一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置的制作方法

本实用新型属于气泡纺丝技术领域，具体涉及一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置。

背景技术：

微/纳米纤维材料由于具备非常大的比表面积、优良的机械性能、独特的仿生特性和显著的尺寸效应，因此在生物医学、能源安全、复合材料模板等领域得到广泛的应用。目前，制备微/纳米纤维材料的方法主要有模板法、液相还原法、离心法、静电纺丝法、气流气泡纺丝法等，然而，由于这些方法本身对射流运动的不可控，导致射流强烈的鞭动不稳定，因此制备得到的微/纳米纤维大都呈随机排列的无纺布形式。

气流气泡纺丝技术以气流为动力，破裂的气泡产生大量的微细液柱在高速气流的作用下被拉伸细化，在一定程度上实现了微纳米纤维的大量生产。在气流气泡纺丝过程中，喷射流自身所具有非稳定摆动特性，导致喷射流之间会产生影响，每股喷射流之间互相交错，导致了纤维在接收装置上的落点具有随机性，收集到的纤维分布具有任意性，同时也给纤维收集造成了一定的难度。

但是，无序的纤维材料在组织工程、光电子器件、增加模板等方面的应用已经无法满足要求，而有序的和可控的微纳米纤维赋予了纤维材料新的优异性能，因此极大地推动微纳米纤维在这类领域的应用。如纤维材料用于细胞支架材料、理想的超疏水材料、光电器件中导电性材料等，要求细胞延特定方向生长，这就必须要求纤维材料拥有很好的有序性须要求静电纺纳米纤 维具有很好的取向性，因此，制备出有序可控的纳米纤维成为现在研究的热点。

磁场辅助技术是利用磁场这种具有特殊能量的场，与受控对象作用产生力，在宏观上改变其运动状态，在微观上改变其结构。利用磁场控制喷射流的非稳定运动，在纺丝过程中引入磁场，使传统纺丝情况下的非稳定的旋转喷射流转变成相对稳定的的喷射流，同时改变纤维微观结构，提高纤维的取向度。

因此，为了有效的解决上述技术中存在的问题，有必要提供一种新型的气流气泡纺丝装置，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置，通过在气泡喷射管与接收装置之间设置磁控装置，在成型纤维材料时可实现对射流在纵向上的汇聚以及在横向上的拉伸，实现射流轨迹的可控性，以解决现有气流气泡纺丝过程中射流角度过大，喷射流的非稳定摆动导致纤维收集杂乱无序的技术问题，改变纤维微观结构，提高纤维的取向度。

根据本实用新型的目的提出的一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置，包括气泡喷射管与设置于所述气泡喷射管周边的高压气流喷射管，气泡喷射管顶部成型气泡并破碎形成射流，高压气流喷射管喷出气流拉伸射流，射流沉积于气泡喷射管上方的接收装置上；所述气流气泡纺丝装置还包括用以调控射流轨迹的磁控装置，所述磁控装置设置于气泡喷射管的正上方，所述磁控装置包括分别实现射流纵向汇聚的纵向磁控装置与实现射流横向拉伸的横向磁控装置，所述纵向磁控装置与所述横向磁控装置依次设置于射流中心线上。

优选的，所述纵向磁控装置设置于横向磁控装置的下方，所述横向磁控装置靠近接收装置设置。

优选的，所述纵向磁控装置为至少一组，每组包括纵向设置的两个同轴平行的励磁线圈与模拟磁场发生器，射流穿过所述励磁线圈。

优选的，所述励磁线圈的中心位于气泡喷射管的轴线上，所述励磁线圈的磁力线与气泡喷射管轴线平行，所述励磁线圈之间设置有高度调节器。

优选的，所述纵向磁控装置的磁场强度由模拟磁场发生器调节，磁场调节范围为0-5T。

优选的，所述横向磁控装置为至少一组，每组包括电磁铁与高压电流发生器，所述电磁铁为横向平行设置的异名磁极磁铁，所述电磁铁的磁力线与气泡喷射管轴线垂直，射流经两电磁铁间通过喷射至接收装置上。

优选的，所述电磁铁对称分布在气泡喷射管轴线两侧，所述电磁铁之间设置有距离调节器。

优选的，所述横向磁控装置的磁场强度由高压电流发生器调节，磁场调节范围为0-5T。

优选的，两电磁铁间的距离不小于励磁线圈的直径，且所述纵向磁控装置与横向磁控装置之间设置有距离调节器。

优选的，所述气流气泡纺丝装置还包括低压直流静电发生器，所述低压直流静电发生器与插入气泡喷射管底部的金属电极连接，且所述低压直流静电发生器的量程为0-100V。

与现有技术相比，本实用新型公开的基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置的优点是：

通过在气泡喷射管与接收装置之间设置磁控装置，在成型纤维材料时，纵向磁控装置可实现对射流在纵向上的汇聚，横向磁控装置可实现射流在横向上的拉伸，通过磁场的作用实现射流轨迹的可控性，以解决现有气流气泡 纺丝过程中射流角度过大，喷射流的非稳定摆动导致纤维收集杂乱无序的技术问题，改变纤维微观结构，提高纤维的取向度。

