一种可制备间断周向分布纤维圈的自供能电纺装置及方法与流程

1.本发明属于图案化纳米纤维制备技术领域，具体涉及一种可制备间断周向分布纤维圈的自供能电纺装置及方法。


背景技术：

2.纳米纤维，作为一维纳米材料，直径一般在1纳米到100纳米之间。由于纳米级别的尺寸，其会展现出异于常规材料的一些性质，例如表面效应、小尺寸效应等。制备纳米纤维的方法有很多，但是静电纺丝技术（简称“电纺”）因为装置简单、操作方便、纤维生产率较高等特点，一致被认为是制备长纳米纤维的最有效手段。传统静电纺丝装置及现在发明的一系列新型电纺装置都是基于电纺老“三件套”组装设计的。这里所谓的“三件套”是指高压直流电源、带纺丝针头的溶液盛放容器和收集极。一般地，高压直流电源内含整流、升压组件，借助220伏生活用电工作；带纺丝针头的溶液容器选取医用注射器；收集极选用金属板或者铝箔。电纺的原理及过程已被国内外各大课题组深入研究，简言之，就是高压直流电源提供万伏以上高压（电源正极与纺丝针头相连，负极与收集极相连），当具有一定电导率的高分子聚合物溶液在流经纺丝针头时，受强电场力作用，经历变形、拉伸、劈裂、细化四步，最后形成纳米尺度的纤维沉积于收集极之上。由此制得的纤维呈杂乱状态分布。
3.随着研究的深入和应用的推广，图案化纳米纤维越来越受到重视。例如，现在的可穿戴柔性可拉伸器件方面的研究中就离不开图案化纳米纤维。图案化纳米纤维可避开常规纳米纤维易断裂的缺点，提高其拉伸率。这极大拓宽了纳米纤维的应用范围，而且对柔性可拉伸器件起到保护作用。本来受外力拉伸可使纤维断裂的情况，因为拉伸率的显著提高，纤维不会再受损。就纳米纤维图案化而言，目前比较容易得到的有波浪形纳米线、螺旋纳米线等，纤维状态一般是连续的。
4.但是图案化电纺中至少存在三方面短板，分别是：第一，大多数电纺依赖高压直流电源，依赖生活用电工作；第二，无法一个电纺周期内产生间断的图案化纳米纤维；第三，纤维的自动化打印能力弱。相应地，也就会导致三方面困难，分别是：第一，停电或者高压直流电源损坏情况下，无法维持电纺；第二，基于间断图案化纳米纤维的应用受阻。即使通过二次加工制备出间断图案化纤维，也会因为效率问题和工艺复杂性问题，使得规模化制备进程受阻。第三，自动化程度低，进而不能实现纳米纤维的智能制造。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种可实现自供能的基于压电陶瓷产生高压的自动打印纳米纤维电纺装置。并且，利用此装置可制备出间断的呈圆周分布的纳米纤维圈。特别地，可打印出两段、四段等偶数段或者三段、五段等奇数段呈周向分布的对称纳米纤维圈。同时可实现电纺过程中，间断周向分布纤维圈的半径可调可控的目标。且能通过本发明在一个电纺周期内、一步操作完成所述图案化纳米纤维制备。
6.为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种可制备间断周向分布纤维圈的自供能电纺装置，包括固定底盘、转动轴、压电陶瓷起电器、承载台、纺丝针头和高度可调纤维收集台，所述固定底盘为圆盘。
7.所述承载台和高度可调纤维收集台分别为底部开口的圆筒状结构，所述承载台和高度可调纤维收集台设于固定底盘上，所述承载台设于高度可调纤维收集台内，所述承载台、高度可调纤维收集台、固定底盘三者同心。
8.所述转动轴可转动的设于固定底盘圆心处，所述转动轴上端伸出承载台和高度可调纤维收集台。
9.所述承载台上方固定设置有若干个带爬坡面面板。
10.所述转动轴上设置有圆锥齿轮传动组合，所述圆锥齿轮传动组合位于承载台内。
11.所述转动轴上设置有若干压电陶瓷起电器，所述压电陶瓷起电器位于高度可调纤维收集台内带爬坡面面板的上方。
12.所述转动轴的顶部固定设置有注射器固定板，所述注射器固定板能随转动轴一起转动。
13.所述注射器固定板上设置有若干医用注射器，所述医用注射器可径向滑动，所述医用注射器上设置有纺丝针头。
14.所述压电陶瓷起电器的高压输出端通过电线与纺丝针头相连。
15.进一步的，所述转动轴上设置有压电陶瓷起电器固定面板，所述压电陶瓷起电器设于压电陶瓷起电器固定面板下面。
16.进一步的，所述圆锥齿轮传动组合上设置有旋转把手，所述旋转把手可转动的设于承载台上。
17.进一步的，所述圆锥齿轮传动组合包括垂直放置的大齿轮和水平放置的小齿轮。
18.进一步的，所述带爬坡面面板上的爬坡面设计参数为：爬坡面与水平方向成三十度夹角，下坡面与水平方向成六十度夹角，且两坡面以弧度面相接。
19.进一步的，所述带爬坡面面板还可以设计成带两个面、三个面、四个面等多种形式。
20.进一步的，所述压电陶瓷起电器按压装置的按压面为三十度斜面与六十度斜面弧度相交结构。
21.进一步的，所述医用注射器为一毫升规格的医用注射器。
22.进一步的，所述注射器固定板上沿半径均布设置有若干轨道，所述轨道内可滑动的设置有注射器固定位。所述医用注射器设于注射器固定位内。
