CN107488880B - 一种用于大面积制备纳米纤维膜的自动控制静电纺丝系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于大面积制备纳米纤维膜的自动控制静电纺丝系统，包括装置柜；装置柜中设置有：纺丝针头传动装置，由水平传动系统实现大面积纳米纤维膜的制备，竖直传动系统可自动实现纺丝针头与接收装置距离的调整；纺丝针头，纺丝针头的纺丝液注入端通过鲁尔接头和具有柔性的聚合物管与固定在恒流注射泵上的塑料针筒连接，纺丝针头的针尖部分通过具有夹具的耐高压线与高压电源相连接；纳米纤维接收装置；浴霸和加湿器，通过温/湿度控制器维持装置柜的温/湿度保持在设置的范围内。本发明的静电纺丝系统可以实现纳米纤维膜的大面积制备，可以使纺丝过程在精准可控的温/湿度环境中进行，可以达到纤维膜中纤维分布均匀和取向一致的目的。

Description

一种用于大面积制备纳米纤维膜的自动控制静电纺丝系统
技术领域
本发明涉及静电纺丝系统技术领域，特别是涉及聚合物、无机非金属纳米纤维膜的制备的一种用于大面积制备纳米纤维膜的自动控制静电纺丝系统。
背景技术
纳米纤维作为一种直径为纳米尺度、长径比较大的线状材料，其拥有许多独特的性质，在信息、生物、环境、能源等领域受到越来越多的重视。
通常，制备纳米纤维的方法主要有模板法、相分离法、自组装法、熔喷法和静电纺丝法等。其中，静电纺丝法相较于其他的制备方法拥有设备简单、易操作和普适性的优点，是目前普遍使用的一种获得纳米纤维的制备方法，特别是聚合物纤维的制备。静电纺丝系统作为纳米纤维制备及其重要和不可获取的一部分，是保证制备高质量纳米纤维的关键因素。目前，市面上的静电纺丝系统价格高、形式单一，且大面积的纳米纤维膜在储能器件、超过滤和生物医学具有很大的应用前景。所以，研发一款能够大面积制备纳米纤维膜的低成本、高效率、高稳定性的静电纺丝系统是及其必要的。
发明内容
本发明的目的是一种用于大面积制备纳米纤维膜的低成本、高稳定性的自动控制静电纺丝系统，以有效地降低纺丝设备的成本、实现大面积纳米纤维膜的制备、保证纺丝过程的自动控制和纳米纤维的可控制备。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种用于大面积制备纳米纤维膜的自动控制静电纺丝系统，包括：
装置柜，包括骨架、外表面板和内隔板，所述内隔板将所述装置柜分为两个各自独立的空间；所述装置柜放置在具有防滑功能的绝缘地垫上；
所述装置柜的第一空间中包括：
纺丝针头传动装置，固定在所述第一空间的上部，用于竖直及水平移动纺丝针头固定板；
纺丝针头，安装在具有多个固定位置的纺丝针头固定板上；所述纺丝针头的纺丝液注入端通过鲁尔接头和具有柔性的聚合物管与固定在恒流注射泵上的塑料针筒连接，纺丝针头的针尖部分通过具有夹具的耐高压线与高压电源相连接；纳米纤维接收装置，位于纺丝针头的下方且其外壳连接电源地线；
浴霸和加湿器，所述浴霸和加湿器通过温/湿度控制器维持所述装置柜的第一空间的温/湿度保持在设置的范围内；
所述高压电源和恒流注射泵设置在装置柜的第二空间，高压电源和恒流注射泵的外壳均连接到电源地线；
所述纺丝针头传动装置包括水平传动装置和竖直传动装置；所述水平传动装置和竖直传动装置均由一根带有螺母和螺母座的丝杆、两个轴承、一个联轴器、两根不锈钢棒和四个支撑座组成；丝杆的两端与轴承相连接，其中一端通过联轴器与步进电机相连接，步进电机与低压直流驱动电源相连接，通过步进电机控制器控制低压直流电源的输出控制步进电机的转动方向和速度，在螺母和螺母座的带动下使纺丝针头固定板来回往复运动或回到初始点；步进电机控制器及低压直流驱动电源都置于装置柜的第二空间。
进一步的技术方案，所述装置柜的骨架的材料为高强度钛或铝合金，所述装置柜的外表面板和内隔板的材料为聚碳酸酯板、聚四氟乙烯板、聚乙烯板或聚偏二氟乙烯板。
进一步的技术方案，所述高压电源输出直流信号，最高电压为50kV，可调电压精度为0.01kV。
进一步的技术方案，所述纳米纤维接收装置包括高度可调的平板接收器和转速可调的滚筒接收装置；所述平板接收器的外壳连接电源地线；所述滚筒接收装置用于实现纳米纤维的取向。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：
1、本发明提供的纺丝针头传动系统，由丝杆、步进电机、电机驱动器和低压直流电源组成，通过控制器预先设置运动轨迹可以实现步进电机的可控运转，其中水平传动系统可以使纺丝针头在纺丝过程中稳定、来回、反复运动，从而实现大面积纳米纤维膜的制备，竖直传动系统可以实现纺丝前纺丝针头和接收板距离的自动调整。这种独特的传动系统能够保证纺丝针头在纺丝过程中可控运动，达到精准调控纳米纤维制备的目的。
2、本发明提供的纳米纤维接收装置，能够实现大面积均匀纳米纤维膜和高度取向纳米纤维的制备。其中，平板接收器能够利用旋钮调整其高度，实现纺丝针头和接收装置的距离调整，滚筒接收器能够利用调速器实现滚筒转速的调整，从而达到纳米纤维取向的目的。
3、本发明采用的温/湿度控制器通过与浴霸和加湿器相连接，通过设置具体的温度和湿度范围可以实现浴霸和加湿器的动态开启和关闭，从而可达到纺丝过程中装置柜内环境条件的稳定，这极大地有利于纳米纤维膜的制备。
4、采用耐高温的聚合物板，有效地防止了纺丝过程浴霸加热对装置柜结构的影响，提高了该装置的使用寿命，杜绝了高压触电危险，保证了纺丝过程的正常进行。
