CN101565878A - 超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料制造装置，包括计算机、高压静电发生器和供液管道，其特征在于，还包括供液装置、自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置、横向移动器和接收装置；其中，计算机分别连接供液装置的数据接口、横向移动器和接收装置；供液装置通过供液管道连接自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置；自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置设在横向移动器上，并连接高压静电发生器。本发明装置生产过程一体化，操作简单，生产效率高。

Description

超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料制造装置

技术领域

本发明涉及一种超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料制造装置，属于纳米材料工业化应用领域。

背景技术

近年来，静电纺丝技术作为一种可制备直径分布在几百个纳米到几个微米范围内纤维的简单技术，越来越受到重视，引起了各国科研工作者的广泛关注。但是在一些领域，静电纺纤维的应用受到其产率低下、直径偏大的影响。由Donaldson公司首创的Ultra-Web纳米纤维过滤材料，是目前纤维尺寸最小的过滤材料，它大大提高了过滤效率，减小了有害粒子的透过率，对亚微米颗粒的过滤效率高达99.999％。但是当这种过滤材料应有于拦截诸如直径在80～120纳米的SARS病毒、炭疽热病毒、甲型H1N1流感病毒、禽流感病毒、马流感病毒及固体颗粒时，就表现出很大的局限性，过滤效率大大降低。所以批量化制备出纤维直径更小的超细纳米纤维用于拦截这些病毒颗粒，是唯一有效途径。

U.S.Pat.No.6713011中涉及到的喷丝头向下配置，与接收面垂直，造成了因未完全成纤纺丝液的滴落而有损纤维膜的质量；中国专利CN101210352A中喷丝头垂直向上配置纺丝过程中，来不及形成溶液泰勒锥喷射微小液体流的溶液流到喷丝板上或者堵塞喷头，制备出的纤维平均直径250纳米，还不能有效拦截病毒颗粒。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料的制备装置，批量化地制造直径在5-50纳米，平均直径为15纳米的超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料，有效地克服现有技术中产率低下，纤维直径偏大的缺陷，满足纳米材料在防护领域的应用需求。

本发明解决技术问题的方案如下：

一种超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料制造装置，包括计算机、高压静电发生器和供液管道，其特征在于，还包括供液装置、自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置、横向移动器和接收装置；

其中，计算机分别连接供液装置的数据接口、横向移动器和接收装置相连接；供液装置通过供液管道连接自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置；自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置设在横向移动器上，并连接高压静电发生器。

所述的接收装置包括变频电机，变频电机的中心轴分别连接无纺布基布喂入滚筒、无纺布顶布喂入滚筒、接收滚筒、热压针刺辊和卷绕滚筒的中心轴，变频电机还连接变频调速器；所述的变频调速器连接计算机。

所述的无纺布基布喂入滚筒、无纺布顶布喂入滚筒、接收滚筒和卷绕滚筒的直径d皆为20-200厘米，长度皆为0.5-10米，卷绕线速度相同，皆为0.5-1000米/分钟。

所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置与接收滚筒的间距a为5-30厘米。

所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置包括环氧树脂绝缘电路板，环氧树脂绝缘电路板上设有孔槽，孔槽中部设有喷丝针头，喷丝针头连接供液管道，环氧树脂绝缘电路板上还设有旋转清洁刷，喷丝针头与高压静电发生器的正极相连接。

所述的旋转清洁刷包括驱动马达，驱动马达连接清洁刷。

所述的环氧树脂绝缘电路板的厚度c为2-3厘米。

所述的孔槽为圆柱形或圆锥形、其个数为8-500个、间距为1.5-10厘米、深度h为0.5-1厘米、直径e为0.5-1.5厘米、在环氧树脂绝缘电路板上呈正方形、圆形或矩形矩阵式排列，矩阵间距b为2-20厘米。

