一种基于分形原理的无针纺丝设备的制作方法

本实用新型涉及静电纺丝技术领域，更具体地，涉及一种基于分形原理的无针纺丝设备。

背景技术：

静电纺丝的技术，是通过给带有电荷的高分子熔体/溶液施加高压电场，从而促使它们再此静电场中，喷射，拉伸，劈裂，固化或者溶剂挥发，最终形成纤维状物质的过程。这种方法是制备纳米纤维的一种具有前景的方法。但现在国内的静电纺丝技术主要以针头纺丝为主。虽然比较成熟，但是缺点显而易见：针头纺丝的产量十分有限，而且针头容易堵塞，不易清洗。增加针头个数可以提高静电纺丝产量，然而喷丝头尺寸会随之增大，造成设备的体积庞大。

因此，国外学者有提出“无针纺丝”的方式，并于04年开始涌现出不同的无针纺丝方式。比如球式，金字塔式，螺旋式。同时，这类装置的机械化设计较为简单，只是一个简单的工作台而已。另外，部分设备的供液方式为开放的供液槽形式，易于挥发，会影响溶液浓度，进而影响纺丝形成的纳米纤维的均匀性。

分形原理，其原意为不规则、支离破碎等意义。最初的分形概念源于对海岸线形貌的研究，W海岸线作为曲线，其特征为曲线不规则、极不光滑，呈现婉螺复杂的变化，不能从形状和结构上区分一部分海岸线与其他部分或者整体海岸线的不同。这种形貌上具有自相似性，即局部形态和整体形态相似的形体被称为分形。分形结构可由一个给定的形状，按照一定的迭代关系，不断调整，使其降到微观长度尺寸。

技术实现要素：

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于分形原理的无针纺丝设备，可有效提高纳米纤维的产量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于分形原理的无针纺丝设备，包括多尖端喷丝装置、接收板、高压静电发生器、储液供液装置、分流管、毛刷以及底座；所述的多尖端喷丝装置通过转动机构可转动设于底座上，所述的接收板位于多尖端喷丝装置正上方；高压静电发生器的正极与多尖端喷丝装置电性连接，负极与接收板电性连接，同时接收板接地；所述的储液供液装置固定于底座上，所述的毛刷设于多尖端喷丝装置的一侧且与多尖端喷丝装置的尖端接触；储液供液装置通过分流管给毛刷供液。给多尖端喷丝装置通过分流管及毛刷供液，相比起直接蘸取开放式的储液槽里的溶液的方式，可以减少溶液在空气的挥发和被污染，进而保障纺出的纳米纤维的均匀性；通过多尖端喷丝装置代替现有的针头，这些尖端的存在可使纺丝电极在施加较小电压的条件下就能够获得较大的电场强度。不仅可以提高产量，同时避免针头堵塞从而导致清洗和更换的问题。

作为优选的，所述的多尖端喷丝装置为扇形柱体结构，所述的尖端设于扇形柱体结构弧形面所在的一侧。优选为半圆柱形，半圆柱式的结构，和全圆柱式的结构相比，全圆柱的结构会全部外表面涂有溶液，全圆柱式的结构的一半的圆弧面在正对纳米纤维接收板，而同样涂抹有溶液的另一半圆弧面朝下，因此没有纺丝，从而造成的溶液滴落造成浪费和清洗上的困难。半圆柱式的结构则有效地避免了这一点，同时还可以减少材料。

进一步的，所述的多尖端喷丝装置上的尖端为通过分形原理构成的多尖端结构，分形结构的初始结构为设于扇形柱体结构弧形面上凸起的三角形轮齿。该多尖端纺丝装置的表面应用了二级分形原理，有规律且均匀地产生了多个尖端，相比起传统的射流针头纺丝方式，二级分形原理使得存在大量的尖端。这些尖端的存在可使纺丝电极在施加较小电压的条件下就能够获得较大的电场强度。不仅可以提高产量，同时避免针头堵塞从而导致清洗和更换的问题。另外，因为尖端并不是同一个水平高度上，相当于每个喷丝头到接收板的距离不同，这一结构有利于场强均匀度的提高，因此本设备可以提高其纺丝的均匀性。

进一步的，所述的转动机构包括舵机、联轴器和柱轴，所述的多尖端喷丝装置的圆心处设有安装孔，所述的柱轴穿设于安装孔内与多尖端喷丝装置连接；柱轴的两端分别连接有联轴器，联轴器分别与舵机连接；所述的舵机固定在底座上。两部舵机分局两端，两部舵机分别连接一个联轴器，两个联轴器再分别于柱轴的两端连接，多尖端喷丝装置通过安装块套设在柱轴上，柱轴上的中间位置上套入平键，通过平键实现柱轴转动时带动多尖端喷丝装置转动。

