组合式基于重力阶梯电场的静电纺丝实验装置的制作方法

本发明属于静电纺丝实验领域，涉及一种组合式基于重力阶梯电场的静电纺丝实验装置。

背景技术：

随着纳米科技的飞速发展,纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点,并在电子、机械、生物医学、化工、纺织等产业领域得到一定的应用，通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一，而静电纺丝技术是当今制备纳米纤维最简单有效的一种方法,所产生的纳米纤维具有众多优点,是未来发展的前景。静电纺丝的形成过程为：在聚合物溶液上加以足够大的高压静电，使聚合物滴液在与材料表面接触的时候能够产生喷射流。这些细流经过拉伸细化，与此同时经过弯曲、固化过程，沉积在物体表面形成纳米纤维膜。在静电纺丝工艺中，影响静电纺丝纤维形貌和性质的工艺变量主要为聚合物溶液的流体特性、纺丝工艺参数以及环境参数三个方面，聚合物溶液的流体特性主要为溶液的相对分子质量、相对分子质量分布、聚合物溶液的粘性、电导率、表面张力等特性参数；纺丝工艺参数主要为高分子溶液浓度、静电纺丝流体的流动速率、电场以及电场强度、毛细喷丝口与收集板之间的距离、收集板状态；环境参数主要为纺丝加工环境的温度和空气流动速度等，上述参数对静电纺丝工艺过程都起着决定性作用。但在传统的多针头电纺工艺过程中,由于高压电场的引入,使聚合物溶液粘度和表面张力有所改变,导致聚合物溶液射流在电场、力场和流场的共同作用下发生螺旋形式的不稳定鞭动运动。进而,由于多针头间电场存在强烈的相互干扰作用,使呈不稳定鞭动运动的射流出现多股并丝现象,严重影响纳米纤维沉积的均匀性和质量。而且，在常规多针头纺丝过程中，一次只能收集一种纺丝材料，极大降低了纺丝实验的效率。

技术实现要素：

为了解决防止多股喷射流之间互相交错的问题，本发明提出如下技术方案：一种组合式基于重力阶梯电场的静电纺丝实验装置，其特征在于，主要由装置底座，极板，收集板，电纺喷头，极板支撑臂，收集板支撑装置，电纺喷头固定臂组成，装置底座为矩形，装置底座竖有多个并行排列且高度不同的收集板支撑装置，及一个电纺喷头固定臂；收集板支撑装置对平铺的收集板支撑，且使得不同收集板在支撑高度呈阶梯式放置，所述的收集板支撑装置为可伸缩的支撑杆；在相邻两个不同高度的收集板间，且两收集板相邻侧的竖向，安装有极板，且极板的上、下两侧收集板端面平齐，最后一块收集板与电纺喷头固定臂间安装竖向的极板，该极板的下侧向下超出最后一块收集板的端面，并且该超出的部分与前极的收集板间横向安装极板支撑臂；所述的电纺喷头安装在电纺喷头固定臂的顶部，并对准最后一块收集板。

进一步的，所述的极板支撑臂在竖向可沿着收集板的相应部分的滑槽滑动，所述的最后一块收集板的滑槽竖向成型于收集板的底部与中部间，所述的最后一块收集板的前级收集板的滑槽竖向成型于收集板的顶部与中部间。

进一步的，收集板呈阶梯式放置，底部由收集板支撑装置支撑，其表面覆有一层锡纸，用于收集电纺纤维。

进一步的，电纺喷头置放于电纺喷头固定臂的顶部使溶液在电场的作用下喷出。

进一步的，极板支撑臂与收集板支撑装置呈十字固定结构。

进一步的，极板分为1号极板、2号极板、3号极板，收集板支撑装置分为1号装置、2号装置、3号装置，底端分别固定于装置底座，中间部分为伸缩式杆式结构，其中3号装置上端与极板支撑臂呈十字固定结构，收集板支撑装置上端为圆盘式以用于置放收集板。

有益效果：该装置通过电场控制的静电纺丝过程，来控制喷射流的运动过程，电场的分布直接对纺丝过程的控制效果产生影响。与传统多喷头静电纺丝过程相比，引入电场的静电纺丝过程中电场对多喷射流作用，喷射流的运动行为及微观形态都会有所改变，主要为以下几个方面：(1)引入电场后，每股喷射流会受到电场力的作用，在喷射流下落过程中，可防止多股喷射流之间互相交错。(2)引入电场后，喷射流的摆动幅度减小，相应的损耗能量减小，促使喷射流的运动速度进一步增加，纤维直径相应减小。(3)引入电场后，控通过控制极板电压，因为极板对喷射流的偏置作用，可使一股喷射流可落在阶梯式排列的三个不同的收集板上，因为收集板高度不同，收集到的电纺纤维材料不同。(4)当四个电纺喷头同时进行工作时，一次实验即可收集到12种不同纤维材料，极大提高了静电纺丝的实验效率。

附图说明

图1装置示意图

图2多喷头装置示意图

图3极板与极板支撑臂连接示意图

图4收集板支撑装置

图5喷射流运动轨迹示意图

具体实施方式

本发明是一种基于重力阶梯电场的静电纺丝实验装置。通过将可控重力阶梯电场引入到静电纺丝过程中，以较低的成本实现了对多喷头带电喷射流运动过程的轨迹控制，并且在此过程中可收集到多种不同的电纺纤维材料，提高了纺丝纤维收集的效率及纺丝纤维的质量。

