一种便携式静电纺丝设备及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种静电纺丝设备，具体涉及一种小型的轻质便携、精确定向沉积、原位纺丝的静电纺丝设备及其使用方法。
【背景技术】
[0002]静电纺丝法是制备一维微纳米纤维最简单高效的方法之一，与传统纳米材料制备技术相比，具有加工装置简单、原料来源广泛、纺丝成本低廉、可规模化制备等优势，近年来受到国内外的广泛研宄报道。采用静电纺丝技术加工制备的微纳米纤维具有高比表面积、较大的长度/直径比以及独特的物理化学性质等优良特性，在生物组织工程、创伤敷料、过滤防护、药物缓释、柔性器件等领域展现出极大的应用潜力。静电纺丝法原理非常简单，简述为:在高压电场作用下，纺丝喷头处的聚合物溶液或熔体受到静电场力的作用而喷射出去，形成射流，射流在下落过程中发生劈裂和拉伸，同时溶剂挥发，形成微纳米纤维固化成型并沉积在收集极上。
[0003]传统静电纺丝装置主要是由高压电源、带有喷丝头的纺丝液容器和纤维收集板三部分组成。目前应用于微纳米纤维加工制备的静电纺丝装置研宄呈现出两种趋势:一是纤维的精确沉积定位；二是工业化大规模生产。然而，在实际应用过程中，普通静电纺丝设备存在体积大质量大不易携带、纤维沉积不定向等局限，严重制约了静电纺丝技术的推广应用。为了解决以上问题，相关研宄工作者对静电纺丝装置进行了诸多改进。如中国专利“一种手持便携式静电纺丝设备”(201220605695.2)中报道将传统纺丝喷头改进为手持式喷头样式，以此来达到便携、轻便的目的，但该装置还是需要外接电源，限制了其使用环境，不能满足实际应用的需要；2012年龙云泽等首次报道了“一种便携式手持静电纺丝装置”(201210229010.3)，该装置采用方形电池为高压直流逆变器提供电源，克服了现有设备无法随身携带的缺陷，使得便携真正成为可能，但该设备结构较为简单，不能精确的控制调节纺丝参数，使其应用受到限制，同时，该装置在纳米纤维的定向沉积方面也存在诸多不足。因此，寻求设计一种质量轻体积小携带方便、无需外接电源、可以精确控制调节纺丝参数、能够实现纤维定向沉积的新型静电纺丝设备具有广泛的应用前景和研宄价值。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供一种便携式静电纺丝设备及其使用方法，该设备质量轻体积小携带方便，无需外接电源不受使用环境限制，可以精确控制调节纺丝参数，使用方便应用范围广泛，同时能够较好的实现纤维定向沉积。
[0005]为了解决上述问题，本发明提供了一种便携式静电纺丝设备，包括干电池电源、高压静电发生装置、给料装置、气体发生装置、纺丝喷射装置和绝缘外壳；所述干电池电源电连接高压静电发生装置、给料装置和气体发生装置；所述高压静电发生装置包括DC-高压DC逆变器和电压调控电路，DC-高压DC逆变器的电压输入端电连接干电池电源，DC-高压DC逆变器的电压输出端连接控制高压静电发生装置输出电压大小的电压调控电路；电压调控电路的电压输出端即为高压静电发生装置的电压输出端，高压静电发生装置的电压输出端的负极接地，正极连接纺丝喷射装置的金属毛细管喷头，所述金属毛细管喷头连通给料装置；所述纺丝喷射装置还包括与金属毛细管喷头同轴的气流导管，所述气流导管套于金属毛细管喷头外部，所述气流导管连接气体发生装置；所述干电池电源、高压静电发生装置、气体发生装置置于绝缘外壳内，绝缘外壳上设置有与气流导管端口口径相匹配的开口，气流导管与金属毛细管喷头的喷射端口对准绝缘外壳开口处或从开口处伸出。
[0006]本设备以普通直流干电池为供电电源，同时以干电池结合DC-高压DC逆变器提供纺丝所需高压静电，无需外接电源，解决了传统静电纺丝设备受电源限制缺陷，通过电压调控电路调节DC-高压DC逆变器的输出电压，可精确控制高压静电发生装置提供输出的纺丝电压，灵活调控纺丝参数，通过引入气流辅助纺丝，可使得纤维定点定向准确沉积。
[0007]进一步的，所述气体发生装置包括微型气泵和气泵控制电路；所述微型气泵电连接干电池电源和调节微型气泵出气量了大小的气泵控制电路；所述微型气泵的出气导管与纺丝喷射装置的气流导管相连，微型气泵的出气导管的喷气口喷出的气流的流动方向与金属毛细管喷头喷射的纺丝射流方向一致。
[0008]采用微型气泵和气泵控制电路为纺丝过程提供流速精确可控的辅助导向气流，产生的气流在加速射流拉伸劈裂，提高纺丝效率的同时，还能引导电纺纤维在目标处定点、定向、原位精确沉积，克服了现有便携设备在定向沉积、定位原位纺丝方面的缺陷。
