CN102776582A - 一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，包括高压静电发生器、接收装置和升降装置，其特征还包括自动化控制箱、防尘横向移动滑台、多通道精密供液泵和自清洁式多喷头装置；其中，接收装置、防尘横向移动滑台和多通道精密供液泵的数据接口分别与自动化控制箱相连接；注射器固定在多通道精密供液泵；自清洁多喷头装置与注射器的前端相连接；包覆导线的胶木板固定在喷丝头上；导电夹柱固定在包覆导线的胶木板上；高压静电发生器与导电夹柱相连接。本发明设备精密化、集成化、自动化程度高，操作简单方便、安全快捷，生产效率高，在纳米纤维的工业化方面，具有广泛的应用前景。

Description

一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，能够实现连续稳定生产纳米纤维膜或纳米纤维复合膜，属于纳米材料工业化领域。 

背景技术

静电纺丝技术是指聚合物溶液或熔体在高压静电场下带电并产生形变，在喷头末端处形成悬垂的锥状液滴；当液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，在液滴表面就会高速喷出微小液体流，简称“射流”；这些射流在较短的时间内经过电场力的高速拉伸、溶剂的挥发与固化，最终沉积在接收极板上，形成聚合物纤维。纤维直径一般分布在几纳米至几微米之间，由这些纤维构成的膜材材料具有三维立体空间结构。它不但具备纳米颗粒的尺寸微小、比表面积高等优点，同时还具有机械稳定性好、纤维膜孔径小、孔隙率高、纤维连续性好等特性。因此，静电纺纳米纤维在电子、环境、能源及生物医学等领域有着广阔的应用前景。所以，开发能够连续、稳定的批量化生产纳米纤维膜的装备，是实现纳米纤维工业化的有效途径。 

美国专利(US patent 1975504)涉及一种常规的静电纺丝装置，它是将非牛顿流体推送到带高压电的单喷管喷口，由高压电场力作用形成纳米纤维，并在接地的导电性载体富集接收，连续纤维随机叠加形成薄膜材料。这种装置生产的薄膜材料纤维无序、均匀性差，而且生产效率极低。中国专利(201010191320.1)涉及一种静电纺丝装置，它是通过聚合物溶液中电极的运动，产生射流并形成纳米纤维，该装置纺丝液的供液速度不易控制，纳米纤维的形态差异较大，纤维膜的均匀性差，不适用于容易挥发的聚合物溶液体系。中国专利(201120165486.6)涉及一种能够精确供液的静电纺丝装置，但只能实现单根纳米纤维的有序可控，产率低下，不能批量化生产有序的纳米纤维膜。 

发明内容

本发明的目的是提供一种能解决纳米纤维膜不易连续稳定的批量化生产的问题，而且生产的纳米纤维膜密度均匀、纤维直径可控，操作简单方便、安全高效的静电纺丝装置。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种自动化控制的多喷头静 电纺丝设备，包括用于接收聚合物纤维的接收装置，高压静电发生器的负极连接接收装置，其特征在于：高压静电发生器的负极连接具有至少一个喷头的自清洁多喷头装置，自清洁多喷头装置位于接收装置的下方，由多通道精密供液泵在控制单元的控制下以设定的注射速度为自清洁多喷头装置提供纺丝液，纺丝液在自清洁多喷头装置的作用下形成射流，射流经由高压静电发生器产生的电场形成聚合物纤维，多通道精密供液泵的每个通道对应自清洁多喷头装置中的一个喷头，多通道精密供液泵设于升降装置上，升降装置设于防尘横向移动滑台上，防尘横向移动滑台在控制单元的控制下以设定的速率水平移动，该控制单元还控制接收装置以设定的速率卷绕。 

优选地，所述自清洁多喷头装置包括第一绝缘板，在第一绝缘板上开有至少一个孔槽，在每个孔槽设有一个作为所述喷头的喷丝针头，在喷丝针头的上方设有旋转清洁刷，旋转清洁刷由驱动马达驱动旋转，喷丝针头通过包覆导线的胶木板与所述高压静电发生器的正极相连接。 

优选地，所述胶木板的厚度为0.5-2厘米，长度为1-30厘米，宽度为2-5厘米，在所述胶木板上有线性排列的孔，孔的直径为0.4-1.6厘米，间距为1-3厘米，深度为0.5-2厘米，其个数为5-20个。 

