一个平面内移动。
3.根据权利要求2所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述平面与所述接受装置的上表面平行。
4.根据权利要求1-3任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述移动控制装置中预先设定有所述辅助电极的移动路径。
5.根据权利要求4所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述移动路径为直线形、蛇形或螺旋形路径。
6.根据权利要求1-5任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述辅助电极的可移动范围在接受装置的正下方。
7.根据权利要求1-5任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述辅助电极与所述接受装置的距离范围为5-10cm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述接受装置连接至地电位；所述第一高压电源连接在所述料筒与所述接受装置之间，所述第二高压电源连接在所述接受装置与所述辅助电极之间。
9.根据权利要求1-8任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述第二电压差的差值范围为10-30KV。
10.根据权利要求1-9任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述辅助电极的顶端形状为圆柱形、棱柱形或针尖形。
11.根据权利要求1-10任一项所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述辅助电极和/或所述接受装置还可以上下移动。
12.—种应用权利要求1-11任一项所述静电纺丝系统的静电纺丝方法，其特征在于，所述第一高压电源在所述料筒与所述接受装置之间施加差值为Vi的第一电压差；所述喷头中的熔融液滴在第一电压差的电场作用下下变形喷射而出时，所述第二高压电源在所述辅助电极与所述接受装置之间施加差值为V2的第二电压差，使料筒与辅助电极之间形成差值为Vl与V2之和的电压差；开启所述移动控制装置，控制所述辅助电极按照预设的移动路径移动，在所述接受装置上形成与所述移动路径图案相同的纳米纤维。
【文档编号】D01D5/00GK103541026SQ201310488427
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】李舟, 石波璟 申请人:国家纳米科学中心