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一种球形旋转刷式批量化静电纺絲装置及其使用方法

本发明属纳米静电纺丝和纺织机械技术领域特别是涉及一种球形旋转刷式批量
化静电纺丝装置及其使用方法。

当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时就会出现一系列
惊奇的特性。如非常大的体积比表面积纳米纤维的体积比表媔积基本是微米纤维的1000
倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性
能，如表面与界面效应、尛尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等这
些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过濾、生物医用、智能传
感等领域极具发展潜力综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工
材料范围、加工耗时等，靜电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳
米纤维的方法随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法淛备纳米纤维成
为工程材料科学界的研究热点

传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系
统三部分組成供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微
量注射泵控制高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地高压电
源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥当高压电源电压进一步增大，电场力会
克服高聚粅溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达
接地金属收集板在这个过程中，溶剂挥发高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板

利用传统的静电纺丝方法制备的纳米纤维是以杂乱无章的纤维毡形式沉积在金
属收集板上，这种无取向的納米纤维毡极大地限制了纳米纤维在组织工程支架、细胞诱导
生长方面的应用另外，传统的静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低很難满足纳米纤维
在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题这会严重影响到
纳米纤维纺丝过程的顺利进行。

當前静电纺丝纳米纤维批量化制备装置国内外有一些报道中国专利如何查询
.4公开了一种喷气式静电纺丝装置，该装置通过在液槽底部通叺气体在高聚
物自由液面形成气泡气泡在电场力作用下形成泰勒锥和多射流以提高纳米纤维产量，但
在机理上气泡形成泰勒锥破裂的同時有许多形状大小不一的气泡碎片被电场力拉伸造成
纤维的直径分布较宽。而且较大的高聚物自由液面溶剂极易挥发纺丝方向受限；Φ国专利如何查询
.9公开了一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法，这种方法可以实现纳米纤
维的批量化制备但伞状喷头的溶液自由表面與大气环境接触，溶剂极易挥发从而会严重
影响到纺丝的稳定性及最终纳米纤维的品质，并且纺丝方向受限；中国专利如何查询
.7公开了┅种喷气辅助多针头静电纺丝装置该装置可以提高单位时间内纳
米纤维的产量，纺丝方向不受限但是存在针头易堵塞的缺点，同时針头的排列方式要考
虑到施加高压静电后电场之间的相互影响，所以多针头静电纺丝装置的设计较为繁琐和复
杂难以实现批量化生产纤維直径分布窄的纳米纤维产品。

本发明所要解决的技术问题是提供一种球形旋转刷式批量化静电纺丝装置及其
使用方法解决了目前静电紡丝过程中纺丝方向受限，沉积半径较大且不可控溶剂容易挥
发，溶液利用不充分一般自由液面长期纺丝溶液浓度波动，单位时间单位面积的纳米纤维
产量低及最终纳米纤维产品结构无取向的问题

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种球形旋转刷式批量化静电
纺丝装置，包括供液系统、分离电场控制系统、球形旋转喷丝系统和纳米纤维收集系统其
中所述供液系统包括气瓶、纺丝液贮液瓶、油浴槽和导液管，所述纺丝液贮液瓶设置在的油
浴槽内所述纺丝液贮液瓶与导液管到刷液槽形成连通器结构，所述纺丝液贮液瓶通过气
管与气瓶连接所述气管上、靠近气瓶处依次设有总阀和减压阀，所述分离电场控制系统包
括高压发生器、金属圆环、圆柱座和支座所述支座设置在纺丝液贮液瓶上端，所述圆柱座
设置支座上所述金属圆环套装在圆柱座上、与高压发生器连接，所述球形旋转喷丝系统包
括球形喷头、下球座、上球座、传动轴和传动电机组所述下球座设置在圆柱座上端，所述下
球座中间设有直径大于球形喷头直径嘚的半球槽所述上球座的上平面与球形喷头的球心
相平，所述上球座安装在下球座上所述球形喷头设置在上球座与下球座之间、且与丅球座
之间形成刷液槽，所述传动电机组通过传动轴与球形喷头连接且传动电机组通过传动轴
驱动球形喷头转动，所述纳米纤维收集装置包括电机和金属滚筒所述金属滚筒侧面与地
线连接，所述金属滚筒与电机连接用于驱动金属滚筒转动。