所述的喷丝针头为金属毛细管，其直径f为0.5-5毫米，喷丝针头的前端与环氧树脂绝缘电路板的前侧面平齐，喷丝针头与水平地面平行。

所述的横向移动器包括控制器，控制器连接步进电机，步进电机连接滑块，滑块设在滑台上并位于限位开关之间，控制器与计算机连接。

滑块的速度为0.5-100米/分钟，有效往复距离为0.5-10米。

供液装置为多通道高精度蠕动泵或注射泵。

供液管道为聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管、聚乙烯管或聚丙烯管。

高压静电发生器产生的电压为10-80kV。

其中，无纺布基由无纺布基喂入滚筒喂入，经接收滚筒接收超细纳米蛛网/纳米纤维，并与无纺布基一同进入热压针刺辊，经热压粘合后由卷绕滚筒卷绕，无纺布可替换为铜网、铝箔和织物。无纺布基布喂入滚筒、无纺布顶布喂入滚筒、接收滚筒、热压针刺辊和卷绕滚筒是通过变频电机提供动力，控制变频电机的变频调速器与计算机相连接，能够达到精确控制无纺布通过滚筒的线速度，从而得到不同沉积厚度的超细纳米蛛网。热压针刺辊，根据不同材料通过电阻加热到不同温度，对整体防护材料起到粘合作用。可根据不同性质的溶液选择多通道精密蠕动泵或注射泵，并根据溶剂的性质选择不同材质的供液管道与自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置相联接，通过调整与供液装置相联接的计算机程序，方便地完成溶液推进速度参数的设定。输送到喷丝板上喷丝头处的溶液经过高压静电发生器带电后，会在喷丝针头处形成悬垂的液滴称为泰勒锥，当所加电压超过溶液滴的表面张力后，微小液体流就会从泰勒锥的表面喷射出去，经过静电场力拉伸以及静电斥力的作用，最终形成沉积到接收装置上超细纳米蛛网/纳米纤维。在制备超细纳米蛛网/纳米纤维的过程中，通过计算机程序控制的横向移动器带着喷丝装置沿着设定好距离的滑台导轨快速精确往复运动，使得从喷丝针头喷出的超细纳米蛛网/纳米纤维均匀地沉积到经过接收装置滚筒中的无纺布上，通过改变喷丝板的往复运动速度和接收装置中无纺布基的喂入速度，可以得到不同沉积厚度的超细纳米蛛网/纳米纤维膜。

与现有技术相比本发明优点如下：

本发明采用自清洁多喷头矩阵式排列，克服静电场对喷头喷丝的影响，大幅度提高了超细纳米蛛网/纳米纤维的产率；同时喷丝装置与收集装置中滚筒配置方式，保证喷丝针头与水平地面平行，避免了U.S.Pat.No.6713011中涉及到的喷丝头向下配置，与接收面垂直，造成了因未完全成纤纺丝液的滴落而有损纤维膜的质量；同时也避免了中国专利CN101210352A中喷丝头垂直向上配置中，来不及形成泰勒锥喷射微小液体流的溶液会流到喷丝板上或者堵塞喷头。该设备采用了计算机精确控制的多通道微量供液装置，即高精度蠕动泵或注射泵，有效避免了多数专利中采取对喷丝头集中供液而产生的溶液分配不均的问题。采用本发明装置制造的具有三明治结构的含有超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料，能够拦截并去除直径在5纳米-10微米的各种颗粒物质，本发明装置生产过程一体化，操作简单，生产效率高。

附图说明

图1为超细纳米蛛网/纳米纤维复合防护材料制备装置示意图；

图2为接收装置示意图；

图3为自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置部分示意图；

图4为孔槽示意图；

图5为横向移动器示意图；

图6为计算机控制方法流程图；

图7为控制器控制方法流程图；

图8为纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本发明。

实施例1

如图1所示，为超细纳米蛛网/纳米纤维复合防护材料制备装置示意图，所述的超细纳米蛛网/纳米纤维复合防护材料制备装置由供液装置1、供液管道2、自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3、计算机4、横向移动器5、高压静电发生器6和接收装置7组成。其中，计算机4分别连接供液装置1的数据接口、横向移动器5和接收装置7；供液装置1通过供液管道2连接自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3；自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3设在横向移动器5上，并连接高压静电发生器6。所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3与接收滚筒72的间距a为15厘米。

如图2所示，为接收装置示意图，所述的接收装置7包括变频电机，变频电机的中心轴分别连接无纺布基布喂入滚筒71、无纺布顶布喂入滚筒73、接收滚筒72、热压针刺辊74和卷绕滚筒75的中心轴，变频电机还连接变频调速器76；所述的变频调速器76连接计算机4。所述的无纺布基布喂入滚筒71、无纺布顶布喂入滚筒73、接收滚筒72和卷绕滚筒75的直径d皆为20厘米，长度皆为5米，卷绕线速度相同。采用S.H.Q.W变频电机，TB-4同步控制器控制变频调速器76，并通过RS485转化器与计算机4相连接，实现计算机4同步控制多台变频电机。

如图3所示，为自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置部分示意图，所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3包括环氧树脂绝缘电路板31，环氧树脂绝缘电路板31上设有孔槽33，孔槽33中部设有喷丝针头32，喷丝针头32连接供液管道2，环氧树脂绝缘电路板31上还设有旋转清洁刷34，喷丝针头32与高压静电发生器6的正极相连接。所述的旋转清洁刷34包括驱动马达341，驱动马达341连接清洁刷342。自动旋转的清洁刷342每五分钟清洁一次。

