CN105525366B - 一种制备纳米纤维的静电纺丝设备 - Google Patents

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Abstract

本发明一种制备纳米纤维的静电纺丝设备，包括纤维制备箱、与纤维制备箱连接的高压电源及供液装置，所述静电纺丝设备还包括控制系统和环境控制装置，所述环境控制装置包括两端均与所述纤维制备箱连通的循环管、串联于所述循环管上的冷凝干燥器和高压风机，所述纤维制备箱内还设有与所述循环管连接的氛围气体出口，所述冷凝干燥器和高压风机均与所述控制系统电性连接。本发明通过环境控制装置和控制系统的设置，能够有效的控制纳米纤维制备过程中的各项参数，保证制备环境的稳定，同时环境控制装置能够对溶剂进行回收，避免对环境造成污染，具有自动化程度高、产品质量稳定、无污染的优点。

Description

一种制备纳米纤维的静电纺丝设备
技术领域
本发明涉及纳米纤维制备领域，特别是一种通过静电纺丝技术制备纳米纤维的静电纺丝设备。
背景技术
静电纺丝技术是利用静电力从溶剂中制备超细纤维或者纱线，通常在纳米到微米尺寸。液滴在电场作用下带电荷，静电力会中和表面张力使液滴发生变形，当静电力大于表面张力到一定程度后，液滴会形成喷射细流，细流在喷射过程中分裂并且溶剂蒸发，最终得到纳米纤维。在喷出细流的地方会形成泰勒锥。如果液滴的分子间作用力足够大，细流就不会分裂，会形成一束带电细流。
传统的设备不能满足稳定生产实用纳米纤维的需要，原因是纺丝在生产中的环境不能控制及调节，此外由于纺丝溶液75%以上是溶剂，有机溶剂会造成有害物质的排放，污染环境。
因此，有必要提供一种新的制备纳米纤维的静电纺丝设备来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定、环保的制备纳米纤维的静电纺丝设备。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种制备纳米纤维的静电纺丝设备，包括纤维制备箱、与纤维制备箱连接的高压电源及供液装置，所述静电纺丝设备还包括控制系统和环境控制装置，所述环境控制装置包括两端均与所述纤维制备箱连通的循环管、串联于所述循环管上的冷凝干燥器和高压风机，所述纤维制备箱内还设有与所述循环管连接的氛围气体出口，所述冷凝干燥器和高压风机均与所述控制系统电性连接。
进一步的，所述循环管上还设有流量控制阀和气体循环阀，所述流量控制阀位于所述冷凝干燥器与所述氛围气体出口之间，所述气体循环阀位于高压风机与纤维制备箱之间。
进一步的，所述循环管上设有进气口和排气口，所述进气口上设有进气阀，所述排气口上设有排气阀。
进一步的，所述环境控制装置还包括位于所述循环管内的第二温度传感器和第二气压传感器，所述第二温度传感器和第二气压传感器均与所述控制系统电性连接。
进一步的，所述纤维制备箱内设有发生器、位于所述发生器正上方的接收器、与所述接收器连接的接收器高度调控台，所述发生器与所述接收器之间设有衬底，所述衬底的两端分别连接有放卷轴和收卷轴，所述衬底的底部设有厚度传感器。
进一步的，所述接收器高度调控台、所述放卷轴、所述收卷轴、所述厚度传感器均与所述控制系统电性连接。
进一步的，所述厚度传感器为光学传感器或电容传感器。
进一步的，所述纤维制备箱内还设有湿度传感器、第一温度传感器、氛围气体浓度传感器和第一气压传感器，所述湿度传感器、第一温度传感器、氛围气体浓度传感器和第一气压传感器均与所述控制系统电性连接。
进一步的，所述供液装置包括与所述发生器连接的输液管，所述输液管上依次串联有储液槽、液泵和高压隔离器，所述高压隔离器位于所述发生器与所述液泵之间。
进一步的，所述液泵与所述控制系统电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过环境控制装置和控制系统的设置，能够有效的控制纳米纤维制备过程中的各项参数，保证制备环境的稳定，同时环境控制装置能够对溶剂进行回收，避免对环境造成污染，具有自动化程度高、产品质量稳定、无污染的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是发生器与接收器的结构位置示意图。
图3是发生器与接收器的另一结构位置示意图。
具体实施方式
