本實用新型涉及靜電紡絲的裝置，尤其涉及靜電法制備納米纖維集合體的裝置。

背景技術：

靜電紡絲作為一種納米纖維制造技術，主要是利用高壓電場下，液滴變成錐形，形成泰勒錐，然后在靜電力的作用下延伸，形成納米級超細纖維。靜電紡絲以其可紡材料種類繁多、工藝可控性好等優點，已成為當前制備納米纖維材料的研究熱點。

基于目前對于靜電紡絲的研究，認為靜電紡絲的實質是快速產生噴射流，因此現在一系列對于靜電紡絲的研究都主要集中于噴絲孔的結構形態對纖維成型的影響，具體體現在對于溶液或熔體的噴射針頭的研究，如各種形狀或型式的噴射針頭，亦或是無針頭的噴射筒或噴射裝置等。

或者是對于靜電紡絲技術工業化的研究，如對于產生的納米級超細纖維的收集方法等。如美國專利US6106913A中，利用氣流沉積法將超細纖維引導到長絲上，經牽引卷繞形成高強力納米纖維包芯紗；或者是中國專利CN201410280734.X中采用的動態旋轉的喇叭形收集器，將超細纖維引導到長絲上及進行加捻的收集方法。

在這些基于靜電紡絲產生納米超細纖維的產生方法和收集利用方法的研究中，前者主要研究的是利用不同的噴絲頭或噴嘴產生不同形狀的流體，均是采用收集板或接收板對產生的纖維進行收集；后者雖然對收集器或者接收器進行了改進，但是收集器就沒有作為高壓電場的組成部分，而是僅作為收集裝置對在高壓電場內產生的超細纖維進行收集。

技術實現要素：

本實用新型提出了一種靜電法制備納米纖維集合體的裝置，通過改變收集器或接收器進而影響高壓電場，使高壓電場具有不同的分布強度，再結合出絲裝置的運動，能夠形成不同分布或形式的納米纖維集合體。

技術方案

一種靜電法制備納米纖維集合體的裝置，包括出絲裝置和接收器，其特征在于：所述出絲裝置連接靜電發生器的正極，所述接收器連接靜電發生器的負極或接地，在出絲裝置和接收器之間形成高壓靜電場，所述接收器通過同軸連接組件與靜電發生器的負極或零線相連，接收器一端設置有接頭，所述同軸連接組件與接頭同軸相連，所述同軸連接組件連接轉動電機輸出軸。

進一步，所述出絲裝置設置在噴絲頭臂前端，噴絲頭臂由往復運動裝置帶動，實現沿接收器的接收面的往復運動。

所述往復運動裝置包括滑軌和滑板，噴絲頭臂安裝在滑板上，驅動電機安裝在滑軌兩側，帶動平行于滑軌并設置在滑軌上方的同步帶，從而帶動設置在同步帶上的滑板，在滑軌上滑動，滑板帶動噴絲頭臂在滑軌上往復運動。

在滑軌兩端分別設置有位置可調的接近開關，用于檢測滑板運動中的邊緣位置，限定噴絲頭臂往復運動的移動幅度。

所述噴絲頭臂采用多段臂，出絲裝置與噴絲頭臂前端、以及噴絲頭臂各段臂之間均采用銷軸連接，以實現相互轉動，噴絲頭臂后端也以銷軸連接在往復運動裝置上，能夠使出絲裝置停留在設定的位置，調節出絲裝置與接收器之間的距離。

進一步，還包括封閉式箱體，所述出絲裝置和接收器設置在箱體內，箱體內主要為靜電場區域，箱體內還設置有溫濕度傳感器和加熱排風裝置，用于調節箱體內部的溫度、濕度和排風。

