一种振动多针尖静电纺丝装置的制作方法

本实用新型涉及静电纺丝，尤其是涉及一种振动多针尖静电纺丝装置。

背景技术：

静电纺丝是近年来比较流行的一种制造纳米纤维的方法。由于其具有工艺简单、容易操控、成本较低、材料来源广泛等优点，所制备得到的纤维膜具有直径小、孔隙率高、比表面积大、通透性高等特点，使其成为当前研究纳米纤维制备的一个热点。静电纺丝技术制备的纤维在纺织、过滤器、生物医学、光电材料、催化剂、传感器等领域都有着广泛的应用。

静电纺丝是将聚合物溶液或者熔体带上高压静电，在电场的作用下形成泰勒锥，当电场增大到足以克服液滴表面张力时，在泰勒锥锥尖处形成带电喷射细流。在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下，通过纤维的鞭动、拉伸细化，溶剂挥发，最后沉积在收集装置上，形成纤维。

传统的静电纺丝采用的是单根纺丝喷头进行纤维的制备，效率较低，无法实现纤维的批量化生产。目前提高静电纺丝纳米纤维效率的方法主要是采用多纺丝喷头进行静电纺丝(Theron S A,Yarin AL,Zussman E,et al.Multiple jets in electrospinning:experiment and modeling[J].Polymer,2005,46(9):2889-2899)，并且大多数采用的是对多个标准的注射纺丝喷头进行组装，靠机械力的推动挤出溶液或熔体，靠电场力的拉伸进行纺丝。但是，标准的注射喷头的喷丝口直径大多处于微米级，用这种喷头进行静电纺丝，容易因溶剂挥发或熔体固化速度过快而导致喷头的阻塞，造成纺丝制备的中断，影响生产效率，同时需要更换喷头和对喷头进行清洗，造成纺丝效率的降低，纺丝成本的提高。并且，对于粘度较高的溶液或熔体，由于溶液或熔体的表面张力大，难以克服表面张力形成喷射细流，目前解决的方法主要是采用提高加在喷头上的直流电压，使得溶液或熔体在喷头处的溶液克服表面张力形成喷射细流，但是过高的电压容易造成空气的电离。在静电纺丝过程中，除了上述的利用电场力克服溶液的表面张力的方法之外，采用外力干扰也是一种有效破坏溶液的表面张力的方法。其中，采用机械振动可以增强溶液的流动性，采用外物接触溶液表面，可以刺破表面，克服表面张力，均是有效破坏表面张力的途径。目前有采用超声波震荡的方式使溶液处于动态流动状态，克服溶液表面张力形成多射流。但是在静电纺丝过程中，驻波的位置会偏移，泰勒锥形成的位置和方向不固定，射流和形成的纤维的均匀性较低，射流之间容易发生干扰。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供可克服标准注射喷头引起的阻塞问题和高粘度溶液或熔体难以克服表面张力形成射流的问题，确保多喷射流的稳定快速喷射，实现纤维批量化生产的一种振动多针尖静电纺丝装置。

本实用新型设有电源、溶液槽、供液装置、多针尖组、导向套板、伸缩杆、收集装置、振动发生器、加热块、导管和振动换能器。所述溶液槽设有进液接口、出液接口和外接通孔；所述供液装置通过溶液槽的进液接口和导管与溶液槽相连；所述振动发生器通过溶液槽的外接通孔和振动换能器与多针尖组的底座底面相连，外接通孔用密封圈密封；所述多针尖组的底面与伸缩杆顶部相连；所述伸缩杆底部固定连接在溶液槽的底面；所述加热块均匀分布于溶液槽内部，用于熔融电纺中加热熔体；所述多针尖组通过导线与电源相连；所述收集装置设于溶液槽的正上方；所述多针尖组、导向套板与振动换能器振动轴的对称轴线相互重合。

所述溶液槽可采用敞开式绝缘塑料溶液槽，所述进液接口可设于溶液槽顶部，接口处密封处理，防止溶液的渗漏。

通过供液装置向溶液槽添加纺丝溶液，并保持溶液槽内的纺丝溶液或熔体的液面高度在纺丝过程中保持不变。

所述伸缩杆可分布于多针尖组的下面，用于支撑多针尖组，使得多针尖组在振动时保持平衡。

所述振动发生器的振动频率可为0.1Hz～20kHz，振幅可为0.001～50mm。

所述振动发生器与多针尖组连接用的外接通孔和振动换能器之间密封处理，防止溶液的渗漏。

所述多针尖组可由导体材料制成。

所述导向套板上可设有与多针尖组针尖排布、数量均相同的通孔，可由绝缘材料制成，以一定的高度固定在溶液槽内。

所述多针尖组的阵列针尖分别穿过所述导向套板上阵列的通孔，避免因为针尖的长径比大、刚性差而产生过大的偏移，从而避免针尖之间的相互干涉。

所述加热块可设有至少2块，至少2块加热块均匀分布在溶液槽内。

本实用新型通过一个振动多针尖静电纺丝装置进行批量连续纺丝，通过振动发生器带动多针尖组振动，多针尖组刺破溶液或熔体表面，破坏溶液或熔体的表面张力，再加上多针尖组顶端处的电场强度最大，因此在多针尖组上施加较小的电压就足以克服溶液或熔体的表面张力，在阵列针尖处形成多根射流，有效地增加了纺丝的速率,增加了静电纺丝的产量，可实现纳米纤维的连续和规模化生产。本实用新型中的喷头是采用向上的阵列多针尖组，有效避免了传统采用的标准注射喷头结构堵塞现象的发生，无需频繁地更换和清洗喷头，提高了生产效率。并且，由于整个振动多针尖静电纺丝装置是一个可以拆卸的敞开式的装置，更易于清洗，容易操控。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图中各标记为：1-振动发生器；2-自由伸缩杆；3-加热块；4-溶液槽；5-多针尖组；6-导向套板；7-电源；8-卷对卷收集装置；9-导管；10-供液装置；11-进液接口；12-出液接口；13-外接通孔；14-振动换能器。

