CN108823652B - 一种熔体静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔体静电纺丝装置，包括供料单元、静电纺丝单元、气氛调节单元和控制单元；供料单元包括送料辊、与送料辊连接的送料步进电机、与送料辊平行设置的压料辊、向送料辊和压料辊之间的空隙供料的纺丝材料辊、纺丝材料加热器；静电纺丝单元包括接地的喷头、可调式高压静电发生模块、与可调式高压静电发生模块的正极连接的电纺纤维收集板；气氛调节单元包括气流加热器；控制单元包括气体流量传感器、温度传感器、控制面板、变压器和控制器。本发明集成化程度高、纺丝材料温度和流量可控、纺丝电压可调、纺丝距离可调、且能连续生产作业，在熔体静电纺丝领域具有较好的应用前景。

Description

一种熔体静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，尤其是一种熔体静电纺丝装置。

背景技术

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料，纳米纤维由于具有很大的比表面积、特殊的表面效应等特性使得纳米纤维广泛用于过滤材料、生命科学、防护服装以及纳米传感器等领域；静电纺丝技术是生产纳米纤维最为简单、有效的方法之一，现有的静电纺丝技术包括溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，其中，熔体静电纺丝技术不存在溶剂使用带来的低产率、低强度以及安全环保等问题，并且可以制备一些无常温溶剂如PP、PE和PPS等热塑性聚合物材料，在未来微纳米纤维的绿色批量制造中具有广阔的应用前景。

目前，由于熔体静电纺丝工艺复杂，市面上缺乏成熟的熔体静电纺丝设备，绝大多数熔体静电纺丝设备只是简单实现纺丝功能，也只限用于相关研究的用途，这些设备重量和体积庞大、集成度低、移动操作困难，无法实现连续生产作业，加热温度、纺丝材料流量、纺丝电压、纺丝距离等参数的控制也不精确，且很麻烦，使用灵活性差，实用程度很低。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的一个目的在于提供一种设备集成化程度高、纺丝材料温度和流量可控、纺丝电压可调、纺丝距离可调、且能连续生产作业的熔体静电纺丝装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种熔体静电纺丝装置，包括供料单元、静电纺丝单元、气氛调节单元和控制单元，其中，供料单元包括送料辊、与送料辊连接的送料步进电机、设置于送料辊侧面，并与送料辊平行的压料辊、向送料辊和压料辊之间的空隙供料的纺丝材料辊、纺丝材料加热器和安装在纺丝材料加热器底部的喷头加热装置，压料辊将纺丝材料压紧在送料辊上，送料辊在送料步进电机的驱动下转动，并带动纺丝材料运动到纺丝材料加热器中；静电纺丝单元包括接地的喷头、可调式高压静电发生模块、与可调式高压静电发生模块的正极连接的电纺纤维收集板，电纺纤维收集板底部两侧固定设有导轨，右侧的导轨上设有刻度尺，电纺纤维收集板底部中心位置固定设有收集板高度调节螺杆，电纺纤维收集板正下方设有固定板，固定板两侧固定设置有导向套，固定板中心位置设有通孔，导轨插在导向套内部，收集板高度调节螺杆穿过通孔，收集板高度调节螺杆底部安装有收集板高度调节旋钮，电纺纤维收集板与固定板之间的收集板高度调节螺杆上套设有弹簧，可调式高压静电发生模块在所述喷头和所述电纺纤维收集板之间形成高压电场，喷头在所述供料单元的推送下将熔体纺丝材料挤出，熔体纺丝材料在高压电场作用下形成由喷头流向电纺纤维收集板的射流；气氛调节单元包括气流加热器；控制单元包括安装在气流加热器出口处的气体流量传感器、安装在气体流量传感器出口处的第一温度传感器、安装在纺丝材料加热器内部的第二温度传感器、安装在喷头加热装置内部的第三温度传感器、控制面板、变压器和控制器；控制器与气流加热器、气体流量传感器、第一温度传感器、可调式高压静电发生模块、变压器、喷头加热装置、送料步进电机、第二温度传感器、第三温度传感器、纺丝材料加热器均通过导线连接。

