一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)和靜電紡絲方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)，包括料筒、噴嘴、第一高壓電源、接受裝置、第二高壓電源、輔助電極和移動(dòng)控制裝置，其中，噴嘴與輔助電極分別位于接受裝置的上方和下方；噴嘴固定不動(dòng)，輔助電極能夠在移動(dòng)控制裝置的控制下移動(dòng)；第一高壓電源用于在接受裝置和料筒之間形成差值為V1的第一電壓差，第二高壓電源用于在接受裝置和輔助電極之間形成差值為V2的第二電壓差，使料筒與輔助電極之間的電壓差值為V1與V2之和。相應(yīng)的，還提供一種應(yīng)用具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)的靜電紡絲方法。本發(fā)明的通過設(shè)置可移動(dòng)的輔助電極，使靜電紡織時(shí)噴射的納米纖維能夠按照輔助電極的移動(dòng)路徑沉積成相應(yīng)的圖案。
【專利說明】一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)和靜電紡絲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于靜電紡絲領(lǐng)域，具體涉及一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)和靜電紡絲方法。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲法是一種高效制備納米纖維的方法，其制造裝置簡單，紡絲成本低廉，可以用來電紡的物質(zhì)種類較多，而且在紡絲過程中，可通過改變紡絲電壓、紡絲液流速、電紡絲距離、溶液濃度等紡絲工藝控制纖維形貌參數(shù)。
[0003]靜電紡絲法的工作原理是，在電紡絲過程中，噴射裝置中裝滿了充電的聚合物溶液或熔融液。接受裝置與噴嘴之間存在外加電場，在外加電場作用下，受表面張力作用而保持在噴嘴處的高分子液滴，在電場誘導(dǎo)下表面聚集電荷，受到一個(gè)與表面張力方向相反的電場力。當(dāng)電場逐漸增強(qiáng)時(shí)，噴嘴處的液滴由球狀被拉長為錐狀，形成泰勒錐。而當(dāng)電場強(qiáng)度增加至一個(gè)臨界值時(shí)，電場力就會(huì)克服液體的表面張力，液體從泰勒錐中噴出。噴射流在高電場的作用下發(fā)生震蕩而不穩(wěn)，產(chǎn)生頻率極高的不規(guī)則性螺旋運(yùn)動(dòng)。在高速震蕩中，噴射流被迅速拉細(xì)，溶劑也迅速揮發(fā)，最終形成直徑在納米級(jí)的纖維，并以隨機(jī)的方式散落在收集裝置上，形成無紡布。
[0004]現(xiàn)有的靜電紡絲得到的納米纖維是以無紡布形式存在的，纖維排列非常凌亂，這對(duì)一些實(shí)際應(yīng)用造成了不少困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決目前靜電紡絲所制備的納米纖維有序度不高的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)，包括料筒、噴嘴、第一高壓電源、接受裝置、第二高壓電源、輔助電極和移動(dòng)控制裝置，其中，所述噴嘴連接在所述料筒下端，所述噴嘴與所述輔助電極分別位于所述接受裝置的上方和下方；所述噴嘴固定不動(dòng)，所述輔助電極能夠在所述移動(dòng)控制裝置的控制下移動(dòng)；所述第一高壓電源用于在接受裝置和所述料筒之間形成差值為Vl的第一電壓差，第二高壓電源用于在接受裝置和輔助電極之間形成差值為V2的第二電壓差，使料筒與輔助電極之間的電壓差值為Vl與V2之和。
[0007]優(yōu)選的，所述輔助電極在一個(gè)平面內(nèi)移動(dòng)。
[0008]優(yōu)選的，所述平面與所述接受裝置的上表面平行。
[0009]優(yōu)選的，所述移動(dòng)控制裝置中預(yù)先設(shè)定有所述輔助電極的移動(dòng)路徑。
[0010]優(yōu)選的，所述移動(dòng)路徑為直線形、蛇形或螺旋形路徑。
[0011]優(yōu)選的，所述輔助電極的可移動(dòng)范圍在接受裝置的正下方。
[0012]優(yōu)選的，所述輔助電極與所述接受裝置的距離范圍為5-lOcm。
[0013]優(yōu)選的，所述接受裝置連接至地電位；所述第一高壓電源連接在所述料筒與所述接受裝置之間，所述第二高壓電源連接在所述接受裝置與所述輔助電極之間。[0014]優(yōu)選的，所述第二電壓差的差值范圍為10-30KV。
[0015]優(yōu)選的，所述輔助電極的頂端形狀為圓柱形、棱柱形或針尖形。
[0016]優(yōu)選的，輔助電極和/或接受裝置還可以上下移動(dòng)。