在实际生产中，通过控制舵机的转动角度来同步地控制柱轴的转动角度，进而控制多尖端喷丝装置的转动角度，来使得多尖端外表面全面地与毛刷接触，涂抹上溶液。同时，在电气连接上，按照舵机自身的电压范围来供给电压，而柱轴或者多尖端喷丝装置与高压静电发生器的正极相连，获得直流高压，柱轴将高压电传递给已经涂抹上了溶液的多尖端喷丝装置（这也是静电纺丝的必要条件）。

作为优选的，所述的柱轴上设有用于防止多尖端喷丝装置发生偏移的轴肩。柱轴上加工有轴肩，保证不让多尖端喷丝扎喷丝装置的位置发生偏移。

进一步的，所述的储液供液装置包括储液箱和输液管，所述的储液箱固定在底座上，输液管的一端与储液箱连接，另一端与分流管连接，在所述的分流管上设有多个小孔，溶液流出小孔滴落在毛刷上。储液箱固定在底座上，输液管一端插入储液箱中，一端接入了分流管。分流管上开了一排直径为3mm的小孔，小孔的正下方是固定在那里的毛刷，小孔到毛刷距离范围在2-3cm，小孔流出溶液后，直接滴落在毛刷的顶部上。

作为优选的，所述的毛刷与水平方向的夹角为50°~70°。毛刷与水平夹角约为50度到70度之间，保证在多尖端喷丝装置转动的过程中，每一个尖端均能够充分的与毛刷接触；毛刷末端与多尖端喷丝装置的外表面尖端有明显地接触，能够将溶液直接涂抹在尖端上。同时，齿轮通过舵机的转动，所有的尖端都会和毛刷接触，都会涂抹上溶液。

作为优选的，所述的毛刷由细钢丝构成。毛刷的材料是细钢丝，以保证不会被溶液腐蚀或者生锈。

作为优选的，所述的联轴器由绝缘材料构成。联轴器使用的是绝缘材料，所以柱轴的高压电不会对舵机造成影响。

进一步的，所述的接收板为纳米纤维接收板，接收板水平设置，接收板与多尖端纺丝装置的垂直距离为13cm~17cm。多尖端喷丝装置的正上方，是矩形平面的纳米纤维接收板，距离可在13-17cm间。电气连接上，接收板直接接地。因此，在多尖端喷丝装置的外表面和接收板间形成高压电场，为静电纺丝创造了基本的条件。

工作原理：

设备通电后，由储液箱输送溶液至分流管，分流管通过小孔将溶液滴落到毛刷，毛刷将溶液涂到相接触的多尖端喷丝装置的外表面尖端上。在多尖端喷丝装置和接收板中间形成高压，加上多尖端喷丝装置外表面的尖端，利于形成较多泰勒锥，促使溶液向上纺丝，接收板接收到丝。当纺丝经过1分钟左右，多尖端喷丝装置的外表面的溶液，将用尽。于是控制舵机逆时针转动180度，带动多尖端喷丝装置也转动180度，来使得多尖端喷丝装置外表面尖端全部接触到毛刷，蘸取到溶液，之后舵机再顺时针转180度，多尖端喷丝装置再次进入纺丝过程。周而复始。

与现有技术相比，有益效果是：

1. 应用了二级分形原理，有规律且均匀地产生了多个尖端，这些尖端的存在可使纺丝电极在施加较小电压的条件下就能够获得较大的电场强度，不仅可以提高产量，同时避免针头堵塞从而导致清洗和更换的问题。另外，因为尖端并不是同一个水平高度上，相当于每个喷丝头到接收板的距离不同，这一结构有利于场强均匀度的提高，因此本设备可以提高其纺丝的均匀性；

2. 将多尖端喷丝装置设为半圆柱形结构，可以有效避免造成的溶液滴落造成浪费和清洗上的困难，同时可以减少材料；

3. 通过分流管及毛刷给多尖端喷丝装置的尖端供液，相比起直接蘸取开放式的储液槽里的溶液的方式，在同样保证供应正常的前提下，可以减少溶液在空气的挥发和被污染，进而保障纺出的纳米纤维的均匀性。

附图说明

图1是本实用新型无针纺丝设备的整体结构示意图。

图2是本实用新型多尖端喷丝装置结构示意图。

图3是本实用新型多尖端喷丝装置主视图。

图4是本实用新型多尖端喷丝装置的尖端局部结构示意图。

图5是本实用新型通过分形原理形成多尖端的流程示意图。

图6是本实用新型毛刷的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1：

如图1至6所示，一种基于分形原理的无针纺丝设备，包括多尖端喷丝装置1、接收板2、高压静电发生器3、储液供液装置4、分流管5、毛刷6以及底座7；多尖端喷丝装置1通过转动机构可转动设于底座7上，接收板2位于多尖端喷丝装置1正上方；高压静电发生器3的正极与多尖端喷丝装置1电性连接，负极与接收板2电性连接，同时接收板2接地；储液供液装置4固定于底座7上，毛刷6设于多尖端喷丝装置1的一侧且与多尖端喷丝装置1的尖端12接触；储液供液装置4通过分流管5给毛刷6供液。给多尖端喷丝装置1通过分流管5及毛刷6供液，相比起直接蘸取开放式的储液槽里的溶液的方式，可以减少溶液在空气的挥发和被污染，进而保障纺出的纳米纤维的均匀性；通过多尖端喷丝装置1代替现有的针头，这些尖端12的存在可使纺丝电极在施加较小电压的条件下就能够获得较大的电场强度。不仅可以提高产量，同时避免针头堵塞从而导致清洗和更换的问题。