优选地，所述第一绝缘板的厚度为1-3厘米，材质为玻璃纤维。 

优选地，所述孔槽的截面为圆形，其个数为5-20个，间距为1-3厘米，深度为0.8-2厘米，直径为1-2厘米，所有孔槽在所述第一绝缘板上为线性排列。 

优选地，所述喷丝针头为不锈钢金属材质，长度为2-5厘米，直径为0.5-1.8厘米，所述喷丝针头的前端与所述包覆导线的胶木板相连接。 

优选地，所述多通道精密供液泵包括滚珠丝杆，滚珠丝杆中丝杆的一端穿过第二绝缘板后与滚珠丝杆驱动机构相连，滚珠丝杆驱动机构由所述控制单元控制，其另一端设于所述第一绝缘板内，在滚珠丝杆的两侧分别设有一丝杆导轨，丝杆导轨的两端分别设于第二绝缘板及所述第一绝缘板内，至少一个注射器设于固定板上，一个注射器对应所述多通道精密供液泵的一个通道，注射器与所述喷丝针头相连，注射器的推动端与推板固定连接，推板连接滚珠丝杆的滚珠，其中，滚珠丝杆的直径为0.8-6厘米，长度为5-30厘米，精度为0.1-1厘米，导程为0.1-10厘米，所述多通道精密供液泵的注射速度为0.1-10毫升/时。 

优选地，所述注射器的材质为聚丙烯或聚乙烯中的一种，其直径为1-5厘米，其可容纳的纺丝液的有效体积为0.1-30毫升。 

优选地，所述接收装置包括卷绕滚筒，卷绕滚筒的中心轴通过联轴器与步进电机连接，步进电机连接所述控制单元，其中，卷绕滚筒的直径为30厘米，长度为100厘米，卷绕速度为0.5-1000米/分钟。 

优选地，所述防尘横向移动滑台的行程为10-100厘米，载重为5-30千克，其包括移动导轨，在移动导轨上设有移动滑块，由驱动机构在所述控制单元的控制下驱动移动滑块在移动导轨上水平移动，该移动滑块速度为1-100米/分钟，所述升降装置设于移动滑块上，在移动滑块的左右两侧分别设有一固定在移动导轨上的接近开关。 

优选地，所述控制单元包括用于控制所述接收装置的第一调频控制器、用于控制所述多通道精密供液泵的第二调频控制器及用于控制所述防尘横向移动滑台的第三调频控制器，第一调频控制器、第二调频控制器及第三调频控制器连接主控单元，主控单元通过驱动模块连接显示屏，主控单元还连接所述接近开关。 

优选地，所述的自清洁式多喷头装置与所述接收装置之间的接收距离为6-35厘米。 

优选地，所述升降装置的升降范围为0-20厘米，水平移动的距离为0-10厘米。 

与现有的发明技术相比，本发明的优点如下： 

(1)本发明采用自动化控制系统，可以简单方便、安全快捷、精确地调节静电纺丝过程的工艺参数。自清洁式多喷头可以有效的避免聚合物溶液在喷丝头前端凝固而产生疵点，影响纳米纤维膜的质量和均匀性，大幅度的提高纳米纤维膜的产率； 

(2)包覆有导线的胶木板夹在喷丝头前端可以避免因多喷头而施加高压困难的问题，且安全方便；通过连续调节滚筒的转速，可以获得取向度不同的纳米纤维膜；通过连续调节移动滑块的线速度，可以得到密度均匀、疵点较少的纳米纤维膜；通过连续调节喷丝头前端到接收装置之间的水平距离，可以获得不同直径的纳米纤维；通过连续调节精密注射泵的垂直方向上的距离，可以获得不同形态的纳米纤维。 

(3)本发明装置集接收装置、供液装置、操作系统和高压直流静电发生器一体化，操作简单方便、安全高效，精密化、自动化程度较高，生产效率大幅度提高，有望用于纳米纤维工业化生产。 

附图说明

图1为自动化阵列式多喷头静电纺丝设备示意图； 

图2为控制单元示意图； 

图3为接收装置示意图； 

图4为自清洁式多喷头装置及孔槽分布示意图； 

图5为精密多通道注射泵示意图； 

图6为防尘横向移动滑台示意图； 

图7为升降装置示意图； 

图8为自动化控制多喷头静电纺丝设备工作流程图。 

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。 

实施例1 

如图1所述，本实施例中的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，包括用于接收聚合物纤维的接收装置1，高压静电发生器6的负极连接接收装置1，高压静电发生器6的负极连接具有至少一个喷头的自清洁多喷头装置7，自清洁多喷头装置7位于接收装置1的下方，自清洁式多喷头装置7与接收装置1之间的接收距离为6-35厘米。由多通道精密供液泵5在控制单元2的控制下以设定的注射速度为自清洁多喷头装置7提供纺丝液，纺丝液在自清洁多喷头装置7的作用下形成射流，射流经由高压静电发生器6产生的电场形成聚合物纤维，多通道精密供液泵5的每个通道对应自清洁多喷头装置7中的一个喷头，多通道精密供液泵5设于升降装置4上，升降装置4设于防尘横向移动滑台3上，防尘横向移动滑台3在控制单元2的控制下以设定的速率水平移动，该控制单元2还控制接收装置1以设定的速率卷绕。其中，高压静电发生器6采用GAMMA框架式直流高压稳定电源，输出电压为1.5-400千伏 