23.进一步的，所述注射固定板可以分为单注射器固定板、两注射器固定板、四注射器固定板等。
24.本发明还提供一种制备间断周向分布聚偏氟乙烯纤维圈的方法，该方法使用本发明提供的一种可制备间断周向分布纤维圈的自供能电纺装置，具体操作步骤如下：s1.用电子天平称取适量pvdf粉末，然后转移到带磨砂口的锥形玻璃瓶中；s2.称取适量丙酮和n,n
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二甲基甲酰胺加入到锥形玻璃瓶中与pvdf混合，然后放入磁子，盖好锥形玻璃瓶瓶盖，并用保鲜膜密封；s3.将锥形玻璃瓶放入盛有水的烧杯中，然后置于磁力搅拌器之上；s4.设置磁力搅拌速度和水浴加热温度，搅拌溶液均匀后备用；
s5.用塑料吸管吸取适量s4所制备pvdf纺丝液加到医用注射器当中；s6.调试装置，选择具有相应爬坡面面数的带爬坡面的面板；s7.调节纤维收集台至适当高度；s8.调节纺丝针头距转动轴中心的距离；s9.转动旋转把手，使已经固定有压电陶瓷起电器的压电陶瓷起电器固定面板转动，当压电陶瓷起电器通过下方面板的坡面时，压电陶瓷起电器的按压装置会受到挤压，进而起电产生高压，高压通过电线传至纺丝针头，纺丝开始；s10.纺丝结束后，从纤维收集台上取下制备的pvdf图案化纤维样品；s11.对制备的pvdf间断纤维圈进行显微观察。
25.本发明的有益效果为：1.实现可不依赖生活用电的电纺技术制备纳米纤维；2.利用压电陶瓷起电器代替直流高压电源，降低电纺装置的成本；3.可以制备目前市面上没有的间断周向分布纤维圈；4.可实现间断周向分布纤维圈的自动化打印，即能实现特殊图案化纤维的智能制造；5.装置机动性大，可根据需要，打印不同分段数的周向分布纤维圈，通过调节打印半径，可制备出“同心圆式”间断周向分布纤维圈。
附图说明
26.图1为本发明结构示意图；图2为注射器固定板结构示意图（以带四个固定位的固定板为例）；图3为带爬坡面面板结构示意图；图3a为带两个爬坡面面板结构示意图；图3b为爬坡面面板的坡面结构示意图（爬坡30度，下坡60度，两面间以弧面相接）；图3c图为带四个爬坡面面板结构示意图；图3d图为带四个爬坡面面板三维图；图4为压电陶瓷起电器按压面与面板上的爬坡面滑动挤压方式示意图；图5为圆锥齿轮传动组合（传动方式）示意图；图6为制备间断周向分布纤维圈模拟图及纤维（部分）扫描电子显微镜照片。
27.附图标记：1
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固定底盘，2
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转动轴，3
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压电陶瓷起电器固定面板，4
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压电陶瓷起电器，5
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承载台，6
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带爬坡面面板，7
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医用注射器，8
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注射器固定板，9
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纺丝针头，10
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电线，11
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圆锥齿轮传动组合，12
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旋转把手，13
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高度可调纤维收集台，14
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注射器固定位，15
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轨道。
具体实施方式
28.为了便于理解，下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案作进一步具体描述：如图1
