基于空间叠加电场控制的电纺纤维多参数样品收集装置及方法与流程

1.本发明属于静电纺丝实验领域，涉及一种基于空间叠加电场控制的电纺纤维多参数样品收集装置及方法。


背景技术：

2.近几年来纳米材料的研究成为一个热点问题。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。与传统的分离与拉伸方式相比，静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控、在纳米纤维的提取上具有更为明显的有效性等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要运径之一。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。电纺纤维批量化生产技术是未来静电纺丝技术研究的一个重要方向，国内外研究者纷纷对静电纺丝收集装置进行了改进研究，以期提高电纺纤维的产量。静电纺丝受电场强度因素影响很大，随电场强度增大，高分子静电纺丝溶液的喷射流具有更大的外表电荷密度，因而有更大的静电斥力，进而导致静电纺丝向与电场力相斥的方向弯曲，同时，电场强度越大使喷射流获得更大的加快度。目前，基于空间电场控制的静电纺丝的收集器有很多，然而都是单个电场控制，由于静电纺丝喷头的溶液喷出后，在不同位置所受电场强度不同，导致喷头喷出的细流弯曲程度不同，这对于纺丝的收集造成一定的难度。


技术实现要素：

3.为了解决静电纺丝喷头的溶液喷出后，在不同位置所受电场强度不同，导致喷头喷出的细流弯曲程度不同，这对于纺丝的收集造成一定的难度的问题，本发明提出如下技术方案：一种基于空间叠加电场控制的电纺纤维多参数样品收集装置，包括电纺喷射控制支撑装置、叠加电场发生装置和多参数电纺纤维收集装置，电纺喷射控制支撑装置用于双向支撑静电纺丝喷头，叠加电场发生装置产生叠加可控电场，使静电纺丝喷头喷射的电纺纤维通过可控电场落在多参数电纺纤维收集装置中。
4.进一步的，电纺喷射控制支撑装置包括静电纺丝喷头、双向纺丝喷头支撑架和装置支撑座，双向纺丝喷头支撑架安装在装置支撑底座上，两个静电纺丝喷头固定在双向纺丝喷头支撑架的支架的两个端部。
5.进一步的，电纺喷射控制支撑装置还包括矢量平衡杆和配重调节块，双向纺丝喷头支撑架通过转轴可转动安装在装置支撑底座上，且双向纺丝喷头支撑架的支架的两端部通过伸缩结构可伸缩连接在支架上，矢量平衡杆安装在所述转轴的顶部，配重调节块安装在矢量平衡杆的两端部。
6.进一步的，叠加电场发生装置包括层叠环形滑轨、层叠滑轨支撑柱、滑轨支撑架、
可伸缩支撑杆、角度电场调节器，两个静电纺丝喷头向下各对着对应的叠环形滑轨，所述的叠环形滑轨由若干个环形滑轨通过层叠滑轨支撑柱支撑而成，并通过滑轨支撑架安装在装置支撑座上，各层环形滑轨的轨道内部安装滑块，各层的滑块能沿环形滑轨环形滑动，滑块朝向环形滑轨中心的一端连接可伸缩支撑杆，可伸缩支撑杆连接角度电场调节器，角度电场调节器的电场调节板的可调整的张合面朝向静电纺丝喷头。
7.进一步的，叠加电场收集装置包括收集装置、位置传感器以及滚轮传送装置，装置支撑座具有安装槽，安装槽内安装滚轮传送装置，滚轮传送装置上方安装滑轨支撑架，且滑轨支撑架固定在装置支撑座上，使安装在滑轨支撑架上的叠加电场发生装置位于滚轮传送装置的上方，收集装置在滚轮传送装置上停留或运输而接收静电纺丝或运输静电纺丝。
8.进一步的，收集装置是九宫格收集板，板上有九个格子划分，每个格子分别用来收集不同的纺丝。
9.进一步的，装置支撑座边缘安装位置传感器而控制收集装置到达边缘而发出停止滚轮传送装置传动的信号，信号由控制器接收，并发出控制信号驱动电机停转。