如图2所示，控制单元2包括用于控制接收装置1的第一调频控制器、用于控制多通道精密供液泵5的第二调频控制器及用于控制防尘横向移动滑台3的第 三调频控制器，第一调频控制器、第二调频控制器及第三调频控制器连接主控单元，主控单元通过驱动模块连接显示屏。在本实施例中，第一调频控制器、第二调频控制器及第三调频控制器采用型号为2HB605AD的步进电机驱动器，主控单元为2N-B-16板式PLC，显示屏采用数字化触屏。 

如图3所示，接收装置1包括卷绕滚筒11，卷绕滚筒11的中心轴通过联轴器13与步进电机12连接，步进电机12连接控制单元2的第一调频控制器，其中，卷绕滚筒11的直径为30厘米，长度为100厘米，卷绕速度为10米/分钟，步进电机12采用SYNTRON步进电机，步进电机12与第一调频控制器相连，然后通过导线连接到2N-B-16板式PLC，之后输出到数字化触屏，实现自动化控制，操作简单方便、安全高效。 

如图4所示，自清洁多喷头装置7包括第一绝缘板10，第一绝缘板10的厚度为2厘米，材质为玻璃纤维。在第一绝缘板10上开有5个孔槽56，孔槽56的截面为圆形，间距为3厘米，深度为0.8厘米，直径为1.5厘米，所有孔槽56在第一绝缘板10上为线性排列。在每个孔槽56设有一个作为喷头的喷丝针头59，在本实施例中，喷丝针头59为不锈钢金属针头，针头长度为3厘米，针头直径为0.7厘米。喷丝针头59的前端通过包覆导线的胶木板58与高压静电发生器6的正极相连接。胶木板58的厚度为2厘米，长度为15厘米，宽度为3厘米，胶木板58上有线性排列的孔，直径为0.7厘米，间距为3厘米，深度为0.5厘米，其个数为5个。其中，螺栓8固定第一绝缘板10。驱动马达71安装在第一绝缘板10的右端，驱动马达71上面有旋钮73，旋转清洁刷72与驱动马达71连接，并位于喷丝针头59的上部。驱动马达71与交流电源直接连接，调节旋钮73控制驱动马达71的转速，从而控制旋转清洁刷72每分钟的清洁次数。 

如图5所示，多通道精密供液泵5包括滚珠丝杆54，滚珠丝杆54中丝杆的一端穿过第二绝缘板101后与滚珠丝杆驱动机构相连，滚珠丝杆驱动机构由所述控制单元2控制，其另一端设于所述第一绝缘板10内，在滚珠丝杆54的两侧分别设有一丝杆导轨53，丝杆导轨53的两端分别设于第二绝缘板101及所述第一绝缘板10内，至少一个注射器55设于固定板60上，一个注射器55对应所述多通道精密供液泵5的一个通道，注射器55与所述喷丝针头59相连，注射器55的推动端与推板61固定连接，推板61连接滚珠丝杆54的滚珠。在本实施例中， 滚珠丝杆驱动机构包括步进电机51，步进电机51采用SYNTRON步进电机，减速箱102和步进电机51的中心轴相连接，滚珠丝杆54则通过联轴器52和减速箱102相连接。滚珠丝杆54的直径为0.8厘米，长度为20厘米，精度为0.1厘米，导程为15厘米，多通道精密供液泵5的注射速度为15毫升/时。步进电机51与第二调频控制器相连，然后通过导线连接到2N-B-16板式PLC，之后输出到数字化触屏，实现自动化控制，可以连续调节输液速度，操作简单方便、安全高效。注射器55的材质为聚丙烯或聚乙烯中的一种，其直径为1-5厘米，其可容纳的纺丝液的有效体积为0.1-30毫升。 