所述箱體側面開有箱體門，箱體門與箱體接觸的地方設置有安全開關，用于控制箱體門開啟的情況下所述靜電發生器停止工作。

所述箱體側壁還設置有儲液裝置，所述儲液裝置包括多個獨立的儲液罐，各儲液罐分別連接所述出絲裝置的不同的噴絲頭。

所述儲液裝置采用機械驅動出液或者氣動驅動出液。

所述箱體底部設置有控制電柜，箱體側面設置轉動電機，控制電柜連接外接電源，控制電柜內設置有靜電發生器及控制器，控制電柜內側面設置有電纜履帶，將連接線集束到電纜履帶中，從控制電柜頂板后側引出，分別連接至箱體內的裝置和箱體側面的裝置上。

有益效果

本實用新型提供的靜電法制備納米纖維集合體的裝置通過接收器的設置改變高壓電場的強度或分布，從而控制帶電液滴在高壓電場內形成泰勒錐，以及在高壓電場內后續的運動軌跡，能夠形成特定要求的納米纖維或者特定排列的納米纖維，然后通過接收器與出絲裝置的相對運動，使形成的特定納米纖維或者特定排列的納米纖維經過沉積或收集后形成具有特定種類或特定結構的納米纖維集合體，或者通過控制出絲裝置沿接收器的接收面往復運動，在接收面不同位置噴射不同的射流，從而收集形成不同排列的納米纖維集合體；本實用新型的裝置通過同軸連接組件連接接收器和高壓靜電發生器負極，使裝置可以更換不同的接收器，從而可以根據需求的納米纖維或納米纖維集合體的結構和種類更換接收器，提高裝置的通用性和適應性；

本實用新型的裝置中靜電紡絲區域相對封閉，降低了環境影響，溫濕度受控，使得制備的納米纖維及納米纖維集合體能符合要求，性能和排列穩定，且能實現連續制備。

附圖說明

圖1為本實用新型的出絲裝置與接收器形成點對面分布的靜電場的示意圖；

圖2為本實用新型的出絲裝置與接收器形成點對點分布的靜電場的示意圖；

圖3為本實用新型的出絲裝置與接收器形成面對點分布的靜電場的示意圖；

圖4為本實用新型的出絲裝置與接收器形成面對面分布的靜電場的示意圖；

圖5為本實用新型中采用牽引長絲連續制備納米纖維集合體的示意圖；

圖6為本實用新型的裝置示意圖，其中出絲裝置采用點狀出絲裝置；

圖7為接收器安裝在同軸連接組件上的示意圖；

圖8為噴絲頭架結構示意圖；

圖9為出絲裝置為噴絲板時，往復運動裝置示意圖；

圖10為圖9的仰視示意圖；

圖11為噴絲頭臂的側視示意圖；

圖12為出絲裝置為噴絲板時，箱體內出絲裝置和接收器的設置示意圖；

圖13為塔板式接收器示意圖；

圖14為針板式接收器示意圖；

圖15為錐形金屬螺旋線接收器示意圖。

其中：1-封閉式箱體，2-控制電柜，3-接收器接頭，4-安全開關，5-加熱排風裝置，6-儲液裝置，7-固定軸承架，8-噴絲頭架，9-納米纖維，10-靜電發生器，11-磁眼，12-隔板底座，13-牽引長絲，14-絲架，15-卷繞裝置，16-出絲裝置，17-接收器，18-往復運動裝置，19-轉動電機，20-預處理裝置，21-調節螺絲，22-空心軸，23-傳動軸，24-軸承，25-接收器底板，26-接收器前端，181-驅動電機，182-噴絲頭臂，183-銷軸，184-同步帶，185-滑軌，186-滑板，187-接近開關，81-噴絲頭架，82-長連桿，83-短連桿，84-拉桿，85-回位彈簧，86-導向座，87-通孔星形把手。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖，對本實用新型進一步說明。

基于泰勒提出的泰勒錐的電液運動模型，現在廣泛的對于靜電紡絲的研究均集中在對于溶液或熔體的噴射裝置的研究或者是纖維收集裝置的研究上，但是對于制備不同特性或不同結構要求的納米纖維集合體，現在仍然是沒有什么方法。

