1.本发明是指一种手持式微分离心电纺装置及其使用方法，包含两种不同的供电模式以及其元件布置，属于静电纺丝领域。该装置用于通过溶液静电纺丝法制备纳米纤维。


背景技术：

2.目前溶液静电纺丝法是一种制备微纳米纤维的方法，与其他方法相比较溶液静电纺丝法具有原料来源广泛、纺丝成本低廉、可规模化制备等优势。生产出来的微纳米薄膜在微纳过滤、锂电池隔膜、生物医药等领域展现出极大的应用潜力，引起研究者的广泛关注。
3.现有的研究及产业化应用围绕静电纺丝纤维批量化生产装置产生了大量创新，但是并没有设计出便携式、小体积易操作的微型静电纺丝装置。由于这类小型装置在实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具等方面具有巨大潜力，所以寻求设计一种便携式、小体积、易操作的手持式微分离心电纺装置具有广泛的应用前景和研究价值。
4.针对以上问题，本发明提出一种手持式微分离心电纺装置及其使用方法。通过利用电动风机及金属旋转筒两个主要元器件，改进传统的单针静电纺丝工艺，使其在微分作用的引入下，制造纤维的直径更小，产量更高。该装置能够广泛用于实验室应用、家用、临床医用及作为教学演示教具等方面的小批量纤维制备。


技术实现要素：

5.本发明提出一种手持式微分离心电纺装置及其使用方法，利用电动风机吹出的气流带动尾部旋转筒的旋转，完成整个离心电纺的主要工艺流程，并通过设立夹层等结构使得可纺性溶液中的溶剂在产生射流前尽可能少的挥发到空气中，满足了设备小型化、轻量化、便携化的设计需求，使得利用可纺性溶液制备纤维的方法更加容易。
6.为实现上述目的，本发明提供一种手持式微分离心电纺装置，主要包括安全罩、铁丝、金属挡板、金属夹层、内带扇叶的金属旋转筒、塑料外壳、深沟球轴承、手动偏心轮、输液管、储液槽、转盘、六角螺栓、电动风机、接地线、锂电池、微型高压静电发生器、弹簧和点动式开关，塑料外壳为倒置的l型，类似于家用头发吹干用的吹风机，塑料外壳的水平段右侧丝出口端依次安装安全罩、内带扇叶的金属旋转筒和深沟球轴承，深沟球轴承外径固定到塑料外壳中的沟槽中；内带扇叶的金属旋转筒的后端内部固定有扇叶，内带扇叶的金属旋转筒的内径焊接一个金属夹层，内带扇叶的金属旋转筒的内径与金属夹层外径间有间隙，金属夹层与金属旋转筒之间的距离应在0.5-1cm之间，距离过小易导致可纺性溶液难以进入夹层，距离过大失去设立夹层的意义，二者均影响旋转筒的微分效果；纺丝液体可以从间隙中飞出，在扇叶右侧距离出口一定距离由铁丝焊接固定一块金属挡板，金属挡板应选取1mm厚，金属挡板将随扇叶吹出的纺丝液挡落到金属夹层，将金属夹层、铁丝、金属挡板等焊接到内带扇叶的金属旋转筒的指定位置中，内带扇叶的金属旋转筒的左端有一圆孔，内带扇叶的金属旋转筒右端与金属夹层右端可以平齐，内带扇叶的金属旋转筒左端与金属夹层左端有一段距离，金属夹层轴向长度稍短，保证大部分的纺丝液流入金属夹层与金属旋转
筒之间的间隙中；金属挡板被铁丝固定在金属夹层内侧，与金属旋转筒同轴，与金属旋转筒的轴向误差应保持在2mm以内，金属挡板过厚会提升轴向固定的难度，轴向误差过大也会影响旋转筒的旋转；将内带扇叶的金属旋转筒缓慢旋入深沟球轴承的内圈，期间要保证对称旋进，保证其在轴向方向上无明显偏移，旋转筒与深沟球轴承同轴，旋转筒与深沟球轴承内圈的轴向偏差要控制在0.5mm以内，若轴向偏差大于0.5mm，会导致整个装置在运行过程中产生剧烈震动，影响整个离心微分静电纺丝过程；将锂电池、微型高压静电发生器、电动风机、储液槽几个元件安装固定到塑料外壳l段竖直手握段内，外形有弧形便于手握；连接好相应的电路，使装置的内部电路均完成连接，包括将高压输出线焊接到裸露出来的深沟球轴承外圈上的某点；储液槽通过塑料外壳内的沟槽固定在整个装置的上部，排液口在其底部靠近塑料外壳的一旁；输液管通过热熔胶与储液槽连接在一起，随后被塑料外壳上的凸起夹住紧靠内壁，手动偏心轮也凸出于外壳；输液管末端被外壳内部的高脚凸起固定后放入金属旋转筒中，要保证输液管末端放入旋转筒内5cm左右，进入长度过短会导致在实验过程中输液管逸出旋转筒，进入长度也不应过长，应防止输液管进入过长导致其末端不再下垂。