CN102409417A - 一种人工智能型静电纺丝仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人工智能型静电纺丝仪，包括玻璃罩、供料系统、控制柜和收集系统；特点是所述的供料系统包括定量的推流泵和固定于推流泵上的注射器，注射器与硅胶管相连，硅胶管的另一端与针头相连，针头置放在玻璃罩的顶端；所述控制柜主要由高压供电系统和控制面板系统组成；高压供电系统的正极与针头通过金属弹簧夹相连；所述的收集系统由圆盘电机、移动电机、丝杆、丝杆槽和接收圆盘组成；接收圆盘与针头相对设置，接收圆盘与圆盘电机的电机轴连接，圆盘电机连接丝杆，丝杆与移动电机的电机轴连接，固定限位开关固定在收集系统的接收圆盘运行路程的一端，接收圆盘的前端边缘上的凹槽有调节限位开关。故自动化控制，使制备纳米纤维更为方便。

Description

一种人工智能型静电纺丝仪

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，特别是涉及一种有限控制不定性因素在收集纳米纤维上有着绝对优势的静电纺丝仪。

技术背景

近年来，通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料已经成为世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控性等优点，成为了有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。当下，静电纺丝技术已经制备出了种类丰富的纳米纤维，包括有机纳米纤维、无机纳米纤维和有机/无机复合纳米纤维。

“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”，国内一般将其简称为“静电纺”、“电纺”等。静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，其雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，在运行相当长的距离之后，最终固化成为纳米纤维。静电雾化较静电纺丝的而言，在于这二者采用的工作介质不同，静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体，而静电纺丝采用的则是较高粘度的非牛顿流体。相对应的，静电雾化技术的深入研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和知识基础。

对静电纺丝过程的深入研究目前已经涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。然而，随着工艺技术精密化进程的加速，从事静电纺丝制备纳米纤维技术的科研人员开始着手面对一些电纺技术上一直隐藏多时且必须要先行解决的问题。首先，关于制备有机纳米纤维，可以用于静电纺丝的天然高分子品种十分有限，对所制备的产品结构和性能的研究仍然不够完善，所生产出来的最终产品应用大都只是处于实验阶段，尤其是这些产品的产业化生产方面还存在更大的问题。其次，静电纺丝有机/无机复合纳米纤维的性能不仅与纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等各个方面有着相应关系，如何制备出高性能、多功能且适合需要的复合纳米纤维是研究的关键。再次，静电纺丝无机纳米纤维的研究基本处于起始阶段，无机纳米纤维在高效催化、高温过滤、生物组织工程、航天器材、光电器件等多个领域具有潜在的用途，静电纺丝无机纳米纤维较大的脆性限制了其应用性能和范围，因此，开发具有柔韧性、连续性的无机纤维成为一个重要的课题。

在电纺丝制备的过程中，由于其可控制性方向存在一定的精密度问题，使电纺技术往往是在较为粗糙的情况下进行，溶液或熔体流速、接收距离、环境温度等不定性因素都没有准确考量，加上在静电纺丝收集装置上的研究在一定程度上没有进行深入，这对于改进纳米纤维丝连续性差和定向性差等方面的缺点存在一定的束缚。溶液或熔体流速，接收距离以及环境温度等因素的控制，有便于对电纺丝纤维在质和量上影响因素的深入研究。加之，在纺丝量一定的情况下，收集纤维丝这一关键性的工序也成为了科研工作的关注点，所以在此前提之下，一套完备的静电纺丝设备成为了形势所趋。

发明内容

鉴于目前静电纺丝技术中所面临的上述问题，本发明的目的是设计一种能有限控制不定性因素、使制备静电纺丝纳米纤维制作更为方便的人工智能型静电纺丝仪。

本发明的目的是这样实现的：所述的一种人工智能型静电纺丝仪，包括玻璃罩、供料系统、控制柜和收集系统；其结构特点是1）所述的供料系统包括定量的推流泵和固定于推流泵上的注射器，注射器与硅胶管相连，硅胶管的另一端与针头相连，针头置放在玻璃罩的顶端；2）所述控制柜主要由高压供电系统和控制面板系统组成；高压供电系统由高压直流静电发生器、正极和地线构成，其中正极与针头通过金属弹簧夹相连；高压直流静电发生器由直流电压调节、直流电源开关和直流启动按钮构成； 3）所述的收集系统由可调节限位开关、固定限位开关、传感器、圆盘电机、移动电机、丝杆、丝杆槽和接收圆盘组成；接收圆盘与针头相对设置，接收圆盘与圆盘电机的电机轴连接，圆盘电机连接丝杆，丝杆置于丝杆槽中且能在丝杆槽中移动，丝杆与移动电机的电机轴连接，固定限位开关固定在收集系统的接收圆盘运行路程的一端，而收集系统的接收圆盘的前端边缘上的凹槽有一可左右滑动控制住收集系统的左右移动的最大限值的调节限位开关。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现的：所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其特点是控制面板系统由PV测量值显示、SV设定值显示、AL2动作指示灯、AL1动作指示灯、向下按键、菜单设置按键、直流电压调节、直流电源开关、直流启动按钮、转速显示、转速调节和起停开关构成。所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其特点是在收集系统的丝杆右端设有传感器。所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其特征是在收集系统的接收圆盘后端边缘位置设置能有调节环境温度的散热风扇。