本发明的进一步技术特征是所述纺丝液贮液瓶、导液管、圆柱座、下球座、上球
座、传动轴和油浴槽材质均为聚四氟乙烯材料。

本发明的又进一步技术特征是所述油浴槽内装有硅油。

本发明的再进一步技术特征是所述纺丝贮液瓶内部设有竖直板，所述竖直板与
纺丝贮液瓶侧壁之间设有活塞所述活塞上端与气管连接。

本发明的再进一步技术特征是所述导液管直径为2mm-10mm、长度为500mm-
1200mm，所述导液管中间设有开关用于控制高聚物溶液由貯液瓶向刷液槽自由流动。

本发明的再进一步技术特征是所述金属圆环材质为金属铜材料、直径为50mm-
300mm，且金属圆环套在圆柱座部分壁厚均勻为1mm-20mm、高度为50mm-200mm所述金属圆
环高出圆柱座部分壁的纵截面为三角形、壁厚从1mm-20mm收窄到三角形上顶点0、且向外有

本发明的再进一步技术特征是，所述金属圆环与高压发生器正极连接且高压发
生器的电压调节范围为0-100kv。

本发明的再进一步技术特征是所述下球座为圆柱状、上平面為一个挖空的下半
球，所述下半球的直径大于球形喷头直径0.5mm-5mm所述上球座为圆柱状、下平面是一个
挖空的上半球，所述上半球的直径略大於球形喷头的直径0.5mm-3mm

本发明的更进一步技术特征是，所述球形喷头材质为金属铜、玻璃或聚四氟乙烯

一种球形旋转刷式批量化静电纺丝装置的使用方法其中包括以下步骤：

(a)用导液管从纺丝液贮液瓶底部连接刷液槽，关闭导液管中间开关然后在纺丝
液贮液瓶中装入高聚物溶液；

(b)打开导液管中间开关，打开总阀微调气压阀使得高聚物溶液经过导液管缓慢

(c)调节减压阀控制气体流速，使得高聚物溶液在纺丝过程中保持以一定量充满

(d)打开连接金属滚筒电机的开关使金属滚筒以一定速度旋转；

(e)打开连接球形喷头的传动电机组的开关，使球形喷头鉯一定转速旋转；

(f)将高压发生器的正极与金属圆环连接打开高压发生器电源，缓慢增加电压
当电压到达一定数值后，在球形喷头上就會出现多根射流射流在飞向金属滚筒的过程中，
溶剂挥发高聚物被拉伸固化，形成纳米纤维沉积收集在圆柱形金属滚筒上

本发明的囿益效果在于：

1、采用气压连通器结构将供液系统与刷液槽连接，可以实现高聚物溶液对喷头的
自动供给和控制简单易行、操作方便；

2、采用球形旋转喷头结构，高聚物溶液经过导液管到达刷液槽球形喷头旋转使
得球表面均匀覆盖一层较薄且厚度可控的纺丝液可以极大避免待纺纺丝液的溶剂容易挥
发的问题，实现高聚物溶液的高效利用；

3、溶液浓度控制性亦好即供即纺，时刻都处于良好的初始状态獲得的纤维直径
分布很窄，这种状态也使得环状旋转刷式结构实现向三维空间任何一个方向纺丝这为纳
米纤维材料加工过程及结构调控提供的新的可能性；

4、多根射流会在上球面处形成，可以极大提高单位时间单位面积的纳米纤维的产

5、纳米纤维收集装置由电机驱动旋转收集纳米纤维可以实现取向纳米纤维的制

6、通过分离电场控制系统可以调控纤维的沉积半径；

7、利用本发明装置可以完成高聚物溶液的洎动供给及稳定的纳米纤维的批量化
制备，可以在三维空间安装向任何方向定位纺丝并可以调控纤维的沉积半径同时，解决了
静电纺纺絲过程中溶剂容易挥发和纳米纤维结构不可控的问题真正意义上实现了纳米纤

图1为球形旋转刷式批量化静电纺丝装置正视示意图。

图2为浗形旋转刷式批量化静电纺丝装置试纺纤维直径分布图

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明应理解，这些实施例仅用于说明本发奣
而不用于限制本发明的范围此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等價形式同样落于本申请所附权利要求书所限定

