一种便携式熔体静电纺丝装置论文和设计

全文摘要

本实用新型属于熔体静电纺丝设备技术领域，涉及一种便携式熔体静电纺丝装置，主体结构由喷丝部分、手柄部分、低压导线和高压导线组成，喷丝部分的主体结构包括套筒、顶丝、纺丝喷头、加热棒、导柱、导线槽、内隔离保护套、外隔离保护套和高压电极，手柄部分的主体结构包括外壳、电源模块、电源线、高压静电模块、电机、扇叶、进气孔、加热丝、调节开关、滚轮支架、上滚轮和下滚轮，采用提前制备的便于储存、携带和安装的管状料棒作为纺丝原料，利用电加热方式使其端部附近成为熔体，圆锥形结构的纺丝喷头尖端能够同时产生数十根射流，实现超细纤维的实时批量化制备；其结构简单，操作简便，安全可靠，便于携带和手持，集成化程度和纺丝效率高。

主设计要求

1.一种便携式熔体静电纺丝装置，其特征在于主体结构由喷丝部分、手柄部分、低压导线和高压导线组成；喷丝部分的主体结构包括套筒、顶丝、纺丝喷头、加热棒、导柱、导线槽、内隔离保护套、外隔离保护套和高压电极；管状结构的套筒通过三个等间距式设置的顶丝与纺丝喷头连接，其中一个顶丝为中空结构，纺丝喷头的中心设置有圆柱形结构的加热棒，纺丝喷头和加热棒的后端与设置在套筒内部的导柱连接，套筒的外表面下部开设有导线槽，套筒的外围套设有管状结构的内隔离保护套，内隔离保护套的外围套设有外隔离保护套，内隔离保护套与外隔离保护套之间设置有圆环形结构的高压电极；手柄部分的主体结构包括外壳、电源模块、电源线、高压静电模块、电机、扇叶、进气孔、加热丝、调节开关、滚轮支架、上滚轮和下滚轮；内空式结构的外壳的内部底端设置有电源模块，电源模块的一端与伸出外壳的电源线连接，电源模块的另一端与设置在外壳内部的高压静电模块连接，高压静电模块与电机连接，电机与扇叶连接，电机处外壳的侧壁开设有进气孔，外壳内扇叶的上方设置有阵列排布的加热丝，加热丝处外壳的侧壁设置有调节开关，外壳的上部外侧通过滚轮支架分别与上滚轮和下滚轮连接；套筒和内隔离保护套的后端均伸入外壳内分别与外壳的内壁连接，外隔离保护套的后端与外壳的外壁连接，套筒的圆柱端与纺丝喷头和导柱的圆柱端之间的空隙为一号环形腔，内隔离保护套与外隔离保护套之间的空隙为二号环形腔，内隔离保护套与高压电极之间的空隙为三号环形腔，内隔离保护套与外壳之间的空隙为四号环形腔，套筒的锥形端与纺丝喷头的锥形端之间的空隙为锥形腔，低压导线从电源模块引出，穿过导线槽和中空的顶丝后与加热棒连接，高压导线从高压静电模块引出，穿过二号环形腔后与高压电极连接。

