手持式熔体电纺装置的制作方法

本实用新型涉及熔体电纺技术，具体涉及手持式熔体电纺装置。

背景技术：

静电纺纳米纤维材料具有特有的纳米尺度、比表面积大、孔径小等优良特性，在生物医疗、储能催化、环境治理、航空航天、电子器件等领域有着广阔的实际应用前景。静电纺丝技术是一种基于高压静电连续生产纳米纤维的简单技术，该方法简单高效、生产成本较低、改造加工性强，是近年来纳米技术的研究热点之一。静电纺丝技术包括溶液静电纺丝和熔体静电纺丝两部分，其原理可简述为带电高分子溶液或熔体在高压静电场的作用下克服表面张力和重力等作用形成带电射流，射流进一步在高压电场的作用下加速运动，发生拉伸或劈裂细化，再经溶液挥发或熔体固化形成微纳米纤维。与溶液静电纺丝比，熔体静电纺丝由于不使用溶剂，纤维中不存在溶剂残留，不存在溶剂挥发、回收和毒性的问题，其纺丝效率、环保性和生物医学实用性大幅度提高。

因此，熔体静电纺丝被认为是一种更经济、环保的静电纺丝方法，但熔体静电纺丝的装置多采用电阻丝加热熔融高分子材料，加热电阻丝对高压电源在纺丝喷头处形成的静电场存在电磁干扰问题，这种电磁干扰问题限制了小型化便携式熔体电纺设备的开发，尽管中国专利cn203583027u公开了一种手持式熔融电纺装置，采用缠绕于熔融喷头侧壁的加热电阻丝加热熔融高分子材料以形成熔体进行熔体电纺的便携式装置，但这种加热电阻与纺丝喷头近距离作用的装置不可避免的存在显著的电磁干扰严重影响纺丝电场，当纺丝电压足够大时甚至会在纺丝喷头端出现静电放电现象致使纺丝过程不能进行，故诸如此类的忽略了加热电阻丝和高压电场间的电磁干扰问题的小型化熔体电纺装置实际是不能稳定的进行熔体电纺的。

为了减小熔体电纺的电磁干扰对纺丝过程的影响，所以现有可稳定运行的熔体静电纺丝装置结构普遍比普通溶液电纺装置更复杂，且熔体电纺的温度进行，也需尽量减小在供液过程中高分子熔体温度变化以保持熔体的熔融状态和粘度，这也意味着熔体电纺装置需要复杂的加热系统、原料供给系统、隔热及绝缘系统等，对便携化设计和自供电化提出了很大的挑战。

因此，寻求设计一种结构简单且可稳定进行熔体电纺的小体积便携静电纺丝装置具有广泛的应用前景和研究价值。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本实用新型要解决的技术问题是，提供手持式熔体电纺装置，该装置可显著减小加热电阻丝对纺丝静电场的电磁干扰，以保证熔体电纺过程的稳定进行，且该装置体积小结构简单，便于生产和使用，能够满足实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具等多方面的小批量纤维制备需求。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种手持式熔体电纺装置，包括绝缘壳体，设于所述绝缘壳体内的熔融液供给机构，与熔融液供给机构连接的纺丝喷头，以及电源机构，所述电源机构包括用于提供高压直流电的高压电源，所述高压电源的正极通过导线电连接所述纺丝喷头，所述纺丝喷头的纺丝喷射口设于所述绝缘壳体外部，所述熔融液供给机构包括可容纳高分子棒材的加热管，以及设于所述加热管和所述纺丝喷头之间的绝缘导热管，所述绝缘导热管的一端开设有熔融液出口，所述熔融液出口与所述纺丝喷头密封连通，所述绝缘导热管的另一端端口密封连通其相邻的加热管端口，所述加热管的另一端端口设为可穿设高分子棒材的物料入口；所述加热管的外侧壁上缠绕有加热电阻丝，所述加热电阻丝通过导线电连接所述电源机构。

作为优选，所述绝缘导热管与所述加热管同轴设置。

作为优选，所述加热电阻丝装配有控制其加热温度的加热控制器，所述加热控制器本体安装于所述绝缘壳体内，所述加热控制器的控制开关安装在所述绝缘壳体外壁上，所述加热控制器电连接电源机构。

