一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置

1.一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，其特征在于包括调速器、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。
2.根据权利要求1所述的一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，其特征在于用于有序排列直线结构纤维的制备时，先在纺丝用注射器针管中加入前驱体溶液，调节不锈钢针头与铝箔收集极之间的距离为1-2厘米，在铝箔收集极上放上玻璃片，拿一张干净、干燥的纸覆盖在玻璃片上；接通高压直流电源，调节电压为1.7-2.5千伏，给纺丝针管塞子稍加压力，使溶液在重力以及塞子的压力下缓慢流出，静止的针头开始纺丝；待纺丝稳定后，接通直流无刷电机的电源，调节调速器的旋钮，使其转速为200rpm，当中点附近的不锈钢针头往复直线运动速度与不锈钢针头纺丝速度相当时，电纺纤维以有序方式沉积在铝箔收集极上；撤去盖在玻璃片上的纸，开始玻璃片上纤维样品的收集，同时开始计时，15秒后，先关闭高压直流电源，再关闭电机电源，此时载玻片上会得到有序排列直线结构纤维。
3.根据权利要求1所述的一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，其特征在于用于交叉结构纤维的制备：将玻璃片放在铝箔收集极上来收集纺丝纤维，并且在第一次纺丝完成后将其水平旋转九十度或其它角度再进行纺丝，最终将得到十字交叉或其他夹角交叉的方形纤维网格阵列；选择第一层为n型有机或无机半导体纳米纤维，第二层为p型有机或无机半导体纤维，在衬底上组装成纳米级别的p-n结阵列。
4.根据权利要求1所述的一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置，其特征在于用于有序排列扭曲结构纤维的制备：在纺丝距离不变的情况下增大工作电压，使纺丝溶液极化带上电荷，带电射流在纺丝过程中受到的电场力，电纺纤维到达玻璃片时的运动速度增加；高速运动的纤维撞到玻璃片上静止时，撞击的反冲力使尚未完全固化的直线型纤维形成扭曲结构；纺丝溶液射流上所带电荷量增大会增加射流的弯曲或鞭动不稳定性，导致扭曲结构纤维的形成；在制备有序排列直线结构纤维过程中，将工作电压从1.7-2.5千伏提高到3.0-4.0千伏，在收集板上得到有序排列的扭曲结构的纤维；扭曲结构纤维用于制备可拉伸柔性电子器件。

一种纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置\n技术领域：\n[0001] 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。\n背景技术：\n[0002] 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。\n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。\n[0003] 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：\nZL201010184068.1）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。\n发明内容：\n[0004] 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。\n[0005] 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；\n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。\n[0006] 本发明用于有序排列直线结构纤维的制备时，先在纺丝用注射器针管中加入前驱体溶液，调节不锈钢针头与铝箔收集极之间的距离为1-2厘米，在铝箔收集极上放上载玻片，拿一张干净、干燥的纸覆盖在载玻片上；接通高压直流电源，调节电压为1.7-2.5千伏，给纺丝针管塞子稍加压力，使溶液在重力以及塞子的压力下缓慢流出，静止的针头开始纺丝；待纺丝稳定后，接通直流无刷电机的电源，调节调速器的旋钮，使其转速为200rpm左右，当中点附近的不锈钢针头往复直线运动速度与不锈钢针头纺丝速度相当时，电纺纤维以有序方式沉积在铝箔收集极上；撤去盖在载玻片上的纸，开始载玻片上纤维样品的收集，同时开始计时，约15秒后，先关闭高压直流电源，再关闭电机电源，此时载玻片上会得到有序直线排列电纺纤维。\n[0007] 本发明用于交叉结构纤维的制备：将衬底放在铝箔收集极上来收集纺丝纤维，并且在第一次纺丝完成后将其水平旋转九十度（或其它角度）再进行纺丝，最终将得到十字交叉或其他夹角交叉的方形纤维网格阵列；若选择合适的材料，例如，第一层为n型的有机或无机半导体纳米纤维，第二层为p型的有机或无机半导体纤维，这样在衬底上就组装成纳米级别的p-n结阵列，在纳米电子器件方面会有很大的应用前景。