10.进一步的，双向纺丝喷头支撑架1.2是合金材质的支撑架。
11.进一步的，双向纺丝喷头支撑架的支架通过转动结构能够左右旋转，通过折叠结能向上折臂90度。
12.进一步的，滚轮传送装置在支撑底座左右凹槽两侧，用多个小圆柱体排列，小圆柱体的材质是树脂材质。
13.有益效果：本发明通过叠加电场发生装置产生叠加可控电场，使静电纺丝喷头喷射的电纺纤维通过可控电场落在多参数电纺纤维收集装置中，使得不同位置所受电场强度可多方位调节。
附图说明
14.图1是装置结构示意图。
15.1.1.静电纺丝喷头，1.2.双向纺丝喷头支撑架，1.3.装置支撑座，1.4.矢量平衡杆，1.5.配重调节块，2.1.可伸缩支撑杆，2.2.角度电场调节器，2.3.层叠环形滑轨，2.4.层叠滑轨支撑柱，2.5.滑轨支撑架，3.1.九宫格收集板，3.2.滚轮传送装置，3.3.位置传感器。
具体实施方式
16.为了更清楚底说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图对实施例做进一步说明。如图1所示，基于空间叠加电场控制的电纺纤维多参数样品收集装置主要由三大部分组成，分别是电纺喷射控制支撑装置、叠加电场发生装置和多参数电纺纤维收集装置。第一部分电纺喷射控制支撑装置主要由静电纺丝喷头1.1、双向纺丝喷头支撑架1.2、装置支撑座1.3、矢量平衡杆1.4和配重调节块1.5组成。第二部分叠加电场发生装置主要由可伸缩支撑杆2.1、角度电场调节器2.2、层叠环形滑轨2.3、层叠滑轨支撑柱2.4和滑轨支撑架2.5组成。第三部分电纺纤维收集装置主要由九宫格收集板3.1、滚轮传送装置3.2和位置传感器3.3组成。
17.静电纺丝喷头1.1为电纺喷射通用配件，可通过铆合方式固定在双向纺丝喷头支撑架1.2上，方便拆卸。静电纺丝喷头放有不同电性电荷的溶液，当通入电源时两极板之间
会产生均匀分布的电场，喷射流经过电场落到收集板上。
18.双向纺丝喷头支撑架1.2采用的是合金材质，具有耐用、硬度高的优点。双向纺丝喷头支撑架1.2分别连接着静电纺丝喷头1.1和装置支撑底座1.3，起到支撑作用，并且双向纺丝喷头支撑架1.2可左右旋转、可向上折臂90度。可以通过控制支撑架的位置进而控制静电纺丝喷头的位置，以方便安装各种尺寸的叠加电场发生装置。层叠环形滑轨2.3支撑架由两个滑轨支撑架2.5支撑，采用合金的材质，防止变形，可提供足够的支撑力。本发明的双向纺丝喷头支撑架1.2可分别放置两个纺丝喷头，进行喷丝实验。装置支撑底座1.3采用的材质是环氧性树脂板，有着耐腐蚀、绿色环保的优点。装置支撑底座1.3与滚轮传送装置3.2相连接。装置支撑底座1.3表面有两个平行的长方形凹槽，凹槽的长宽分别正好将滚轮传送装置3.2嵌入其中，固定滚轮传送装置。
19.所述矢量平衡杆1.4用来调节平衡。通过调节配重调节块1.5的横向位置来实现装置整体重力的实时平衡，防止纺丝喷头在旋转时造成的重力不稳，从而影响喷头的位置偏移。
20.所述配重调节块1.5与矢量平衡杆1.4相连，实现装置整体重力的实时平衡。
21.可伸缩支撑杆2.1用于调整角度电场调节器2.2距离喷头的距离。进而作为二级调节收集到不同的纺丝。
22.角度电场调节器2.2可通过张合的角度来调节电场，其所带电压及开合角度形成的电场力可双向合力并作用在下落的电纺纤维上，调节度达到三级调节。
23.层叠环形滑轨2.3采用合金材质，有着不易变形，耐用的优点。为本发明提供一级可调节电场方向的装置，层叠环型滑轨2.3的轨道朝向内侧，与滑块相连接，用于360度调节可伸缩支撑杆2.1的环向位置。
24.层叠滑轨支撑柱2.4由多根长度可调的连接杆组成，用于连接各个层级的环形滑轨。