作为优选，所述绝缘导热管和所述绝缘壳体间的间隙填充有保温隔热材料。

作为优选，所述保温隔热材料可为隔热棉。

作为优选，所述电源机构包括锂电池和高压转换器，所述锂电池分别电连接所述高压转换器和所述加热电阻丝，作为所述高压转换器和所述加热电阻丝的供电电源，所述高压转换器的电压输出端的正、负极分别作为所述高压电源的正极和负极。

作为优选，所述高压转换器包括用于控制其输出电压大小的电源控制开关，所述电源控制开关设于所述绝缘壳体上。

作为优选，所述绝缘壳体包括枪筒和枪柄，所述锂电池和所述高压转换器均安装于所述枪柄内，所述电源控制开关安装在所述枪柄的外壁上。

作为优选，所述熔融液供给机构设于所述枪筒内，所述枪筒的枪嘴部开设有用于穿设纺丝喷头的喷头出口；所述纺丝喷头设为金属针头，所述金属针头设有针座，所述熔融液出口设有与所述针座匹配的环部，所述针座套设在所述环部上；所述绝缘导热管与所述加热管的连接处分别设有相适配的螺纹结构，所述绝缘导热管螺纹连接所述加热管。

作为优选，所述纺丝喷头与所述加热管间间距为5-6cm，所述间距为二者间沿所述纺丝喷头轴向的间距距离，所述高压电源的最大供电电压为20kv。

作为优选，所述绝缘导热管设为氮化铝陶瓷管。

作为优选，所述加热管和所述绝缘导热管为由一体成型的氮化铝陶瓷管。

作为优选，所述熔融液供给机构还包括用于推顶高分子棒材在所述加热管内沿所述加热管轴向向所述熔融液出口运动的送料单元，所述送料单元抵接作用于所述高分子棒材的远离熔融液出口的一端。

作为优选，所述送料单元可设为电动推顶结构，如所述送料单元包括安装于枪筒的远离枪嘴一端的电动推杆，所述电动推杆的杆体沿所述加热管物料入口的中轴线方向设置，所述枪筒的远离枪嘴一端开设有可穿设所述杆体的推杆入口，所述杆体的杆头可抵接高分子棒材一端且可在所述加热管内伸缩，所述电动推杆本体固定安装在安装筒内，所述安装筒可拆卸的连接所述推杆入口的外壁，所述电动推杆本体电连接所述电源机构。

作为优选，所述安装筒开口部内壁和与之连接的推杆入口外壁设有相适配的螺纹结构，所述安装筒螺纹连接所述枪筒。

作为优选，所述电动推杆设有控制其推进速度的推杆控制器，所述推杆控制器的推杆控制开关安装在所述安装筒外壁上。

本实用新型的有益效果在于：提供了手持式熔体电纺装置，该装置结构简单，体积小便于生产和携带使用，且可实现熔体电纺的稳定进行。具体而言：

(1)本实用新型的装置可消除加热电阻丝电磁干扰和高分子熔融液在传输过程中温度降低使粘度变化对熔体电纺过程的影响，以实现熔体电纺的稳定进行。该装置通过在缠绕有加热电阻的加热筒和连接高压电源的纺丝喷头间加设绝缘导热筒的方式，将二者间隔出合理的距离，从而使加热电阻丝对纺丝静电场的电磁干扰降低到不影响熔体电纺的程度，可有效消除电磁干扰对纺丝过程的影响，同时，绝缘导热筒采取导热材料制成，其与加热筒直接接触可很好的传递加热筒的热量，对流经绝缘导热筒的高分子熔融液进行保温，以减缓熔体加热机构和纺丝喷头距离较远引起的高分子熔融液传输过程中的温度下降，可以避免因高分子熔融液温度快速降低影响纺丝液粘度造成纺丝状态不稳定，甚至有熔融液固化于喷头处直接阻碍纺丝进行的问题，从而保证熔体电纺过程的稳定进行。