\n[0008] 本发明用于有序排列扭曲结构纤维的制备：在纺丝距离不变的情况下如果增大工作电压，会使纺丝溶液极化带上更多电荷，带电射流在纺丝过程中受到的电场力会更大，电纺纤维到达收集板时的运动速度会增加；当高速运动的纤维撞到收集板上静止下来时，撞击的反冲力会使尚未完全固化的直线型纤维形成扭曲结构；纺液射流上所带电荷量增大会增加射流的弯曲或鞭动不稳定性，导致扭曲结构纤维的形成；根据以上分析，在制备有序排列直线结构纤维过程中，若将工作电压从1.7-2.5千伏提高到3.0-4.0千伏，在收集板上得到有序排列的扭曲结构的纤维；扭曲结构纤维在制备可拉伸柔性电子器件方面具有广泛的应用前景。\n[0009] 本发明与现有技术相比具有功能多、纺织分布集中和有序性号、纺织距离小、成品率高和工作电压低等优点；用于制备有序直线结构、交叉结构和有序扭曲结构三种形貌结构的纤维；在电场力作用下，纺丝纤维集中分布在针尖移动方向上（宽约5-10毫米），纤维有序排列程度高；在小的纺丝距离下工作，从而减小纤维下落过程中环境不稳定对纤维有序度的影响；由于所制备纤维只分布在一个狭小空间内，降低了纤维散落在其他地方的几率，有序纤维成品率得以提高；由于纺丝距离较小，工作电压可降低到4千伏以内，提高了实验的安全性。\n附图说明：\n[0010] 图1为本发明装置的结构原理示意图。\n[0011] 图2为本发明制备的有序排列直线结构PVP纤维的扫描电镜SEM照片。\n[0012] 图3为本发明制备的交叉结构PVP纤维的光学显微镜照片。\n[0013] 图4为本发明制备的有序排列扭曲结构PVP纤维的SEM照片。\n具体实施方式：\n[0014] 下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步说明。\n[0015] 本实施例的主体结构包括调速器1、有机玻璃板2、直流无刷电机3、曲轴连杆4、直线运动杆5、支架6、注射器针管7、不锈钢针头8、高压直流电源9、铝箔收集极10和底座11；\n将尖端磨平后的中空不锈钢针头8固定于医用的注射器针管7上，不锈钢针头8与高压直流电源9的正极相连，高压直流电源9的负极与表面贴有铝箔的铝箔收集极10相连，铝箔收集极固定于装置的底座11上；注射器针管7固定于直线运动杆5（长度为20厘米）的一端，直线运动杆5贯穿于两个并列的固定于底座11上的支架6上，直线运动杆5能够在支架6上做简谐直线运动，直线运动杆5的另一端通过曲轴连杆4与固定于直流无刷电机3的有机玻璃板2（长度为5.7厘米）相连，调速器1用于控制直流无刷电机3的转速，直流无刷电机3的转速由调速器上的刻度读出，直流无刷电机3与调速器1均固定于底座11上，构成纺丝用的注射器针管7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8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8运动速度最快，且加速度最小，利于纺丝纤维的收集。\n[0016] 本实施例所选的纺丝前驱体溶液为质量百分比为13wt%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液，先称量1.3克PVP（分子量1300000）在磁力搅拌下加入到8.7克无水乙醇中，室温下磁力搅拌5小时，然后静止半小时，即可得均匀透明的13wt%PVP静电纺丝前躯体溶液。\n[0017] 实施例1：有序排列直线结构PVP纤维的制备：用一次性吸管抽取1毫升左右PVP前驱体溶液注入纺丝用注射器针管7内，高压直流电源9正极接不锈钢针头8，负极接铝箔收集极10，调节不锈钢针头8与1铝箔收集极10的距离为1厘米，在收集极上放上载玻片，拿一张干净、干燥的纸覆盖在载玻片上，接通将高压直流电源9，使其开关处于“ON”状态，调节电压为1.8千伏，静止的针头开始纺丝；接通直流无刷电机3的电源，旋转调速器1的旋钮，使转速为200rpm，静止的针头开始做往复的直线运动，待几秒钟转速稳定后，快速拿开覆盖于盖玻片上的纸，并开始计时，15秒后，关闭高压直流电源9，使其开关之处于“OFF”状态，再关闭直流无刷电机3的电源，电纺结束；取载玻片上收集到的样品，用扫描电镜SEM观察，结果如图2所示，从图中可以看到纺丝纤维的形貌良好，排列的平行度较高，此条件下纺出的纤维直径在1.5-3微米左右，粗细比较均匀。\n[0018] 实施例2：交叉结构PVP纤维的制备：先按照实施例1中的步骤制备得到有序排列的PVP纤维，然后将收集到的样品旋转90°用同样的条件和步骤再重复电纺一次，得到交叉结构的PVP纤维，其样品的光学显微镜照片如图3所示。\n[0019] 实施例3：有序排列扭曲结构PVP纤维的制备：调节实施例1中的电压为3.5千伏，其它步骤不变，最后得到有序排列扭曲结构的PVP纤维，其样品的SEM照片如图4所示，可以看出制得的纤维为扭曲结构并且有序排列的，但由于波形纤维在二维尺度上的分布，导致纤维之间存在着相互交叉现象。