本實用新型提出了通過改變作為靜電場一部分的接收器，使高壓電場在強度和分布上達到特定的要求，從而在帶電液滴形成泰勒錐過程中，和在泰勒錐形成之后超過臨界電荷密度，泰勒錐變得不穩定，形成射流噴射，及射流在電場中加速，直徑變小，松弛形成超細纖維的這一系列運動過程中，影響帶電液滴，形成特定形式的納米超細纖維，且接收器作為收集裝置，使納米超細纖維按照一定排列和要求進行收集，形成特定分布的納米纖維和特定結構的納米纖維集合體。

當接收器與出絲裝置分別接在高壓靜電發生器的負極和正極上時，在接收器和出絲裝置之間形成高壓靜電場，出絲裝置連接的儲液裝置內的溶液或熔體在經過出絲裝置的噴絲頭前方的毛細管時，液滴已帶電，且在接收器與出絲裝置形成的靜電場內受到靜電力的作用。

當出絲裝置采用點狀出絲裝置，接收器采用具有一定分布面的形狀時，在出絲裝置和接收器之間形成點對面分布的靜電場，如附圖1所示意，16為出絲裝置，17為接收器，出絲裝置噴出的射流在這種靜電場中會形成圖中虛線所示意的類錐形的射流區域，影響納米纖維的形態和分布。

而當出絲裝置采用點狀出絲裝置，接收器采用點狀或線狀接收器時，在出絲裝置和接收器之間形成點對點分布的靜電場，如附圖2所示意，出絲裝置噴出的射流在這種靜電場中會形成圖中虛線所示意的紡錘形的射流區域。

當出絲裝置采用具有一定分布面的形狀，接收器采用點狀或線狀接收器時，在出絲裝置和接收器之間形成面對點分布的靜電場，如附圖3所示意，出絲裝置噴出的射流在這種靜電場中會形成圖中虛線所示意的倒錐形的射流區域。

當出絲裝置采用具有一定分布面的形狀，接收器也采用具有一定分布面的形狀時，在出絲裝置和接收器之間形成面對面分布的靜電場，如附圖3所示意，出絲裝置噴出的射流在這種靜電場中會形成圖中虛線所示意的筒狀的射流區域。

點狀或成一定平面分布的出絲裝置現在已經有多種，因此通過改變不同的接收器與出絲裝置進行配合，形成不同的靜電場，就能形成不同的射流區域，影響納米纖維的形態和分布，得到特定需求的納米纖維或特定分布排列的納米纖維。

還可以同時通過調節接收器和出絲裝置之間的距離調節高壓靜電場的強度，形成特定強度的高壓靜電場，輔助形成不同的納米纖維。

出絲裝置的出絲孔可以采用單孔或者多層復合孔，成型出單一纖維或復合纖維，出絲孔的橫截面可以為同心的形狀或者偏心的形狀，從而在帶電液滴形成泰勒錐時控制納米纖維的形狀。

使接收器與出絲裝置相對運動，使形成的納米纖維更多更好或者按照一定序列沉積在與出絲裝置相對運動的接收器上，形成需要的納米纖維集合體。在收集過程中，使接收器繞中心軸線旋轉，能夠幫助收集。

還可以在接收器的中心軸線上設置一根牽引長絲，與以中心軸線為旋轉軸旋轉的接收器配合接收納米纖維，納米纖維在靜電場力、牽引長絲的牽引力及接收器作用力下在牽引長絲表面形成納米纖維集合體，牽引長絲一端連接卷繞裝置，實現連續制備納米纖維集合體。如附圖5所示意，圖中13為牽引長絲。

或者將出絲裝置沿接收器的接收面往復運動，在接收器的接收面上形成薄片式納米纖維集合體，接收器沿平行于出絲裝置運動方向的旋轉軸進行旋轉，形成連續薄片式納米纖維集合體。如此還可以通過控制出絲裝置移動的位置和在不同位置噴射的射流的性質，實現特定排列要求的薄片式納米纖維集合體。

