一种电场辅助原位定点静电纺丝装置的制作方法

本实用新型属于静电纺丝纳米纤维制备技术领域，涉及一种电场辅助原位定点静电纺丝装置。

背景技术：

静电纺丝技术(electrospinning)是一种利用静电场制备微纳米纤维的方式，在诸多纳米纤维制备工艺中，静电纺丝技术被认为是一种简单有效的，可以较大规模制备均匀、连续的一维纳米纤维的方法，是目前制备纳米纤维最热门的技术之一，以其加工设备简单、原料来源广泛、纺丝工艺可控等诸多优点，受到国内外广泛研究与报道，其制备微纳米纤维的直径可从几个纳米到几个微米之间。

静电纺丝技术应用广泛，可以在纺丝液中添加抗菌物质、纳米颗粒、医疗药物等制备出各种功能性的复合纤维，在生物医学、催化、过滤、能源等领域发挥巨大的作用。但是在纺丝过程中，静电纺丝纤维存在分布范围广，沉积面积大，定点沉积性差的缺点。

目前，中国专利(CN205223420U)和中国专利(CN204939670U)均通过气流辅助电纺的方式来改善静电纺丝纤维的沉积范围过大的缺陷，通过气流辅助不可避免的在原有的电纺装置基础上额外附加气泵、气流控制器等供气装置，导致电纺装置过于复杂，使用麻烦。

而通过电场辅助静电纺丝纤维定点沉积的方式国内外还未见报道。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中在纺丝过程中，静电纺丝纤维存在分布范围广，沉积面积大，定点沉积性差的缺点，提供一种电场辅助原位定点静电纺丝装置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种电场辅助原位定点静电纺丝装置，包括注射器、收集极、高压电源，所述注射器的一端设有纺丝针头，所述纺丝针头一端与高压电源的正极连接，纺丝针头另一端带有喷液口并朝向收集极，所述纺丝针头上设有电场约束机构，所述电场约束机构为纺丝针头约束电场分布，电场约束机构围设安装在纺丝针头朝向收集极方向的外周，所述收集极与高压电源的负极连接。

优选的，所述纺丝针头设于电场约束机构的中心轴线上。

优选的，所述电场约束机构为筒状结构的辅助电极，辅助电极的一端设在纺丝针头上并连通导电，辅助电极朝向收集极的端部为扩口结构。

优选的，所述辅助电极由金属制成。

优选的，所述辅助电极为圆锥形体结构，所述圆锥形体结构辅助电极的锥角为130°～140°，其朝向收集极的端部开口为圆形。

优选的，所述辅助电极的锥角为130°，圆形端部开口的直径为7cm。

优选的，所述辅助电极为半球形体结构，半球形体结构辅助电极朝向收集极的端部半径为2cm。

优选的，所述辅助电极为半椭球形体结构，半椭球形体结构辅助电极的长轴为3cm，短轴为2cm。

优选的，所述纺丝针头贯穿于所述辅助电极的中心轴线。

优选的，所述电场辅助原位定点静电纺丝装置还包括推进泵，所述注射器设在推进泵上，所述推进泵可推动注射器针筒内的活塞芯杆在注射器针筒内运动。

如上所述的一种电场辅助原位定点静电纺丝装置，所述高压电源还设有高压电源电压显示屏和高压电源调节旋钮，所述高压电源的输出电压为0～30kV。

在静电纺丝过程中，辅助电极会约束高压静电场的分布，阻止静电场的发散，提高电场线的分布密度。纺丝针头射出的高分子溶液在受到约束的高压静电场的作用下拉伸，鞭动，变细，变为微纳米范围的纤维，而且沉积位置、沉积范围可控，有利于实现原位精确沉积。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的电场辅助原位定点静电纺丝装置利用电场约束机构，将静电场的分布约束到一定的范围内，因而在静电场被限制的情况下，受电场力作用的纺丝纤维的沉积位置及范围也变得可控，可以实现定点沉积。

(2)由于电场约束机构对静电场的约束，静电纺丝纤维的沉积范围变小，在相同的纺丝速度下，可以在较小的沉积范围内更快的得到一定厚度的纤维膜，因而可以减少纺丝时间，能够在较短的时间里获得较厚的纤维膜，例如可以在5 分钟内制备出厚度为0.1mm的聚氨酯微纳米纤维膜。

(3)本实用新型的电场约束机构的结构简单，通用性高，在不改变静电纺丝设备的主体结构的前提下，在纺丝针头处添加电场约束机构，就可以改善在静电纺丝过程中，纤维沉积范围过大，定向性不好的缺点，并且可以提高高分子溶液的利用率，避免原料浪费。可适用于大多数采用针头纺丝的静电纺丝设备及装置，改善其纺丝效果，无需对装置进行大规模的改造，效果明显。