在上述包含供料单元、静电纺丝单元、气氛调节单元和控制单元的熔体静电纺丝装置中，控制单元通过变压器将外部的交流电转变为可供使用的电压后，供给气流加热器、气体流量传感器、第一温度传感器、可调式高压静电发生模块、喷头加热装置、送料步进电机、第二温度传感器、第三温度传感器、纺丝材料加热器使用，控制器控制上述各电器元件运作，送料步进电机工作时，驱动送料辊转动，将纺丝材料辊内的纺丝材料送入纺丝材料加热器中熔化，熔化的纺丝材料经喷头挤出，同时，可调式高压静电发生模块在喷头和电纺纤维收集板之间形成高压电场，熔融材料在该高压电场作用下形成射流，射流在电场区域拉伸、冷却成型，最终在电纺纤维收集板上形成纳米纤维膜，纺丝过程中，气氛保持气体经过气流加热器加热后进入电场区域，对纺丝温度环境进行控制；转动收集板高度调节旋钮时，会通过收集板高度调节螺杆带动电纺纤维收集板上下运动，调节纺丝距离。

与现有技术相比，本发明实施方式所提供的一种熔体静电纺丝装置的有益效果是，本发明设计合理，结构紧凑，集成度高，大大缩减了现有熔体静电纺丝装置的体积和重量，方便储存、运输和使用，并通过采用加热器、温度传感器、流量传感器与控制器协同工作，方便了对纺丝材料和气氛保持气体的温度的把握和控制，采用纺丝材料辊供料，边送料边熔化，不需要频繁的停机添加纺丝材料，实现了连续生产作业，采用可调式高压静电发生装置，可以方便的对纺丝电压进行调节，采用带有刻度尺的高度可调的电纺纤维收集板，可方便的调节纺丝距离，操作方便，使用灵活。

优选的，上述的一种熔体静电纺丝装置，还包括带有输料孔的输料器，送料辊和压料辊分别安装在输料器内部的左右两侧，送料步进电机固定安装在输料器的前侧面，压料辊的轴两端与导向杆左端连接在一起，导向杆中间设有凸台，导向杆的右端套设有压盖，压盖与凸台之间安装有压料弹簧，压盖通过螺纹与连接件固定在输料器右侧。

其有益效果是，通过旋转压盖，可以改变压料弹簧的压缩量，进而改变压料辊的压紧力度，避免因材料表面性质、粗细变化等波动导致的打滑现象，保证送料过程有效进行。

优选的，上述的一种熔体静电纺丝装置，控制面板上设有显示屏和控制按键。

其有益效果是，通过显示屏可以清楚的了解装置的各项参数，通过控制按键可以方便、准确的对静电纺丝过程中的材料温度、材料流量、气流温度、纺丝电压等参数进行调节，有利于提高纺丝品质。

优选的，上述的一种熔体静电纺丝装置，喷头加热装置为PTC加热器，喷头上端与纺丝材料加热器内部空腔相连，喷头数量为9个，均匀分布在喷头加热装置的孔隙内。

其有益效果是，可以对喷头起到辅助加热和温度控制的作用，有利于减小静电纺丝过程中熔体材料温度的波动，稳定纺丝质量。

优选的，上述的一种熔体静电纺丝装置，纺丝材料加热器内部装有熔体过滤网，外侧设有隔热层。

其有益效果是，可以防止未完全融化的材料通过，防止堵塞喷头，纺丝材料加热器外侧粘接有隔热层，可以避免不慎烫伤人体，并可以减少热量的散失，有利于保持纺丝材料熔体的温度。

进一步优选的，上述的一种熔体静电纺丝装置，还包括外壳，外壳内部通过隔板分为上下两个空腔，外壳上部空腔右上角设有进气口，进气口与气流加热器的入口相连，外壳上部空腔左下角设有出气口，可调式高压静电发生模块、控制器、变压器均固定安装在外壳下部空腔内部。

其有益效果是，可对内部元件起到保护的作用，并将变压器、控制器、可调式高压静电发生模块与其他组件分隔开，使装置内部更整齐有序，减少变压器、控制器、可调式高压静电发生模块受到的干扰，有利于装置稳定运行。

更进一步优选的，上述的一种熔体静电纺丝装置，所述外壳下部空腔左侧壁上安装有散热风扇，所述散热风扇与控制器连接。

其有益效果是，控制器会控制散热风扇在装置开机后工作，帮助控制器和变压器散热，避免内部元件因发热引起的温度过高的情况，有利于提升装置的稳定性，延长装置的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明内部剖面结构示意图；