如图4所示，为孔槽示意图。所述的环氧树脂绝缘电路板31的厚度c为2.5厘米。所述的孔槽33为圆柱形、其个数为32个、间距为3厘米、深度h为0.5厘米、直径e为1厘米、在环氧树脂绝缘电路板31上呈正方形矩阵式排列，矩阵间距b为4厘米。所述的喷丝针头32为金属毛细管，其直径f为0.5毫米，喷丝针头32的前端与环氧树脂绝缘电路板31的前侧面平齐，喷丝针头32与水平地面平行。

如图5所示，为横向移动器示意图，所述的横向移动器5包括控制器55，控制器55连接步进电机54，步进电机54连接滑块51，滑块51设在滑台52上并位于限位开关53之间，控制器55与计算机4连接。控制器55由STK672-080驱动器和AT89S51单片机组成，汇编语言程序通过计算机写入AT89S51单片机，用来控制步进电机的转速，限位开关53用以改变步进电机的转动方向。计算机4与控制器55相连接可以时时调整滑块61的往复移动速度，限位开关53之间的距离确定了滑块61的往复移动的距离，有效往复距离为5米。如图7所示，为控制器控制方法流程图，汇编语言程序通过计算机4写入AT89S51单片机，AT89S51单片机将程序传给STK672-080驱动器，STK672-080驱动器驱动步进电机54转动，带动滑块51移动，当滑块51触及限位开关53时，限位开关53立即会给AT89S51单片机发出信号，AT89S51单片机将得到的信号反馈给STK672-080驱动器，改变步进电机54的转动方向，滑块51换向运动。计算机4可以时时改变写入单片机AT89S51的程序，从而改变滑块51的移动速度。

供液装置1为多通道高精度注射泵，注射器灌注溶液后置于多通道高精度注射泵上，由计算机控制部分精确控制溶液的灌注速度。采用保定兰格恒流泵有限公司生产的多通道注射泵，多台多通道注射泵数据接口与计算机相连接，可以通过其内置程序调解溶液灌注速度。供液管道2为聚四氟乙烯管。高压静电发生器6采用TXR1020(大连泰思曼高压电源有限公司提供)；其负极接地。

如图6所示，为计算机控制方法流程图，其工艺流程为：启动计算机4→设定接收装置7的卷绕速度、供液装置1的注射速度、横向移动器5的往复速度以及清洁刷342的清洁频率→配备所需的纺丝溶液于供液装置1→打开高压静电发生器6，调整电压→启动供液装置1、横向移动器5以及接收装置7开始纺丝→调整横向移动器5的往复速度和接受装置7的卷绕速度，得到所需沉积厚度的纳米蛛网/纳米纤维→纺丝结束，停止接收装置7运转、供液装置1以及横向移动器5→关闭高压静电发生器6，总电源→得到超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料。

在室温25℃和湿度30％的条件下，将质量分数5％的尼龙6溶液吸入10毫升注射器中，置于供液装置1上。调整超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料批量化制造装置的工艺参数如下：

接收装置7的卷绕线速度为80米/分钟；

横向移动器5的往复速度为50米/分钟；

供液装置1的注射速度为4毫升/小时；

高压静电发生器6的电压为30千伏；

自动旋转的清洁刷342每五分钟清洁一次；

如图8所示，为纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料的扫描电子显微镜图；所得的纳米蛛网42直径在10～20纳米、支架纳米纤维41直径在80～120纳米的纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料。

实施例2

装置类似于与实施例1，区别在于，所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3与接收滚筒72的间距a为5厘米；所述的无纺布基布喂入滚筒71、无纺布顶布喂入滚筒73、接收滚筒72和卷绕滚筒75的直径d皆为20厘米，长度皆为0.5米，卷绕线速度相同；所述的环氧树脂绝缘电路板31的厚度c为2厘米。所述的孔槽33为圆柱形、其个数为8个、间距为1.5厘米、深度h为0.5厘米、直径e为0.5厘米、在环氧树脂绝缘电路板31上呈正方形、圆形或矩形矩阵式排列，矩阵间距b为2厘米。所述的喷丝针头32为金属毛细管，其直径f为0.8毫米，滑块61有效往复距离为0.5米。供液装置1为多通道高精度蠕动泵或注射泵；供液管道2为聚氯乙烯管。

在室温25℃和湿度30％的条件下，将质量分数7.5％的聚丙烯酸溶液吸入10毫升注射器中，置于供液装置1上。调整超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料批量化制造装置的工艺参数如下：