本装置利用常温可静电纺丝溶液进料，可以是ppesk纺丝液、pes-c/pes-cb复合纺丝液等常温下可进行溶液纺丝的溶液；纺丝溶液储存在储液槽中，储液槽材质可为pp等化学性质稳定的塑料材质；常温可静电纺丝溶液从储液槽的进液口倒入后通过六角螺栓将进液口关闭，控制气压平衡的转盘也安装到储液槽相应位置。
7.本发明除描述将所有元件都汇聚于塑料外壳内，采用直流电池供电的一种装置设计以外，还描述了将静电发生器放置在塑料外壳外，并采用220v交流电供电的一种装置设计。
8.本发明涉及的一种手持式微分离心电纺装置，在安装过程中，储液槽通过塑料外壳内的沟槽固定在整个装置的上部，排液口在其底部靠近塑料外壳的一旁；输液管通过热熔胶与储液槽连接在一起，随后被塑料外壳上的凸起夹住紧靠内壁，手动偏心轮也凸出于外壳；。
9.本发明涉及的一种手持式微分离心电纺装置，空气从装置塑料外壳上的孔洞进入，经过电动风机的扇叶提高风速后流入到金属旋转筒中，孔洞直径为5mm，分布面积与电动风机扇叶的有效面积一样大；电动风机的选择应注意以下几点：应有二级调速功能，低速档风速时可让金属旋转筒以200r/min的速度旋转，高速档风速时可让金属旋转筒以300r/min的速度旋转。根据实验结果显示，当金属旋转筒的速度小于200r/min时，金属旋转筒不足以克服可纺性溶液重力的作用，微分作用不强，无法制出高产、低直径的纤维；当金属旋转筒的速度大于300r/min时，电动风机吹出的气流风速过快，溶液所受的轴向力过大，使其过早逸出旋转筒，同样严重影响溶液静电纺丝过程。
10.本发明一种手持式微分离心电纺装置，塑料外壳固定深沟球轴承的沟槽下端有一深度为3cm的缺口，微型高压静电发生器的高压输出线通过该缺口焊接到深沟球轴承的外圈上，使得金属旋转筒整体带有高压静电，接收板接地，旋转筒与接收板之间形成电场。需要说明的是，该装置使用时所加高压静电约20kv，与其搭配的纺丝距离应为10cm左右。纺丝距离太大时静电作用力太小，无法产生射流；纺丝距离太小时会因击穿而无法继续纺丝。
11.本发明一种手持式微分离心电纺装置，其中塑料外壳材质要求在30kv静电下不导电，可以但不限于聚醚醚酮这种材料；塑料外壳一端安装一个可拆卸的塑料材质安全罩，可
起到保护使用者不与可纺性溶液以及高压静电场直接接触的作用。安全罩上周向均布排气孔，气体不会因无法排出在安全罩内形成旋流，提高安全性，有利于纤维的规整收集。输液管材料同样要求绝缘材料，且有一定柔韧性。
12.本发明一种手持式微分离心电纺装置，塑料外壳手握处的直径应为50mm左右，直径太大或太小都会影响使用者的使用体验，降低发明装置的便携性和实用性。
13.本发明一种手持式微分离心电纺装置，也可采用220v交流电供电，涉及到将可纺性溶液进行微分的元器件以及其他普通元器件没有明显变化。主要变化为：第一，电动风机的供电线从装置手握端的底部伸出；第二，高压发生器完全外置，高压输出线从装置手握端深入后，焊接在轴承外圈指定位置。高压发生器上有一控制高压输出与否的按钮，外壳手握处取消了弹簧和点动式开关的设计，控制高压静电有无的功能通过高压发生器上的这个按钮完成。