如图6所示，防尘横向移动滑台3的行程为80厘米，载重为20千克，其包括移动导轨35，在移动导轨35上设有移动滑块34，由驱动机构在所述控制单元2的控制下驱动移动滑块34在移动导轨35上水平移动，该移动滑块34速度为100米/分钟，所述升降装置4设于移动滑块34上，在移动滑块34的左右两侧分别设有一固定在移动导轨35上的接近开关33，接近开关33连接2N-B-16板式PLC。在本实施例中，驱动机构包括步进电机31，步进电机31通过联轴器32驱动移动滑块34运动，步进电机31采用SYNTRON步进电机，与第三调频控制器相连接，然后通过导线连接到2N-B-16板式PLC，之后输出到数字化触屏，实现自动化控制，可以连续调节移动滑块34的线速度，操作简单方便、安全高效。 

如图7所示，升降装置4为可以达到升降范围为10厘米，水平移动的距离为5厘米的任意结构，其包括第一固定面板41与第二固定面板43，在第一固定面板41与第二固定面板43之间有升降机构，该升降机构通过手动调节手柄42实现连续上升或下降。喷丝头59通过升降装置4调到一定的高度，使其前端位于卷绕滚筒11的中心。 

本发明的大致工作过程为：在卷绕滚筒11上包覆一层基布，基布可以是铝箔、无纺布、牛皮纸或铜网。打开控制单元2，根据聚合物溶液性质的不同，在数字化触屏上，通过连续调节多通道精密供液泵5的供液速度，输送到喷丝头59处的纺丝液不易发生堵塞，并在高压静电场的作用下，形成悬垂的小液滴称为泰勒锥，当所施加的电压超过溶液液滴表面张力后，在泰勒锥的表面就会形成微小液体流喷射出去，经过电场力的拉伸及静电斥力的作用，最终形成沉积在接 收装置1上的纳米纤维膜或纳米纤维复合膜。 

其具体工艺流程为：配制所需的静电纺丝溶液并用注射器吸取一定体积的纺丝液，并固定注射器55，及将包覆有导线的绝缘板58固定在喷丝头59上。打开电源开关22并设定卷绕滚筒11的转速、多通道精密注射泵5的注射速度和防尘横向移动滑台3的线速度。打开高压静电发生器6，设定高压并调整。启动接收装置1、多通道精密注射泵5和防尘式横向移动滑台3开始纺丝。纺丝结束，停止接收装置1运转、多通道精密注射泵5和防尘式横向移动滑台3，关闭高压静电发生器6及总电源，获得纳米纤维膜或纳米纤维复合膜。 

在室温为25℃和湿度40％的条件下，将质量分数为11％的聚氨酯(PU)溶液吸入10毫升注射器中，置于多通道精密供液泵5上，调整自动化控制的多喷头静电纺丝设备的工艺参数如下： 

接收装置1的卷绕速度为10米/分钟； 

防尘式横向移动滑台3的往返的线速度为100米/分钟； 

多通道精密供液泵5的注射速度为15毫升/小时； 

高压静电发生器6的电压为20千伏； 

自动旋转的清洁刷72每30分钟清洗一次； 

所得的聚氨酯(PU)纳米纤维膜的纤维的直径分布在328-400纳米范围，平均直径为364纳米，密度均匀，产量为18克/平方米·小时。 

实施例2 

本实施例中的装置类似于实施例1，区别在于在第一绝缘板10上的孔槽56的个数为8，间距为1.5厘米；喷丝头59的直径为0.8厘米；包覆导线的胶木板58上的孔的直径为0.8厘米，个数为8，间距为1.5厘米。 

在室温25℃和湿度45％的条件下，将质量分数为12％的聚乙烯醇(PVA)溶液吸入10毫升注射器中，置于多通道精密供液泵5上，调整自动化控制的多喷头静电纺丝设备的工艺参数如下： 

接收装置1的卷绕速度为20/分钟； 

防尘式横向移动滑台3的往返的线速度为80米/分钟； 

多通道精密供液泵5的注射速度为2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72每10分钟清洗一次； 

所得的聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜的纤维的直径分布在260-380纳米范围，平均直径为320纳米，密度均匀，产量为14克/平方米·小时。 

Claims (13)

1.一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，包括用于接收聚合物纤维的接收装置(1)，高压静电发生器(6)的负极连接接收装置(1)，其特征在于：高压静电发生器(6)的负极连接具有至少一个喷头的自清洁多喷头装置(7)，自清洁多喷头装置(7)位于接收装置(1)的下方，由多通道精密供液泵(5)在控制单元(2)的控制下以设定的注射速度为自清洁多喷头装置(7)提供纺丝液，纺丝液在自清洁多喷头装置(7)的作用下形成射流，射流经由高压静电发生器(6)产生的电场形成聚合物纤维，多通道精密供液泵(5)的每个通道对应自清洁多喷头装置(7)中的一个喷头，多通道精密供液泵(5)设于升降装置(4)上，升降装置(4)设于防尘横向移动滑台(3)上，防尘横向移动滑台(3)在控制单元(2)的控制下以设定的速率水平移动，该控制单元(2)还控制接收装置(1)以设定的速率卷绕。

