专利名称：一种便携式熔体静电纺丝教学演示装置的制作方法
技术领域：
本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种基于静电感应起电机的熔体静电纺丝装置，特别是一种便携式熔体静电纺丝教学演示装置。
背景技术：
目前，静电纺丝是制备一维微纳米纤维简单有效的方法之一，其原理简单，先使高分子溶液或熔体带电，并将其置于纺丝喷头与收集极之间的高压静电场中，当静电吸引力克服高分子溶液或熔体的表面张力时，纺丝液从喷头喷射出来，形成带电射流，并在高压电场中运动，因拉伸或劈裂而细化，同时，带电射流中溶剂挥发或射流冷却而固化，最后形成微纳米纤维沉积在金属收集极上。与传统纤维制备方法相比，静电纺丝技术提高了纤维的线密度，同时具有独特的易操作性和广泛的适用性，可以制备有机、无机和复合材料等多种微纳米纤维，现有静电纺丝主要分为聚合物溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，其中聚合物溶液静电纺丝更为广泛研究和使用。随着静电纺丝技术的发展，各种基于不同用途的静电纺丝装置被公开，在聚合物溶液静电纺丝装置方面，中国专利“共轴复合连续纳/微米纤维的多喷头静电纺丝装置”(申请号200310109222. 9)、“超细聚合物纤维高速气吹静电纺丝复合制备方法及装置”(申请号200710009595. 7)和“一种规模化制备静电纺丝的装置”(申请号201210380576. 6)利用不同的方法实现了静电纺丝的大量快速制备；中国专利“一种制备有序排列和交叉结构纳米纤维的低压离心静电纺丝装置”(申请号201010184068.1)实现了纳米纤维的有序组装；中国专利“一种便携式手持静电纺丝装置”(申请号201210229010. 3)和“一种压电陶瓷电源式微型静电纺丝装置”(申请号201110255208. 4)实现了静电纺丝装置的小型化、便携化和不依赖外部电源；在熔体静电纺丝装置方面，中国专利“一种熔体静电纺丝生产复合纤维的装置”(申请号200910078502. 5)实现了同时对两种或多种聚合物进行熔体纺丝，并制得并列型或皮芯型等复合纤维；中国专利“一种可连续生产的高效熔体静电纺丝装置”(申请号200920105827. 3)公开了一种高效喷丝头，使熔体静电纺丝的效率得到大幅度的提高；中国专利“一种丝刷式微分熔体静电纺丝装置及方法”(申请号201110240911.8)引入微分丝刷技术，改变了传统使用多喷头或毛细管组件提高静电纺丝效率的方式，极大地提高了纺丝效率，降低了制造和安装成本，有望实现熔体静电纺丝大规模工业化；现有静电纺丝装置一般用于科学研究和工业化生产，大部分都比较笨重、价格较高，不适合教学或者课堂演示实验；中国专利“一种旋转圆盘感应起电式静电纺丝装置”(申请号201110255225.8)和“一种便携式手持静电纺丝装置”(申请号201210229010. 3)都公开了一种小型便携式的聚合物溶液静电纺丝演示装置；对于聚合物熔体静电纺丝，由于使用加热装置和传统高压电源，整个纺丝装置一般都比较大、比较重、成本较高，不适合作为教学演示装置。因此，寻求设计一种结构简单、价格便宜、操作方便安全、趣味性强和演示效果好的便携式熔体静电纺丝教学演示装置用于实验教学或科研很有应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计一种基于静电感应起电机的便携式熔体静电纺丝教学演示装置，以常见的白砂糖为原料制备白砂糖纤维并在金属杆收集极上形成白色棉花状的三维堆垛结构，制备的白砂糖纤维与市售用棉花糖机制备的棉花糖非常相似，实验现象明显，演示效果好。为了实现上述目的，本发明的主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机、电热棒金属支架、电热棒、金属圆球、金属杆收集极、收集极金属支架、T型放电杆、塑料勺、原料盒和工具盒；拆除放电杆的静电感应起电机为静电纺丝提供高压静电，长度为23厘米的电热棒金属支架的一端距弯折点13厘米处与拆除放电杆的静电感应起电机中的一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端距弯折点10厘米处与电热棒焊接在一起，电热棒采用功率30W的外热式电烙铁芯制成，直径为6毫米的金属球焊接在电热棒的底端，存储在拆除放电杆的静电感应起电机的莱顿瓶里的电荷通过电热棒金属支架和电热棒传递给金属球；长度为13厘米的收集极金