(2)相较于现有能够实现稳定纺丝的熔体电纺装置，为解决电磁干扰问题采用其他结构更为复杂更难控制的加热机构替代简单的电阻丝加热方式，造成的装置结构复杂生产成本升高，控制操作工序繁杂的问题，本实用新型的装置体积小结构简单，便于生产和使用，能够满足实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具等多方面的小批量纤维制备需求，更加有利于推广使用。

(3)优选方案中，电源机构采用装置内置的锂电池和高压转换器作为装置的加热电阻丝和纺丝电压的供电电源，摆脱了市电电源对设备的限制，使得该装置可以在断电、野外等情况下进行熔体静电纺丝，增强了设备的环境适应性。

附图说明

图1为实施例1的手持式熔体电纺装置的结构示意图；

图2为实施例2的手持式熔体电纺装置的结构示意图；

图3为实施例2的手持式熔体电纺装置的主视图；

以上个图中：1-绝缘壳体，11-枪筒，111-喷头出口，112-推杆入口，12-枪柄，2-加热管，3-加热组件，31-加热电阻丝，32-加热控制器，33-保温隔热材料，4-绝缘导热管，41-熔融液出口，5-纺丝喷头，6-导线，7-电源机构，71-锂电池，72-高压转换器，73-电源控制开关，8-高分子棒材，9-送料单元，91-电动推杆本体，92-杆体，93-杆头，94-推杆控制开关，95-安装筒。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例：

如图1所示，一种手持式熔体电纺装置，包括绝缘壳体1，设于所述绝缘壳体1内的熔融液供给机构，与熔融液供给机构连接的纺丝喷头5，以及电源机构7，所述电源机构7包括用于提供高压直流电的高压电源，所述高压电源的正极通过导线6电连接所述纺丝喷头5，所述纺丝喷头5的纺丝喷射口设于所述绝缘壳体1外部，所述熔融液供给机构包括可容纳高分子棒材8的加热管2，以及设于所述加热管2和所述纺丝喷头5之间的绝缘导热管4，所述绝缘导热管4的一端开设有熔融液出口41，所述熔融液出口41与所述纺丝喷头5密封连通，所述绝缘导热管4的另一端端口密封连通其相邻的加热管2端口，所述加热管2的另一端端口设为可穿设高分子棒材的物料入口21；所述加热管2的外侧壁设置加热组件3，所述加热组件包括缠绕于加热管2上的加热电阻丝31，所述加热电阻丝31通过导线6电连接所述电源机构7。

采用本实用新型的装置进行熔体电纺的方法为：

(1)将作为纺丝原料的高分子材料通过现有加工手段加工成可插入加热筒2的高分子棒材8；

(2)将步骤(1)所得的高分子棒材插入加热筒2中，加热电阻丝31连通电源机构7以加热熔融加热筒2内的高分子棒材8；待高分子棒材8熔融产生高分子熔融液后，利用重力或推动高分子棒材8以使高分子熔融液进入绝缘导热管4中，并流经绝缘导热管4进入纺丝喷头5中，实现熔融液供给机构对纺丝喷头5的供液；

(3)将纺丝喷头5喷射口对准用于接收电纺纤维的收集极，开启与纺丝喷头5连接的高压电源，调整纺丝电压和纺丝距离，纺丝喷头5喷射口处的高分子熔融液即在电场力作用下喷出，进而拉伸劈裂，并在收集极上沉积形成纤维膜，完成纺丝过程后，关闭电源机构即可停止纺丝。

本实用新型的装置应用于熔体电纺的方法为可消除加热电阻丝31电磁干扰和高分子熔融液在传输过程中温度降低使粘度变化对熔体电纺过程的影响，以实现熔体电纺的稳定进行。该装置通过在缠绕有加热电阻丝31的加热筒2和连接高压电源的纺丝喷头5间加设绝缘导热筒4的方式，将二者间隔出合理的距离，从而使加热电阻丝31对纺丝喷头5处静电场的电磁干扰降低到不影响熔体电纺的程度，可有效消除电磁干扰对纺丝过程的影响。同时，绝缘导热筒5采取导热材料制成，其与加热筒2直接接触可很好的传递加热筒2的热量，从而对流经绝缘导热筒4的高分子熔融液进行保温，以减缓熔体加热机构和纺丝喷头距离拉远而引起的高分子熔融液传输过程中的温度快速下降，可以避免因高分子熔融液温度快速降低影响纺丝液粘度造成纺丝状态不稳定，甚至有熔融液固化于喷头处直接阻碍纺丝进行的问题，从而保证熔体电纺过程的稳定进行。

