一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法，装置主要包括接收平台、微分阵列电极单元、阵列电极托台、高压静电发生器、毛细管、喷嘴、支架、给料装置、通断转换器及计算机控制系统，微分阵列电极单元置于接收平台正下方5-10mm，而接收平台放置于纺丝喷头正下方70-110mm，阵列电极以阵列形式置于一块绝缘的托台上，阵列电极单元安装在阵列电极托台上，本发明由于采用微分阵列电极形式，通过将所需纤维沉积图形进行计算机预设编码，控制通断转换器来改变阵列带电情况，同时利用阵列托台调节阵列电极与毛细管的距离等工艺参数，最终形成微纳米级纤维沉积形状可控制品，使得制备效率提高，减少后序纤维形状裁剪加工，实现纤维制品到应用的快速化。
【专利说明】一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝技术领 域。
【背景技术】
[0002] 静电纺丝装置是一种利用静电力制备超细纤维的装置，一台静电纺丝装置应该由 直流高压电源、物料供给装置、喷头和接收装置几个部分构成。首先将聚合物溶液或熔体带 上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管末端形成Taylor 锥。当电场力足够大时，聚合物液滴在毛细管末端形成的Taylor锥液滴克服表面张力形成 喷射细流。在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压，并处于一个电场当中，因此，当 射流从毛细管末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而导致了射流在电场中的拉 伸。射流在空气中急速振荡和鞭动，不断拉伸细化，同时因溶剂挥发或熔体热量散失而使射 流固化，最终沉降在接收装置上，得到类似非织造布状纳米或微米级超细纤维。
[0003] 具有特定排列结构的纤维能作为细胞培养的支架、制备具有特殊性能的膜材料、 在微/纳机电系统零件中具有广泛的应用，例如特定细胞的取向生长依赖于取向性纤维结 构；因此需要织构出纤维的多种拓扑结构，但是目前缺乏对于微细纤维的操控技术，已经开 发的技术如3D打印技术中的熔积成型技术其制备的熔丝直径大多数在数十微米到数百微 米，而其他技术如自组装、相转换等技术制备效率低下，目标拓扑结构单一，且缺乏灵活性。 因而，静电纺丝技术作为快速制备微/纳米纤维的一种方法，最有优势，通过技术改进，实 现对纤维落点进行快速精确控制，以制备特定拓扑结构的纤维制品。已有的专利"一种结合 静电纺丝技术的快速成型方法及装置（CN101837642A) "，虽然该发明接收装置在三个维度 变化，但还是不能解决纤维鞭动导致的局部沉积不可控的问题，不能形成落点精确可控的 纤维制品。"一种微量物料的静电纺丝装置（201220629650. 9)"专利，能实现向左、向上、向 下三个方向的纺丝，但也无法实现纤维沉积点可控。
[0004] 常规的静电纺丝装置存在一个很大的问题就是纤维沉积点不可控，制备的纤维是 随机的无纺结构。因此，需要提出一种静电纺丝装置，来实现为对纤维射流沉积点可控的目 的，从而实现由模型输入决定特定拓扑结构纤维的制备。所以开发纤维沉积路径可控的静 电纺丝装置，用来制备特殊用途的拓扑纤维结构成为必要。
【发明内容】
[0005] 本发明提出利用控制微分阵列点电极开关来改变微分阵列电极带电情况，达到电 场控制的目的，从而使纺出的纤维落点可控，然后形成软件预定的三维拓扑结构的取向排 列纤维。
[0006] 实现上述目的的技术方案是，一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，主要包括 接收平台、微分阵列电极单元、阵列电极托台、高压静电发生器、毛细管、喷嘴、支架、给料装 置、通断转换器及计算机控制系统，微分阵列电极单元置于接收平台正下方5-10_，而接收 平台放置于纺丝喷头正下方70-110mm，即纺丝喷头正下方放置接收平台，接收平台正下方 放置微分阵列电极单元。阵列电极以阵列形式置于一块绝缘的托台上，阵列电极单元安装 在阵列电极托台上，每个阵列电极由nXm个阵列电极单元组成，η和m为大于2的整数，η 和m的值越大说明电极越多，沉积可控的点越多，阵列电极托台安装在支架靠近下部的位 置；阵列电极通过通断转换器与计算机控制系统及高压静电发生器连接；给料装置固定在 支架上端的中间部位，毛细管与喷嘴相连并接地，毛细管安装在给料装置的下端，毛细管轴 向中心位于接收平台正上方。将需要得到的纤维沉积形状轮廓进行程序编码并存于计算机 控制系统中，由计算机控制系统发送给通断转换器来控制阵列电极带电情况，从毛细管末 端喷出的带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向带电阵列电极，由于接收平台的阻挡，喷 射流就会堆积在接收平台上，实现纤维的沉积可控。由于在静电场下产生的纺丝介质的喷 射流可以达到微米级或纳米级，所以由此方法可制备出极微小的精密制品。