‑
图6所示，一种可制备间断周向分布纤维圈的自供能电纺装置，包括固定底盘1、转动轴2、压电陶瓷起电器4、承载台5、带爬坡面面板6、医用注射器7、注射器固定板8、纺丝针头9、圆锥齿轮传动组合11和高度可调纤维收集台13。
29.固定底盘1为直径二十厘米的圆盘。固定底盘1位于所有零部件的最下方，起固定整个装置的作用。
30.承载台5和高度可调纤维收集台13分别为底部开口的圆筒状结构，承载台5和高度可调纤维收集台13设于固定底盘1上，承载台5设于高度可调纤维收集台13内，承载台5、高度可调纤维收集台13、固定底盘1三者同心。
31.转动轴2可转动的设置在固定底盘1圆心处，可以防止电纺过程中因上部零件的转动造成发明主体晃动，增加稳定性。转动轴2的上端伸出承载台5和高度可调纤维收集台13。
32.转动轴2上设置有圆锥齿轮传动组合11，圆锥齿轮传动组合11位于承载台5内，转动轴2的转动由圆锥齿轮传动组合11控制。
33.圆锥齿轮传动组合11上设置有旋转把手12，旋转把手12可转动的设置在承载台5上，旋转把手12末端伸出承载台5。
34.圆锥齿轮传动组合11的启动由旋转把手12控制。既可使用人工手动控制，也可使用电机自动控制。
35.圆锥齿轮传动组合11包括垂直放置的大齿轮和水平放置的小齿轮，大齿轮齿数为六十，小齿轮齿数为二十。圆锥齿轮传动组合11可以实现将垂直方向内的转动变为水平面内的转动。
36.承载台5上方固定设置有若干个带爬坡面面板6。
37.带爬坡面面板6上的爬坡面设计参数为：爬坡面与水平方向成三十度夹角，下坡面与水平方向成六十度夹角，且两坡面以弧度面相接。
38.转动轴2上设置有压电陶瓷起电器固定面板3，压电陶瓷起电器固定面板3位于高度可调纤维收集台13内带爬坡面面板6的上方。压电陶瓷起电器固定面板3上设置有若干压电陶瓷起电器4，转动轴2能够带动压电陶瓷起电器4转动。压电陶瓷起电器固定面板3主要对压电陶瓷起电器4起一个固定作用。
39.压电陶瓷起电器4按压装置的按压面为三十度斜面与六十度斜面弧度相交结构。带爬坡面面板6对压电陶瓷起电器4起一个推压作用，帮助压电陶瓷起电器4产生高压。
40.转动轴2的顶部固定设置有注射器固定板8，注射器固定板8能随转动轴2一起转动。
41.注射器固定板8上沿半径均布设置有四个轨道15，轨道15内可滑动的设置有注射器固定位14。注射器固定位14内设有医用注射器7，医用注射器7上设置有纺丝针头9。医用注射器7为一毫升规格的医用注射器。注射器固定板主要对带纺丝针头的注射器起一个固定作用。
42.压电陶瓷起电器4的高压输出端通过电线10与纺丝针头9相连。
43.整个装置外形为柱体，长
×
宽
×
高=20厘米
×
20厘米
×
30厘米。
44.使用本发明提供的一种可制备间断周向分布纤维圈的自供能电纺装置制备间断周向分布聚偏氟乙烯纤维圈的具体操作步骤如下：s1.用电子天平称取pvdf粉末1.0克，然后转移到带磨砂口的锥形玻璃瓶中；s2.称取4.5克丙酮和4.5克n,n
‑
二甲基甲酰胺加入到锥形玻璃瓶中与pvdf混合，然后放入磁子，盖好锥形玻璃瓶瓶盖，之后再用保鲜膜密封；s3.将锥形玻璃瓶放入盛有水的烧杯中，然后置于磁力搅拌器之上；
s4.设置磁力搅拌速度和水浴加热温度（50摄氏度），搅拌四小时；待溶液均匀后，用作静电纺丝；s5.用塑料吸管吸取适量pvdf纺丝液加到1.0毫升医用注射器7当中；s6.按照发明设计调试好装置，根据要打印的间断纤维圈的段数选择具有相应爬坡面面数的带爬坡面的面板6，这里选择有两个爬坡面的带爬坡面的面板6；s7.调节纤维收集台13到适当高度，纤维收集台13离纺丝针头9的最下端为两厘米；事先在纤维收集台13上铺一层铝箔纸，以便制备纤维易于取样；s8.调节纺丝针头9距转动轴2中心的距离，即所制备纤维圈的半径；这里设置半径为三厘米；s9.手动转动旋转把手12，通过圆锥齿轮传动组合11使旋转轴转动；旋转轴11的转动带动已经固定有压电陶瓷起电器4的压电陶瓷起电器固定面板3转动，当压电陶瓷起电器4通过下方带爬坡面的面板6的坡面时，进行爬坡运动，压电陶瓷起电器4的按压装置会受到挤压，进而起电产生高压；高压通过电线10传至纺丝针头9，纺丝开始；s10.纺丝结束后，从纤维收集台13上取下制备的pvdf图案化纤维样品；s11.对制备的pvdf间断纤维圈进行显微观察。
45.本发明实现可不依赖生活用电的电纺技术制备纳米纤维；利用压电陶瓷起电器代替直流高压电源，降低电纺装置的成本；可以制备目前市面上没有的间断周向分布纤维圈；可实现间断周向分布纤维圈的自动化打印，即能实现特殊图案化纤维的智能制造。装置机动性大，可根据需要，打印不同分段数的周向分布纤维圈。通过调节打印半径，可制备出“同心圆式”间断周向分布纤维圈。同时可实现电纺过程中，间断周向分布纤维圈的半径可调可控的目标。且能通过本发明在一个电纺周期内、一步操作完成所述图案化纳米纤维制备。