(4)本实用新型的电场约束机构结构简单，主体结构为由导电材料制成的筒状结构的辅助电极，适应于多种溶液或者熔体体系的静电纺丝，具体使用过程中可以根据静电纺丝设备的结构进行适当的调节以获得更佳的静电场约束效果，推广容易。

附图说明

图1为本实用新型的电场辅助原位定点静电纺丝装置的结构示意图。

图2为实施例1的辅助电极与纺丝针头的结构示意图。

图3为实施例2的辅助电极与纺丝针头的结构示意图。

图4为实施例3的辅助电极与纺丝针头的结构示意图。

图5为实施例4-6制得的的掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维的升温效果图。

图6为实施例4、7、8制得的掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维的纤维膜示意图。

其中，1—推进泵，2—注射器，3—纺丝针头，4—辅助电极，5—收集极， 6—高压电源，7—高压电源电压显示屏，8—高压电源调电压旋钮。

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1

如图1、图2所示，一种电场辅助原位定点静电纺丝装置，包括注射器2、收集极5、高压电源6，所述注射器2的一端设有纺丝针头3，所述纺丝针头3 一端与高压电源6的正极连接，纺丝针头3另一端带有喷液口并朝向收集极5，所述纺丝针头3上设有电场约束机构，所述电场约束机构为纺丝针头3约束电场分布，电场约束机构围设安装在纺丝针头3朝向收集极方向的外周，所述纺丝针头设于电场约束机构的中心轴线上，所述电场约束机构为筒状结构的辅助电极4，辅助电极4的一端设在纺丝针头3上并连通导电，辅助电极4朝向收集极的端部为扩口结构，所述辅助电极由金属制成，所述收集极5与高压电源6 的负极连接。

如图2所示，所述辅助电极为圆锥形体结构。所述圆锥形体结构辅助电极的锥角为130°～140°，其朝向收集极的端部开口为圆形。在本实施例中，所述辅助电极的锥角为130°，圆形开口端部的直径为7cm。

所述电场辅助原位定点静电纺丝装置还包括推进泵1，所述注射器2设在推进泵1上，所述推进泵1可推动注射器2针筒内的活塞芯杆在注射器2针筒内运动。所述注射器可以是一次性注射器，也可以是循环使用的注射器。

所述纺丝针头为平头纺丝针头，纺丝针头尖端直径为1mm。

所述高压电源还设有高压电源电压显示屏7和高压电源调节旋钮8，所述高压电源的输出电压为0～30kV。

在本实施例中，所述辅助电极由金属铝制成，所述收集极为铝箔收集极。

实施例2

如图1、图3所示，一种电场辅助原位定点静电纺丝装置，包括注射器2、收集极5、高压电源6，所述注射器2的一端设有纺丝针头3，所述纺丝针头3 一端与高压电源6的正极连接，纺丝针头3另一端带有喷液口并朝向收集极5，所述纺丝针头3上设有电场约束机构，所述电场约束机构为纺丝针头3约束电场分布，电场约束机构围设安装在纺丝针头3朝向收集极方向的外周，所述纺丝针头设于电场约束机构的中心轴线上，所述电场约束机构为筒状结构的辅助电极4，辅助电极4的一端设在纺丝针头3上并连通导电，辅助电极4朝向收集极的端部为扩口结构，所述辅助电极由金属制成，所述收集极5与高压电源6 的负极连接。

如图3所示，所述辅助电极为半球体形结构。所述半球形体结构辅助电极朝向收集极的端部开口，端部半径为2cm。

所述电场辅助原位定点静电纺丝装置还包括推进泵1，所述注射器2设在推进泵1上，所述推进泵1可推动注射器2针筒内的活塞芯杆在注射器2针筒内运动。所述注射器可以是一次性注射器，也可以是循环使用的注射器。

所述纺丝针头为平头纺丝针头，纺丝针头尖端直径为1mm。

所述高压电源还设有高压电源电压显示屏7和高压电源调节旋钮8，所述高压电源的输出电压为0～30kV。

在本实施例中，所述辅助电极由金属铝制成，所述收集极为铝箔收集极。

实施例3

如图1、图4所示，一种电场辅助原位定点静电纺丝装置，包括注射器2、收集极5、高压电源6，所述注射器2的一端设有纺丝针头3，所述纺丝针头3 一端与高压电源6的正极连接，纺丝针头3另一端带有喷液口并朝向收集极5，所述纺丝针头3上设有电场约束机构，所述电场约束机构为纺丝针头3约束电场分布，电场约束机构围设安装在纺丝针头3朝向收集极方向的外周，所述纺丝针头设于电场约束机构的中心轴线上，所述电场约束机构为筒状结构的辅助电极4，辅助电极4的一端设在纺丝针头3上并连通导电，辅助电极4朝向收集极的端部为扩口结构，所述辅助电极由金属制成，所述收集极5与高压电源6 的负极连接。