本发明的优点为：本发明采用带有微电脑控制的推流泵自动化推动流体，如此，流体到达玻璃罩顶部（针头），针头的部分由弹簧夹作用与高压直流供电系统相连接，与针头相距约20cm的接收圆盘由丝杆控制。微电脑控制的推流泵达到了自动化的效果，一定程度上节约了人力；弹簧夹的作用，使得人工操作更换针头时可以避免与高压直流供电系统直接接触，提高了实验实行的安全系数；控制柜控制圆盘电机和移动电机，使接收圆盘可根据需求自行调整自转和左右移动的速度，且在机架上设有可调式行程限位开关，可以自行调整接收圆盘左右移动的最大移动距离，在此前提之下，接收圆盘边缘电荷分布均匀，与针头形成的电场排布可以很好地配合纺丝溶液的喷射路径，从而调节了静电纺丝纳米纤维的覆盖范围，制备出的连续、均匀的静电纺丝纳米纤维毡。本发明的自动化控制装置，使制备静电纺丝纳米纤维制作更为方便，减少了人力资源，节约了时间，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图1中，13是针头，14是接收圆盘，15是可调节限位开关，16是园盘电机，17是丝杆，18是丝杆槽，19是固定限位开关，20是传感器，21是移动电机。

图2是控制面板系统的结构图。

图2中，1是PV测量值显示，2是SV设定值显示，3是AL2动作指示灯，4是AL1动作指示灯，5是向下按键，6是菜单设置按键，7是直流电压调节，8是直流电源开关，9是直流启动按钮，10是转速显示，11是转速调节，12是起停开关。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其能有限控制不定性的因素，该装置主要包括了玻璃罩、供料系统、控制柜和收集系统。1）所述的供料系统包括定量推流泵、固定于推流泵上的注射器，推流泵一端与注射器相连，以及其一端与针头相连的硅胶管构成，定量推流泵控制了注射器内溶液的流动速度，在其作用下，溶液从注射器流动经硅胶管到达针头，在高压直流静电发生器的电压施加之后，喷射流在针头处由椭圆体变成了锥体，也就是泰勒锥。所述的推流泵由人工设置成相应的推流进程，推流泵通过计算机程序进行自动化控制，不但能在溶液推流殆尽之时自行停止，还可在推流堵塞时自行启动报警。注射器与硅胶管相连，硅胶管的另一端与针头13相连，针头13置放在玻璃罩的顶端。在玻璃罩内，环境温度由散热风扇控制调节。在此环境之下，接收圆盘14与针头13相对设置，与针头13相距约20cm的接收圆盘14由丝杆17控制。而丝杆17由控制柜所控制，可根据需求自行调整自转和左右移动的速度。且通过可调节限位开关15、固定限位开关19，可以自行调整左右移动的最大移动距离。从而调节静电纺丝纳米纤维的覆盖范围，制备出的连续、均匀静电纺丝纳米纤维毡。所述控制柜主要由高压供电系统和控制面板系统组成。高压供电系统由高压直流静电发生器、正极、地线构成，其中正极与针头13通过金属弹簧夹相连，地线与收集系统中移动底盘之下的螺母相连。高压直流静电器由直流电压调节、直流电源开关、直流启动按钮构成，高压直流静电器为现有一般技术人员能实现的技术，电纺实验进行时，先行将金属弹簧夹与针头外壁相连之后启动高压直流静电发生器。高压直流静电发生器在人工控制下进行直流电压调节，在一般情况下，电压控制范围为10KV-20KV之间，最大限制为30KV。控制面板系统由PV测量值显示1、SV设定值显示2、AL2动作指示灯3、AL1动作指示灯4、向下按键5、菜单设置按键6、直流电压调节7、直流电源开关8、直流启动按钮9、转速显示10、转速调节11、起停开关12构成，PV测量值显示所显示的是整个玻璃罩内的环境温度，而环境温度则是在AL2动作指示灯、AL1动作指示灯、向下按键、菜单设置按键等控制下的热风型电扇控制，转速显示的是收集转盘的自转速度和左右平移的速度，速度大小因情况而定。