图2为本实用新型实施例1的俯视图。

图3为本实用新型实施例1中的导向套板的俯视图。

图4为本实用新型实施例1中的多针尖组的俯视图。

图5为本实用新型实施例2中的多针尖组的俯视图。

图6为本实用新型实施例3中的结构示意图。

图7为本实用新型实施例3中的多针尖组的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。应理解，所描述的实施例仅仅是用于说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围。

实施例1：

如图1、图2所示，本实用新型实施例设有电源7、溶液槽4、供液装置10、多针尖组5、导向套板6、伸缩杆2、收集装置8、振动发生器1、加热块3和振动换能器14。所述溶液槽4设有进液接口11、出液接口12和外接通孔13；所述供液装置10通过溶液槽4的进液接口11与溶液槽4相连；所述振动发生器14通过溶液槽4的外接通孔13和振动换能器14与多针尖组5的底座底面相连，外接通孔13用密封圈密封；所述多针尖组5的底面与伸缩杆2顶部相连；所述伸缩杆2底部固定连接在溶液槽4的底面；所述加热块3均匀分布于溶液槽4内部，用于熔融电纺中加热熔体；所述多针尖组5通过导线与电源7相连；所述收集装置8设于溶液槽4的正上方；所述多针尖组5、导向套板6与振动换能器14振动轴的对称轴线相互重合。

所述溶液槽4可采用敞开式绝缘塑料溶液槽，所述进液接口11可设于溶液槽4顶部，接口处密封处理，防止溶液的渗漏。

通过供液装置向溶液槽添加纺丝溶液，并保持溶液槽内的纺丝溶液或熔体的液面高度在纺丝过程中保持不变。

所述伸缩杆可分布于多针尖组的下面，用于支撑多针尖组，使得多针尖组在振动时保持平衡。

所述振动发生器的振动频率可为0.1Hz～20kHz，振幅可为0.001～50mm。

所述振动发生器与多针尖组连接用的外接通孔和振动换能器之间密封处理，防止溶液的渗漏。

所述多针尖组可由导体材料制成。

所述导向套板上可设有与多针尖组针尖排布、数量均相同的通孔，可由绝缘材料制成，以一定的高度固定在溶液槽内。

所述多针尖组的阵列针尖分别穿过所述导向套板上阵列的通孔，避免因为针尖的长径比大、刚性差而产生过大的偏移，从而避免针尖之间的相互干涉。

所述加热块可设有至少2块，至少2块加热块均匀分布在溶液槽内。

供液装置10在纺丝过程根据需要向溶液槽4内注入溶液，保持溶液槽4内的液面高度始终保持一定的高度，使得多针尖组在振动过程中的最低点低于溶液表面位置，最高点高于溶液表面0.001～50mm，使得多针尖组既可以达到刺破液面，破坏表面张力，形成泰勒锥的效果，又可以在纺丝过程中向针尖顶部不断地提供纺丝溶液或熔体。所述多针尖组5由阵列针尖和底座组成；所述振动发生器1通过外接通孔13和振动换能器14与所述多针尖组5的底座底面相连，由振动发生器1带动多针尖组5振动，连接通孔用密封圈进行密封。所述多针尖组5通过导线与所述电源7的正电极相连；所述卷对卷收集装置8由收卷滚筒、放卷滚筒、铝箔及传送带组成，置于溶液槽4的正上方，并接地；所述多针尖组5与所述收集板之间的垂直距离为5-40cm。如图3所示，所述导向套板6上设有11×11阵列的通孔，通孔的直径是3mm，由绝缘材料制成；四周是支撑梁，与溶液槽4中预设的直槽相互配合安装，用于固定导向套板6。如图4所示，所述多针尖组5由11×11阵列的针尖组成，针尖的直径是350μm，由不锈钢材料制成；多针尖组5上的阵列针头分别对应穿过导向套板6的阵列通孔，避免因为针尖的长径比大、刚性差而产生过大的偏移，从而避免针尖之间的相互干涉。在多针尖组5和卷对卷收集装置8之间形成静电场，振动的多针尖组5刺穿溶液表面，破坏了溶液的表面张力，在针尖尖端的高静电场的作用下，在针尖处诱导生成多个泰勒锥，进而形成多股射流，射向卷对卷收集装置8，沉积在铝箔上。在纺丝过程中，随着传送带的移动，可实现大面积且连续的纤维膜的制备。

实施例2：

与实施例1类似，其区别在于：

如图5所示，在本实施例中多针尖组的底座为圆形，针尖在圆形底座上以圆形阵列分布。导向套板的孔分布方式和针尖的分布方式对应。

实施例3：

与实施例1类似，其区别在于：

如图6、图7所示，在本实施例中多针尖组5是由多个独立的针尖组组成，每个针尖组由独立的振动发生器1-1、1-2、1-3…1-n驱动，每个振动发生器可以同步振动，也可以不同步振动。导向套板6的孔分布方式和针尖的分布方式对应。