图2为图1中A区域的局部放大示意图；

图3为图2中沿C-C线的剖面结构示意图；

图4为图1中B区域的局部放大示意图；

图5为喷头和喷头加热装置的仰视图；

图6为控制面板的结构示意图；

图7为本装置制得的PP熔体静电纺丝纤维电镜图。

图中1.外壳，2.控制面板，3.进气口，4.气流加热器，5.气体流量传感器，6.第一温度传感器，7.纺丝材料辊，8.隔板，9.出气口，10.散热风扇，11.可调式高压静电发生模块，12.控制器，13.变压器，14.喷头，15.喷头加热装置，16.输料器，17.输料孔，18.导向杆，19.压料弹簧，20.压盖，21.连接件，22.压料辊，23.送料步进电机，24.送料辊，25.熔体过滤网，26.第二温度传感器，27.第三温度传感器，30.纺丝材料加热器，31.隔热层，32.电纺纤维收集板，33.收集板高度调节螺杆，34.固定板，35.刻度尺，36.导向套，37.收集板高度调节旋钮，38.导轨，39.显示屏，40.气流温度增加按键，41.纺丝材料温度增加按键，42.喷头温度增加按键，43.纺丝电压增加按键，44.纺丝电压减小按键，45.加热开关，46.喷头温度减小按键，47.送料开关，48.纺丝材料温度减小按键，49.气流温度减小按键，50.电源总开关，51.送料速度减小按键，52.送料速度增加按键。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的具体结构、工作原理的内容，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但是以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的范围。对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据此附图和实施例获得其他的实施例，都属于本发明的保护范围。

一种熔体静电纺丝装置，包括供料单元、静电纺丝单元、气氛调节单元和控制单元，其中，供料单元包括送料辊24、与送料辊24连接的送料步进电机23、设置于送料辊24侧面，并与送料辊24平行的压料辊22、向送料辊24和压料辊22之间的空隙供料的纺丝材料辊7、纺丝材料加热器30和安装在纺丝材料加热器30底部的喷头加热装置15，压料辊22将纺丝材料压紧在送料辊24上，送料辊24在送料步进电机23的驱动下转动，并带动纺丝材料运动到纺丝材料加热器30中；静电纺丝单元包括接地的喷头14、可调式高压静电发生模块11、与可调式高压静电发生模块11的正极连接的电纺纤维收集板32，电纺纤维收集板32底部两侧固定设有导轨38，右侧的导轨38上设有刻度尺35，电纺纤维收集板32底部中心位置固定设有收集板高度调节螺杆33，电纺纤维收集板32正下方设有固定板34，固定板34两侧固定设置有导向套36，固定板34中心位置设有通孔，导轨38插在导向套36内部，收集板高度调节螺杆33穿过通孔，收集板高度调节螺杆33底部安装有收集板高度调节旋钮37，电纺纤维收集板32与固定板34之间的收集板高度调节螺杆33上套设有弹簧，可调式高压静电发生模块11在所述喷头14和所述电纺纤维收集板32之间形成高压电场，喷头14在所述供料单元的推送下将熔体纺丝材料挤出，熔体纺丝材料在高压电场作用下形成由喷头14流向电纺纤维收集板32的射流；气氛调节单元包括气流加热器4；控制单元包括安装在气流加热器4出口处的气体流量传感器5、安装在气体流量传感器5出口处的第一温度传感器6、安装在纺丝材料加热器30内部的第二温度传感器26、安装在喷头加热装置15内部的第三温度传感器27、控制面板2、变压器13和控制器12；控制器12与气流加热器4、气体流量传感器5、第一温度传感器6、可调式高压静电发生模块11、变压器13、喷头加热装置15、送料步进电机23、第二温度传感器26、第三温度传感器27、纺丝材料加热器30均通过导线连接。

控制单元通过变压器13将外部的交流电转变为可供使用的电压后，供给气流加热器4、气体流量传感器5、第一温度传感器6、可调式高压静电发生模块11、喷头加热装置15、送料步进电机23、第二温度传感器26、第三温度传感器27、纺丝材料加热器30使用，控制器12控制上述各电器元件运作，送料步进电机23工作时，驱动送料辊24转动，将纺丝材料辊7内的纺丝材料送入纺丝材料加热器30中熔化，熔化的纺丝材料经喷头14挤出，同时，可调式高压静电发生模块11在喷头14和电纺纤维收集板32之间形成高压电场，熔融材料在该高压电场作用下形成射流，射流在电场区域拉伸、冷却成型，最终在电纺纤维收集板32上形成纳米纤维膜，纺丝过程中，气氛保持气体经过气流加热器4加热后进入电场区域，对纺丝温度环境进行控制；转动收集板高度调节旋钮37时，会通过收集板高度调节螺杆33带动电纺纤维收集板32上下运动，实现纺丝距离的调节。