[0017]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述靜電紡絲系統(tǒng)的靜電紡絲方法，所述第一高壓電源在所述料筒與所述接受裝置之間施加差值為Vl的第一電壓差；所述噴頭中的熔融液滴在第一電壓差的電場作用下下變形噴射而出時(shí)，所述第二高壓電源在所述輔助電極與所述接受裝置之間施加差值為V2的第二電壓差，使料筒與輔助電極之間形成差值為Vl與V2之和的電壓差；開啟所述移動(dòng)控制裝置，控制所述輔助電極按照預(yù)設(shè)的移動(dòng)路徑移動(dòng)，在所述接受裝置上形成與所述移動(dòng)路徑圖案相同的納米纖維。
[0018]本發(fā)明的具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0019]本發(fā)明的靜電紡絲系統(tǒng)，只需要接受裝置的下方設(shè)置可移動(dòng)的輔助電極，在紡織纖維時(shí)，在輔助電極上施加高壓，改變紡絲噴頭與輔助電極之間的電場位置，從而使噴射出的紡絲可以落在接受裝置的不同位置，使所紡納米纖維具有很高的有序度。而且，使靜電紡織噴射的納米纖維能夠按照可移動(dòng)的輔助電極的移動(dòng)路徑沉積成相應(yīng)的圖案。
[0020]另外，本發(fā)明的靜電紡絲系統(tǒng)，在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上，只需要增加一個(gè)移動(dòng)控制裝置和高壓電源，為輔助電極提供高壓以及移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的輔助設(shè)備，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，采用兩個(gè)高壓電源在料筒與輔助電極之間提供高壓，可以降低靜電紡絲系統(tǒng)的高壓電源成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明所述的具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)的示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明所述的輔助電極在一個(gè)平面移動(dòng)方式的示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明所述的輔助電極的移動(dòng)路徑的示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明所述的具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)所紡織納米纖維的示意圖；
[0025]圖5為本發(fā)明所述的具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)紡織納米纖維時(shí)的三維立體示意圖；
[0026]圖6為本發(fā)明所述的具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)所紡織雙層納米纖維示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合靜電紡絲系統(tǒng)具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0028]本發(fā)明提供了一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)，可以解決目前靜電紡絲所制備的納米纖維有序度不高的問題。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明所述的具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)，包括料筒O、噴嘴1、第一高壓電源2、接受裝置3、第二高壓電源4、輔助電極5和移動(dòng)控制裝置6。其中，噴嘴I連接在料筒O下端，噴嘴I與輔助電極5分別位于接受裝置6的上方和下方，噴嘴O固定不動(dòng)，輔助電極能夠在移動(dòng)控制裝置6的控制下移動(dòng)。第一高壓電源2用于在接受裝置3和料筒O之間形成差值為差Vl的第一電壓差，第二高壓電源4連接在接受裝置和輔助電極之間形成差值為V2的第二電壓差，使料筒O與輔助電極5之間的電壓差值為Vl與V2之和。
[0030]本發(fā)明中所述的噴嘴O與輔助電極5分別位于所述接受裝置3的上方和下方，理解為，噴嘴與輔助電極分別位于接受裝置的相對(duì)兩側(cè)，噴嘴面向接受裝置的底端與輔助電極面向接受裝置的頂端之間的直線通過接受裝置。