所述的收集系统为可控制运行速度的收集系统，由可调节限位开关15、固定限位开关19、传感器20、圆盘电机16、移动电机21、丝杆17、丝杆槽18、接收圆盘14组成。所述的收集系统构造中还有移动转盘；接收圆盘14与针头13相对设置，一般为正对设置，接收圆盘14与圆盘电机16的电机轴连接，圆盘电机16连接丝杆17，丝杆17置于丝杆槽18且能在丝杆槽18中移动，丝杆17与移动电机21的电机轴连接，固定限位开关19固定在收集系统的接收圆盘14运行路程的一端，而收集系统的接收圆盘14的前端边缘上的凹槽设有一可左右滑动控制住收集系统的左右移动的最大限值的调节限位开关15，通过调节限位开关15可左右滑动控制住收集系统的左右移动的最大限值，圆盘电机16和移动电机21可控制接收圆盘14自行转动，丝杆17和丝杆槽18控制接收圆盘14左右运行。在收集系统的丝杆17右端设有传感器20，传感器的作用主要是在探测、感受到玻璃罩内部的温度湿度的情形之下传递相对信号给控制柜，控制柜的温控系统方能自主调节玻璃罩内的环境温度，以配合纺丝条件的需求。在此情况下收集到的纳米纤维丝可制备成为定向纤维丝或纤维毡。在收集系统的接收圆盘14后端边缘位置设置有控制环境温度的散热风扇，风扇的风速不高，并不会对纳米纤维丝的形成造成显著的影响。

所述的喷射高度固定不变，针头和接收板的距离保持在20cm左右。

具体工作原理为：

先确认关闭高压直流电源，在此前提下，接上控制柜电源，确认电源指示灯亮，说明电源已经接通，将右旋急停按钮松开，并旋转启动开关，确认启动灯亮，把仪表SV值设置为0。先行确认风扇是否转动，若风扇不转动，调整仪表报警值设置或者按急停检查。在风扇转动正常的情况下，启动看是否转动、并在控制柜上根据相应的条件情况调整速度。仔细检查速度是否变化，若速度不变化或者不转动就按急停并检查电机等问题。

在检查一切动作正常运作之后，关闭电源，按下急停。再将配备好的PAN溶液导入注射器针筒，并将针筒与硅胶管的一端连接，将硅胶管的另一端与针头连接，针头置于玻璃罩的顶部，和电源金属夹相连，在推流泵上安装好针筒，并在推进泵上输入推流速度，在确定了一系列参数值之后，以后的控制是通过内置的微处理器及其程序控制运行，一般将推流速度设置在0.5-1.0mL/h之间。于此同时，在上覆盖上一层锡箔纸，以作接收纳米纤维之用。

接好并确认电纺丝设备的两条地线。

确认可以纺丝之后，根据的实际需求位置调整好行程开关的位置以控制左右运行的最大限值。

在完备了以上所有动作之后，关闭玻璃罩体侧门。

将右旋急停按钮松开，并旋转启动开关，确认启动灯亮之后，把仪表的SV值设置为目标温度约为50℃，打开并调整好高压直流电源电压将其控制在13KV，等PV接近目标值50℃后进行下一步操作。

启动移动按下，圆盘电机16的选钮旋转至25r/min。

纺丝结束后，关闭高压电源、推进泵并停止总电源，按下急停，最后拉开玻璃罩的侧门，取出附着纳米纤维丝的锡箔纸，将锡箔纸放入自封袋之后，存放在干燥器之内。

Claims (4)

1.一种人工智能型静电纺丝仪，包括玻璃罩、供料系统、控制柜和收集系统；其特征是1）所述的供料系统包括定量的推流泵和固定于推流泵上的注射器，注射器与硅胶管相连，硅胶管的另一端与针头（13）相连，针头（13）置放在玻璃罩的顶端；2）所述控制柜主要由高压供电系统和控制面板系统组成；高压供电系统由高压直流静电发生器、正极和地线构成，其中正极与针头（13）通过金属弹簧夹相连；高压直流静电发生器由直流电压调节、直流电源开关和直流启动按钮构成； 3）所述的收集系统由可调节限位开关（15）、固定限位开关、传感器（20）、圆盘电机（16）、移动电机（21）、丝杆（17）、丝杆槽（18）和接收圆盘组成；接收圆盘（14）与针头（13）相对设置，接收圆盘（14）与圆盘电机（16）的电机轴连接，圆盘电机（16）连接丝杆（17），丝杆（17）置于丝杆槽（18）中且能在丝杆槽中移动，丝杆（17）与移动电机（21）的电机轴连接，固定限位开关（19）固定在收集系统的接收圆盘（14）运行路程的一端，而收集系统的接收圆盘（14）的前端边缘上的凹槽有一可左右滑动控制住收集系统的左右移动的最大限值的调节限位开关（15）。

2.根据权利要求1所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其特征是控制面板系统由PV测量值显示（1）、SV设定值显示（2）、AL2动作指示灯（3）、AL1动作指示灯（4）、向下按键、菜单设置按键（6）、直流电压调节（7）、直流电源开关（8）、直流启动按钮（9）、转速显示、转速调节（11）和起停开关（12）构成。

3.根据权利要求1或2所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其特征是在收集系统的丝杆右端设有传感器（20）。

4. 根据权利要求1或2所述的一种人工智能型静电纺丝仪，其特征是在收集系统的接收圆盘（14）后端边缘位置设置能有调节环境温度的散热风扇。

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