具体的，所述绝缘导热管4与所述加热管2同轴设置。

具体的，所述纺丝喷头5所述与所述熔融液出口41连接处距离所述加热管2的间距为5-6cm，所述间距为二者间沿所述纺丝喷头轴向的间距距离，所述高压电源的最大供电电压为20kv。

发明人通过测试了纺丝电压设为20kv，通过采用不同长度的绝缘导热管4以调整纺丝喷头5所述与所述加热管2间间距对纺丝过程的影响，经测试，当纺丝喷头5所述与所述熔融液出口41连接处距离所述加热管2的间距小于5cm时，纺丝喷头处极易产生静电放电现象，纺丝过程很难稳定，当该间距大于6cm时，纺丝液温度降低较大会造成高分子熔融液粘度变化，影响纺丝稳定性，尤其是当该间距大于8cm，高分子熔融液极易凝固于纺丝喷头处堵塞纺丝喷头，使得纺丝过程难于进行，故当装置的高压电源的最大供电电压预设为20kv时，所述纺丝喷头5所述与所述熔融液出口41连接处距离所述加热管2的间距优选为5-6cm。

具体的，所述绝缘导热管4设为氮化铝陶瓷管。

发明人测试了采用不同导热陶瓷制成的相同结构的绝缘导热管4的导热效果。测试方法为分别将相同规格的石英管、氧化钙陶瓷管和氧化铝陶瓷管作为绝缘导热管4接入装置，加热4分钟后通过红外测温仪和红外热成像仪测量150℃以上的管的长度。实验发现石英管的可用长度为2.1cm，氧化钙陶瓷管的长度为3.2cm，氧化铝陶瓷管的可用长度为6.0cm。所以氮化铝陶瓷制成的绝缘导热管4具有最好的热传导效果，其在5-6cm范围内可充分满足该发明装置在绝缘导热管4对高分子熔融液的保温要求，避免高分子熔融液在传输过程中温度降低引起的粘度变化对熔体电纺过程的影响，以实现熔体电纺的稳定进行。

具体的，所述加热管2和所述绝缘导热管4可为由一体成型的氮化铝陶瓷管。

具体的，为了方便控制高分子熔融过程，所述加热电阻丝31装配有控制其加热温度的加热控制器32，所述加热控制器32本体安装于所述绝缘壳体1内，所述加热控制器32的控制开关安装在所述绝缘壳体1外壁上，所述加热控制器32电连接电源机构7。

具体的，所述绝缘导热管4和所述绝缘壳体1间的间隙填充有保温隔热材料33。保温隔热材料33的设置可更好的减缓流经绝缘导热管4内的液流的温度降低，更好的减小高分子熔融液在传输过程中温度降低使粘度变化对熔体电纺过程的影响，以实现熔体电纺的稳定进行。

具体的，所述保温隔热材料33可为隔热棉。

具体的，为了提高加热效果和方便手持，所述加热管2和所述绝缘壳体1间的间隙也填充有保温隔热材料33。

具体的，为了摆脱外接电源限制，所述电源机构7包括设于绝缘壳体1内的锂电池71和高压转换器72，所述锂电池71分别电连接所述高压转换器72和所述加热电阻丝31，作为所述高压转换器72和所述加热电阻丝31的供电电源，所述高压转换器72的电压输出端的正、负极分别作为所述高压电源的正极和负极。

电源机构7采用装置内置的锂电池71和高压转换器72作为装置的加热电阻丝71和纺丝电压的供电电源，摆脱了市电电源对设备的限制，使得该装置可以在断电、野外等情况下进行熔体静电纺丝，增强了设备的环境适应性。

