[發明專利]一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法

無效

• 申請號: 201410389928.3
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN104153013A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 李好義;曾良濱;張羅;何雪濤;丁玉梅;楊衛民
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01D5/00
• 分類號: D01D5/00;D01D13/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置及方法，屬于靜電紡絲技術領域。

背景技術

靜電紡絲裝置是一種利用靜電力制備超細纖維的裝置，一臺靜電紡絲裝置應該由直流高壓電源、物料供給裝置、噴頭和接收裝置幾個部分構成。首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管末端形成Taylor錐。當電場力足夠大時，聚合物液滴在毛細管末端形成的Taylor錐液滴克服表面張力形成噴射細流。在靜電紡絲過程中，液滴通常具有一定的靜電壓，并處于一個電場當中，因此，當射流從毛細管末端向接收裝置運動時，都會出現加速現象，從而導致了射流在電場中的拉伸。射流在空氣中急速振蕩和鞭動，不斷拉伸細化，同時因溶劑揮發或熔體熱量散失而使射流固化，最終沉降在接收裝置上，得到類似非織造布狀納米或微米級超細纖維。

具有特定排列結構的纖維能作為細胞培養的支架、制備具有特殊性能的膜材料、在微/納機電系統零件中具有廣泛的應用，例如特定細胞的取向生長依賴于取向性纖維結構；因此需要織構出纖維的多種拓撲結構，但是目前缺乏對于微細纖維的操控技術，已經開發的技術如3D打印技術中的熔積成型技術其制備的熔絲直徑大多數在數十微米到數百微米，而其他技術如自組裝、相轉換等技術制備效率低下，目標拓撲結構單一，且缺乏靈活性。因而，靜電紡絲技術作為快速制備微/納米纖維的一種方法，最有優勢，通過技術改進，實現對纖維落點進行快速精確控制，以制備特定拓撲結構的纖維制品。已有的專利“一種結合靜電紡絲技術的快速成型方法及裝置(CN101837642A)”，雖然該發明接收裝置在三個維度變化，但還是不能解決纖維鞭動導致的局部沉積不可控的問題，不能形成落點精確可控的纖維制品?！耙环N微量物料的靜電紡絲裝置(201220629650.9)”專利，能實現向左、向上、向下三個方向的紡絲，但也無法實現纖維沉積點可控。

常規的靜電紡絲裝置存在一個很大的問題就是纖維沉積點不可控，制備的纖維是隨機的無紡結構。因此，需要提出一種靜電紡絲裝置，來實現為對纖維射流沉積點可控的目的，從而實現由模型輸入決定特定拓撲結構纖維的制備。所以開發纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，用來制備特殊用途的拓撲纖維結構成為必要。

發明內容

本發明提出利用控制微分陣列點電極開關來改變微分陣列電極帶電情況，達到電場控制的目的，從而使紡出的纖維落點可控，然后形成軟件預定的三維拓撲結構的取向排列纖維。

實現上述目的的技術方案是，一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，主要包括接收平臺、微分陣列電極單元、陣列電極托臺、高壓靜電發生器、毛細管、噴嘴、支架、給料裝置、通斷轉換器及計算機控制系統，微分陣列電極單元置于接收平臺正下方5-10mm，而接收平臺放置于紡絲噴頭正下方70-110mm，即紡絲噴頭正下方放置接收平臺，接收平臺正下方放置微分陣列電極單元。陣列電極以陣列形式置于一塊絕緣的托臺上，陣列電極單元安裝在陣列電極托臺上，每個陣列電極由n×m個陣列電極單元組成，n和m為大于2的整數，n和m的值越大說明電極越多，沉積可控的點越多，陣列電極托臺安裝在支架靠近下部的位置；陣列電極通過通斷轉換器與計算機控制系統及高壓靜電發生器連接；給料裝置固定在支架上端的中間部位，毛細管與噴嘴相連并接地，毛細管安裝在給料裝置的下端，毛細管軸向中心位于接收平臺正上方。將需要得到的纖維沉積形狀輪廓進行程序編碼并存于計算機控制系統中，由計算機控制系統發送給通斷轉換器來控制陣列電極帶電情況，從毛細管末端噴出的帶電紡絲介質噴射流沿著直線路徑飛向帶電陣列電極，由于接收平臺的阻擋，噴射流就會堆積在接收平臺上，實現纖維的沉積可控。由于在靜電場下產生的紡絲介質的噴射流可以達到微米級或納米級，所以由此方法可制備出極微小的精密制品。

本發明一種纖維沉積路徑可控的靜電紡絲裝置，給料裝置可以是螺桿式的結構，主要包括料筒、料斗、轉動控制裝置、螺桿、加熱器和溫度傳感器，紡絲介質從料斗加入到料筒中，轉動控制裝置帶動螺桿轉動將紡絲介質均勻地擠入到噴嘴，經噴嘴前端的毛細管流出，毛細管和噴嘴采用錐面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接。在料筒外側包覆加熱器，溫度傳感器安裝在料筒上。給料裝置亦可以是柱塞式的結構，主要包括料筒、柱塞、微位移驅動器、加熱器和溫度傳感器，將定量的紡絲介質加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在紡絲介質上，微位移驅動器帶動柱塞使其在料筒內移動，柱塞通過微位移驅動器的控制使紡絲介質經由噴嘴和毛細管流出，在料筒外側包覆加熱器，在料筒上安裝溫度傳感器。