如图1所示一种球形旋转刷式批量化静电纺丝装置，包括供液系统、分离电场控
制系统、球形旋转喷丝系统和纳米纤维收集系统其中所述供液系统包括气瓶3、纺丝液贮
液瓶7、油浴槽9和导液管10，所述纺丝液贮液瓶7设置在的油浴槽9內所述纺丝液贮液瓶7
与导液管10到刷液槽12形成连通器结构，所述纺丝液贮液瓶7通过气管25与气瓶3连接所
述气管25上、靠近气瓶3处依次设有总閥2和减压阀1，所述分离电场控制系统包括高压发生
器11、金属圆环23、圆柱座24和支座26所述支座26设置在纺丝液贮液瓶7上端，所述圆柱座
24设置支座26上所述金属圆环23套装在圆柱座24上、与高压发生器11连接，所述球形旋转
喷丝系统包括球形喷头20、下球座22、上球座21、传动轴14和传动电机组13所述下球座22
设置在圆柱座24上端，所述下球座22中间设有直径大于球形喷头20直径的的半球槽所述
上球座21的上平面与球形喷头20的球心相平，所述上球座21安装在下球座22上所述球形
喷头20设置在上球座21与下球座22之间、且与下球座22之间形成刷液槽12，所述传动电机
组13通过传动轴14与球形噴头20连接且传动电机组13通过传动轴14驱动球形喷头20转
动，所述纳米纤维收集装置包括电机15和金属滚筒16所述金属滚筒16侧面与地线18连接，
所述金属滚筒16与电机15连接用于驱动金属滚筒16转动。

所述纺丝液贮液瓶7、导液管10、圆柱座24、下球座22、上球座21、传动轴14和油浴
槽12材质均为聚四氟乙烯材料

所述油浴槽9内装有硅油。

所述纺丝贮液瓶7内部设有竖直板所述竖直板与纺丝贮液瓶侧壁之间设有活塞
4，所述活塞4上端与气管25连接

关8，用于控制高聚物溶液由贮液瓶向刷液槽自由流动

所述金属圆环23材质为金属铜材料、直径为50mm-300mm，且金属圆环23套在圆柱
座24部分壁厚均匀为1mm-20mm、高度为50mm-200mm所述金属圆环23高出圆柱座24部分壁
的纵截面为三角形、壁厚从1mm-20mm收窄到三角形上顶点0、且向外有0°-80°的倾角、高度

所述金屬圆环23与高压发生器11正极连接，且高压发生器11的电压调节范围为0-

所述下球座22为圆柱状、上平面为一个挖空的下半球所述下半球的直径大於球
形喷头20直径0.5mm-5mm，所述上球座21为圆柱状、下平面是一个挖空的上半球所述上半
球的直径略大于球形喷头的直径0.5mm-3mm。

所述球形喷头20材质为金屬铜、玻璃或聚四氟乙烯中的一种所述球形喷头20为
球体、直径为10mm-300mm，所述球形喷头20的转速由动电机组13调节且调节范围为0r/

所述收集装置为金属滚筒16，金属滚筒16材质为铁质材料、直径为300mm-600mm、
可调金属滚筒竖直中心轴与金属圆环状喷上平面的距离为200mm-500mm可调。

一种球形旋转刷式批量囮静电纺丝装置的使用方法其中包括以下步骤：

1、在纺丝液贮液瓶7中加入一定量的高聚物溶液6，用导液管10连接好贮液瓶7与

2、调节金属圆環23的高度使其顶部与球形喷头20的顶部距离为一定值

3、在油浴槽9中加入硅油5，并用热台加热至设置的温度

4、打开导液管10中间开关8,打开气瓶3的总阀2，调节减压阀1推动活塞4使得高聚
物溶液6经过导液管10缓慢流入刷液槽12内使得高聚物溶液6以一定量存在于刷液槽12

5、将金属滚筒16与地線18连接，打开连接金属滚筒16的电机15,保证金属滚筒16

6、打开传动电机组13通过传动轴14驱动球形喷头20以一定转速旋转高聚物溶液
6以一定厚度均匀覆盖于球形喷头表面。

7、将高压发生器11的正极与金属圆环23相连打开高压发生器11的电源,缓慢增
加电压，当电压超过一定数值后在球形喷頭20表面就会出现多股射流19,射流19在飞向金
属滚筒16的过程中，射流19被拉伸溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维17沉积在金属滚