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中的另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与长度为10厘米的金属杆收集极固定连接，金属杆收集极位于电热棒正下方7厘米处，能够任意从收集极金属支架上安装或取下，存储在拆除放电杆的静电感应起电机中的另一个莱顿瓶的电荷通过收集极金属支架传递给金属杆收集极；原料盒固定于拆除放电杆的静电感应起电机的底座上用来存放原料，其长度为4厘米，宽度为3厘米，高度为3厘米；工具盒固定于拆除放电杆的静电感应起电机的底座上，工具盒中装有T型放电杆和塑料勺；T型放电杆的手柄为玻璃棒，头部为长8厘米的金属棒，用来引出莱顿瓶内电荷；塑料勺用来从原料盒中舀取熔体原料。本发明实现纺丝时，以常见的白砂糖为原料，先将电热棒接通220伏交流电，将金属球电加热，再将原料盒中的白砂糖接触金属球，白砂糖被加热熔化形成白砂糖熔体粘在金属球上，用手摇动拆除放电杆的静电感应起电机使金属球与金属杆收集极之间产生高压静电场，金属球上的白砂糖熔体带有大量的静电荷，并在电场力的作用下形成带电射流，射流在空气中经劈裂、拉伸和冷却固化过程后形成白砂糖纤维，最后沉积在金属杆收集极上，形成棉花糖结构状的三维堆垛纤维。本发明与现有技术相比，利用静电感应起电机产生高压静电，以小型电热棒为热源，能够很好的展现熔体静电纺丝的过程和原理，原料易获取，将生活中常见的棉花糖与熔体静电纺丝技术相结合，提出了 一种新的制备棉花糖的方法，有利于培养学生的科研兴趣，开拓学生的思维和视野；其整体装置简单，体积小，成本低，操作方便，有利于培养学生的科研兴趣，开拓学生的思维和视野，可对熔点较低的聚合物和金属/合金进行熔体静电纺丝，制备多种材料的微纳米纤维。
图1为本发明的主体结构原理示意图。图2为本发明涉及的金属杆收集极上的白砂糖纤维照片。图3为本发明制备的白砂糖纤维光学显微镜照片。
具体实施例方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。实施例本实施例的主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机1、电热棒金属支架2、电热棒3、金属圆球4、金属杆收集极5、收集极金属支架6、T型放电杆7、塑料勺8、原料盒9和工具盒10 ;拆除放电杆的静电感应起电机I为静电纺丝提供高压静电，长度为23厘米的电热棒金属支架2的一端(距弯折点13厘米)与拆除放电杆的静电感应起电机I中的一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端(距弯折点10厘米)与电热棒3焊接在一起，电热棒3采用功率30W的外热式电烙铁芯制成，直径为6毫米的金属球焊接在电热棒3的底端，存储在拆除放电杆的静电感应起电机I的莱顿瓶里的电荷通过电热棒金属支架2和电热棒3传递给金属球4 ;长度为13厘米的收集极金属支架6的一端与拆除放电杆的静电感应起电机I中的另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与长度为10厘米的金属杆收集极5固定连接，金属杆收集极5位于电热棒3正下方7厘米处,可以任意从收集极金属支架6上安装或取下，存储在拆除放电杆的静电感应起电机I中的另一个莱顿瓶的电荷通过收集极金属支架6传递给金属杆收集极5 ;原料盒9固定于拆除放电杆的静电感应起电机I的底座上用来存放原料，其长度为4厘米，宽度为3厘米，高度为3厘米；工具盒10固定于拆除放电杆的静电感应起电机I的底座上，工具盒10中装有T型放电杆7和塑料勺8 ；T型放电杆7的手柄为玻璃棒，头部为长8厘米的金属棒，用来引出莱顿瓶内电荷；塑料勺8用来从原料盒9中舀取原料。本实施例以常见的白砂糖为原料制备白砂糖纤维，先将电热棒3接通220伏交流电，将金属球4电加热，再将原料盒9中的白砂糖接触金属球4，白砂糖被加热熔化形成白砂糖熔体粘在金属球4上，用手摇动拆除放电杆的静电感应起电机I使金属球4与金属杆收集极5之间产生高压静电场，金属球4上的白砂糖熔体带有大量的静电荷，并在电场力的作用下形成带电射流，射流在空气中经劈裂、拉伸和冷却固化过程后形成白砂糖纤维，最后沉积在金属杆收集极5上，形成类似棉花糖的三维堆垛结构，具体工艺步骤为(I)、检查原料盒9和工具盒10，确保原料充足，工具齐全；(2 )、将电热棒3接通220伏交流电电源；(3)、等待2分钟后，金属球4被电热棒3加热到180°C，用塑料勺8从原料盒9中舀取白砂糖，使塑料勺8中的白砂糖与金属球4相接触，白砂糖被加热后会熔化粘在金属球4上，然后将塑料勺8中剩余的白砂糖倒回原料盒9中，将塑料勺8放入工具盒10内；(4)、白砂糖完全熔化后，开始用手摇动拆除放电杆的静电感应起电机1，金属球4与金属杆收集极5之间产生高压静电场，使金属球4上熔化的白砂糖带有大量的静电荷，在电场力的作用下形成带电射流，射流在空气中经劈裂、拉伸和固化过程后沉积在金属杆收集极5上形成白砂糖纤维，无射流产生时停止摇动拆除放电杆的静电感应起电机I ;(5)、将电热棒3电源断开，使电热棒3逐渐冷却下来；用放电杆7轻触金属球4和金属杆收集极5，放出多余电荷；(6)、将金属杆收集极5从收集极金属支架6上取下，可以清楚看到沉积在收集极5上的白砂糖微纳米纤维，如图2所示；重复上述步骤使收集的棉花糖体积更大，从白砂糖纤维光学显微镜照片中可以看出，制备的白砂糖纤维形貌较好，粗细均匀。
权利要求
1.一种便携式熔体静电纺丝教学演示装置，其特征在于主体结构包括拆除放电杆的静电感应起电机、电热棒金属支架、电热棒、金属圆球、金属杆收集极、收集极金属支架、T型放电杆、塑料勺、原料盒和工具盒；拆除放电杆的静电感应起电机为静电纺丝提供高压静电，长度为23厘米的电热棒金属支架的一端距弯折点13厘米处与拆除放电杆的静电感应起电机中的一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端距弯折点10厘米处与电热棒焊接在一起，电热棒采用功率30W的外热式电烙铁芯制成，直径为6毫米的金属球焊接在电热棒的底端，存储在拆除放电杆的静电感应起电机的莱顿瓶里的电荷通过电热棒金属支架和电热棒传递给金属球；长度为13厘米的收集极金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中的另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与长度为10厘米的金属杆收集极固定连接，金属杆收集极位于电热棒正下方7厘米处，能够任意从收集极金属支架上安装或取下，存储在拆除放电杆的静电感应起电机中的另一个莱顿瓶的电荷通过收集极金属支架传递给金属杆收集极；原料盒固定于拆除放电杆的静电感应起电机的底座上用来存放原料，其长度为4厘米，宽度为3厘米，高度为3厘米；工具盒固定于拆除放电杆的静电感应起电机的底座上，工具盒中装有T型放电杆和塑料勺；T型放电杆的手柄为玻璃棒，头部为长8厘米的金属棒，用来引出莱顿瓶内电荷；塑料勺用来从原料盒中舀取熔体原料。
2.根据权利要求1所述的便携式熔体静电纺丝教学演示装置，其特征在于实现纺丝时，以常见的白砂糖为原料，先将电热棒接通220伏交流电，将金属球电加热，再将原料盒中的白砂糖接触金属球，白砂糖被加热熔化形成白砂糖熔体粘在金属球上，用手摇动拆除放电杆的静电感应起电机使金属球与金属杆收集极之间产生高压静电场，金属球上的白砂糖熔体带有大量的静电荷，并在电场力的作用下形成带电射流，射流在空气中经劈裂、拉伸和冷却固化过程后形成白砂糖纤维，最后沉积在金属杆收集极上，形成棉花糖结构状的三维堆垛纤维。
全文摘要
本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种便携式熔体静电纺丝教学演示装置，电热棒金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中的一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与电热棒焊接在一起，金属球焊接在电热棒的底端；收集极金属支架的一端与拆除放电杆的静电感应起电机中的另一个莱顿瓶顶部金属棒焊接在一起，另一端与金属杆收集极固定连接，金属杆收集极位于电热棒正下方；原料盒固定于拆除放电杆的静电感应起电机的底座上；工具盒固定于拆除放电杆的静电感应起电机的底座上，工具盒中装有T型放电杆和塑料勺；其整体装置简单，体积小，成本低，操作方便，有利于培养学生的科研兴趣，可对熔点较低的聚合物和金属/合金进行熔体静电纺丝。
文档编号G09B25/02GK103065543SQ20131002542
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月20日 优先权日2013年1月20日
发明者龙云泽, 刘术亮, 黄渊源, 孙彬, 张红娣, 张君诚 申请人:青岛大学