[0007] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，给料装置可以是螺杆式的结构， 主要包括料筒、料斗、转动控制装置、螺杆、加热器和温度传感器，纺丝介质从料斗加入到料 筒中，转动控制装置带动螺杆转动将纺丝介质均匀地挤入到喷嘴，经喷嘴前端的毛细管流 出，毛细管和喷嘴采用锥面配合，喷嘴与料筒采用螺钉连接。在料筒外侧包覆加热器，温度 传感器安装在料筒上。给料装置亦可以是柱塞式的结构，主要包括料筒、柱塞、微位移驱动 器、加热器和温度传感器，将定量的纺丝介质加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在纺丝 介质上，微位移驱动器带动柱塞使其在料筒内移动，柱塞通过微位移驱动器的控制使纺丝 介质经由喷嘴和毛细管流出，在料筒外侧包覆加热器，在料筒上安装温度传感器。
[0008] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，纺丝介质可以颗粒状或粉末状的 聚合物，亦可以是聚合物溶液。当纺丝介质为聚合物溶液时，加热器不工作。当纺丝介质为 颗粒状或粉末状的聚合物时，加热器工作，为了延缓熔体喷射流的固化可以在接收平台上 安装红外加热灯。
[0009] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其阵列电极由微分阵列电极单元 组成，电极单元形状可以是针尖、尖棱锥等有尖端及棱的形式，阵列规模、形状轮廓随纺丝 要求而定，微分阵列电极单元之间的间距为5-15mm，通常取10mm，微分阵列电极单元距离 太近会产生相互干扰，距离太远可控精度会较差。如果希望微分阵列电极单元距离小一些， 为了防止相互干扰，在阵列电极托台上增加电极单元可升降功能，通电的微分阵列电极单 元升高，或不带电的所有微分阵列电极单元整体下降。微分阵列电极单元距离很小的时候， 可以得到微小的沉积制品。
[0010] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其纺丝方法是：工作时，首先将纺 丝介质加入到给料装置中，将需要得到的纤维沉积形状轮廓进行程序编码并存于计算机控 制系统中，调节纺丝介质的流量并使其从毛细管末端均匀流出；调节接收平台上升至工作 位置；根据毛细管喷出的丝的尺寸要求，调节阵列电极托台高度和高压静电发生器输出电 压，当上述调节稳定后，清理接收平台，然后启动高压静电发生器、计算机控制系统运行程 序，由计算机控制系统发送给通断转换器来控制阵列电极带电情况，从毛细管末端喷出的 带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向带电阵列电极，由于接收平台的阻挡，喷射流就会 堆积在接收平台上，熔融的纤维在接收平台上沉积成所需形状，关闭高压静电发生器，停止 给料装置的转动控制装置的工作，一个按要求加工的产品完成。 toon] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝方法，工作时，计算机控制系统发出连 通信号给阵列中的某个通断转换器时，此通断转换器接通，所连接阵列电极单元带电；计算 机控制系统发出断开信号给阵列中的某个通断转换器时，此通断器断开，所连接的阵列电 极单元不带电，其它阵列电极单元带电情况同理。进而通过预设的图形编码程序控制整个 阵列电极面的带电情况及带电时序差，和接地毛细管末端形成电势差，纺丝介质在电场力 的作用下，被拉伸到对应的阵列电极单元上方接收平台装置上。
[0012] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置及方法，由于采用了微分阵列电极 形式，通过将所需纤维沉积图形进行计算机预设编码，控制通断转换器来改变阵列带电情 况，同时利用阵列托台调节阵列电极与毛细管的距离等工艺参数，最终形成微纳米级的纤 维沉积形状可控制品，使得制备效率提高，减少后序纤维形状裁剪加工，实现纤维制品到应 用的快速化。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置结构示意图；
[0014] 图2是本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置中微分阵列电极连接拓扑 示意图。
[0015] 图中：1-柱塞，2-料筒，3-加热器，4-毛细管，5-支架，6-接收板托台，7-接收平 台，8-微分阵列电极单元，9-通断转换器，10-高压静电发生器，11-阵列电极托台，12-计算 机控制系统，13-喷嘴。
【具体实施方式】
[0016] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其结构示意图如图1所示，主要 包括柱塞1、料筒2、加热器3、毛细管4、支架5、接收板托台6、接收平台7、微分阵列电极单 元8、通断转换器9、高压静电发生器10、阵列电极托台11、计算机控制系统12和喷嘴13。 本实施例中柱塞1的移动采用定量砝码或手工加力方式，微分阵列电极单元8置于接收平 台7正下方5-10mm，而接收平台7放置于纺丝喷头13的正下方70-110mm。每个微分阵列 电极单元8与通断转换器9相连，微分阵列电极单元8的阵列电极安装在阵列电极托台11 上，阵列电极托台11安装在支架5靠近下部的位置，根据纺丝需要的形状用计算机控制系 统12进行图形编码输入到通断转换器9中，由通断转换器9来控制阵列电极单元8的带电 情况，如图2所示，进而控制纤维在接收平台7上的沉积轨迹，毛细管4接地，喷嘴13安装 在料筒2的下端。
[0017] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细阐述。