14.本发明涉及的一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，首先，将接收板竖直固定在某处，要保持接收板不直接接触金属材料或水源，将接收板上的接地线连接在室内金属水管，暖气片等金属上；对于直流供电的发明装置，接下来通过用手按压点动式开关，使工作电路接通，电路成为通路后，电动风机开始旋转，微型高压静电发生器开始工作，高压静电通过导线连接在轴承外圈，使得整个金属旋转筒带电；电动风机吹出的气流，可通过和叶片产生相互作用力从而使得旋转筒开始转动；当旋转筒的转速稳定在到规定值时，将装置对准固定好的接收板，转动输液管上的偏心轮，可纺性溶液顺利从储液槽通过输液管流进旋转筒，通过风的吹动以及转筒的旋转，逐渐布满整个金属旋转筒内，达到微分的效果；由于金属旋转筒在不停地旋转，溶液可能会流到叶片上，并最终流到金属挡板上；最终，由于金属旋转筒以及其上的金属挡板均带高压静电，与接地的接收装置在安全罩内形成电场，在电场力和气流的双重作用下，纤维被拉伸细化，在接收板上被规整收集。
15.本发明涉及的一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，首先，将接收板竖直固定在某处，要保持接收板不直接接触金属材料或水源，将接收板上的接地线连接在室内金属水管，暖气片等金属上；对于交流供电的发明装置，与直流供电装置最主要的区别就是将高压发生器外置，对其的外形规格要求也进行放宽；在使用前，先将高压发生器的电源线接好，完成接地；接下来将装置对准固定好的接收板，并接上电动风机的电源线，电动风机开始旋转，当旋转筒的转速稳定在到规定值时，按下高压发生器输出高压的按钮，高压静电通过导线连接在轴承外圈，使得整个金属旋转筒带电；转动输液管上的偏心轮，可纺性溶液顺利从储液槽通过输液管流进旋转筒，通过风的吹动以及转筒的旋转，逐渐布满整个金属旋转筒内，达到微分的效果；由于金属旋转筒在不停地旋转，溶液可能会流到叶片上，并流到金属挡板上；最终，由于金属旋转筒以及其上的金属挡板均带高压静电，与接地的接收装置在安全罩内形成电场，在电场力和气流的双重作用下，纤维被拉伸细化，在接收板上被规整收集。
16.本发明与现有技术相比，其优势有：通过将装置结构进行全新的设计，利用电动风机、微型高压静电发生器以及金属旋转筒三种主要元器件完成溶液离心电纺的主要工艺流程，并通过设立夹层等结构使得可纺性溶液中的溶剂在产生射流前尽可能少的挥发到空气中，满足了设备小型化、轻量化、便携化的设计需求，使得利用可纺性溶液制备纤维的方法更加容易。
17.本发明装置电动风机的转速可调，手动偏心轮也可以调节可纺性溶液的滴流速度，满足不同纺丝溶液的实验需求。整个设备的可装卸性高，便于材料和装置零件的清洗和更换，使用者也可更加直观的感受到溶液离心静电纺丝的整个原理及过程。
附图说明
18.图1为本发明一种采用直流供电手持式微分离心电纺装置结构示意图。
19.图2为图1所示结构的a-a截面放大图。
20.图3为图1所示结构的输液管末端局部放大图。
21.图4为本发明一种采用交流供电手持式微分离心电纺装置结构示意图。
22.图中：1-保护罩；2-铁丝；3-金属挡板；4-金属夹层；5-内带扇叶的金属旋转筒；6-塑料外壳；7-深沟球轴承；8-手动偏心轮；9-输液管；10-储液槽；11-转盘；12-六角螺栓；13-电动风机；14-接地线；15-锂电池；16-微型高压静电发生器；17-弹簧；18-点动式开关；19-接收板。
具体实施方式
23.图1是本发明其中一种直流供电手持式微分离心电纺装置及其接收板的结构示意图。
24.如图1所示，其主要包括：安全罩1，铁丝2，金属挡板3，金属夹层4，内带扇叶的金属旋转筒5，塑料外壳6，深沟球轴承7，手动偏心轮8，输液管9，储液槽10，转盘11，六角螺栓12，电动风机13，接地线14，锂电池15，微型高压静电发生器16，弹簧17，点动式开关18，接收板19。
25.深沟球轴承7放入到塑料外壳6中的对应沟槽中，将金属夹层4、铁丝2、金属挡板3等焊接到内带扇叶的金属旋转筒5的指定位置中；将内带扇叶的金属旋转筒5缓慢旋入深沟球轴承7的内圈，期间要保证对称旋进，保证其在轴向方向上无明显偏移，将锂电池15、微型高压静电发生器16、电动风机13、储液槽10几个元件安装到塑料外壳6内的对应位置；连接好相应的电路，使装置的内部电路均完成连接，包括将高压输出线焊接到裸露出来的深沟球轴承7外圈上的x点。