在本实施例中，上述的一种熔体静电纺丝装置，还包括带有输料孔17的输料器16，送料辊24和压料辊22分别安装在输料器16内部的左右两侧，送料步进电机23固定安装在输料器16的前侧面，压料辊22的轴两端与导向杆18左端连接在一起，导向杆18中间设有凸台，导向杆18的右端套设有压盖20，压盖20与凸台之间安装有压料弹簧19，压盖20通过螺纹与连接件21固定在输料器16右侧。

在本实施例中，上述的一种熔体静电纺丝装置，控制面板2上设有显示屏39和控制按键，以附图6中附图标记40～52表示各控制按键，其中：气流温度增加按键40、纺丝材料温度增加按键41、喷头温度增加按键42、纺丝电压增加按键43、纺丝电压减小按键44、加热开关45、喷头温度减小按键46、送料开关47、纺丝材料温度减小按键48、气流温度减小按键49、电源总开关50、送料速度减小按键51、送料速度增加按键52；纺丝电压增加按键43和纺丝电压减小按键44的控制有21个档位，分别为20KV、22KV、24KV、26KV、28KV、30KV、32KV、34KV、36KV、38KV、40KV、42KV、44KV、46KV、48KV、50KV、52KV、54KV、56KV、58KV、60KV；纺丝材料温度增加按键41和纺丝材料温度减小按键48的控制调节范围为100℃-300℃，以1℃为调节单位；喷头温度增加按键42和喷头温度减小按键46的控制调节范围为100℃-300℃，以1℃为调节单位。

在本实施例中，上述的一种熔体静电纺丝装置，喷头加热装置15为PTC加热器，通过螺栓固定的方式安装在纺丝材料加热器30底部，喷头14上端与纺丝材料加热器30内部空腔相连，喷头14数量为9个，均匀分布在喷头加热装置15的孔隙内。

在本实施例中，上述的一种熔体静电纺丝装置，纺丝材料加热器30由铝材制成，内部装有熔体过滤网25，熔体过滤网25为半球形结构的金属网，纺丝材料加热器30外侧粘接有隔热层31。

在本实施例中，上述的一种熔体静电纺丝装置，还包括外壳1，外壳1内部通过隔板8分为上下两个空腔，外壳1上部空腔右上角设有进气口3，进气口3与气流加热器4的入口相连，外壳1上部空腔左下角设有出气口9，可调式高压静电发生模块11、控制器12、变压器13均固定安装在外壳1下部空腔内部。

在本实施例中，上述的一种熔体静电纺丝装置，所述外壳1下部空腔左侧壁上安装有散热风扇10，所述散热风扇10与控制器12连接，控制器12会控制散热风扇10在装置开机后工作，帮助控制器12和变压器13散热。

以制备PP熔体静电纺丝纤维为例，本发明使用方法如下：

接通电源，在纺丝材料辊7上安装PP材料辊，取下PP材料辊线材的头，将线材头插入到送料辊24和压料辊22之间，拧紧压盖20，使压料弹簧19压缩，进而推动压料辊22将纺丝线材压紧在送料辊24表面，按下控制面板2上的电源总开关50，通过控制面板2上的控制按键输入纺丝参数，控制纺丝电压为38KV，控制送料速度为12g/h，控制纺丝材料加热器30的温度为280℃，控制喷头加热装置15的温度为280℃，控制气流加热器4的温度为30℃，按下控制面板2上的加热开关45，纺丝材料加热器30、喷头加热装置15、气流加热器4开始预热，第一温度传感器6、第二温度传感器26、第三温度传感器27会实时监测气流加热器4出口、纺丝材料加热器30内部、喷头加热装置15内部的温度，并将温度信号输送给控制器12，控制器12控制显示屏39将温度信息进行实时显示，预热期间，转动收集板高度调节旋钮37，带动收集板高度调节螺杆33和电纺纤维收集板32上下运动，观察右侧的导轨38上的刻度尺35，读取纺丝距离值，调节纺丝距离为10cm，当预热温度达到设定的温度时，按下控制面板2上的送料开关47，控制器12控制送料步进电机23转动，驱动送料辊24顺时针转动，将纺丝线材送入到纺丝材料加热器30上部，纺丝材料加热器30将纺丝线材熔化，熔体经过熔体过滤网25过滤后进入纺丝材料加热器30的空腔内部继续加热升温，送料步进电机23不断将纺丝材料送入到纺丝材料加热器30中，纺丝材料加热器30内部下层的熔体受到挤压从喷头14下端挤出，可调式高压静电发生模块11在喷头14与电纺纤维收集板32之间形成高压电场，由喷头14挤出的熔体在高压电场作用下被拉伸形成泰勒锥，当熔体受静电力大于表面张力时，会从熔体锥尖的位置处发出射流，射流在电场区域范围内被拉伸、劈裂、冷却，最终沉积到电纺纤维收集板32上，制得PP熔体静电纺丝纤维，如图7所示。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，包括供料单元、静电纺丝单元、气氛调节单元和控制单元；