[0018] 本发明一种纤维沉积路径可控的静电纺丝方法，例如如图2所示的在8X 12的排 列点阵中要纺出"N"字形的制品，工作时，打开加热器，待温度达到设定温度，将纺丝介质加 入到料筒2中，调节纺丝介质的流量并使其从毛细管4末端均匀流出；接收平台7上升至 工作位置；阵列电极托台11上升，根据毛细管4喷出的丝的尺寸要求，调节阵列电极托台 11高度和静电高压静电发生器10输出电压，当上述调节稳定后，清理接收平台7上的自然 沉积纤维，然后启动静电高压静电发生器12、同时将控制通断转换器9的编码程序由计算 机控制系统12给出，编码程序以一定的时序间隔差作用在微分阵列电极单元8的阵列电极 上，扫描出"N"字形的阵列，产生相应有序的电场力，最终熔融的纤维按所需的形状沉积在 接收平台7上，关闭高压静电发生器10,关闭加热器3, 一个纤维沉积路径为"N"字形的制 品加工完成。
【权利要求】
1. 一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：主要包括接收平台、微分阵 列电极单元、阵列电极托台、高压静电发生器、毛细管、喷嘴、支架、给料装置、通断转换器及 计算机控制系统，纺丝喷头正下方放置接收平台，接收平台正下方放置微分阵列电极单元； 阵列电极以阵列形式置于一块绝缘的托台上，阵列电极单元安装在阵列电极托台上，阵列 电极托台安装在支架靠近下部的位置；阵列电极单元通过通断转换器与计算机控制系统及 高压静电发生器连接；给料装置固定在支架上端的中间部位，毛细管与喷嘴相连并接地，毛 细管安装在给料装置的下端，毛细管轴向中心位于接收平台正上方；将需要得到的纤维沉 积形状轮廓进行程序编码并存于计算机控制系统中，由计算机控制系统发送给通断转换器 来控制阵列电极单元带电，从毛细管末端喷出的带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向带 电阵列电极单元的电极。
2. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：微分 阵列电极单元置于接收平台正下方5-10mm，而接收平台放置于纺丝喷头正下方70-110mm。
3. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：给料 装置可以是螺杆式的结构，主要包括料筒、料斗、转动控制装置、螺杆、加热器和温度传感 器，纺丝介质从料斗加入到料筒中，转动控制装置带动螺杆转动将纺丝介质均匀地挤入到 喷嘴，经喷嘴前端的毛细管流出，毛细管和喷嘴采用锥面配合，喷嘴与料筒采用螺钉连接； 在料筒外侧包覆加热器，温度传感器安装在料筒上。
4. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：给料 装置是柱塞式的结构，主要包括料筒、柱塞、微位移驱动器、加热器和温度传感器，将定量的 纺丝介质加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在纺丝介质上，微位移驱动器带动柱塞使 其在料筒内移动，柱塞通过微位移驱动器的控制使纺丝介质经由喷嘴和毛细管流出，在料 筒外侧包覆加热器，在料筒上安装温度传感器。
5. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：纺丝 介质可以颗粒状或粉末状的聚合物，亦可以是聚合物溶液。
6. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：阵列 电极由微分阵列电极单元组成，微分阵列电极单元形状可以是针尖或尖棱锥等有尖端的形 式。
7. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：微分 阵列电极单元之间的间距为5-15mm。
8. 根据权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置，其特征在于：在阵 列电极托台上增加微分阵列电极单元可升降功能，通电的微分阵列电极单元能够升高，或 不带电的所有微分阵列电极单元能够整体下降。
9. 采用权利要求1所述的一种纤维沉积路径可控的静电纺丝装置进行纺丝的方法，其 特征在于：首先将纺丝介质加入到给料装置中，将需要得到的纤维沉积形状轮廓进行程序 编码并存于计算机控制系统中，调节纺丝介质的流量并使其从毛细管末端均匀流出；调节 接收平台上升至工作位置；根据毛细管喷出的丝的尺寸要求，调节阵列电极托台高度和高 压静电发生器输出电压，当上述调节稳定后，清理接收平台，然后启动高压静电发生器、计 算机控制系统运行程序，由计算机控制系统发送给通断转换器来控制阵列电极带电情况， 从毛细管末端喷出的带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向带电微分阵列电极单元，由于 接收平台的阻挡，喷射流就会堆积在接收平台上，熔融的纤维在接收平台上沉积成所需形 状，关闭高压静电发生器，停止给料装置的转动控制装置的工作，一个按要求加工的产品完 成。
【文档编号】D01D13/00GK104153013SQ201410389928
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】李好义, 曾良滨, 张罗, 何雪涛, 丁玉梅, 杨卫民 申请人:北京化工大学