[发明专利]一种超声辅助静电纺丝装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，特别是涉及一种具有超声辅助功能并在悬浊液静电纺丝上有着绝对优势的静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术作为一种装置简单、成本低廉、可纺物质种类广泛的一维纳米纤维构筑技术，在近十多年来世界材料科学技术领域引起了广泛的研究和关注。

静电纺丝一词源于electrospinning或更早一些的electrostatic spinning，国内一般简称为静电纺、电纺丝、电纺等。1934年，Formalas发明了用用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利。据统计，目前全球范围内从事与静电纺丝相关研究的高校和科研机构已超过200所，中国专利ZL201010130864.7和ZL201210241044.4等对静电纺丝装置及产品有了逐步发展。

静电纺丝技术是通过静电力作为牵引力来制备纳米纤维的方法，其基本原理是将聚合物溶液加上上万伏的高压静电，从而在喷头和接地的接收盘之间形成一个强大的电场，随着电压的增大在某一临界电场力时聚合物溶液将克服表面张力形成射流，并在到达接收盘的过程中劈裂和溶剂挥发形成纳米纤维。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、无机/有机复合和无机纳米纤维。静电纺丝有机/无机符合纳米纤维的性能不仅与纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等有关。如何制备出适合需要的、高性能、多功能的复合纳米纤维是研究的关键。此外，无机纳米纤维在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途。

传统的静电纺丝装置在应用当中存在一定的局限性，限制了其应用领域的进一步拓展，即传统的静电纺丝装置只能以均一稳定的溶液为原料。由于静电纺丝的原料通常置于医用注射器当中，在长时间（通常10-20小时）的静电纺丝过程当中只有保持溶液的均一稳定，才可保证成丝质量的稳定性，而研究者常将静电纺丝纳米纤维上负载各种纳米颗粒，以达到高效催化、高性能传感、能源储存等目的。传统的静电纺丝装置需纳米颗粒前驱体与聚合物模板共同溶于溶液当中，并在纺丝后的煅烧过程中除去聚合物模板形成所需纳米颗粒，限制了可负载纳米颗粒的种类。而本发明利用超声波使静电纺丝原料在纺丝过程中得以不断分散，使原本只能应用于溶液的静电纺丝技术拓展为亦可用于悬浊液的静电纺丝技术，使需负载的纳米颗粒直接分散于聚合物模板溶液当中，避免了长时间纺丝过程中悬浊液的沉淀，增加了悬浊液的均一性，使可负载的纳米颗粒种类得到了极大拓展，其不再需要前驱体溶于聚合物模板溶液，并省去了纺丝之后的纳米颗粒成型步骤，使纳米颗粒的形貌变得更加稳定可控。对于静电纺丝技术及其负载纳米颗粒应用领域的拓展具有一定意义。

发明内容

鉴于目前静电纺丝技术中所面临的上述问题，本发明的目的是设计一种具有超声辅助的静电纺丝装置，可应用于悬浊液的静电纺丝。

本发明的目的是这样实现的：所述的一种超声辅助静电纺丝装置，包括超声辅助系统、供料系统、参数控制系统、收集系统和玻璃箱体；其特征在于：1）所述的超声辅助系统包括超声波发生器、超声波换能器、中空式水箱和低温恒温水浴槽，超声波换能器固定于中空式水箱外侧，并与超声波发生器相连由其提供高频交流电信号，用于在中空式水箱内产生超声波，低温恒温水浴槽用于控制中空式水箱内水的温度；2）所述的供料系统包括微量注射泵、助推注射器Ⅰ、助推注射器Ⅱ、硅胶管、样品注射器、外螺纹直通管、固定螺母、不锈钢点胶针头，助推注射器Ⅱ与样品注射器通过柄与柄相连后置于外螺纹直通管内，所述外螺纹直通管通过固定螺母固定于玻璃箱体上，硅胶管用于连接助推注射器Ⅰ和助推注射器Ⅱ的头部（即助推注射器Ⅰ头部与助推注射器Ⅱ头部以硅胶管相连），助推注射器Ⅰ连接微量注射泵，装满水的助推注射器Ⅰ由微量注射泵定量推动，从而使助推注射器Ⅱ产生相同的推动量，所述助推注射器Ⅱ与样品注射器通过柄与柄的连接使样品注射器产生相同的推动量，不锈钢点胶针头置于样品注射器头部且连接高压直流静电发生器并能控制成丝品质；3）所述的参数控制系统包括高压直流静电发生器、加热棒、温控仪，高压直流静电发生器与不锈钢点胶针头相连接且控制所需电压，温控仪与加热棒和热电偶相连且能控制所需静电纺丝环境温度；4）所述的收集系统包括接收盘和电机，接收盘与地线相连并由电机带动旋转。

在中空式水箱的垂直中轴线处开有一圆柱形孔洞，所述圆柱形孔洞的尺寸刚好能装一样品注射器。