[0031]由于第二高壓裝置4在輔助電極5與接受裝置3之間施加了第二電壓差，使料筒O與輔助電極5之間的電壓差大于料筒O與接受裝置之間的電壓差，因此，通過移動(dòng)輔助電極5使噴射流微觀的不規(guī)則螺旋運(yùn)動(dòng)在宏觀上表現(xiàn)出可設(shè)定性，隨著輔助電極5的移動(dòng)，使噴嘴中噴射的納米纖維能夠按照輔助電極5的移動(dòng)路徑沉積成與移動(dòng)路徑相應(yīng)的圖案。例如，可以設(shè)計(jì)一些平面圖案，甚至可設(shè)計(jì)一些三維立體的紡絲結(jié)構(gòu)。
[0032]優(yōu)選的，輔助電極5在一個(gè)平面內(nèi)移動(dòng)。該平面優(yōu)選為與接受裝置的上表面平行，例如輔助電極可以在與接受裝置上表面平行的表面內(nèi)移動(dòng)。如圖2所示，輔助電極5可以在一個(gè)平面的橫向X和縱向y方向上移動(dòng)。通過控制橫向X和縱向y，可以使輔助電極5在平面上任意移動(dòng)。輔助電極5的移動(dòng)范圍不超過接受裝置3的尺寸范圍，優(yōu)選的，輔助電極5的可移動(dòng)范圍在接受裝置的正下方，即輔助電極在接受裝置下表面的投影始終在接受裝置的下表面上。
[0033]移動(dòng)控制裝置6中可以預(yù)先設(shè)定有輔助電極5的移動(dòng)路徑，使輔助電極在設(shè)定的路徑內(nèi)移動(dòng)。輔助電極5的移動(dòng)路徑可以為直線形、蛇形、螺旋形等路徑形狀。
[0034]優(yōu)選的，輔助電極5與接受裝置3的距離范圍為5-10cm。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，輔助電極5和/或接受裝置3可以上下移動(dòng)，通過移動(dòng)接受裝置3或者輔助電極5調(diào)節(jié)輔助電極5與接受裝置3的距離，以及噴嘴I與接受裝置3的距離，這樣可以方便的紡出三維結(jié)構(gòu)的納米纖維。輔助電極5的上下移動(dòng)也可以由移動(dòng)控制裝置控制。優(yōu)選的，輔助電極5上下移動(dòng)的距離范圍為l_5mm ;接受裝置3可以上下微調(diào)。
[0035]輔助電極5面向接受裝置3的頂端尺寸遠(yuǎn)小于接受裝置3的尺寸，優(yōu)選的，輔助電極5的頂端形狀可以為圓柱形、棱柱形、針尖形等形狀，優(yōu)選的，輔助電極5的頂端形狀為針尖形。輔助電極5的材料無特別要求，一般為金屬材料即可，優(yōu)選為不銹鋼材料。
[0036]接受裝置3為通常為絕緣材料的薄壁平板。接受裝置3可以連接至地，第一高壓電源2連接在料筒O與接受裝置3之間，第二高壓電源4連接在接受裝置3與輔助電極5之間，接受裝置3接地，通過設(shè)置第一高壓電源2與第二高壓電源的輸出可以使料筒與輔助電極之間的電壓差值為Vl與V2之和。
[0037]第一電壓差和第二電壓差的差值(VI和V2)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。優(yōu)選的，第二電壓差的值V2的范圍為10-30KV，優(yōu)選為10KV。第一電壓差的值Vl優(yōu)選為10KV。例如，第一高壓電源在料筒O與接受裝置3之間施加IOKV的電壓差(Vl=IOKV),第二高壓電源在接受裝置和輔助電極之間施加-10KV的電壓差(V2=10KV)，在料筒與輔助電極之間形成的電壓差為20KV。
[0038]本發(fā)明中，移動(dòng)控制裝置6可以為設(shè)定有移動(dòng)路徑的計(jì)算機(jī)。第一高壓裝置和第二高壓裝置可以為高壓電源。噴頭I可以采用金屬噴頭。
[0039]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種基于上述靜電紡絲系統(tǒng)的靜電紡絲方法，第一高壓電源2在料筒O與接受裝置3之間施加電壓值為Vl的第一高壓；噴頭I中的熔融液滴在第一電壓差的電場作用下變形噴射而出時(shí)，第二高壓電源4在輔助電極5與接受裝置3之間施加差值為V2的第二電壓差，使料筒O與輔助電極之間形成差值為Vl與V2之和的電壓差；開啟移動(dòng)控制模塊6，控制輔助電極5按照預(yù)設(shè)的移動(dòng)路徑移動(dòng)，在接受裝置3上形成與所述移動(dòng)路徑圖案相同的納米纖維。
[0040]下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)的工作過程。接受裝置3的上表面為水平面，并且接地電位，參見圖1。首先將裝有待紡絲聚合物的料筒O加熱的預(yù)設(shè)溫度，然后打開第一高壓電源2在料筒O與接受裝置3之間施加電壓值為Vl的第一高壓，直到噴頭I中的熔融液滴在第一高壓場下變形然后噴射而出，此時(shí)再打開第二高壓電源4，在輔助電極5與接受裝置3之間施加電壓值為V2的第二高壓，并開啟移動(dòng)控制模塊6，控制輔助電極5按照?qǐng)D3中預(yù)設(shè)的蛇形路徑從A位置移動(dòng)至B位置。在該過程中，噴頭I所噴射出的納米纖維會(huì)被輔助電極5所釋放的高壓電場吸引，從而沿著輔助電極5所移動(dòng)路徑而改變方向，最終在接受裝置3上形成規(guī)則的納米纖維圖案。如圖4所示，接受裝置3上接收到的納米纖維圖案與輔助電極5的移動(dòng)路徑相同。
