一種靜電紡絲裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集成型靜電紡絲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲技術(shù)是制備微納米纖維最簡(jiǎn)單、有效的方法之一，其概念最早在1745年就已經(jīng)提出，但直到20世紀(jì)90年代才開始發(fā)展，隨著近年來納米技術(shù)的興起，靜電紡絲技術(shù)逐漸引起全球范圍內(nèi)的關(guān)注，迎來了發(fā)展的黃金時(shí)期，并已經(jīng)開始在組織工程支架、藥物緩釋、過濾、防護(hù)服、電池隔膜等領(lǐng)域嶄露頭角。
[0003]靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝，聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲，在電場(chǎng)作用下，針頭處的液滴會(huì)由球形變?yōu)閳A錐形，并從圓錐尖端延展得到纖維細(xì)絲。這種方式可以生產(chǎn)出納米級(jí)直徑的聚合物細(xì)絲。靜電紡絲成功與否的影響因素有很多:例如聚合物的分子量、分子量分布和分子結(jié)構(gòu)、溶液性質(zhì)、電動(dòng)勢(shì)大小、毛細(xì)管和收集集之間的距離、環(huán)境參數(shù)、收集集的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、以及噴絲口的針頭形狀等等。此外，靜電紡絲機(jī)的結(jié)構(gòu)、功能和工藝可控性也是影響靜電紡絲成功與否的關(guān)鍵因素。
[0004]盡管現(xiàn)有市售靜電紡絲機(jī)種類繁多，但其核心部件都是以市售的數(shù)顯高壓電源、推進(jìn)泵等組合拼湊而成，集成度不高，導(dǎo)致現(xiàn)有的電紡裝置體積大(至少lm3)、重量大(至少70kg)、移動(dòng)操作困難、使用靈活性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種設(shè)備集成化程度高、且電壓流速可調(diào)的靜電紡絲
目.ο
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置，包含驅(qū)動(dòng)單元、推進(jìn)單元和靜電紡絲單元，其中，驅(qū)動(dòng)單元包含步進(jìn)電機(jī)、向步進(jìn)電機(jī)供電的變壓器以及控制步進(jìn)電機(jī)工作的步進(jìn)電機(jī)控制電路；推進(jìn)單元包含與步進(jìn)電機(jī)連接的螺桿、與螺桿平行設(shè)置的至少一個(gè)導(dǎo)軌以及與螺桿垂直設(shè)置的推進(jìn)板；螺桿在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)、并帶動(dòng)推進(jìn)板沿導(dǎo)軌滑動(dòng)；靜電紡絲單元包含注射器、可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊和電紡纖維收集極；可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊在注射器與電紡纖維收集極之間形成高壓靜電場(chǎng)，注射器在推進(jìn)板的滑動(dòng)推動(dòng)下，向電紡纖維收集極噴射電紡溶液，電紡溶液在高壓靜電場(chǎng)的作用下形成射流。
[0007]在上述包含驅(qū)動(dòng)單元、推進(jìn)單元和靜電紡絲單元的靜電紡絲裝置中，驅(qū)動(dòng)單元主要通過變壓器將外界的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合步進(jìn)電機(jī)工作的電壓后，供給步進(jìn)電機(jī)作為其工作電壓；步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)單元中的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)推進(jìn)板沿導(dǎo)軌滑動(dòng)；而推進(jìn)板沿導(dǎo)軌的滑動(dòng)又可進(jìn)一步推動(dòng)靜電紡絲單元中的注射器向電紡纖維收集極噴射電紡溶液，同時(shí)可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊在注射器和電紡纖維收集極之間形成高壓靜電場(chǎng)，注射器所噴射的電紡溶液在該高壓靜電場(chǎng)的作用下，形成射流，射流在空氣中經(jīng)過劈裂、拉伸、固化等過程后沉積到電紡纖維收集極上，從而制備得到微納米纖維膜。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置克服了目前靜電紡絲設(shè)備所面臨的集成度低、體積大、重量大等不足之處，首次采用小型化的可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓電源，來提供靜電紡絲過程中的高壓靜電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了電紡電壓和流速的可調(diào)節(jié)性；此外，使該可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊與靜電紡絲裝置的其他功能單元(推進(jìn)單元和驅(qū)動(dòng)單元)進(jìn)行了模塊化集成設(shè)計(jì)和融合，實(shí)現(xiàn)了靜電紡絲裝置的高度集成化，使靜電紡絲裝置的設(shè)備總體積縮減為0.02m3左右，與目前靜電紡絲設(shè)備相比體積至少縮小了 50倍，大大節(jié)省了設(shè)備存放空間；同時(shí)設(shè)備重量大幅度減小至3kg左右，操作人員單手即可靈活移動(dòng)，操作控制極為方便，實(shí)用價(jià)值大大提升；而且由于體積大大減小，在較小的空間即可安置多組微型電紡設(shè)備同時(shí)進(jìn)行靜電紡絲，為快速制備電紡纖維提供了可能性。