基于上述的制備納米纖維和納米纖維集合體的方法，可以采用如附圖6所示意的裝置。將出絲裝置和接收器設置在封閉式箱體內部，出絲裝置連接靜電發生器的正極，接收器連接靜電發生器的負極或接地，在出絲裝置和接收器之間形成高壓靜電場，所述接收器通過同軸連接組件與靜電發生器的負極或零線相連，接收器一端設置有接頭，所述同軸連接組件與接頭同軸相連，所述同軸連接組件連接轉動電機輸出軸。

所述同軸連接組件包括與接收器的接頭同軸連接的傳動軸，傳動軸外套裝有同軸的空心軸，空心軸通過軸承設置在固定軸承架上，所述空心軸和傳動軸之間通過調節螺絲固定。所述空心軸側壁開有通孔，孔內設置調節螺絲，通過松開調節螺絲調節傳動軸與空心軸的相對位置，固定調節螺絲后將傳動軸與空心軸之間固定，實現接收器位置的前后調節。如附圖7所示意。

在接收器的中心軸線上設置一根牽引長絲，所述接收器和同軸連接組件的中心均設置有聯通的孔道，用于牽引長絲穿過，牽引長絲被卷繞裝置帶動，經過接收器和出絲裝置之間的靜電場區域，將在牽引長絲表面形成的納米纖維集合體進行連續收集。如附圖6所示意，圖中13為牽引長絲，14為絲架，15為卷繞裝置。

所述接收器可以采用具有一定接收面的形狀，如塔板式接收器或者圓環式接收器，或輪盤式接收器，或圓盤網眼式接收器，或網眼式喇叭接收器。多種接收器均能使納米纖維更加有序，結合緊密。輪盤式接收器、網眼式喇叭接收器和圓盤網眼式接收器主要借助接收器兩側開有氣流孔，能夠形成旋窩氣流來束縛射流發散，使納米纖維有序排列。如附圖13為塔板式接收器示意圖。

所述接收器也可以采用點狀或線狀接收器，如針板式接收器或者錐形金屬螺旋線接收器。當采用針式點陣的接收器時，能使納米纖維分成若干股，避免了納米纖維雜亂無章，而是分別依附在不同接收針上，實現有序排列；而采用錐形螺旋金屬線接收器時，電荷集中在螺旋金屬線上，會使錐形金屬螺旋線的頂端接收的納米纖維更加密集，沉積的納米纖維密度更大，而后面納米纖維密度逐漸變小，實現特定結構的納米纖維。如附圖14為針板式接收器示意圖，附圖15為錐形金屬螺旋線接收器示意圖，這兩種接收器均是包括非金屬的接收器底板和金屬的接收器前端，接收器前端分別為針板式和錐形金屬螺旋線式，針板式的前端呈由點組成的直線狀接收器。

而出絲裝置也可以采用點狀出絲裝置，包括單噴絲頭或多噴絲頭。本實施例里采用的出絲裝置為設置在噴絲頭架上的雙噴絲頭，所述雙噴絲頭對稱設置，兩個噴絲頭架的底部均垂直固定在長連桿一端，長連桿另一端采用定位銷固定，在長連桿中部連接有短連桿，所述短連桿一端采用銷軸固定在長連桿上，短連桿另一端連接一根拉桿，且通過銷軸固定在所述拉桿一端，所述拉桿固定在導向座上，拉動拉桿，拉桿通過短連桿推動長連桿繞長連桿的固定端轉動，帶動兩個噴絲頭架上的噴絲頭遠離或接近接收器。如附圖8所示意。

所述出絲裝置或者也可以采用具有一定分布面形狀的出絲裝置，如開有多個集中的噴絲孔的噴絲板。出絲裝置設置在噴絲頭臂前端，噴絲頭臂由往復運動裝置帶動，實現沿接收器的接收面的往復運動。