26.图2是直流供电手持式微分离心电纺装置沿a-a方向的剖视图；图3，是该装置中输液管末端局部放大图。
27.储液槽10通过塑料外壳6内的沟槽固定在整个装置的上部，排液口在其底部靠近塑料外壳6的一旁；输液管9通过热熔胶与储液槽10连接在一起，随后被塑料外壳6上的凸起夹住紧靠内壁，手动偏心轮8也凸出于外壳；输液管9末端被外壳内部的高脚凸起固定后放入金属旋转筒5中，要保证输液管9末端放入旋转筒内长度适中。本装置利用常温可静电纺丝溶液进料，可以是ppesk纺丝液、pes-c/pes-cb复合纺丝液等常温下可进行溶液纺丝的溶液；可纺性溶液储存在储液槽10中，储液槽10材质为化学性质稳定的塑料材质；可纺性溶液从储液槽10的进液口倒入后通过六角螺栓12将进液口关闭，控制气压平衡的转盘11也安装到储液槽10相应位置。
28.空气从装置塑料外壳6上的孔洞进入，经过电动风机13的扇叶提高风速后流入到金属旋转筒5中；电动风机13有二级调速功能，低速档风速时可让金属旋转筒5以200r/min
的速度旋转，高速档风速时可让金属旋转筒5以300r/min的速度旋转。塑料外壳6一端安装一个可拆卸的塑料材质安全罩1，可起到保护使用者不与可纺性溶液以及高压静电场直接接触的作用。安全罩1上周向均布排气孔，气体不会因无法排出在安全罩1内形成旋流，提高安全性，有利于纤维的规整收集。输液管9材料同样要求绝缘材料，且有一定柔韧性，可以但不限于玻璃管这种材料。
29.本发明涉及的一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，参阅图1、图2及图3。首先，将接收板19竖直固定在某处，要保持接收板19不直接接触金属材料或水源，将接收板19上的接地线连接在室内金属水管，暖气片等金属上；对于直流供电的发明装置，接下来通过用手按压点动式开关18，使工作电路接通，电路成为通路后，电动风机13开始旋转，微型高压静电发生器16开始工作，高压静电通过导线连接在轴承7外圈，使得整个金属旋转筒5带电；电动风机13吹出的气流，可通过和叶片产生相互作用力从而使得旋转筒开始转动；当旋转筒的转速稳定在到规定值时，将装置对准固定好的接收板19，转动输液管9上的偏心轮8，可纺性溶液顺利从储液槽10通过输液管9流进旋转筒，通过风的吹动以及转筒的旋转，逐渐布满整个金属旋转筒5内，达到微分的效果；由于金属旋转筒5在不停地旋转，溶液可能会流到叶片上，并最终流到金属挡板3上；最终，由于金属旋转筒5以及其上的金属挡板3均带高压静电，与接地的接收装置在安全罩1内形成电场，在电场力和气流的双重作用下，纤维被拉伸细化，在接收板19上被规整收集。
30.本发明涉及的一种手持式熔体静电纺丝制备装置使用方法，另外一种方式见图4、图2及图3。首先，将接收板19竖直固定在某处，要保持接收板19不直接接触金属材料或水源，将接收板19上的接地线连接在室内金属水管、暖气片等金属上；对于交流供电的发明装置，与直流供电装置最主要的区别就是将微型高压发生器16外置，对其的外形规格要求也进行放宽；在使用前，先将微型高压发生器16的电源线接好，完成接地；接下来将装置对准固定好的接收板19，并接上电动风机13的电源线，电动风机13开始旋转，当旋转筒的转速稳定在到规定值时，按下微型高压发生器16输出高压的按钮，高压静电通过导线连接在轴承7外圈，使得整个金属旋转筒5带电；转动输液管9上的偏心轮8，可纺性溶液顺利从储液槽10通过输液管9流进旋转筒，通过风的吹动以及转筒的旋转，逐渐布满整个金属旋转筒5内，达到微分的效果；由于金属旋转筒5在不停地旋转，溶液流到叶片上，并最终流到金属挡板3上；最终，由于金属旋转筒5以及其上的金属挡板3均带高压静电，与接地的接收装置在安全罩1内形成电场，在离心力、电场力和气流的多重作用下，纤维被拉伸细化，在接收板19上后被收集。