如图4所示，所述辅助电极为半椭球形体结构，半椭球形体结构辅助电极的长轴为3cm，短轴为2cm，半椭球形体结构辅助电极朝向收集极的端部开口。

所述电场辅助原位定点静电纺丝装置还包括推进泵1，所述注射器2设在推进泵1上，所述推进泵1可推动注射器2针筒内的活塞芯杆在注射器2针筒内运动。所述注射器可以是一次性注射器，也可以是循环使用的注射器。

所述纺丝针头为平头纺丝针头，纺丝针头尖端直径为1mm。

所述高压电源还设有高压电源电压显示屏7和高压电源调节旋钮8，所述高压电源的输出电压为0～30kV。

在本实施例中，所述辅助电极由金属铝制成，所述收集极为铝箔收集极。

需要说明的是，本实用新型的纺丝针头与辅助电极可以是密封连接，也可以是非密封连接。本实用新型的纺丝针头与辅助电极也可以不连通导电，辅助电极由高压电源单独提供电压。

实施例4

一种基于所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置的聚氨酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.8g聚氨酯，加入锥形瓶中，倒入7.5g DMF，7.5g四氢呋喃，在30～40℃水浴加热的条件下用磁力搅拌器搅拌3h，待聚氨酯溶解后，再加入 0.54g粒径为20nm的γ-Fe2O3磁性纳米颗粒(Aladdin)，使用机械搅拌器搅拌 20分钟，然后将溶液置于超声振荡器中超声震荡2h，使磁性纳米颗粒在溶液中混合均匀，制成纺丝前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的纺丝前驱体溶液倒入电场辅助原位定点静电纺丝装置的一次性注射器中，平头纺丝针头尖端直径为1mm，将圆锥形体结构的辅助电极设于纺丝针头与高压电源连接的一端，并与纺丝针头连通导电，纺丝针头设于辅助电极的中心轴线上，纺丝针头带有喷液口的端部与辅助电极同一侧端部平行；

(3)调节纺丝针头到铝箔收集极的距离为10cm，纺丝电压15kV，推进泵的推进速率为2mL/h，进行静电纺丝，通过铝箔收集极进行收集，持续纺丝5 分钟，即制备得到掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维。

实施例5

一种基于所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置的聚氨酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.8g聚氨酯，加入锥形瓶中，倒入7.5g DMF，7.5g四氢呋喃，在30～40℃水浴加热的条件下用磁力搅拌器搅拌3h，待聚氨酯溶解后，再加入 0.54g粒径为20nm的γ-Fe2O3磁性纳米颗粒(Aladdin)，使用机械搅拌器搅拌 20分钟，然后将溶液置于超声振荡器中超声震荡2h，使磁性纳米颗粒在溶液中混合均匀，制成纺丝前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的纺丝前驱体溶液倒入电场辅助原位定点静电纺丝装置的一次性注射器中，平头纺丝针头尖端直径为1mm，将圆锥形体结构的辅助电极设于纺丝针头与高压电源连接的一端，并与纺丝针头连通导电，纺丝针头设于辅助电极的中心轴线上，纺丝针头带有喷液口的端部与辅助电极同一侧端部平行；

(3)调节纺丝针头到铝箔收集极的距离为10cm，纺丝电压15kV，推进泵的推进速率为2mL/h，进行静电纺丝，通过铝箔收集极进行收集，持续纺丝10 分钟，即制备得到掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维。

实施例6

一种基于所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置的聚氨酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.8g聚氨酯，加入锥形瓶中，倒入7.5g DMF，7.5g四氢呋喃，在30～40℃水浴加热的条件下用磁力搅拌器搅拌3h，待聚氨酯溶解后，再加入 0.54g粒径为20nm的γ-Fe2O3磁性纳米颗粒(Aladdin)，使用机械搅拌器搅拌 20分钟，然后将溶液置于超声振荡器中超声震荡2h，使磁性纳米颗粒在溶液中混合均匀，制成纺丝前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的纺丝前驱体溶液倒入电场辅助原位定点静电纺丝装置的一次性注射器中，平头纺丝针头尖端直径为1mm，将圆锥形体结构的辅助电极设于纺丝针头与高压电源连接的一端，并与纺丝针头连通导电，纺丝针头设于辅助电极的中心轴线上，纺丝针头带有喷液口的端部与辅助电极同一侧端部平行；

(3)调节纺丝针头到铝箔收集极的距离为10cm，纺丝电压15kV，推进泵的推进速率为2mL/h，进行静电纺丝，通过铝箔收集极进行收集，持续纺丝15 分钟，即制备得到掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维。

图5为实施例4-6分别在5分钟、10分钟、15分钟的纺丝时间后得到的三种不同厚度的掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维的升温效果图，在10分钟的纺丝过程后得到的磁性纤维膜可以在153kHz高频交变磁场中升温至46℃。