采用同轴励磁线圈产生的匀强磁场作为纵向磁场，确保磁力线与气泡喷射管轴线平行，螺旋摆动的带电荷射流在洛伦兹力的作用下运动轨迹向气泡喷射管轴线靠拢，有效的减小了射流的摆动幅度，从而在一定程度上有效的解决了由于高速气流作用下射流形成巨大摆动角度而导致纤维不易收集的技术问题。

采用相互平行的电磁铁产生的匀强磁场作为横向磁场，确保磁力线与气泡喷射管轴线垂直，螺旋摆动的带电荷射流在洛伦兹力的作用下被拉伸，纤维的取向度得到大幅提升，从而使高速气流作用下产生的大量无序纤维逐渐有序化。

采用低压直流静电发生器使溶液带一定量的电荷，有效的避免高压静电纺丝制备有序纤维时静电过高导致的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型公开的气流气泡纺丝装置的结构示意图。

图2为纵向磁控装置的结构示意图。

图3为横向磁控装置的结构示意图。

图4为接收装置的结构示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、供液槽 2、供液导管 3、气泡喷射管 4、高压气流喷射管 5、纵向磁控装置 6、横向磁控装置 7、接收装置 8、气泡 9、起泡管 10、气泵 11、金属电极 12、低压直流静电发生器

51、励磁线圈 52、模拟磁场发生器

61、电磁铁 62、高压电流发生器

71、接收辊

具体实施方式

在气流气泡纺丝过程中，喷射流自身所具有非稳定摆动特性，导致喷射流之间会产生影响，每股喷射流之间互相交错，导致了纤维在接收装置上的落点具有随机性，收集到的纤维分布具有任意性，同时也给纤维收集造成了一定的难度。而现有技术中多个领域要求纤维材料拥有很好的有序性须要求静电纺纳米纤维具有很好的取向性，因此，制备出有序可控的纳米纤维成为现在研究的热点。

本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置，通过在气泡喷射管与接收装置之间设置磁控装置，在成型纤维材料时可实现对射流在纵向上的汇聚以及在横向上的拉伸，实现射流轨迹的可控性，以解决现有气流气泡纺丝过程中射流角度过大，喷射流的非稳定摆动导致纤维收集杂乱无序的技术问题，改变纤维微观结构，提高纤维的取向度。

下面将通过具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，如图所示，一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置，包括气泡喷射管3与设置于气泡喷射管3周边的高压气流喷射管4，高压气流喷射管对称设置于气泡喷射管的两侧。

供液槽1通过供液导管2向气泡喷射管中提供溶液，气泵10与插入气泡喷射管3中的起泡管9连接，通过气泵与起泡管作用在气泡喷射管3顶部成型气泡并破碎形成射流，高压气流喷射管喷出气流拉伸射流，射流沉积于气泡喷射管上方的接收装置7上。

气流气泡纺丝装置还包括用以调控射流轨迹的磁控装置，磁控装置设置于气泡喷射管3的正上方，磁控装置包括分别实现射流纵向汇聚的纵向磁控装置5与实现射流横向拉伸的横向磁控装置6，纵向磁控装置5与横向磁控装置6依次设置于射流中心线上。

纵向磁控装置5设置于横向磁控装置6的下方，横向磁控装置6靠近接收装置设置。其中通过对两个磁控装置上下位置进行限定，保证射流先一步的汇聚之后再拉伸，有利于提高纤维收集的有效性及有序性。

如图2所示，纵向磁控装置5为至少一组，每组包括纵向设置的励磁线圈51与模拟磁场发生器52，射流穿过励磁线圈进行汇聚。励磁线圈为两个同轴平行的线圈，确保两平行线圈之间为匀强磁场B，有效的减小了射流的摆动角度，提高了射流摆动的稳定性，使纤维更容易收集，同时两个励磁线圈之间的距离、磁场强度可以根据实际纺丝情况调整。而且纵向磁控装置可为上下设置的一组或多组，具体设置方式可根据需要设定，在此不做限制。