25.滑轨支撑架2.5安装在装置支撑座1.3上，用于承载整个叠加电场发生装置。叠加电场发生装置通过可伸缩支撑杆2.1连接到环形滑轨的滑块上，可伸缩支撑杆2.1另一端与角度电场调节器2.2相连接，将电纺发生装置和电场控制装置组合起来构成一个整体。
26.叠加电场收集装置主要是由收集装置九宫格收集板3.1、位置传感器3.3以及滚轮传送装置3.3组合而成，滑轨支撑架2.5将九宫格收集板3.1和叠加电场发生装置隔离开。九宫格收集板3.1材质采用树脂，容易塑形，并且性质稳定。用于收集电纺纤维样品。九宫格收集板3.1是根据叠加电场支撑装置与叠加电场发生装置可实现的功能而制成的样式。收集板是长为l米、宽为d米、高度为h米的五面长方体结构，在其内侧有九个格子划分，每个小格子分别用来收集不同的纺丝。
27.滚轮传送装置3.2用于传送九宫格收集板3.1。滚轮传送装置在支撑底座左右凹槽两侧，用多个小圆柱体排列。小圆柱体的材质均采用树脂材质，有着表面光滑，摩擦力小的优点，方便灵活传送。
28.位置传感器3.3用于检测九宫格收集板3.1的位置，当九宫格收集板3.1靠近装置支撑座1.3的边缘时，停止滚轮传送装置3.2转动。
29.静电纺丝的溶液经过喷头喷出后，会通过叠加电场发生装置的第一级调节，即通过与多层环形滑轨的轨道连接的滑块的滑动将可伸缩支撑杆在环向内调节到合适位置，和
可伸缩支撑杆的第二级调节，即通过伸缩支撑杆的伸缩来调节角度电场调节器距离喷头的距离，以及折合型角度电场调节器的第三级可调，即通过其张合的角度来调节电场，将其所带电压及开合角度形成的电场力双向合力并且作用在下落的电纺纤维上，三个级别的调节共同作用在喷射的纺丝溶液上，可控制纺丝溶液的弯曲程度和喷射方向，使喷射的纺丝溶液都向九宫格的第一个小格子里喷射。当第一个小格子里的溶液收集满时，可再次通过多层环形滑轨的第一级调节、可伸缩支撑杆的第二级调节、折合型可调极板的第三级可调，分别作用在喷射的纺丝溶液上，使喷射的纺丝都收集到第二个格子里，以此类推，直到九宫格收集板都收集满纺丝溶液，以达到不同区域得到不同的纺丝。九宫格收集装置放置在滚轮传送装置上，收集板在滚轮传送装置上可以前后运动，当收集装置收集满时，九宫格收集板便从滚轮传送装置中传送，同时利用位置传感器来检测九宫格收集板的位置，当九宫格收集板靠近装置支撑座的边缘时，停止滚轮传送带的转动，使得收集装置收集满时及时替换。加快生产效率，提高生产力，以便得到更多所需的纺丝。
30.在一种实施例中，一种基于空间叠加电场控制的电纺纤维多参数样品收集装置，包括电纺喷射控制支撑装置、叠加电场发生装置和多参数电纺纤维收集装置，电纺喷射控制支撑装置用于双向支撑静电纺丝喷头1.1，叠加电场发生装置产生叠加可控电场，使静电纺丝喷头1.1喷射的电纺纤维通过可控电场落在多参数电纺纤维收集装置中。
31.作为技术方案的补充，电纺喷射控制支撑装置包括静电纺丝喷头1.1、双向纺丝喷头支撑架1.2和装置支撑座1.3，双向纺丝喷头支撑架1.2安装在装置支撑底座上，两个静电纺丝喷头1.1固定在双向纺丝喷头支撑架1.2的支架的两个端部。
32.作为技术方案的补充，电纺喷射控制支撑装置还包括矢量平衡杆1.4和配重调节块1.5，双向纺丝喷头支撑架1.2通过转轴可转动安装在装置支撑底座上，且双向纺丝喷头支撑架1.2的支架的两端部通过伸缩结构可伸缩连接在支架上，矢量平衡杆1.4安装在所述转轴的顶部，配重调节块1.5安装在矢量平衡杆1.4的两端部。