高压静电发生器6产生的电压为10kV；

供液装置1的注射速度为10毫升/小时；

横向移动器的往复速度为0.5米/分钟；

接收装置7中卷绕线速度为0.5米/分钟；

可定时自动旋转的清洁刷每三分钟清洁一次；

得到纳米蛛网直径在15～30纳米、纳米纤维直径在250～1000纳米的纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料。

实施例3

装置类似于与实施例1，区别在于，所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置3与接收滚筒72的间距a为30厘米；所述的无纺布基布喂入滚筒71、无纺布顶布喂入滚筒73、接收滚筒72和卷绕滚筒75的直径d皆为200厘米，长度皆为10米，卷绕线速度相同；所述的环氧树脂绝缘电路板31的厚度c为3厘米。所述的孔槽33为圆柱形、其个数为500个、间距为10厘米、深度h为1厘米、直径e为1.5厘米、在环氧树脂绝缘电路板31上呈正方形、圆形或矩形矩阵式排列，矩阵间距b为20厘米。所述的喷丝针头32为金属毛细管，其直径f为5毫米，滑块61有效往复距离为10米。供液装置1为多通道高精度蠕动泵或注射泵；供液管道2为聚乙烯管。

在室温25℃和湿度30％的条件下，将质量分数25％的聚乙烯醇溶液吸入100毫升注射器中，置于供液装置1上。调整超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料批量化制造装置的工艺参数如下：

高压静电发生器6产生的电压为80kV；

供液装置1的注射速度为10毫升/小时；

横向移动器的往复速度为100米/分钟；

接收装置7中卷绕线速度为1000米/分钟；

可定时自动旋转的清洁刷每十分钟清洁一次；

得到纳米蛛网直径在15～30纳米、纳米纤维直径在80～500纳米的纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料。

Claims (14)

1.一种超细纳米蛛网/纳米纤维复合型防护材料制造装置，包括计算机(4)、高压静电发生器(6)和供液管道(2)，其特征在于，还包括供液装置(1)、自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置(3)、横向移动器(5)和接收装置(7)；

其中，计算机(4)分别连接供液装置(1)的数据接口、横向移动器(5)和接收装置(7)；供液装置(1)通过供液管道(2)连接自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置(3)；自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置(3)设在横向移动器(5)上，并连接高压静电发生器(6)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的接收装置(7)包括变频电机，变频电机的中心轴分别连接无纺布基布喂入滚筒(71)、无纺布顶布喂入滚筒(73)、接收滚筒(72)、热压针刺辊(74)和卷绕滚筒(75)的中心轴，变频电机还连接变频调速器(76)；所述的变频调速器(76)连接计算机(4)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的无纺布基布喂入滚筒(71)、无纺布顶布喂入滚筒(73)、接收滚筒(72)和卷绕滚筒(75)的直径d皆为20-200厘米，长度皆为0.5-10米，卷绕线速度相同，皆为0.5-1000米/分钟。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置(3)与接收滚筒(72)的间距a为5-30厘米。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的自清洁多喷头矩阵式排列喷丝装置(3)包括环氧树脂绝缘电路板(31)，环氧树脂绝缘电路板(31)上设有孔槽(33)，孔槽(33)中部设有喷丝针头(32)，喷丝针头(32)连接供液管道(2)，环氧树脂绝缘电路板(31)上还设有旋转清洁刷(34)，喷丝针头(32)与高压静电发生器(6)的正极相连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的旋转清洁刷(34)包括驱动马达(341)，驱动马达(341)连接清洁刷(342)。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的环氧树脂绝缘电路板(31)的厚度c为2-3厘米。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的孔槽(33)为圆柱形或圆锥形、其个数为8-500个、间距为1.5-10厘米、深度h为0.5-1厘米、直径e为0.5-1.5厘米、在环氧树脂绝缘电路板(31)上呈正方形、圆形或矩形矩阵式排列，矩阵间距b为2-20厘米。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的喷丝针头(32)为金属毛细管，其直径f为0.5-5毫米，喷丝针头(32)的前端与环氧树脂绝缘电路板(31)的前侧面平齐，喷丝针头(32)与水平地面平行。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的横向移动器(5)包括控制器(55)，控制器(55)连接步进电机(54)，步进电机(54)连接滑块(51)，滑块(51)设在滑台(52)上并位于限位开关(53)之间，控制器(55)与计算机(4)连接。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，滑块(51)的速度为0.5-100米/分钟，有效往复距离为0.5-10米。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，供液装置(1)为多通道高精度蠕动泵或注射泵。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，供液管道(2)为聚四氟乙烯管、聚氯乙烯管、聚乙烯管或聚丙烯管。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，高压静电发生器(6)产生的电压为10-80kV。

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