设计方案

设计说明书

技术领域：

本实用新型属于熔体静电纺丝设备技术领域，具体涉及一种便携式熔体静电纺丝装置，能够批量制备超细纤维。

背景技术：

静电纺丝是利用高压静电将聚合物熔体或者溶液制备成超细纤维的工艺，具有设备简单和操作容易的特点，受到了广泛的关注，是目前制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。随着纳米材料技术的不断发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电和食品工程方面发挥着巨大作用。静电纺丝技术简单高效，科研人员在设备上进行了大量的创新，但是大多都体积较大，操作较复杂，无法实现便携化，严重限制了静电纺丝技术的发展。在医疗、军事、家用和教学演示等领域迫切需要便携式的静电纺丝设备。中国专利201720057770.9公开的一种新型便携式静电纺丝装置包括主机和手持喷枪，所述主机包括主机外壳，主机外壳内设置有电源、气体发生机构和高压电源机构，所述手持喷枪包括枪体外壳、喷丝头和为喷丝头提供纺丝前驱液的供液机构，所述枪体外壳上设置有进气口和出气口，所述进气口连接气体发生机构的导气管，所述喷丝头自出气口伸出枪体外壳，喷丝头的喷射端口与出气口的中心轴线相重合；所述电源电连接高压电源机构、气体发生机构和供液机构，高压电源机构的电压输出端的正极通过导线连接喷丝头；以及中国专利201210229010.3公开的一种便携式手持静电纺丝装置包括金属箔、压接开关、医用注射器、方形电池、高压直流逆变器、高压直流逆变器负极、纺丝溶液、高压直流逆变器正极和不锈钢针头；医用注射器的推杆顶端制有压接开关，平板式压接开关的顶部的面上固定制有金属箔，医用注射器的前端内腔中置有纺丝溶液，医用注射器的侧壁上对接式固定制有方形电池和高压直流逆变器，医用注射器的底端上插接式制有用于喷丝的不锈钢针头，不锈钢针头采用常规医用的注射针头结构并与医用注射器组合配套；制有不锈钢针头的医用注射器内腔中存放纺丝溶液；方形电池为高压直流逆变器提供电源，直流电压逆变之后电压达数千伏级，压接开关用于控制电源的开关，在受到外部轻微压力时开关接通，压力消失后开关断开；高压直流逆变器正极与不锈钢针头电连通，高压直流逆变器负极与金属箔电连通；实现了静电纺丝设备的小型便携化，但是都只针对溶液静电纺丝技术进行了改进，不能进行熔体静电纺丝；中国专利201810216431.X公开的一种手持式熔体静电纺丝制备装置包括安全罩、端盖、紧固螺钉、外壳、支撑板、滚筒、保温棉、隔板、加热腔外壳、风扇、电阻加热丝、通气孔、通气管、滚轮、微型高压静电发生器、通线孔、电极接头、送料管、针头、排气孔和金属垫片等，外壳上部放置滚筒，丝料缠绕在滚筒上；风扇、加热腔外壳、隔板及电阻加热丝从右到左同轴布置构成加热腔，通气管一端连接加热腔，一端连接金属垫片与端盖之间的空腔，且通气管外加保温棉隔热保温，通气管有多根并沿周向均布；两个由电机驱动转速可调的滚轮相反运动构成滚轮对，滚轮对缝隙中心线与送料管同轴布置，送料管位于滚轮对的左侧，丝料穿过外壳和保温棉经由滚轮对输送入送料管，送料管与针头螺纹连接，所述送料管的内径略大于丝料直径；通气管和送料管由支撑板进行环向固定，外壳底部和隔板的阶梯孔对其轴向固定；安全罩安装在端盖处，端盖中心处有孔，微型高压静电发生器通过电极接头、端盖、金属垫片及导线与针头连接，使针头携带高压静电，与接地的接受板在安全罩内部形成电场，所述端盖、金属垫片与外壳通过紧固螺钉连接；端盖、金属垫片及针头为导电导热材料，外壳、料管和通气管材料为绝缘材料；其利用高温高压气体对聚合物丝料进行加热熔融纺丝，但是其使用单针作为纺丝喷头，一次只能出一根丝，效率较低；中国专利201410510110.2公开的一种可移动式风枪加热熔体静电纺丝装置，其特征在于主体结构包括温度调节器、风枪手柄、出风口、散热孔、运料筒、绝缘筒、环形托盘、金属网、锥形喷丝头、收集极、高压电源和热风枪；热风枪的一侧连接制有风枪手柄，热风枪的上端设有温度调节器，通过转动温度调节器调节纺丝温度；热风枪的下端设有出风口，出风口下端与绝缘筒固定连接；绝缘筒的上端设置有均匀分布的散热孔；运料筒伸入绝缘筒的内腔中，运料筒的底部与金属网接触，原料通过运料筒均匀分布在金属网上；环形托盘内嵌式水平放置在绝缘筒的底端；金属网水平放置在锥形喷丝头上部分的圆筒中；直径为0.8～1.5毫米的锥形喷丝头固定安装在环形托盘内，并与环形托盘接触；收集极放置在锥形喷丝头的正下方；高压电源的正极与锥形喷丝头电连接，负极与收集极相连；其收集极置于锥形喷丝头正下方，移动热风枪实现移动纺丝，但是其只能实现熔体的垂直方向纺丝，并且只能将纤维纺于收集极上，无法实现纤维在任意表面任意方向的沉积。为了克服以上专利产品存在的问题，研发设计一种便携式溶体静电纺丝装置。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种便携式熔体静电纺丝装置，实现在任意表面任意方向喷涂沉积以批量化连续实时制备超细纤维，扩展静电纺丝制备的微纳纤维的应用方向。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的便携式熔体静电纺丝装置主体结构由喷丝部分、手柄部分、低压导线和高压导线组成；喷丝部分的主体结构包括套筒、顶丝、纺丝喷头、加热棒、导柱、导线槽、内隔离保护套、外隔离保护套和高压电极；管状结构的套筒通过三个等间距式设置的顶丝与纺丝喷头连接，其中一个顶丝为中空结构，纺丝喷头的中心设置有圆柱形结构的加热棒，纺丝喷头和加热棒的后端与设置在套筒内部的导柱连接，套筒的外表面下部开设有导线槽，套筒的外围套设有管状结构的内隔离保护套，内隔离保护套的外围套设有外隔离保护套，内隔离保护套与外隔离保护套之间设置有圆环形结构的高压电极；手柄部分的主体结构包括外壳、电源模块、电源线、高压静电模块、电机、扇叶、进气孔、加热丝、调节开关、滚轮支架、上滚轮和下滚轮；内空式结构的外壳的内部底端设置有电源模块，电源模块的一端与伸出外壳的电源线连接，电源模块的另一端与设置在外壳内部的高压静电模块连接，高压静电模块与电机连接，电机与扇叶连接，电机处外壳的侧壁开设有进气孔，外壳内扇叶的上方设置有阵列排布的加热丝，加热丝处外壳的侧壁设置有调节开关，外壳的上部外侧通过滚轮支架分别与上滚轮和下滚轮连接；套筒和内隔离保护套的后端均伸入外壳内分别与外壳的内壁连接，外隔离保护套的后端与外壳的外壁连接，套筒的圆柱端与纺丝喷头和导柱的圆柱端之间的空隙为一号环形腔，内隔离保护套与外隔离保护套之间的空隙为二号环形腔，内隔离保护套与高压电极之间的空隙为三号环形腔，内隔离保护套与外壳之间的空隙为四号环形腔，套筒的锥形端与纺丝喷头的锥形端之间的空隙为锥形腔，低压导线从电源模块引出，穿过导线槽和中空的顶丝后与加热棒连接，高压导线从高压静电模块引出，穿过二号环形腔后与高压电极连接。