[0009]優(yōu)選地，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置中，推進(jìn)單元中的螺桿、導(dǎo)軌和推進(jìn)板之間的連接關(guān)系如下:螺桿穿過推進(jìn)板、并與推進(jìn)板之間通過螺母咬合連接；導(dǎo)軌穿過推進(jìn)板、并與推進(jìn)板之間通過滑動(dòng)軸承連接。在上述的連接關(guān)系中，螺桿與推進(jìn)板之間的螺母咬合連接保證了螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)可轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)板的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的推進(jìn)功能；而導(dǎo)軌與推進(jìn)板之間的滑動(dòng)軸承連接則確保了推進(jìn)板在導(dǎo)軌上沿直線來回滑動(dòng)。
[0010]進(jìn)一步地，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置中，推進(jìn)單元還包含平行設(shè)置的擋板和支撐架，導(dǎo)軌垂直連接擋板和支撐架，推進(jìn)板在擋板和支撐架之間滑動(dòng)。此外，步進(jìn)電機(jī)可固定于支撐架遠(yuǎn)離導(dǎo)軌的一側(cè)，與步進(jìn)電機(jī)相連的螺桿穿過支撐架，且通過滾動(dòng)軸承與擋板相連。通過擋板和支撐架的設(shè)置，為推進(jìn)單元中推進(jìn)板沿導(dǎo)軌的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)限定了一個(gè)有限的空間距離，擋板和支撐架之間的距離可根據(jù)實(shí)際需求在生產(chǎn)過程中進(jìn)行合理的設(shè)定；此外，支撐架還起到了固定步進(jìn)電機(jī)的作用，從而進(jìn)一步提高了靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性和緊湊性。
[0011]更進(jìn)一步地，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置中，還包含控制面板，控制面板分別與步進(jìn)電機(jī)控制電路和可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊相連。在控制面板上可設(shè)有各種功能鍵鈕，通過調(diào)節(jié)這些功能鍵鈕，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制電路以及可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊的控制調(diào)節(jié)，從而便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電紡絲裝置的電紡電壓和電紡流速等的實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0012]優(yōu)選地，控制面板上還可設(shè)有顯示屏，顯示屏顯示推進(jìn)板的推進(jìn)速度和推進(jìn)時(shí)間，對(duì)推進(jìn)板的推進(jìn)速度和推進(jìn)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可進(jìn)一步提高靜電紡絲裝置在使用過程中的工藝可控性。
[0013]優(yōu)選地，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置中，注射器設(shè)有中空不銹鋼針頭。此外，該靜電紡絲裝置還包含外殼，外殼上設(shè)有與可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊的輸出端正極相連的正極插頭、以及與可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊的輸出端負(fù)極相連的負(fù)極防靜電插頭。電紡纖維收集極通過導(dǎo)線與正極插頭相連、注射器的中空不銹鋼針頭則通過防靜電高壓線與負(fù)極防靜電插頭相連。在靜電紡絲裝置工作過程中，中空不銹鋼針頭與電紡纖維收集極之間的距離可根據(jù)工藝需要進(jìn)行調(diào)整，可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊的輸出端在注射器的中空不銹鋼針頭和電紡纖維收集極之間形成穩(wěn)定的電壓可調(diào)式高壓靜電場(chǎng)，從而使得從中空不銹鋼針頭中流出的電紡溶液可形成穩(wěn)定的射流，進(jìn)而在電紡纖維收集極上形成微納米纖維膜。
[0014]另外，本發(fā)明的實(shí)施方式所提供的靜電紡絲裝置還可包含散熱單元，該散熱單元可以為設(shè)于靜電紡絲裝置外殼上的散熱風(fēng)扇，散熱風(fēng)扇也可通過變壓器提供電能來工作，達(dá)到為靜電紡絲裝置的內(nèi)部器件散熱降溫的作用，以此保證靜電紡絲裝置內(nèi)部部件在正常溫度下工作，提高其操作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)其使用壽命。
