一种静电纺丝装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及静电纺丝技术领域，特别涉及一种集成型静电纺丝装置。
【背景技术】
[0002]静电纺丝技术是制备微纳米纤维最简单、有效的方法之一，其概念最早在1745年就已经提出，但直到20世纪90年代才开始发展，随着近年来纳米技术的兴起，静电纺丝技术逐渐引起全球范围内的关注，迎来了发展的黄金时期，并已经开始在组织工程支架、药物缓释、过滤、防护服、电池隔膜等领域崭露头角。
[0003]静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。静电纺丝成功与否的影响因素有很多:例如聚合物的分子量、分子量分布和分子结构、溶液性质、电动势大小、毛细管和收集集之间的距离、环境参数、收集集的运动规律、以及喷丝口的针头形状等等。此外，静电纺丝机的结构、功能和工艺可控性也是影响静电纺丝成功与否的关键因素。
[0004]尽管现有市售静电纺丝机种类繁多，但其核心部件都是以市售的数显高压电源、推进泵等组合拼凑而成，集成度不高，导致现有的电纺装置体积大(至少lm3)、重量大(至少70kg)、移动操作困难、使用灵活性低。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的在于提供一种设备集成化程度高、且电压流速可调的静电纺丝
目.ο
[0006]为解决上述技术问题，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置，包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元，其中，驱动单元包含步进电机、向步进电机供电的变压器以及控制步进电机工作的步进电机控制电路；推进单元包含与步进电机连接的螺杆、与螺杆平行设置的至少一个导轨以及与螺杆垂直设置的推进板；螺杆在步进电机的驱动下转动、并带动推进板沿导轨滑动；静电纺丝单元包含注射器、可调式高压静电发生模块和电纺纤维收集极；可调式高压静电发生模块在注射器与电纺纤维收集极之间形成高压静电场，注射器在推进板的滑动推动下，向电纺纤维收集极喷射电纺溶液，电纺溶液在高压静电场的作用下形成射流。
[0007]在上述包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元的静电纺丝装置中，驱动单元主要通过变压器将外界的交流电转变为适合步进电机工作的电压后，供给步进电机作为其工作电压；步进电机工作时，驱动推进单元中的螺杆转动，并带动推进板沿导轨滑动；而推进板沿导轨的滑动又可进一步推动静电纺丝单元中的注射器向电纺纤维收集极喷射电纺溶液，同时可调式高压静电发生模块在注射器和电纺纤维收集极之间形成高压静电场，注射器所喷射的电纺溶液在该高压静电场的作用下，形成射流，射流在空气中经过劈裂、拉伸、固化等过程后沉积到电纺纤维收集极上，从而制备得到微纳米纤维膜。
[0008]与现有技术相比，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置克服了目前静电纺丝设备所面临的集成度低、体积大、重量大等不足之处，首次采用小型化的可调式高压静电发生模块代替传统的高压电源，来提供静电纺丝过程中的高压静电场，实现了电纺电压和流速的可调节性；此外，使该可调式高压静电发生模块与静电纺丝装置的其他功能单元(推进单元和驱动单元)进行了模块化集成设计和融合，实现了静电纺丝装置的高度集成化，使静电纺丝装置的设备总体积缩减为0.02m3左右，与目前静电纺丝设备相比体积至少缩小了 50倍，大大节省了设备存放空间；同时设备重量大幅度减小至3kg左右，操作人员单手即可灵活移动，操作控制极为方便，实用价值大大提升；而且由于体积大大减小，在较小的空间即可安置多组微型电纺设备同时进行静电纺丝，为快速制备电纺纤维提供了可能性。
[0009]优选地，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置中，推进单元中的螺杆、导轨和推进板之间的连接关系如下:螺杆穿过推进板、并与推进板之间通过螺母咬合连接；导轨穿过推进板、并与推进板之间通过滑动轴承连接。在上述的连接关系中，螺杆与推进板之间的螺母咬合连接保证了螺杆的转动可转变为推进板的直线运动，从而实现可靠的推进功能；而导轨与推进板之间的滑动轴承连接则确保了推进板在导轨上沿直线来回滑动。
[0010]进一步地，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置中，推进单元还包含平行设置的挡板和支撑架，导轨垂直连接挡板和支撑架，推进板在挡板和支撑架之间滑动。此外，步进电机可固定于支撑架远离导轨的一侧，与步进电机相连的螺杆穿过支撑架，且通过滚动轴承与挡板相连。通过挡板和支撑架的设置，为推进单元中推进板沿导轨的滑动运动限定了一个有限的空间距离，挡板和支撑架之间的距离可根据实际需求在生产过程中进行合理的设定；此外，支撑架还起到了固定步进电机的作用，从而进一步提高了静电纺丝装置结构上的稳定性和紧凑性。