所述往復運動裝置包括滑軌和滑板，噴絲頭臂安裝在滑板上，驅動電機安裝在滑軌兩側，帶動平行于滑軌并設置在滑軌上方的同步帶，從而帶動設置在同步帶上的滑板，在滑軌上滑動，滑板帶動噴絲頭臂在滑軌上往復運動。在滑軌兩端分別設置有位置可調的接近開關，用于檢測滑板運動中的邊緣位置，限定噴絲頭臂往復運動的移動幅度。所述噴絲頭臂可以采用多段臂，出絲裝置與噴絲頭臂前端、以及噴絲頭臂各段臂之間均采用銷軸連接，以實現相互轉動，噴絲頭臂后端也以銷軸連接在往復運動裝置上，能夠使出絲裝置停留在設定的位置，調節出絲裝置與接收器之間的距離。往復運動裝置的結構如附圖9～11所示意，圖10為圖9的仰視示意圖，圖11為側視的噴絲頭臂示意圖。附圖12為在封閉式箱體內設置噴絲板的出絲裝置和圓筒狀接收器的設置示意圖。

所述封閉式箱體內主要為靜電場區域，箱體內還設置有溫濕度傳感器和加熱排風裝置，用于調節箱體內部的溫度、濕度和排風。如附圖6中所示意，在箱體頂部設置有加熱排風裝置，采用均勻分布的多個加熱模塊對箱體內進行均勻加熱，每個加熱模塊的邊緣都設置有排風孔。采用封閉式箱體，既能減小環境對靜電紡絲的影響，又提高了安全性，箱體側面開有箱體門，箱體門與箱體接觸的地方設置有安全開關，用于控制箱體門開啟的情況下所述靜電發生器停止工作。安全開關鑲嵌在箱體邊緣與箱體門接觸的地方，并且與高壓靜電發生器相連，如果在高壓靜電發生器開啟的時候打開箱門，高壓靜電發生器可以實現自動斷電，從而確保操作時的安全性。

箱體側壁還設置有儲液裝置，所述儲液裝置包括多個獨立的儲液罐，各儲液罐分別連接所述出絲裝置的不同的噴絲頭。儲液裝置可以采用機械驅動出液或者氣動驅動出液。

箱體底部設置有控制電柜，箱體側面設置轉動電機，控制電柜連接外接電源，控制電柜內設置有靜電發生器及控制器，控制電柜內側面設置有電纜履帶，將連接線集束到電纜履帶中，從控制電柜頂板后側引出，分別連接至箱體內的裝置和箱體側面的裝置上。

附圖6所示意的裝置工作時，牽引長絲由絲架推繞出后，經過開有通孔的傳動軸進入箱體內部，傳動軸通孔另一端連接接收器中心的通孔，使牽引長絲由接收器通孔穿出后進入到接收器和出絲裝置的噴絲頭之間的靜電紡絲區域，然后由箱體對側的側壁上的磁眼導出，被箱體外部的卷繞裝置收集。靜電紡絲過程中，開啟箱體外側的推進系統和高壓靜電發生器，使噴絲頭噴出溶液，并在靜電場作用下形成納米纖維，形成的納米纖維沉積到牽引長絲上，形成納米纖維集合體。連接接收器的傳動軸外側套裝有同軸的空心軸，空心軸固定在固定軸承架上，并且傳動軸另一端伸出箱體，并設置有從動輪與轉動電機連接。在轉動電機的驅動下，旋轉的接收器帶動沉積的納米纖維不斷旋轉，然后通過牽引長絲將成型的納米纖維集合體導出，纏繞到箱體外的卷繞裝置上。

附圖12所示意的裝置工作時，圓筒狀接收器旋轉，采用噴絲板的出絲裝置在往復運動裝置帶動下相對接收器的接收面往復運動，在接收器的接收面上形成薄片式納米纖維集合體，接收器沿平行于出絲裝置運動方向的旋轉軸進行旋轉，形成連續薄片式納米纖維集合體，導出到箱體外后即可實現連續制備薄片式納米纖維集合體。