[发明专利]一种静电纺丝装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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1m3)、重量大(至少70kg)、移动操作困难、使用灵活性低。

发明内容

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装置。

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。

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。

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。

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。

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。