[发明专利]一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置

说明书

技术领域：

本发明属于利用静电纺丝技术制备微纳米纤维领域，特别涉及一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置。

背景技术：

静电纺丝是一种可以规模化制备有机高分子和无机化合物材料微纳米纤维（纤维直径在几个微米到几个纳米之间）的技术。因其装置相对简单、实验成本低廉、操作方便、纺丝效率高，近年来已成为研究的热点，而且，其潜在应用前景也非常广阔。例如：在生物医药方面，静电纺丝纤维可用来协助进行药物缓释等；在电子器件方面可利用电纺纤维比表面积大的特点制备传感器件。

静电纺丝的原理和设备非常简单：高压电源提供高压，正极接在注射器（纺丝溶液容器）的不锈钢针头上，负极（接地）接在作为收集板的铝箔上。所施加的电压一般在7-30千伏之间，针头到收集极的距离（工作距离）一般为8-20厘米。实验时，将纺丝溶液装入注射器内，并加上高电压。由于高压电场的作用，纺液在针头处形成“泰勒锥”。当电场力克服表面张力后，“泰勒锥”纺液形成被极化的纤维射流，朝收集板的方向快速移动。在高压电场中，纤维射流被拉伸细化或发生劈裂，同时溶剂快速挥发，在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维。

利用传统静电纺丝装置得到的微纳米纤维均为无序纤维毡，纤维排列十分凌乱，这给一些实际应用带来了不小的困难。近年来，科研人员致力于改进传统静电纺丝装置以制备形貌可控的纳米纤维。例如电纺有序纤维阵列、图案化等被陆续提出和报道。同时，针对单根电纺微纳米纤维易断裂的缺点，如何提高电纺纤维力学性能方面的研究也逐渐引起了研究人员的兴趣。解决的办法有选择合适的纺丝材料、添加碳纳米管等纳米增强体、增强纤维之间的粘结强度，等等。其中，制备由大量微纳米纤维构成的纤维束绞线结构也是一种较好的解决方案。例如，专利号为201110137420.0，申请日为2011年5月14日的中国发明专利《框架收集式制备纳米纤维绞线结构》，通过改进收集装置获得绞线结构。专利号为200910084009.4，申请日为2009年5月12日的中国发明专利《一种将静电纺丝制得的纤维绞成绞线的装置》，改进传统静电纺丝装置引进多组电机装置制备出绞线结构。利用双环作为收集极获得平行排列的纤维，然后转动双环（Polymer46(2005)611-614）也同样得到了绞线结构。对装置改进以获得绞线结构的还有离心静电纺丝法制备绞线结构（例如，专利号：201110137417.9，申请日为2011年5月14日的中国发明专利《一种制备纳米纤维绞线结构的装置》）等等。国内外诸多文献也涉及到纤维束和绞线的制备情况。水浴捞丝法（Polymer46(2005)2419　2423）可制备出连续的纤维束。通过控制交变电场（Appl.Phys.Lett.90(2007)263902）可制备出螺旋缠绕的纤维。此外还有交流静电纺丝（Adv.Mater.21(2009)349-354）等等都专门为制备纤维束和绞线做了大量研究。但是上述方法均存在工艺流程复杂等问题：先制备较为有序的纤维，再进行纤维的绞制，从而得到绞线结构，且制备的纤维束绞线都是同质材料。

发明内容：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置。该装置利用一步操作制备出螺旋缠绕的纤维束和绞线，在操作工艺上省掉一步流程，节省时间，方便操作。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备异质螺旋缠绕纤维束和绞线的静电纺丝装置，包括绝缘箱和设置于绝缘箱内的纺丝喷头、注射器、注射器固定器、金属连接轴、第一电机及收集装置，其中第一电机安装于绝缘箱的上部，所述第一电机的输出轴通过金属连接轴与注射器固定器连接，所述注射器固定器上设有多个注射器，各注射器上均设有纺丝喷头，所述纺丝喷头与高压电源的正极连接，所述收集装置安装于绝缘箱的下部、并位于各纺丝喷头的下方，所述收集装置与高压电源的负极连接。

所述第一电机与电机调速器连接。所述收集装置为第一铝箔收集极。

所述收集装置为反向旋转收集装置，所述反向旋转收集装置包括第二铝箔收集极和第二电机，其中第二电机安装在绝缘箱的下部、并输出端设有第二铝箔收集极，所述第二铝箔收集极与高压电源的负极连接，所述第二电机的旋转方向与纺丝喷头的旋转方向相反。