[0011]更进一步地，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置中，还包含控制面板，控制面板分别与步进电机控制电路和可调式高压静电发生模块相连。在控制面板上可设有各种功能键钮，通过调节这些功能键钮，即可以实现对步进电机控制电路以及可调式高压静电发生模块的控制调节，从而便捷地实现对静电纺丝装置的电纺电压和电纺流速等的实时调整。
[0012]优选地，控制面板上还可设有显示屏，显示屏显示推进板的推进速度和推进时间，对推进板的推进速度和推进时间的实时监测，可进一步提高静电纺丝装置在使用过程中的工艺可控性。
[0013]优选地，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置中，注射器设有中空不锈钢针头。此外，该静电纺丝装置还包含外壳，外壳上设有与可调式高压静电发生模块的输出端正极相连的正极插头、以及与可调式高压静电发生模块的输出端负极相连的负极防静电插头。电纺纤维收集极通过导线与正极插头相连、注射器的中空不锈钢针头则通过防静电高压线与负极防静电插头相连。在静电纺丝装置工作过程中，中空不锈钢针头与电纺纤维收集极之间的距离可根据工艺需要进行调整，可调式高压静电发生模块的输出端在注射器的中空不锈钢针头和电纺纤维收集极之间形成稳定的电压可调式高压静电场，从而使得从中空不锈钢针头中流出的电纺溶液可形成稳定的射流，进而在电纺纤维收集极上形成微纳米纤维膜。
[0014]另外，本发明的实施方式所提供的静电纺丝装置还可包含散热单元，该散热单元可以为设于静电纺丝装置外壳上的散热风扇，散热风扇也可通过变压器提供电能来工作，达到为静电纺丝装置的内部器件散热降温的作用，以此保证静电纺丝装置内部部件在正常温度下工作，提高其操作稳定性、延长其使用寿命。
【附图说明】
[0015]图1是第一实施方式的静电纺丝装置的结构示意图；
[0016]图2是第一实施方式的静电纺丝装置中的挡板部位的局部放大图；
[0017]图3是第一实施方式的静电纺丝装置中的推进板部位的局部放大图；
[0018]图4是第二实施方式的静电纺丝装置中的控制面板的结构示意图；
[0019]图5是第三实施方式的静电纺丝装置的结构示意图；
[0020]图6是第五实施方式中所制备得到的聚己内酯(PCL)微纳米电纺纤维的电镜图；
[0021]图7是第六实施方式中所制备得到的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纳米电纺纤维的电镜图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0023]第一实施方式
[0024]本发明的第一实施方式涉及一种静电纺丝装置，其结构如附图1所示，具体来说，该静电纺丝装置包含一个外壳，本实施方式中该外壳是塑料外壳12，电源插头13固定于外壳12上；电源插头13的一端与220V交流电源线14连接，另一端通过导线与电源开关I相连；在塑料外壳12上设有控制面板3，控制面板3用于调整静电纺丝装置中的步进电机控制电路16和可调式高压静电发生模块21的输出。此外，该静电纺丝装置还包含驱动单元、推进单元和静电纺丝单元。
[0025]在驱动单元中，包含步进电机17、向步进电机17供电的变压器15以及控制步进电机17工作的步进电机控制电路16。步进电机控制电路16的一端与控制面板3通过导线相连，另一端与步进电机17通过导线相连；变压器15的输入端与电源开关I通过导线相连，输出端与装置中用电部分通过导线相连，为各用电部分提供12V直流电。
[0026]在推进单元中，包含与步进电机17连接的螺杆19、与螺杆19平行设置的两个导轨20以及与螺杆19垂直设置的推进板4 ;本实施方式中，螺杆19和导轨20均为不锈钢材质。螺杆19穿过推进板4、并与推进板4之间通过螺母41咬合连接；导轨20穿过推进板
4、并与推进板4之间通过滑动轴承42连接；螺杆19在步进电机17的驱动下转动、并带动推进板4沿导轨20滑动。此外，推进单元还包含平行设置的挡板5和支撑架18，本实施方式中，螺杆19和导轨20均为塑料材质。导轨20垂直连接挡板5和支撑架18，因此，推进板4工作时是在挡板5和支撑架18之间滑动。本实施方式中的支撑架18还用来固定步进电机17:步进电机17固定于支撑架18远离导轨20的一侧，与步进电机17相连的螺杆19穿过支撑架18，且通过滚动轴承51与挡板5相连。推进单元中挡板5和推进板4部位的局部放大图如附图2和附图3所示。
[0027]在静电纺丝单元中，包含注射器6、可调式高压静电发生模块21和电纺纤维收集极9，注射器6设有中空不锈钢针头7 ;可调式高压静电发生模块21置于装置的最前端，其输入端通过导线与控制面板3相连接，且在装置的外壳12上设有与可调式高压静电发生模块21的输出端正极相连的正极插头11、以及与可调式高压静电发生模块21的输出端负极相连的负极防静电插头22。可调式高压静电发生模块21的输出端正极通过正极插头11和正极导线10与电纺纤维收集极9相连，可调式高压静电发生模块21的输出端负极通过负极防静电插头22和防静电高压线23与注射器6的中空不锈钢针头7相连。在工作时，可调式高压静电发生模块21在注射器6与电纺纤维收集极9之间形成高压静电场，注射器6在推进板4的滑动推动下，向电纺纤维收集极