2.如权利要求1所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述自清洁多喷头装置(7)包括第一绝缘板(10)，在第一绝缘板(10)上开有至少一个孔槽(56)，在每个孔槽(56)设有一个作为所述喷头的喷丝针头(59)，在喷丝针头(59)的上方设有旋转清洁刷(72)，旋转清洁刷(72)由驱动马达(71)驱动旋转，喷丝针头(59)通过包覆导线的胶木板(58)与所述高压静电发生器(6)的正极相连接。

3.如权利要求2所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述胶木板(58)的厚度为0.5-2厘米，长度为1-30厘米，宽度为2-5厘米，在所述胶木板(58)上有线性排列的孔，孔的直径为0.4-1.6厘米，间距为1-3厘米，深度为0.5-2厘米，其个数为5-20个。

4.如权利要求2所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述第一绝缘板(10)的厚度为1-3厘米，材质为玻璃纤维。

5.如权利要求2所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述孔槽(56)的截面为圆形，其个数为5-20个，间距为1-3厘米，深度为0.8-2厘米，直径为1-2厘米，所有孔槽(56)在所述第一绝缘板(10)上为线性排列。

6.如权利要求2所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述喷丝针头(59)为不锈钢金属材质，长度为2-5厘米，直径为0.5-1.8厘米，所述喷丝针头(59)的前端与所述包覆导线的胶木板(58)相连接。

7.如权利要求2所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述多通道精密供液泵(5)包括滚珠丝杆(54)，滚珠丝杆(54)中丝杆的一端穿过第二绝缘板(101)后与滚珠丝杆驱动机构相连，滚珠丝杆驱动机构由所述控制单元(2)控制，其另一端设于所述第一绝缘板(10)内，在滚珠丝杆(54)的两侧分别设有一丝杆导轨(53)，丝杆导轨(53)的两端分别设于第二绝缘板(101)及所述第一绝缘板(10)内，至少一个注射器(55)设于固定板(60)上，一个注射器(55)对应所述多通道精密供液泵(5)的一个通道，注射器(55)与所述喷丝针头(59)相连，注射器(55)的推动端与推板(61)固定连接，推板(61)连接滚珠丝杆(54)的滚珠，其中，滚珠丝杆(54)的直径为0.8-6厘米，长度为5-30厘米，精度为0.1-1厘米，导程为0.1-10厘米，所述多通道精密供液泵(5)的注射速度为0.1-10毫升/时。

8.如权利要求3所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述注射器(55)的材质为聚丙烯或聚乙烯中的一种，其直径为1-5厘米，其可容纳的纺丝液的有效体积为0.1-30毫升。

9.如权利要求1所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述接收装置(1)包括卷绕滚筒(11)，卷绕滚筒(11)的中心轴通过联轴器(13)与步进电机(12)连接，步进电机(12)连接所述控制单元(2)，其中，卷绕滚筒(11)的直径为30厘米，长度为100厘米，卷绕速度为0.5-1000米/分钟。

10.如权利要求1所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述防尘横向移动滑台(3)的行程为10-100厘米，载重为5-30千克，其包括移动导轨(35)，在移动导轨(35)上设有移动滑块(34)，由驱动机构在所述控制单元(2)的控制下驱动移动滑块(34)在移动导轨(35)上水平移动，该移动滑块(34)速度为1-100米/分钟，所述升降装置(4)设于移动滑块(34)上，在移动滑块(34)的左右两侧分别设有一固定在移动导轨(35)上的接近开关(33)。

11.如权利要求10所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述控制单元(2)包括用于控制所述接收装置(1)的第一调频控制器、用于控制所述多通道精密供液泵(5)的第二调频控制器及用于控制所述防尘横向移动滑台(3)的第三调频控制器，第一调频控制器、第二调频控制器及第三调频控制器连接主控单元，主控单元通过驱动模块连接显示屏，主控单元还连接所述接近开关(33)。

12.如权利要求1所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述的自清洁式多喷头装置(7)与所述接收装置(1)之间的接收距离为6-35厘米。

13.如权利要求1所述的一种自动化控制的多喷头静电纺丝设备，其特征在于：所述升降装置(4)的升降范围为0-20厘米，水平移动的距离为0-10厘米。

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