如图2所示，多尖端喷丝装置1为扇形柱体结构，尖端12设于扇形柱体结构弧形面所在的一侧。优选为半圆柱形，半圆柱式的结构，和全圆柱式的结构相比，全圆柱的结构会全部外表面涂有溶液，全圆柱式的结构的一半的圆弧面在正对纳米纤维接收板2，而同样涂抹有溶液的另一半圆弧面朝下，因此没有纺丝，从而造成的溶液滴落造成浪费和清洗上的困难。半圆柱式的结构则有效地避免了这一点，同时还可以减少材料。

如图2至5所示，多尖端喷丝装置1上的尖端12为通过分形原理构成的多尖端12结构，分形结构的初始结构为设于扇形柱体结构弧形面上凸起的三角形轮齿。该多尖端12纺丝装置的表面应用了二级分形原理，有规律且均匀地产生了多个尖端12，相比起传统的射流针头纺丝方式，二级分形原理使得存在大量的尖端12。这些尖端12的存在可使纺丝电极在施加较小电压的条件下就能够获得较大的电场强度。不仅可以提高产量，同时避免针头堵塞从而导致清洗和更换的问题。另外，因为尖端12并不是同一个水平高度上，相当于每个喷丝头到接收板2的距离不同，这一结构有利于场强均匀度的提高，因此本设备可以提高其纺丝的均匀性。

另外，转动机构包括舵机81、联轴器82和柱轴83，多尖端喷丝装置1的圆心处设有安装孔11，柱轴83穿设于安装孔11内与多尖端喷丝装置1连接；柱轴83的两端分别连接有联轴器82，联轴器82分别与舵机81连接；舵机81固定在底座7上。其中，联轴器82由绝缘材料构成。联轴器82使用的是绝缘材料，所以柱轴83的高压电不会对舵机81造成影响。两部舵机81分局两端，两部舵机81分别连接一个联轴器82，两个联轴器82再分别于柱轴83的两端连接，多尖端喷丝装置1通过安装块套设在柱轴83上，柱轴83上的中间位置上套入平键，通过平键实现柱轴83转动时带动多尖端喷丝装置1转动。

在实际生产中，通过控制舵机81的转动角度来同步地控制柱轴83的转动角度，进而控制多尖端喷丝装置1的转动角度，来使得多尖端12外表面全面地与毛刷6接触，涂抹上溶液。同时，在电气连接上，按照舵机81自身的电压范围来供给电压，而柱轴83或者多尖端喷丝装置1与高压静电发生器3的正极相连，获得直流高压，柱轴83将高压电传递给已经涂抹上了溶液的多尖端喷丝装置1（这也是静电纺丝的必要条件）。接收板2为纳米纤维接收板2，接收板2水平设置，接收板2与多尖端12纺丝装置的垂直距离为13cm~17cm。多尖端喷丝装置1的正上方，是矩形平面的纳米纤维接收板2，距离可在13-17cm间。电气连接上，接收板2直接接地。因此，在多尖端喷丝装置1的外表面和接收板2间形成高压电场，为静电纺丝创造了基本的条件。

其中，储液供液装置4包括储液箱41和输液管42，储液箱41固定在底座7上，输液管42的一端与储液箱41连接，另一端与分流管5连接，在分流管5上设有多个小孔，溶液流出小孔滴落在毛刷6上。储液箱41固定在底座7上，输液管42一端插入储液箱41中，一端接入了分流管5。分流管5上开了一排直径为3mm的小孔，小孔的正下方是固定在那里的毛刷6，小孔到毛刷6距离范围在2-3cm，小孔流出溶液后，直接滴落在毛刷6的顶部上。

在安装时，毛刷6与水平方向的夹角为50°~70°。毛刷6与水平夹角约为50度到70度之间，保证在多尖端喷丝装置1转动的过程中，每一个尖端12均能够充分的与毛刷6接触；毛刷6末端与多尖端喷丝装置1的外表面尖端12有明显地接触，能够将溶液直接涂抹在尖端12上。同时，齿轮通过舵机81的转动，所有的尖端12都会和毛刷6接触，都会涂抹上溶液。

在本实施例中，毛刷6由细钢丝构成；毛刷6的材料是细钢丝，以保证不会被溶液腐蚀或者生锈。

实施例2

本实施例与实施例1其他部分结构相同，不同的是柱轴83上设有轴肩。柱轴83上加工有轴肩，避免多尖端12喷丝扎喷丝装置的位置发生偏移。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。