[0041]如圖5所示，本發(fā)明所述的具有可移動(dòng)輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)紡織納米纖維時(shí)的三維立體示意圖。通過移動(dòng)控制裝置6改變輔助電極5的移動(dòng)路徑，可以紡織立體纖維結(jié)構(gòu)，如圖6所示，為紡織了兩層的納米纖維結(jié)構(gòu)，紡織兩層納米纖維結(jié)構(gòu)時(shí)，輔助電極的移動(dòng)路徑不同。
[0042]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有輔助電極的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，該靜電紡絲系統(tǒng)包括料筒、噴嘴、第一高壓電源、接受裝置、第二高壓電源、輔助電極和移動(dòng)控制裝置，其中， 所述噴嘴連接在所述料筒下端，所述噴嘴與所述輔助電極分別位于所述接受裝置的上方和下方； 所述噴嘴固定不動(dòng)，所述輔助電極能夠在所述移動(dòng)控制裝置的控制下移動(dòng)； 所述第一高壓電源用于在接受裝置和所述料筒之間形成差值為Vl的第一電壓差，第二高壓電源用于在接受裝置和輔助電極之間形成差值為V2的第二電壓差，使料筒與輔助電極之間的電壓差值為Vl與V2之和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助電極在一個(gè)平面內(nèi)移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述平面與所述接受裝置的上表面平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述移動(dòng)控制裝置中預(yù)先設(shè)定有所述輔助電極的移動(dòng)路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述移動(dòng)路徑為直線形、蛇形或螺旋形路徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助電極的可移動(dòng)范圍在接受裝置的正下方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助電極與所述接受裝置的距離范圍為5-10cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述接受裝置連接至地電位；所述第一高壓電源連接在所述料筒與所述接受裝置之間，所述第二高壓電源連接在所述接受裝置與所述輔助電極之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電壓差的差值范圍為10-30KV。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助電極的頂端形狀為圓柱形、棱柱形或針尖形。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的靜電紡絲系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助電極和/或所述接受裝置還可以上下移動(dòng)。
12.—種應(yīng)用權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述靜電紡絲系統(tǒng)的靜電紡絲方法，其特征在于，所述第一高壓電源在所述料筒與所述接受裝置之間施加差值為Vi的第一電壓差；所述噴頭中的熔融液滴在第一電壓差的電場作用下下變形噴射而出時(shí)，所述第二高壓電源在所述輔助電極與所述接受裝置之間施加差值為V2的第二電壓差，使料筒與輔助電極之間形成差值為Vl與V2之和的電壓差；開啟所述移動(dòng)控制裝置，控制所述輔助電極按照預(yù)設(shè)的移動(dòng)路徑移動(dòng)，在所述接受裝置上形成與所述移動(dòng)路徑圖案相同的納米纖維。
【文檔編號(hào)】D01D5/00GK103541026SQ201310488427
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】李舟, 石波璟 申請(qǐng)人:國家納米科學(xué)中心