除了上述电源机构7设置方式外，本申请的电源机构7也可采用其他可实现加热电阻丝31供电和纺丝喷头5高压电供应的供电方式，如外接电源采用市电供电等。

具体的，所述高压转换器72包括用于控制其输出电压大小的电源控制开关73，所述电源控制开关73设于所述绝缘壳体1上。

具体的，为了方便手持，所述绝缘壳体1包括枪筒11和枪柄12，所述锂电池71和所述高压转换器72均安装于所述枪柄12内，所述电源控制开关73安装在所述枪柄12的外壁上。

具体的，所述熔融液供给机构设于所述枪筒11内，所述枪筒11的枪嘴部开设有用于穿设纺丝喷头5的喷头出口111；所述纺丝喷头5设为金属针头，所述金属针头设有针座，所述熔融液出口设有与所述针座匹配的环部，所述针座套设在所述环部上；所述绝缘导热管4与所述加热管2的连接处分别设有相适配的螺纹结构，所述绝缘导热管4螺纹连接所述加热管2。

具体的，所述绝缘导热管4的一端端口套设于所述加热管2内，该绝缘导热管4连接加热管2的端口外壁设有外螺纹，所述加热管2内壁对应与其相连接的绝缘导热管4的外螺纹设有与之适配的内螺纹，并以螺纹结构连接绝缘导热管4。

除上述连接方式外，绝缘导热管4和加热管2也可采用其他的能够避免高分子熔融液自连接端溢出的密封连接方式连接。

实施例2

如图2和图3所示，一种手持式熔体电纺装置，其结构与实施例1的相似，主要区别在于：所述熔融液供给机构还包括用于推顶高分子棒材8在所述加热管2内沿所述加热管2轴向向所述熔融液出口41运动的送料单元9，所述送料单元9抵接作用于所述高分子棒材8的远离熔融液出口41的一端。送料单元5的设置可方便推挤高分子棒材8以实现对熔融液供给机构向纺丝喷头供给熔融液的供液速度，方便对纺丝过程进行调控。

具体的，所述送料单元9可设为电动推顶结构，如所述送料单元9包括安装于枪筒的远离枪嘴一端的电动推杆，所述电动推杆的杆体92沿所述加热管2物料入口21的中轴线方向设置，所述枪筒11的远离枪嘴一端开设有可穿设所述杆体92的推杆入口112，所述杆体92的杆头93可抵接高分子棒材8一端且可在所述加热管2内伸缩，所述电动推杆本体91(推杆电机)固定安装在安装筒95内，所述安装筒95可拆卸的连接所述推杆入口112的外壁，所述电动推杆本体91电连接所述电源机构7以为电动推杆供电。

具体的，所述安装筒95开口部内壁和与之连接的推杆入口112外壁设有相适配的螺纹结构，所述安装筒95螺纹连接所述枪筒11。

具体的，所述电动推杆设有控制其推进速度的推杆控制器，所述推杆控制器的推杆控制开关94安装在所述安装筒95外壁上。

除此之外，所述进料单元9还可设为其他的可推顶高分子棒材8进入加热管2的机械或电动结构部件，如类似于玻璃胶胶枪的推顶进料部件均可实现该功能。

实施例3

采用实施例1的手持式熔体电纺装置制备聚已内酯微纳米纤维的制备方法包括以下步骤：

(1)将作为纺丝原料的聚已内酯通过现有加工手段加工成可插入加热筒2的高分子棒材8；

(2)将步骤(1)所得的高分子棒材插入加热筒2中，加热电阻丝31连通电源机构7以加热熔融加热筒2内的高分子棒材8，加热温度控制为200℃，持续加热4min以使高分子棒材8熔融产生高分子熔融液，将纺丝喷头5竖直向下放置，高分子熔融液在重力作用下进入绝缘导热管4中，并流经绝缘导热管4进入纺丝喷头5中，实现熔融液供给机构对纺丝喷头5的供液；

(3)将纺丝喷头5喷射口对准用于接收电纺纤维的收集极，开启与纺丝喷头5连接的高压电源，调整纺丝电压为20kv，纺丝距离为15cm，纺丝喷头5喷射口处的高分子熔融液即在电场力作用下喷出，进而拉伸劈裂形成微纳米纤维，持续纺丝5min，在收集极上沉积形成纤维膜后，关闭电源机构即可停止纺丝。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。