所述基于重力阶梯电场的静电纺丝实验装置由装置底座1，极板2，收集板3，电纺喷头4，极板支撑臂5，收集板支撑装置6，电纺喷头固定臂7等部分组成。

装置底座1为矩形，是由一种由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的高分子化合物材料，该材料具有较好的透明性、化学稳定性、力学性能、耐候性和易于加工等优点。在进行电纺实验时，可根据要求加工成多尺寸的矩形，在装置底座底部设有收集板支撑装置,电纺喷头固定臂。

极板2分为1号极板21、2号极板22、3号极板23，为两层伸缩式结构设计，其中1号极置于装置底座底部，2号以及3号极板为凹槽式设计，由极板支撑臂固定，可在极板支撑臂上调节滑行。在静电纺丝过程中，可根据工艺要求，调节极板至合适高度。三块极板呈阶梯式放置，在进行纺丝实验时，将极板分别通入直流电源。

收集板3呈阶梯式放置，底部由收集板支撑装置支撑，其表面覆有一层锡纸，主要用于收集电纺纤维。

电纺喷头4置放于电纺喷头固定臂，主要负责各种溶液，使溶液在电场的作用下喷出。

极板支撑臂5是由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，具有硬度高、抗腐蚀性好等优点，固定于装置底座底部，主要负责支撑极板，极板支撑臂与收集板支撑装置3号呈十字固定结构。

收集板支撑装置6分为1号装置、2号装置、3号装置，底端分别固定于装置底座底部，中间部分为伸缩式杆式结构，其中3号装置上端与极板支撑臂呈十字固定结构，收集板支撑装置上端为圆盘式设计，主要用于置放收集板。在进行电纺实验之前，可根据试验要求，调节支撑装置高度。

电纺喷头固定臂7主要负责固定电纺喷头，并可根据静电纺丝实验要求，调节电纺喷头位置。

具体技术内容：

在常规的多喷头电纺纤维实验装置中喷射针头与收集板形成正负电压，带电电纺溶液从针头中喷射出来，落在收集板上，由于静电纺丝过程中多股喷射流下落过程中的不稳定性，导致了在纺丝过程中容易出现纤维结构单一、不均匀等后果，而且静电纺丝过程耗时较长，一次纺丝实验只能得出一种电纺纤维，纺丝效率低下。一种组合式基于重力阶梯电场的静电纺丝实验装置由装置底座，极板，收集板，电纺喷头，极板支撑臂，收集板支撑装置，电纺喷头固定臂等部分组成。其中装置底座为矩形空间，是由一种由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的高分子化合物材料，该材料具有较好的透明性、化学稳定性、力学性能、耐候性和易于加工等优点。在进行电纺实验时，可根据要求加工成多尺寸的矩形空间，在装置底座底部设有收集板支撑装置，电纺喷头固定臂。其中极板支撑臂是由经过阳极氧化处理的铝镁合金材料制成，经过阳极氧化处理的铝镁合金表面形成一层氧化膜，在极板通入直流电时，可做良好的绝缘体；极板支撑臂固定于装置底座底部，主要负责支撑极板，极板支撑臂与收集板支撑装置呈十字固定结构。

在纺丝实验开始前，首先调节根据本次实验参数要求，调节收集板支撑装置高度，调节2号极板以及3号极板高度，将收集板分别放在收集板支撑装置上，最后调节电纺喷头高度及位置，如需多喷头同时工作时，应依次调节各喷头以及极板高度，各相应极板应处于同一高度，以确保在相同参数下实验的准确性，为统一各个极板以及收集板要求高度，在收集板支撑装置上设有刻度标志。然后，根据实验要求，以及预期实验电纺材料，将各个极板以及电纺喷头接入相应伏安正电压。最后将调节好的各个部分装置固定，启动装置，使电纺喷头进入工作状态。在电纺喷头进行工作后，由于重力及强电场作用，电纺溶液经拉伸、细化、劈裂等过程在收集板上形成电纺纤维，喷射流经过1号极板时，极板与对应收集板之间可形成空间电场，喷射流在此空间内受电场力的作用运动轨迹发生偏移，此偏移运动远离极板，由于喷射流运动轨迹的偏移，将有三分之一的喷射流落入收集板，形成电纺纤维；另三分之二的喷射流将偏离收集板，进入2号极板所对应的空间电场内继续拉伸、细化，与在1号极板所形成的空间电场内运动轨迹大致相同，喷射流在2号极板所对应空间电场内的运动轨迹继续发生偏移，三分之一的喷射流落入2号极板所对应的收集板上，形成电纺纤维；另三分之一的喷射流进入3号极板所形成的空间电场，与1号、2号极板有所不同的是，3号极板所加有极小电压，喷射流运动轨迹几乎不偏移或发生细微偏移，最后落入收集板，形成电纺纤维；如多针头并排同时进行工作时，多股喷射流由于受偏移电场力的作用，喷射流径向作用力可促使喷射流的旋转半径减小，可防止多股喷射流交错缠绕。在上述过程中，由于喷射流运动轨迹及运动高度均发生改变，在不同收集板上所形成的电纺纤维材料直径、结构也有所不同，在完成电纺实验时，可收集到三等份不同直径与结构的电纺纤维材料，极大提高了电纺纤维实验样品的收集效率，降低了收集成本，本装置在实际应用中可以在形式上和细节上对其做各种改变，为电纺纤维材料的研发工作打下坚实基础。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。