请参阅图1，一种制备纳米纤维的静电纺丝设备，包括纤维制备箱1、高压电源2、环境控制装置3、供液装置4、控制系统5，纤维制备箱1、高压电源2、环境控制装置3、供液装置4均与控制系统5电性连接，高压电源2、环境控制装置3、供液装置4均与纤维制备箱1连接。
纤维制备箱1为封闭式，其内部设有发生器101、位于发生器101正上方的接收器102、与接收器102连接的接收器高度调控台103，发生器101与接收器102的两端分别与高压电源的正负极连接，发生器101与接收器102之间的距离通过接收器高度调控台103调控，接收器高度调控台103的调控方式包括直线电机或旋转电机联动螺杆驱动升降或油压以及气压驱动升降，距离的可调范围为从10cm至50cm，较理想的范围为15cm至30cm，距离太短丝的质量可能有问题，太远需要太高的电压以及无法纺丝。如图2所示，如果接收器102的尺寸应远远大于发生器101，接收器中心区域的电场是比较均匀可以得到均匀的纳米纤维112分布；如果接收器与发生器之间的距离为x，接收器的边缘要长出发生器的边缘y最少为x的1倍以上，较好的为1.5倍以上，更好的为2倍以上。如图3所示，或者改变接收器边缘的形状从锐角到钝角，表面弧度r的半径应大于2cm，较好为大于3cm，更好的大于5cm。
发生器101与接收器102之间设有衬底113，衬底113的两端分别连接有放卷轴104和收卷轴105，衬底113的底部设有厚度传感器106，卷对卷的连续收集是常见、较理想的收集模式，纳米纤维112附着在移动的衬底上，放卷轴104控制张力，收卷轴105控制衬底移动速度，纳米纤维的厚度可以通过厚度传感器反聩至收卷轴的转速控制，保证产品厚度的均匀性。所述厚度传感器为光学传感器或电容传感器，较薄的衬底以及纳米纤维厚度采用光学传感器检测，较厚的衬底和纺丝可以考虑材料通过双金属片所形成电容传感器检测。张力必须可调，较薄和较弱的衬底需加较小的张力，反之较厚很硬的衬底需加较大的张力。
纤维制备箱1内还设有氛围气体出口107、湿度传感器108、第一温度传感器109、氛围气体浓度传感器110、第一气压传感器111，氛围气体出口107用于输出氛围气体至纤维制备箱1内，湿度传感器108用于检测纤维制备箱1的湿度，第一温度传感器109用于检测纤维制备箱1内的温度，氛围气体浓度传感器110用于检测纤维制备箱1内氛围气体的浓度，第一气压传感器111用于检测纤维制备箱1内的气压。
环境控制装置3包括两端均与纤维制备箱1连通的循环管309、串联于循环管309上的冷凝干燥器301和高压风机302，循环管309的一端与氛围气体出口107连接，循环管309上设有进气口310和排气口311，进气口310上设有进气阀305，排气口311上设有排气阀307，循环管309上还设有流量控制阀303和气体循环阀306，流量控制阀303位于冷凝干燥器301与氛围气体出口107之间，气体循环阀306位于高压风机302与纤维制备箱1之间，环境控制装置3还包括位于循环管309内的第二温度传感器304和第二气压传感器308，第二温度传感器304用于检测循环管309内的温度，第二气压传感器308用于检测循环管309内的气压。只有恒定的环境氛围才可以保证产品的稳定，但是不同纺丝溶液需不同的氛围，所以氛围也必须是可控的。本实施方式中的氛围气体为氮气，纤维制备箱1内氛围的控制参数为温度、湿度（溶剂浓度）、气压，以及安全生产氮气保护时的氮气或氧气的浓度。氮气保护是提高安全生产的最佳保障，纤维制备箱内的氧含量少于10%、有机溶剂燃烧爆炸的可能性已经大大降低，少于5%几乎没有任何危险，少于2%几乎绝对安全，所以箱内氮气浓度超过95%满足静电纺丝的安全生产。有些有机化合物在空气中由于高电压诱发氧化以及性能下降，氮气保护下、活性物质的纺丝可以最大限度的保护其原有活性。温度越高饱和蒸汽压越高、蒸发干燥速度越快，但是溶剂损失造成的喷嘴以及螺旋发生器不稳定工作的可能性越高，任何纺丝溶液都需要一个优化的安全氛围，安全氛围指溶剂在箱内空气中的浓度低于爆炸范围，一般低于3%，这需要较高的空气流量维持较低的溶剂浓度或降低生产速度，从环境保护的角度溶剂需要回收，一般采用冷凝回收，溶剂浓度越高、冷却温度越低、回收效率越高，冷凝器表面的温度必须低于溶剂的露点，常压下的干燥水分设备设定露点为2ºC，压力越高、露点越高，在2个大气压的露点在10ºC前后，所以高压下溶剂更容易冷凝回收。根据溶剂露点冷凝干燥器301内的冷凝温度为-150C至10℃可控，高效回收溶剂，冷凝干燥器内置气体加热器（图未示），气体离开系统之前再加热至纤维制备箱1的纺丝干燥温度为20至80℃，利用气体循环阀306的开闭以及高压风机302的增压，冷凝干燥器301内的压力大于纤维制备箱1内的气压，压差大于0.1个大气压已有效果，0.3个大气压效果明显，0.5个大气压以上效果优良。所以与普通冷凝干燥设备不同，本实施方式利用增压冷凝提高溶剂的回收效率同时保证环境箱内的溶剂低压干燥速度。