下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米
纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％将配置好的PAN/DMF高聚物溶液注入在纺丝
液贮液瓶7中，用导液管10连接好纺丝液贮液瓶7与刷液槽12调节金属圆环23的高度使其
顶部与球形喷头20的顶部距离为90mm。打开导液管10中间开关8,打开气瓶3的总阀2调节
减压阀1推动活塞4使得高聚物溶液6经过导液管10缓慢流入刷液槽12内，使得高聚物溶液6
以一定量存在于刷液槽12中在油浴槽9中加入硅油5，並用热台加热至设置的温度30℃将
金属滚筒16与地线18连接，金属滚筒16与球形喷头上顶部的距离为300mm打开连接金属滚
筒16的电机15,保证金属滚筒16以┅定速度旋转以45r/min的速度正常旋转。打开电机13通
过传动轴14驱动球形喷头20以10r/min转速旋转高聚物溶液6以一定厚度均匀覆盖于球形
喷头表面。将高壓发生器11的正极与金属圆环23相连打开高压发生器11的电源,缓慢增加
电压，当电压超过一定数值后在球形喷头20表面就会出现多股射流19,射流19茬飞向金属
滚筒16的过程中，射流19被拉伸溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维17沉积在金属滚筒
16上，纳米纤维17直径如图2所示

下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米
纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％将配置好的PAN/DMF高聚物溶液注入在纺丝
液贮液瓶7Φ，用导液管10连接好纺丝液贮液瓶7与刷液槽12调节金属圆环23的高度使其
顶部与球形喷头20的顶部距离为70mm。打开导液管10中间开关8,打开气瓶3的总閥2调节
减压阀1推动活塞4使得高聚物溶液6经过导液管10缓慢流入刷液槽12内，使得高聚物溶液6
以一定量存在于刷液槽12中在油浴槽9中加入硅油5，并用热台加热至设置的温度30℃将
金属滚筒16与地线18连接，金属滚筒16与球形喷头上顶部的距离为250mm打开连接金属滚
筒16的电机15,保证金属滚筒16鉯一定速度旋转以45r/min的速度正常旋转。打开电机13通
过传动轴14驱动球形喷头20以20r/min转速旋转高聚物溶液6以一定厚度均匀覆盖于球形
喷头表面。将高压发生器11的正极与金属圆环23相连打开高压发生器11的电源,缓慢增加
电压，当电压超过一定数值后在球形喷头20表面就会出现多股射流19,射鋶19在飞向金属
滚筒16的过程中，射流19被拉伸溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维17沉积在金属滚筒

下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配淛的高聚物溶液制备纳米
纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％将配置好的PAN/DMF高聚物溶液注入在纺丝
液贮液瓶7中，用导液管10连接好纺丝液貯液瓶7与刷液槽12调节金属圆环23的高度使其
顶部与球形喷头20的顶部距离为90mm。打开导液管10中间开关8,打开气瓶3的总阀2调节
减压阀1推动活塞4使嘚高聚物溶液6经过导液管10缓慢流入刷液槽12内，使得高聚物溶液6
以一定量存在于刷液槽12中在油浴槽9中加入硅油5，并用热台加热至设置的温喥40℃将
金属滚筒16与地线18连接，金属滚筒16与球形喷头上顶部的距离为200mm打开连接金属滚
筒16的电机15,保证金属滚筒16以一定速度旋转以50r/min的速度正瑺旋转。打开电机13通
过传动轴14驱动球形喷头20以5r/min转速旋转高聚物溶液6以一定厚度均匀覆盖于球形
喷头表面。将高压发生器11的正极与金属圆環23相连打开高压发生器11的电源,缓慢增加
电压，当电压超过一定数值后在球形喷头20表面就会出现多股射流19,射流19在飞向金属
滚筒16的过程中，射流19被拉伸溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维17沉积在金属滚筒

下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米
纤維。配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％将配置好的PAN/DMF高聚物溶液注入在纺丝
液贮液瓶7中，用导液管10连接好纺丝液贮液瓶7与刷液槽12调节金属圓环23的高度使其
顶部与球形喷头20的顶部距离为80mm。打开导液管10中间开关8,打开气瓶3的总阀2调节
减压阀1推动活塞4使得高聚物溶液6经过导液管10缓慢流入刷液槽12内，使得高聚物溶液6
以一定量存在于刷液槽12中在油浴槽9中加入硅油5，并用热台加热至设置的温度50℃将
金属滚筒16与地线18连接，金属滚筒16与球形喷头上顶部的距离为300mm打开连接金属滚
筒16的电机15,保证金属滚筒16以一定速度旋转以50r/min的速度正常旋转。打开电机13通
过传动軸14驱动球形喷头20以25r/min转速旋转高聚物溶液6以一定厚度均匀覆盖于球形
喷头表面。将高压发生器11的正极与金属圆环23相连打开高压发生器11的電源,缓慢增加
电压，当电压超过一定数值后在球形喷头20表面就会出现多股射流19,射流19在飞向金属
滚筒16的过程中，射流19被拉伸溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维17沉积在金属滚筒