[发明专利]一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置

说明书

技术领域：

本发明属于微纳米纤维制备技术领域，涉及一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，用于制备有序排列、交叉结构和扭曲结构的微纳米纤维，作为纳米光电器件、光学器件和可拉伸柔性器件的材料。

背景技术：

目前，静电纺丝技术是一种广受关注、可直接从聚合物及复合材料溶液或熔体制备连续纤维的方法，具有设备简单、成本低、纤维产率高、适用范围广等优点，在气体和生物传感器、过滤与分离、纺织工程、药物缓释、电池电极材料等诸多领域具有广泛的应用前景。静电纺丝的原理是：高压电源提供高电压，在纺丝喷头和收集板之间建立一个强静电场，一般情况下，电源正极接在纺丝喷头上，负极接在收集板上(接地)，工作电压一般为10-30千伏，纺丝距离一般为8-20厘米。由于高压静电场的作用，纺丝溶液被极化带电，从纺丝喷头射出，然后被电场力拉伸细化或发生劈裂形成微纳米尺度的纤维，最后沉积在收集板上。纤维的直径与实验条件密切相关，一般在几十纳米到几个微米之间。

传统静电纺丝装置制备的纤维一般是无序排列的，这限制了静电纺丝纤维在某些领域的应用。近年来，国内外很多科研人员致力于改进传统静电纺丝技术以制备有序排列结构的微纳米纤维。目前，比较常用的静电纺织技术和设备有旋转圆筒(圆盘)收集、狭缝收集或平行电极收集、辅助外电场或磁场收集、框架收集等。例如，中国专利“静电纺丝装置”(申请号：200720067712.0)和“静电纺丝仪”(申请号：200610125960.6)采用的是圆筒收集方法；中国专利(申请号：200810102096.7)提出了一种平行电极收集装置制备有序纤维的方法；文献(Advanced Materials，2007，19，3702-3706)则报道了一种利用辅助磁场的磁电纺技术。此外，中国专利“一种有序排列和交叉结构纳米纤维的制备装置”(专利号：ZL201010184068.1)提出了一种纺丝喷头旋转运动的离心静电纺丝技术；中国专利(申请号：201110137420.0)还报道了一种改进的框架收集静电纺丝技术制备有序排列和绞线结构纤维。但是，以上这些技术方法还存在一些不足：例如，工作电压较高或者纺丝距离较大，制备的有序排列纤维一般是直线结构的，很少有扭曲结构的。而有序排列的扭曲结构纤维在可拉伸柔性电子器件等方面有应用前景。质点在直线上往复运动，其回复力与位移成正比，方向相反，称为简谐运动；而简谐运动又可看作是由做等速圆周运动的质点垂直坐标轴方向上投影所做的运动。因此在日常中，圆周运动通过曲轴连杆转化可以得到往复直线运动，这种直线运动其实是一种往复的简谐振动，它在加工车床、车间流水线、汽车发动机及各种振动平台等机械系统中已经有很广泛的应用，如常见的直线振动筛被广泛应用于冶金粉末、化工、肥料、磨料、医药、粮食等粉体及中小粒度物料的分级或分选。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提出一种新型制备多种特殊形貌结构微纳米纤维的可行性设备，即纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，该装置采用较小的纺丝距离和较低的工作电压即可成功制备有序排列的直线结构微纳米纤维、交叉结构纤维以及有序排列的扭曲结构纤维。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括调速器、有机玻璃板、直流无刷电机、曲轴连杆、直线运动杆、支架、注射器针管、不锈钢针头、高压直流电源、铝箔收集极和底座；尖端磨平后的中空不锈钢针头固定于医用的注射器针管上，不锈钢针头与高压直流电源的正极相连，高压直流电源的负极与表面贴有铝箔的铝箔收集极相连，铝箔收集极固定于装置的底座上；注射器针管固定于直线运动杆(长度为20厘米)的一端，直线运动杆贯穿于两个并列的固定于底座上的支架上，直线运动杆能够在支架上做简谐直线运动，直线运动杆的另一端通过曲轴连杆与固定于直流无刷电机的有机玻璃板(长度为5.7厘米)相连，调速器用于控制直流无刷电机的转速，直流无刷电机的转速由调速器上的刻度读出，直流无刷电机与调速器均固定于底座上，构成纺丝用的注射器针管的往复直线运动部分；收集纤维时将玻璃片放在不锈钢针头作直线运动所经过路程的中点处，根据简谐运动的特点，在靠近中点的地方不锈钢针头运动速度最快，且加速度最小，利于纺丝纤维的收集。