5、本发明所采用材料为普通的聚合物、钛/铝合金，制备成本低廉，且结构简单可以快速、大量地组装。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明用于大面积制备纳米纤维膜的低成本、高稳定性的自动控制静电纺丝系统的装置图；
图中：001.装置柜，002.绝缘地垫，003.纺丝针头传动装置，004.高压电源，005.恒流注射泵，006.纳米纤维接收装置，007.浴霸，008.加湿器，009.温/湿度控制器，100.纺丝针头，101.纺丝针头固定板。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于大面积制备纳米纤维膜的低成本、高稳定性的自动控制静电纺丝系统中，可密封的装置柜由具有高强度的合金柱作为骨架，耐高温的聚合物板安装在装置柜的六个面并作为第二层面板，整个装置柜放置在具有防滑功能的绝缘地垫上。纺丝针头传动装置固定在距离装置柜第一层一定高度的后聚合物面板上，其包括水平传动装置和竖直传动装置，水平传动装置用以实现纺丝针头的水平移动，从而达到大面积纳米纤维膜的制备的目的，竖直传动装置用以实现纺丝针头的竖直运动，完成纺丝前纺丝针头和接收装置之间高度的调整；水平和竖直传动装置都由一根带有螺母和螺母座的丝杆、两个轴承、一个联轴器、两根不锈钢棒和四个支撑座组成；丝杆的两端与轴承相连接，其中一端通过联轴器与步进电机相连接，步进电机与低压直流驱动电源相连接，通过步进电机控制器控制低压直流电源的输出实现控制步进电机的转动方向和速度的目的，在螺母和螺母座的带动下实现纺丝针头来回往复运动和回到初始点的目的；步进电机控制器及配套的低压直流电源都置于装置柜的第二层。纺丝针头安装在具有多个固定位置的聚合物板上，其纺丝液注入端通过鲁尔接头和具有柔性的聚合物管与固定在恒流注射泵上的塑料针筒连接，通过设置恒流注射泵的推进速度实现纺丝液的可控精准注入纺丝针头，而其针尖部分通过特制的具有夹具的耐高压线与高压电源相连接，恒流注射泵和高压电源都放置在装置柜的第二层，并都通过电线与电源插座的地线相连接；具有高度可调性的纳米纤维平板接收器和转速可调的滚筒接收器放置在装置柜的第一层，并通过电线与电源插座的地线相连接；温/湿度控制器固定在装置柜的侧壁，并与浴霸和加湿器相连接，通过温/湿度控制器自带的温/湿度探头实时监测装置柜内的环境状态，当温/湿度偏离设置范围时温/湿度控制器自动动态开关浴霸和加湿器，从而维持装置柜的温/湿度保持在设置的范围内。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种用于大面积制备纳米纤维膜的自动控制静电纺丝系统，其特征在于，包括：装置柜(001)，包括骨架、外表面板和内隔板，所述内隔板将所述装置柜分为两个各自独立的空间；所述装置柜(001)放置在具有防滑功能的绝缘地垫(002)上；
所述装置柜(001)的第一空间中包括：
纺丝针头传动装置(003)，固定在所述第一空间的上部，用于竖直及水平移动纺丝针头固定板(101)；
纺丝针头(100)，安装在具有多个固定位置的纺丝针头固定板(101)上；所述纺丝针头(100)的纺丝液注入端通过鲁尔接头和具有柔性的聚合物管与固定在恒流注射泵(005)上的塑料针筒连接，纺丝针头(100)的针尖部分通过具有夹具的耐高压线与高压电源(004)相连接；
纳米纤维接收装置(006)，位于纺丝针头(100)的下方且其外壳连接电源地线；
浴霸(007)和加湿器(008)，所述浴霸(007)和加湿器(008)通过温/湿度控制器(009)维持所述装置柜(001)的第一空间的温/湿度保持在设置的范围内；
所述高压电源(004)和恒流注射泵(005)设置在装置柜的第二空间，高压电源(004)和恒流注射泵(005)的外壳均连接到电源地线；
所述纺丝针头传动装置(003)包括水平传动装置和竖直传动装置；所述水平传动装置和竖直传动装置均由一根带有螺母和螺母座的丝杆、两个轴承、一个联轴器、两根不锈钢棒和四个支撑座组成；丝杆的两端与轴承相连接，其中一端通过联轴器与步进电机相连接，步进电机与低压直流驱动电源相连接，通过步进电机控制器控制低压直流电源的输出控制步进电机的转动方向和速度，在螺母和螺母座的带动下使纺丝针头固定板来回往复运动或回到初始点；步进电机控制器及低压直流驱动电源都置于装置柜(001)的第二空间。
2.如权利要求1所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述装置柜(001)的骨架的材料为高强度钛或铝合金，所述装置柜(001)的外表面板和内隔板的材料为聚碳酸酯板、聚四氟乙烯板、聚乙烯板或聚偏二氟乙烯板。
3.如权利要求1所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述高压电源(004)输出直流信号，最高电压为50kV，可调电压精度为0.01kV。
4.如权利要求1所述的静电纺丝系统，其特征在于，所述纳米纤维接收装置(006)包括高度可调的平板接收器和转速可调的滚筒接收装置；所述平板接收器的外壳连接电源地线；所述滚筒接收装置用于实现纳米纤维的取向。
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