【附圖說明】
[0015]圖1是第一實(shí)施方式的靜電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是第一實(shí)施方式的靜電紡絲裝置中的擋板部位的局部放大圖；
[0017]圖3是第一實(shí)施方式的靜電紡絲裝置中的推進(jìn)板部位的局部放大圖；
[0018]圖4是第二實(shí)施方式的靜電紡絲裝置中的控制面板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5是第三實(shí)施方式的靜電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖6是第五實(shí)施方式中所制備得到的聚己內(nèi)酯(PCL)微納米電紡纖維的電鏡圖；
[0021]圖7是第六實(shí)施方式中所制備得到的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)納米電紡纖維的電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實(shí)施方式中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
[0023]第一實(shí)施方式
[0024]本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種靜電紡絲裝置，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示，具體來說，該靜電紡絲裝置包含一個(gè)外殼，本實(shí)施方式中該外殼是塑料外殼12，電源插頭13固定于外殼12上；電源插頭13的一端與220V交流電源線14連接，另一端通過導(dǎo)線與電源開關(guān)I相連；在塑料外殼12上設(shè)有控制面板3，控制面板3用于調(diào)整靜電紡絲裝置中的步進(jìn)電機(jī)控制電路16和可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21的輸出。此外，該靜電紡絲裝置還包含驅(qū)動(dòng)單元、推進(jìn)單元和靜電紡絲單元。
[0025]在驅(qū)動(dòng)單元中，包含步進(jìn)電機(jī)17、向步進(jìn)電機(jī)17供電的變壓器15以及控制步進(jìn)電機(jī)17工作的步進(jìn)電機(jī)控制電路16。步進(jìn)電機(jī)控制電路16的一端與控制面板3通過導(dǎo)線相連，另一端與步進(jìn)電機(jī)17通過導(dǎo)線相連；變壓器15的輸入端與電源開關(guān)I通過導(dǎo)線相連，輸出端與裝置中用電部分通過導(dǎo)線相連，為各用電部分提供12V直流電。
[0026]在推進(jìn)單元中，包含與步進(jìn)電機(jī)17連接的螺桿19、與螺桿19平行設(shè)置的兩個(gè)導(dǎo)軌20以及與螺桿19垂直設(shè)置的推進(jìn)板4 ;本實(shí)施方式中，螺桿19和導(dǎo)軌20均為不銹鋼材質(zhì)。螺桿19穿過推進(jìn)板4、并與推進(jìn)板4之間通過螺母41咬合連接；導(dǎo)軌20穿過推進(jìn)板
4、并與推進(jìn)板4之間通過滑動(dòng)軸承42連接；螺桿19在步進(jìn)電機(jī)17的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)、并帶動(dòng)推進(jìn)板4沿導(dǎo)軌20滑動(dòng)。此外，推進(jìn)單元還包含平行設(shè)置的擋板5和支撐架18，本實(shí)施方式中，螺桿19和導(dǎo)軌20均為塑料材質(zhì)。導(dǎo)軌20垂直連接擋板5和支撐架18，因此，推進(jìn)板4工作時(shí)是在擋板5和支撐架18之間滑動(dòng)。本實(shí)施方式中的支撐架18還用來固定步進(jìn)電機(jī)17:步進(jìn)電機(jī)17固定于支撐架18遠(yuǎn)離導(dǎo)軌20的一側(cè)，與步進(jìn)電機(jī)17相連的螺桿19穿過支撐架18，且通過滾動(dòng)軸承51與擋板5相連。推進(jìn)單元中擋板5和推進(jìn)板4部位的局部放大圖如附圖2和附圖3所示。
[0027]在靜電紡絲單元中，包含注射器6、可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21和電紡纖維收集極9，注射器6設(shè)有中空不銹鋼針頭7 ;可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21置于裝置的最前端，其輸入端通過導(dǎo)線與控制面板3相連接，且在裝置的外殼12上設(shè)有與可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21的輸出端正極相連的正極插頭11、以及與可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21的輸出端負(fù)極相連的負(fù)極防靜電插頭22。可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21的輸出端正極通過正極插頭11和正極導(dǎo)線10與電紡纖維收集極9相連，可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21的輸出端負(fù)極通過負(fù)極防靜電插頭22和防靜電高壓線23與注射器6的中空不銹鋼針頭7相連。在工作時(shí)，可調(diào)式高壓靜電發(fā)生模塊21在注射器6與電紡纖維收集極9之間形成高壓靜電場(chǎng)，注射器6在推進(jìn)板4的滑動(dòng)推動(dòng)下，向電紡纖維收集極