实施例7

一种基于所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置的聚氨酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.8g聚氨酯，加入锥形瓶中，倒入7.5g DMF，7.5g四氢呋喃，在30～40℃水浴加热的条件下用磁力搅拌器搅拌3h，待聚氨酯溶解后，再加入 0.54g粒径为20nm的γ-Fe2O3磁性纳米颗粒(Aladdin)，使用机械搅拌器搅拌 20分钟，然后将溶液置于超声振荡器中超声震荡2h，使磁性纳米颗粒在溶液中混合均匀，制成纺丝前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的纺丝前驱体溶液倒入电场辅助原位定点静电纺丝装置的一次性注射器中，平头纺丝针头尖端直径为1mm，将圆锥形体结构的辅助电极设于纺丝针头与高压电源连接的一端，并与纺丝针头连通导电，纺丝针头设于辅助电极的中心轴线上，纺丝针头带有喷液口的端部与辅助电极同一侧端部平行；

(3)调节纺丝针头到铝箔收集极的距离为15cm，纺丝电压15kV，推进泵的推进速率为2mL/h，进行静电纺丝，通过铝箔收集极进行收集，持续纺丝5 分钟，即制备得到掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维。

实施例8

一种基于所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置的聚氨酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.8g聚氨酯，加入锥形瓶中，倒入7.5g DMF，7.5g四氢呋喃，在30～40℃水浴加热的条件下用磁力搅拌器搅拌3h，待聚氨酯溶解后，再加入0.54g粒径为20nm的γ-Fe2O3磁性纳米颗粒(Aladdin)，使用机械搅拌器搅拌 20分钟，然后将溶液置于超声振荡器中超声震荡2h，使磁性纳米颗粒在溶液中混合均匀，制成纺丝前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的纺丝前驱体溶液倒入电场辅助原位定点静电纺丝装置的一次性注射器中，平头纺丝针头尖端直径为1mm，将圆锥形体结构的辅助电极设于纺丝针头与高压电源连接的一端，并与纺丝针头连通导电，纺丝针头设于辅助电极的中心轴线上，纺丝针头带有喷液口的端部与辅助电极同一侧端部平行；

(3)调节纺丝针头到铝箔收集极的距离为20cm，纺丝电压15kV，推进泵的推进速率为2mL/h，进行静电纺丝，通过铝箔收集极进行收集，持续纺丝5 分钟，即制备得到掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维。

图6a、b、c分别为实施例4、7、8分别在不同纺丝距离得到的掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维的纤维形态示意图，从两图中可以看出，在针尖与铝箔收集极相距10cm时，得到的聚氨酯纤维膜呈中间高、周围低的圆锥形。在针尖与铝箔收集极相距15cm时，得到的聚氨酯纤维膜为均匀厚度的圆形。在针尖与铝箔收集极相距20cm及以上时，得到的聚氨酯纤维膜与不加辅助电极的情况一致，形成了大范围分布的纤维膜。

该掺杂磁性纳米颗粒的聚氨酯纤维可用于磁热疗的微纳米纤维膜。随着喷丝头至铝箔收集极的距离的改变，纤维膜的沉积形式呈现出不同的情况。纺丝时间不同，得到不同厚度的磁性纤维膜。

实施例9

一种基于所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置的聚己内酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取1.5g聚己内酯，加入锥形瓶中，倒入8.5g丙酮，在30℃水浴加热的条件下用磁力搅拌器搅拌3h，待聚己内酯溶解后，再加入75mg银纳米颗粒，使用磁力搅拌器搅拌20分钟，然后将溶液置于超声振荡器中超声震荡2小时，使银纳米颗粒在溶液中混合均匀，制成纺丝前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的纺丝前驱体溶液倒入电场辅助原位定点静电纺丝装置的一次性注射器中，平头纺丝针头尖端直径为1mm，将圆锥形体结构的辅助电极设于纺丝针头与高压电源连接的一端，并与纺丝针头连通导电，纺丝针头设于辅助电极的中心轴线上，纺丝针头带有喷液口的端部与辅助电极同一侧端部平行；

(3)调节喷丝针头到铝箔收集极的距离为10～20cm，纺丝电压15kV，推进泵的推进速率为2mL/h，进行静电纺丝，通过铝箔收集极进行收集，制备得到聚己内酯纤维。

本实施例所制备得到的聚己内酯纤维具有抗菌作用，可用作微纳米级的伤口敷料，采用本实用新型的电场辅助原位定点静电纺丝装置可以短时间内在创伤位置原位精确快速地制备得到。

实施例4-9均采用实施例1所述的电场辅助原位定点静电纺丝装置进行原位定点静电纺丝。

以上实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本实用新型内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵在盖本实用新型的保护范围内。