33.作为技术方案的补充，叠加电场发生装置包括层叠环形滑轨2.3、层叠滑轨支撑柱2.4、滑轨支撑架2.5、可伸缩支撑杆2.1、可伸缩支撑杆2.2，两个静电纺丝喷头1.1向下各对着对应的叠环形滑轨，所述的叠环形滑轨由若干个环形滑轨通过层叠滑轨支撑柱2.4支撑而成，并通过滑轨支撑架2.5安装在装置支撑座1.3上，各层环形滑轨的轨道内部安装滑块，各层的滑块能沿环形滑轨环形滑动，滑块朝向环形滑轨中心的一端连接可伸缩支撑杆2.1，可伸缩支撑杆2.1连接可伸缩支撑杆2.2，可伸缩支撑杆2.2的电场调节板的可调整的张合面朝向静电纺丝喷头1.1。
34.作为技术方案的补充，叠加电场收集装置包括收集装置、位置传感器3.3以及滚轮传送装置3.2，装置支撑座1.3具有安装槽，安装槽内安装滚轮传送装置3.2，滚轮传送装置3.2上方安装滑轨支撑架2.5，且滑轨支撑架2.5固定在装置支撑座1.3上，使安装在滑轨支撑架2.5上的叠加电场发生装置位于滚轮传送装置3.2的上方，收集装置在滚轮传送装置3.2上停留或运输而接收静电纺丝或运输静电纺丝。
35.作为技术方案的补充，收集装置是九宫格收集板3.1，板上有九个格子划分，每个格子分别用来收集不同的纺丝。
36.作为技术方案的补充，装置支撑座1.3边缘安装位置传感器3.3而控制收集装置到达边缘而发出停止滚轮传送装置3.2传动的信号，信号由控制器接收，并发出控制信号驱动
电机停转。
37.作为技术方案的补充，双向纺丝喷头支撑架1.21.2是合金材质的支撑架。
38.作为技术方案的补充，双向纺丝喷头支撑架1.2的支架通过转动结构能够左右旋转，通过折叠结能向上折臂90度。
39.作为技术方案的补充，滚轮传送装置3.2在支撑底座左右凹槽两侧，用多个小圆柱体排列，小圆柱体的材质是树脂材质。
40.一种基于电场可控的多方位联动静电纺丝方法，包括
41.静电纺丝的溶液经过喷头喷出后进入叠加电场中，
42.叠加电场发生装置进行第一级调节，通过与多层环形滑轨的轨道连接的滑块的滑动，将可伸缩支撑杆2.1在环向内调节到合适位置，
43.叠加电场发生装置进行第二级调节，通过可伸缩支撑杆2.1调节可伸缩支撑杆2.2距离喷头所在位置水平向的距离，
44.叠加电场发生装置进行第三级调节，通过可伸缩支撑杆2.2的张合的角度来调节电场，
45.角度电场其所带电压及开合角度形成的电场力双向合力，作用在下落的电纺纤维上。
46.作为技术方案的补充，三个级别的调节共同作用在喷射的纺丝溶液上，控制纺丝溶液的弯曲程度和喷射方向，使喷射的纺丝溶液都向九宫格收集板3.1的第一个小格子里喷射，当第一个小格子里的溶液收集满时，再次通过多层环形滑轨的第一级调节、可伸缩支撑杆2.1的第二级调节、可调极板的第三级可调，分别作用在喷射的纺丝溶液上，使喷射的纺丝都收集到第二个格子里，以此类推，直到九宫格收集板3.1都收集满纺丝溶液，以达到不同区域得到不同的纺丝。
47.作为技术方案的补充，九宫格收集板3.1放置在滚轮传送装置3.2上，收集板在滚轮传送装置3.2上前后运动，当九宫格收集板3.1收集满时，九宫格收集板3.1从滚轮传送装置3.2中传送，同时利用位置传感器3.3检测九宫格收集板3.1的位置，当九宫格收集板3.1靠近装置支撑座1.3的边缘时，停止滚轮传送带的转动，使得收集装置收集满时及时替换。
48.本发明对现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种可以改善场强分布问题的静电纺丝收集装置。本发明发明了一种基于空间叠加电场控制的电纺纤维多参数样品收集装置，叠加电场发生装置对于改善电场强度的分布问题提供了有利的帮助，并且叠加电场发生装置的可伸缩支撑杆、角度电场调节器以及层叠环形滑轨三个部件之间的相互作用可对静电纺丝喷头喷射的溶夜细流进行三个级别的调节，对控制喷射流的喷射方向和弯曲程度提供了有利的帮助。同时样品收集装置采用九宫格收集板样式，不同的格子可以收集不同参数的静电纺丝，对于提高电场的利用率、收集装置的利用率以及静电纺丝的收集量具有重要的意义。