本实用新型与现有技术相比，采用提前制备的便于储存、携带和安装的管状料棒作为纺丝原料，利用电加热方式使其端部附近成为熔体，圆锥形结构的纺丝喷头尖端能够同时产生数十根射流，实现超细纤维的实时批量化制备，电源模块、高压静电模块、电机、扇叶和加热丝集成安装于手柄部分，高压电极与纺丝喷头的一体化设计，施加电压从常规的50-80kV减小到10kV以内，缩小了高压静电模块的体积，提高了安全系数，有利于实现便携化设计目的，同时，解除了常规静电纺丝接收装置接电的限制，能够实现在任意表面任意方向的实时超细纤维批量化喷涂、沉积和制备，扩展了静电纺丝制备微纳纤维的应用方向；其结构简单，操作简便，体积小巧，安全可靠，便于携带和手持，集成化程度和纺丝效率高，加热速度和出丝速度快，控温精确，有利于纤维的细化。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的管状料棒的主体结构原理示意图。

图3为本实用新型涉及的管状料棒与上滚轮和下滚轮的连接示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的便携式熔体静电纺丝装置的主体结构由喷丝部分1、手柄部分3、低压导线5和高压导线7组成；喷丝部分1的主体结构包括套筒10、顶丝11、纺丝喷头12、加热棒13、导柱14、导线槽15、内隔离保护套16、外隔离保护套17和高压电极18；管状结构的套筒10通过三个等间距式设置的顶丝11与纺丝喷头12连接，其中一个顶丝11为中空结构，纺丝喷头12的中心设置有圆柱形结构的加热棒13，纺丝喷头12和加热棒13的后端与设置在套筒10内部的导柱14连接，套筒10的外表面下部开设有导线槽15，套筒10的外围套设有管状结构的内隔离保护套16，内隔离保护套16的外围套设有外隔离保护套17，内隔离保护套16与外隔离保护套17之间设置有圆环形结构的高压电极18；手柄部分3的主体结构包括外壳30、电源模块31、电源线32、高压静电模块33、电机34、扇叶35、进气孔36、加热丝37、调节开关38、滚轮支架39、上滚轮40和下滚轮41；内空式结构的外壳30的内部底端设置有电源模块31，电源模块31的一端与伸出外壳30的电源线32连接，电源模块31的另一端与设置在外壳30内部的高压静电模块33连接，高压静电模块33与电机34连接，电机34与扇叶35连接，电机34处外壳30的侧壁开设有进气孔36，外壳30内扇叶35的上方设置有阵列排布的加热丝37，加热丝37处外壳30的侧壁设置有调节开关38，外壳30的上部外侧通过滚轮支架39分别与上滚轮40和下滚轮41连接；套筒10和内隔离保护套16的后端均伸入外壳30内分别与外壳30的内壁连接，外隔离保护套17的后端与外壳30的外壁连接，套筒10的圆柱端与纺丝喷头12和导柱14的圆柱端之间的空隙为一号环形腔21，内隔离保护套16与外隔离保护套17之间的空隙为二号环形腔22，内隔离保护套16与高压电极18之间的空隙为三号环形腔23，内隔离保护套16与外壳30之间的空隙为四号环形腔24，套筒10的锥形端与纺丝喷头12的锥形端之间的空隙为锥形腔25，低压导线5从电源模块31引出，穿过导线槽15和中空的顶丝11后与加热棒13连接，高压导线7从高压静电模块33引出，穿过二号环形腔22后与高压电极18连接。