供液装置4包括与发生器101连接的输液管404，输液管404上依次串联有储液槽401、液泵402和高压隔离器403，高压隔离器403位于发生器101与液泵402之间。高压隔离器403用来隔离发生器的高压场，使得纺丝溶液不逆流至液泵402和储液槽401，避免对其造成损害。
控制系统5与厚度传感器106、湿度传感器108、第一温度传感器109、氛围气体浓度传感器110、第一气压传感器111、第二温度传感器304、第二气压传感器308电性连接，湿度传感器108、第一温度传感器109、氛围气体浓度传感器110、第一气压传感器111、第二温度传感器304第二气压传感器308将检测到的数据反馈至控制系统。控制系统5还与放卷轴104、收卷轴105、冷凝干燥器301、高压风机302、液泵402电性连接，控制系统5根据反馈数据控制放卷轴104、收卷轴105、冷凝干燥器301、高压风机302、液泵402的工作状态。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种制备纳米纤维的静电纺丝设备，包括纤维制备箱、与纤维制备箱连接的高压电源及供液装置，其特征在于：所述静电纺丝设备还包括控制系统和环境控制装置，所述环境控制装置包括两端均与所述纤维制备箱连通的循环管、串联于所述循环管上的冷凝干燥器和高压风机，所述纤维制备箱内还设有与所述循环管连接的氛围气体出口，所述冷凝干燥器和高压风机均与所述控制系统电性连接,所述纤维制备箱内设有发生器、位于所述发生器正上方的接收器、与所述接收器连接的接收器高度调控台，所述发生器与所述接收器之间设有衬底，所述衬底的两端分别连接有放卷轴和收卷轴，所述衬底的底部设有厚度传感器,所述接收器高度调控台的调控方式为直线电机驱动升降，距离的可调范围为从15cm至30cm。
2.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述循环管上还设有流量控制阀和气体循环阀，所述流量控制阀位于所述冷凝干燥器与所述氛围气体出口之间，所述气体循环阀位于高压风机与纤维制备箱之间。
3.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述循环管上设有进气口和排气口，所述进气口上设有进气阀，所述排气口上设有排气阀。
4.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述环境控制装置还包括位于所述循环管内的第二温度传感器和第二气压传感器，所述第二温度传感器和第二气压传感器均与所述控制系统电性连接。
5.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述接收器高度调控台、所述放卷轴、所述收卷轴、所述厚度传感器均与所述控制系统电性连接。
6.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述厚度传感器为光学传感器或电容传感器。
7.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述纤维制备箱内还设有湿度传感器、第一温度传感器、氛围气体浓度传感器和第一气压传感器，所述湿度传感器、第一温度传感器、氛围气体浓度传感器和第一气压传感器均与所述控制系统电性连接。
8.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述供液装置包括与所述发生器连接的输液管，所述输液管上依次串联有储液槽、液泵和高压隔离器，所述高压隔离器位于所述发生器与所述液泵之间。
9.根据权利要求8所述的制备纳米纤维的静电纺丝设备，其特征在于：所述液泵与所述控制系统电性连接。
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