励磁线圈51的中心位于气泡喷射管3的轴线上，励磁线圈51的磁力线与气泡喷射管轴线平行，有效保证射流的摆动稳定性及取向性。励磁线圈之间还设置有高度调节器，可根据需要调节两线圈间的距离。

其中，纵向磁控装置的磁场强度由模拟磁场发生器52进行调节，磁场调节范围为0-5T。一般可调节为1T、2T、3T、4T等，具体不做限制。

如图3所示，横向磁控装置为至少一组，每组包括电磁铁61与高压电流发生器62，电磁铁61为横向平行设置的异名磁极磁铁，电磁铁61的磁力线与气泡喷射管3轴线垂直，射流经两电磁铁间通过喷射至接收装置7上。横向磁控装置可为上下设置的一组或多组，具体设置方式可根据需要设定，在此不做限制。

通过将两电磁铁横向平行设置，并且保证电磁铁对称分布在气泡喷射管轴线两侧，保证电磁铁间为匀强磁场B，有效的提高了纤维的取向度，使杂乱无序的纤维被进一步拉伸形成大量的有序纤维。

电磁铁61之间设置有距离调节器，可根据具体需要进行调节。

横向磁控装置6的磁场强度由高压电流发生器62调节，磁场调节范围为0-5T。一般可调节为1T、2T、3T、4T等，具体不做限制。

两电磁铁间的距离不小于励磁线圈的直径，保证射流能够准确的穿过磁控装置，且纵向磁控装置与横向磁控装置之间设置有距离调节器，根据具体情况调节二者之间的距离。

此外，气流气泡纺丝装置还包括低压直流静电发生器12，低压直流静电发生器12与插入气泡喷射管底部的金属电极11连接，且低压直流静电发生器的量程为0-100V。可为50V、60V、70V等，具体不做限制。通过采用低压直流静电发生器使溶液带一定量的电荷，有效的避免高压静电纺丝制备有序纤维时静电过高导致的安全隐患。

接收装置可采用接收板或接收辊，本实用新型中采用接收辊71，通过采用圆辊作为接收装置，纤维落在接收辊上进一步受接收辊的转动切向力作用而被拉伸，有利于进一步提高纤维的取向性，并得到单根纤维。

本实用新型的工作原理如下：

打开供液槽1开始通过供液导管2向气泡喷射管3中输送溶液，在气泡喷射管3中装满溶液。再打开气泵10，调节至适当的气流速率，同时将供液 槽1调节至适当的供液速率。气泡8在起泡管9末端的高聚物溶液中产生，产生的气泡8从气泡喷射管3的底端逐渐上升到顶端破裂。同时，打开低压直流静电发生器12，调节至适当的电压值，低压直流静电发生器12通过金属电极11给气泡喷射管中的溶液施加一定量电荷。打开高压气流发生装置，调节至适当的气流速率，高速气流经由高压气流喷射管4喷射而出。上升至气泡喷射管3顶端的气泡破裂后在喷射出的高速气流的作用下被拉伸细化形成大量的微纳米纤维材料。与此同时，打开磁控装置，调节至适当的磁场强度大小。微纳米纤维材料经过纵向磁控装置5作用形成摆幅较稳定的射流，再经过横向磁控装置6作用拉伸形成高度取向的微纳米纤维材料，最后收集在接收装置7上。

本实用新型公开了一种基于磁场辅助制备有序纤维材料的气流气泡纺丝装置，通过在气泡喷射管与接收装置之间设置磁控装置，在成型纤维材料时，纵向磁控装置可实现对射流在纵向上的汇聚，横向磁控装置可实现射流在横向上的拉伸，通过磁场的作用实现射流轨迹的可控性，以解决现有气流气泡纺丝过程中射流角度过大，喷射流的非稳定摆动导致纤维收集杂乱无序的技术问题，改变纤维微观结构，提高纤维的取向度。

采用同轴励磁线圈产生的匀强磁场作为纵向磁场，确保磁力线与气泡喷射管轴线平行，螺旋摆动的带电荷射流在洛伦兹力的作用下运动轨迹向气泡喷射管轴线靠拢，有效的减小了射流的摆动幅度，从而在一定程度上有效的解决了由于高速气流作用下射流形成巨大摆动角度而导致纤维不易收集的技术问题。

采用相互平行的电磁铁产生的匀强磁场作为横向磁场，确保磁力线与气泡喷射管轴线垂直，螺旋摆动的带电荷射流在洛伦兹力的作用下被拉伸，纤维的取向度得到大幅提升，从而使高速气流作用下产生的大量无序纤维逐渐有序化。

采用低压直流静电发生器使溶液带一定量的电荷，有效的避免高压静电纺丝制备有序纤维时静电过高导致的安全隐患。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。