本实施例涉及的套筒10的后端为圆柱形，前端为内圆锥形(左为后，右为前)；纺丝喷头12的前端为外圆锥形，后端为圆柱形，导柱14的前端为圆柱形，后端为圆锥形，纺丝喷头12圆柱端的直径与导柱14圆柱端的直径相同，导柱14为管状料棒提供导向作用；导线槽15用于容纳和固定低压导线5；内隔离保护套16的内径与套筒10的外径相同，内隔离保护套16具有隔热和绝缘作用，能够保护人员和设备安全；外隔离保护套17的前端为圆弧倒角设计并伸出纺丝喷头12的前端2-20mm，具有隔离静电的作用，能够保护人员安全；高压电极18的外径与外隔离保护套17的内径相同；导柱14、内隔离保护套16和外隔离保护套17均为隔热绝缘材料，包括陶瓷、聚四氟乙烯和聚醚醚酮；电源模块31对市电进行交直流转换和降压处理；电源线32能够与市电或锂电池连接；电机34为高速电机；进气孔36是空气进入外壳30的通道；加热丝37为热电阻加热丝；调节开关38能够调节气流的流速和温度，静电电压，加热丝37的温度以及上滚轮40和下滚轮41的转速；上滚轮40和下滚轮41为凹轮，上滚轮40和下滚轮41由外接电机带动，外接电机的导线与低压导线5连接。

本实施例涉及的便携式熔体静电纺丝装置使用时，将电源线32与市电连接，电机34带动扇叶35高速旋转，产生向上的气流，气流经过加热丝37的加热后成为热气流，根据设定的纺丝参数，通过调节开关38调节并控制热气流的温度和速度，热气流经由四号环形腔24依次进入二号环形腔22和三号环形腔23中呈环形分布，最终从纺丝喷头12的前端喷出；同时，将便于储存和携带的由聚合物原料挤出或注射成型的管状料棒送入上滚轮40与下滚轮41的凹面之间，管状料棒的外径与套筒10圆柱端的内径相同，管状料棒被上滚轮40和下滚轮41的凹面夹紧并被送入套筒10，通过调节开关38调节上滚轮40和下滚轮41的转速来调节管状料棒进入套筒10的速度，管状棒料到达导柱14处在导柱14的导向作用下进入一号环形腔21，在此之前，加热棒13已通电并加热纺丝喷头12，到达纺丝喷头12处的管状料棒被加热熔融成熔体，熔体在后端管状棒料的前进推动下进入锥形腔25，最终在纺丝喷头12的锥面尖端形成环形均匀分布，由于导柱14的隔热绝缘作用，管状料棒在纺丝喷头12后端的部分不会被加热，仍然处于固态；高压电极18在高压静电模块33的作用下带高压静电，通过调节开关38调节静电电压至设定的数值，高压电极18与纺丝喷头12之间形成高压电场，纺丝喷头12的锥面尖端处的熔体在高压电场作用下形成数十个均匀分布射流，环形分布的热气流带动射流向前喷出，使射流形成强烈鞭动效应，射流在鞭动和拉伸作用下被进一步拉伸形成超细纤维，实现超细纤维的批量化制备，转动手柄部分3能够实现任意物体表面任意方向的超细纤维喷涂和沉积。

设计图

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