所述供料单元包括送料辊(24)、与所述送料辊(24)连接的送料步进电机(23)、设置于所述送料辊(24)侧面，并与所述送料辊(24)平行的压料辊(22)、向送料辊(24)和压料辊(22)之间的空隙供料的纺丝材料辊(7)、纺丝材料加热器(30)和安装在纺丝材料加热器(30)底部的喷头加热装置(15)，所述压料辊(22)将纺丝材料压紧在送料辊(24)上，所述送料辊(24)在送料步进电机(23)的驱动下转动，并带动纺丝材料运动到纺丝材料加热器(30)中；

所述静电纺丝单元包括接地的喷头(14)、可调式高压静电发生模块(11)、与所述可调式高压静电发生模块(11)的正极连接的电纺纤维收集板(32)，所述电纺纤维收集板(32)底部两侧固定设有导轨(38)，右侧的导轨(38)上设有刻度尺(35)，电纺纤维收集板(32)底部中心位置固定设有收集板高度调节螺杆(33)，电纺纤维收集板(32)正下方设有固定板(34)，固定板(34)两侧固定设置有导向套(36)，固定板(34)中心位置设有通孔，所述导轨(38)插在所述导向套(36)内部，所述收集板高度调节螺杆(33)穿过所述通孔，收集板高度调节螺杆(33)底部安装有收集板高度调节旋钮(37)，电纺纤维收集板(32)与固定板(34)之间的收集板高度调节螺杆(33)上套设有弹簧，所述可调式高压静电发生模块(11)在所述喷头(14)和所述电纺纤维收集板(32)之间形成高压电场，所述喷头(14)在所述供料单元的推送下将熔体纺丝材料挤出，所述熔体纺丝材料在高压电场作用下形成由喷头(14)流向电纺纤维收集板(32)的射流；

所述气氛调节单元包括气流加热器(4)；

所述控制单元包括安装在气流加热器(4)出口处的气体流量传感器(5)、安装在气体流量传感器(5)出口处的第一温度传感器(6)、安装在纺丝材料加热器(30)内部的第二温度传感器(26)、安装在喷头加热装置(15)内部的第三温度传感器(27)、控制面板(2)、变压器(13)和控制器(12)；所述控制器(12)与气流加热器(4)、气体流量传感器(5)、第一温度传感器(6)、可调式高压静电发生模块(11)、变压器(13)、喷头加热装置(15)、送料步进电机(23)、第二温度传感器(26)、第三温度传感器(27)、纺丝材料加热器(30)均通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，还包括带有输料孔(17)的输料器(16)，所述送料辊(24)和压料辊(22)分别安装在输料器(16)内部的左右两侧，所述送料步进电机(23)固定安装在输料器(16)的前侧面，所述压料辊(22)的轴两端与导向杆(18)左端连接在一起，导向杆(18)中间设有凸台，导向杆(18)的右端套设有压盖(20)，压盖(20)与凸台之间安装有压料弹簧(19)，压盖(20)通过螺纹与连接件(21)固定在输料器(16)右侧。

3.根据权利要求1所述的一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述控制面板(2)上设有显示屏(39)和控制按键。

4.根据权利要求1所述的一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述喷头加热装置(15)为PTC加热器，所述喷头(14)上端与纺丝材料加热器(30)内部空腔相连，喷头(14)数量为9个，均匀分布在喷头加热装置(15)的孔隙内。

5.根据权利要求1所述的一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝材料加热器(30)内部装有熔体过滤网(25)，外侧设有隔热层(31)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，还包括外壳(1)，所述外壳(1)内部通过隔板(8)分为上下两个空腔，外壳(1)上部空腔右上角设有进气口(3)，进气口(3)与所述气流加热器(4)的入口相连，外壳(1)上部空腔左下角设有出气口(9)，所述可调式高压静电发生模块(11)、控制器(12)、变压器(13)均固定安装在外壳(1)下部空腔内部。

7.根据权利要求6所述的一种熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述外壳(1)下部空腔左侧壁上安装有散热风扇(10)，所述散热风扇(10)与控制器(12)连接。

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