[0009]进一步的，所述微型气泵具有多个连接出气口的出气导管，所述出气导管均与气流导管相连，出气导管的喷气口绕金属毛细管喷头的中轴线对称均匀分布。
[0010]出气导管的喷气口绕金属毛细管喷头的中轴线对称均匀分布，其喷出的气流也绕纺丝射流均匀分布，相较于单个喷气口产生的辅助导向气流，这种气流分布更均匀，可以更好的引导电纺纤维在目标处定点、定向、原位精确沉积。
[0011]进一步的，所述给料装置包括储存电纺丝前驱液的注射器针筒、微型线性电机和电机控制电路；所述微型线性电机的推杆与注射器针筒的活塞推杆同轴相连，微型线性电机电连接干电池电源和控制其转速的电机控制电路；所述纺丝喷射装置的金属毛细管喷头为与注射器针筒相匹配的针头，所述金属毛细管喷头连接在注射器针筒上。
[0012]采用微型线性电机和电机控制电路精确控制纺丝前驱液推进速率，克服以往便携式装置结构简单，纺丝参数不可控的缺陷，使得纺丝更加精确可控。
[0013]进一步的，所述电压调控电路、气泵控制电路和电机控制电路集成于控制面板上，所述控制面板上设置有DC-高压DC逆变器电源开关、调节DC-高压DC逆变器输出电压大小的电压调节旋钮、微型线性电机电源开关、调节微型线性电机转速的推进速率调节旋钮、微型气泵电源开关、调节微型气泵出气量的气流调节旋钮和电子显示屏，所述电子显示屏实时显示DC-高压DC逆变器输出电压大小、微型气泵出气量大小和微型线性电机转动带动推杆推进的推进速率大小，方便调节。
[0014]将电压调控电路、气泵控制电路和电机控制电路集成于控制面板上，可以通过控制面板上的电子显示屏和各开关旋钮直接调节纺丝参数，使用更方便。
[0015]进一步的，所述绝缘外壳包括把手、内仓室和外仓室；所述把手设置于内仓室的顶部，内仓室与外仓室相连；所述干电池电源、高压静电发生装置、气体发生装置和给料装置的微型线性电机置于内仓室内，给料装置的注射器针筒和纺丝喷射装置位于外仓室中，注射器针筒通过外仓室内设置的卡槽固定在外仓室内；微型线性电机的推杆、微型气泵的出气管和高压静电发生装置的电压输出端自内仓室伸出，与外仓室内的注射器针筒的活塞推杆和纺丝喷射装置相连；外仓室与内仓室相连面的对应面设置有是设置有与气流导管端口口径相匹配的开口，气流导管的端口与该开口的边缘相接，外仓室的顶部设置有观察给料装置内液体量的透明观察窗。
[0016]内外两仓室的设计将带有高压电的高压静电发生装置，以及易损坏的气体发生装置和给料装置置于内仓室中，更加安全方便使用且可保护设备，外仓室顶部设置有观察注射器内液体量的可开启的透明观察窗，将需经常替换或添加电纺丝前驱液的注射器针管和纺丝喷射装置的金属毛细管喷头置于外仓室中，更加方便替换和随时观察注射器内的电纺丝前驱液量，及时添加液体。
[0017]进一步的，所述纺丝喷射装置的金属毛细管喷头的喷射端口位于气流导管内，所述气流导管的端口上设置有保护盖。
[0018]保护盖可以在不用的时候扣合，更好的保护金属毛细管喷头，防止喷头污染。
[0019]进一步的，所述高压静电发生装置的输出电压为O?30千伏。
[0020]高压静电发生装置能够精确控制输出O?30千伏的纺丝电压，这一电压范围可以满足大多数高分子材料原料如聚己内酯(PCL)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氨酯(TO)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氧化乙烯(PEO)、明胶、透明质酸、丝素蛋白、胶原蛋白、海藻酸钠、壳聚糖等高分子材料中的一种或多种材料的混合物的纺丝电压需要，结合气流辅助引导和精确控制的给料装置，使得本发明的设备具有广泛的适用范围。
[0021]本发明还提供了所述的便携式静电纺丝设备的使用方法:首先将配制好的电纺丝前驱液加入给料装置中，开启给料装置，纺丝前驱液被缓慢推入纺丝喷射装置的金属毛细管喷头中；然后开启气体发生装置开关，气体发生装置产生的气体进入气流导管后形成与纺丝射流方向同向的气流；最后确认高压静电发生装置的电压输出端的负极接地，开启DC-高压DC逆变器的电源开关，通过电压调控电路调节高压静电发生装置的输出电压，金属毛细管喷头喷射端的电纺丝前驱液液滴在电场力作用下在形成射流，射流在气流辅助作用下，定向沉积在目标喷涂部位上，即在目标喷涂部位上形成微纳米纤维膜。
[0022]本发明的有益效果是:本发明提供了一种