CN108914221A - 一种规模化制备纳米纤维的装置及方法 - Google Patents

一种规模化制备纳米纤维的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种规模化制备纳米纤维的装置，封闭式储液槽下方设有精确给液导管，精确给液导管下方设有圆环状喷丝头；每个圆环状喷丝头的左右两侧均设有电绝缘隔板，圆环状喷丝头的前后两侧分别设有第一接收滚筒、第二接收滚筒；直流高压电源的正极与圆环状喷丝头相连接，直流高压电源的负极与第一接收滚筒、第二接收滚筒相连接；圆环状喷丝头、第一接收滚筒、第二接收滚筒分别连接各自的驱动机构。本发明还提供了规模化制备纳米纤维的方法。本发明可以精确给液、纺丝液浓度稳定、喷丝头电场分布均匀、形成的纤维粗细均匀，喷丝头之间的电场不会相互干扰，并且可以同时纺出两种不同细度的纳米纤维。本发明大大提高了纺丝效率和纺丝品质。

Description

一种规模化制备纳米纤维的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种规模化制备纳米纤维的装置及方法，属于纳米纤维制备技术领域。
背景技术
纳米纤维由于具有孔隙率高、表面能和活性高、比表面积大、长径比大、纤维精细程度和均一性高等性能优势，体现出优异的过滤、拒水、抗菌、增强等功能，因而被广泛地应用于分离过滤、生物医疗、聚合物增强、储能材料、光电传感等领域。静电纺丝技术是制备纳米纤维的最简单有效的方法之一，但其较低的产量一直是限制其大规模应用的瓶颈。传统的单针头静电纺丝装置由于其针头容易堵塞，且纺丝速率只有0.1～1.0g/h，产量较低，难以实现批量化制备纳米纤维，不能满足产业化应用的需求。
为了实现静电纺丝技术规模化制备纳米纤维，人们对规模化制备纳米纤维的静电纺丝装置进行了研究开发。公开号为CN103628150A的中国专利申请公开了一种多喷头静电纺丝装置，相较于传统的单针头静电纺丝装置，其纺丝效率得到了明显的提高，但是仍然存在针头数量有限、清洗困难、针孔容易堵塞等缺点。
公开号为WO2005024101A1的国际专利申请公开了一种滚筒式的静电纺丝装置，其将滚筒局部浸没在储液槽内，并通过在滚筒表面设计凸起、锯齿、沟槽等，使滚筒在旋转的过程中表面携带纺丝液，进入静电场后，纺丝液形成大量射流，从而提高纤维的产量。但其滚筒表面曲率大，表面带液量多，电场在表面分布不均，且需要较高的纺丝电压来克服纺丝液的表面张力来形成泰勒锥，形成的纤维直径较粗且不均匀。而且其开放式的储液槽不能精确给液，容易导致溶剂的挥发，造成溶液的浓度降低，影响纺丝产品的稳定性。
公开号为WO2010043002A1的国际专利申请公开了一种螺旋线圈喷丝头的静电纺丝装置，相比公开号为WO2005024101A1的国际专利，其解决了电场分布不均、形成的纤维直径较粗且不均匀的问题。但其螺旋线圈之间仍存在着电场相互干扰的问题，且所采用的开放式储液槽，仍没有解决精确给液以及溶剂挥发的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何避免针头式静电纺丝装置容易堵塞、效率较低的弊端，同时解决开放式储液槽中不能精确给液、纺丝液浓度不稳定、喷丝头电场分布不均、形成的纤维直径较粗且不均匀、以及喷丝头之间的电场相互干扰等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：包括封闭式储液槽，封闭式储液槽下方设有精确给液导管，精确给液导管下方设有圆环状喷丝头；每个圆环状喷丝头的左右两侧均设有电绝缘隔板，圆环状喷丝头的前后两侧分别设有第一接收滚筒、第二接收滚筒；
直流高压电源的正极与圆环状喷丝头相连接，直流高压电源的负极与第一接收滚筒、第二接收滚筒相连接；圆环状喷丝头、第一接收滚筒、第二接收滚筒分别连接各自的驱动机构。
优选地，所述精确给液导管和圆环状喷丝头的数量一致，一一对应设置。
优选地，所述电绝缘隔板与圆环状喷丝头的圆形面平行；所述第一接收滚筒、第二接收滚筒均与圆环状喷丝头的圆形面垂直。
优选地，所述第一接收滚筒连接第一直流电机，圆环状喷丝头连接第二直流电机，第二接收滚筒连接第三直流电机；第一接收滚筒、圆环状喷丝头、第二接收滚筒分别由第一直流电机、第二直流电机、第三直流电机带动旋转。
优选地，所述第一直流电机、第二直流电机、第三直流电机均连接控制面板，第一直流电机、第二直流电机、第三直流电机的转速和控制开关均集成在控制面板上。
优选地，所述精确给液导管包括空心销钉，空心销钉上部的外径大于下部的外径，弹簧套在空心销钉下部外周，弹簧下端抵住滚珠，滚珠下端抵住圆环状喷丝头；空心销钉、弹簧均设于导管外壳内部，滚珠部分位于导管外壳内、部分位于导管外壳外。其中，导管外壳起到溶液导流的作用，空心销钉起到固定弹簧的作用，弹簧起到抵住滚珠的作用，通过滚珠转动将聚合物溶液均匀涂覆在圆环状喷丝头上。
所述精确给液导管也可以由导管外壳和海绵块构成，海绵块设于导管外壳内，海绵块下端抵住圆环状喷丝头。其中，导管外壳起到溶液导流的作用，聚合物溶液经海绵块吸附并被均匀涂覆在圆环状喷丝头上。
优选地，所述圆环状喷丝头中心设有固定轴套，固定轴套通过连接件与外周的圆环连接；各圆环状喷丝头的固定轴套均设置于同一个连接轴上，该连接轴与对应的驱动机构连接；
所述圆环由电导体材料制成，圆环的宽度与直径之比是1∶3～1∶100。
优选地，所述直流高压电源输出的电压是0～60kV；
所述封闭式储液槽用于存储聚合物溶液，并防止溶剂挥发，其由耐腐蚀材料制成；
所述电绝缘隔板由电绝缘材料制成，起到隔绝圆环状喷丝头之间的电场相互干扰的作用；
所述圆环状喷丝头与第一接收滚筒、第二接收滚筒的距离调节范围是0～50cm；
所述圆环状喷丝头、第一接收滚筒、第二接收滚筒的转速是0～5000r/min。
本发明还提供了一种规模化制备纳米纤维的方法，采用上述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调节好圆环状喷丝头与第一接收滚筒、第二接收滚筒之间的纺丝距离；
步骤2：在封闭式储液槽内注入聚合物溶液，聚合物溶液经封闭式储液槽下方设置的精确给液导管输出，并均匀涂覆在精确给液导管下方设置的圆环状喷丝头上；
步骤3：通过各驱动机构调整圆环状喷丝头和第一接收滚筒、第二接收滚筒的转速，使圆环状喷丝头和第一接收滚筒、第二接收滚筒以设定的转速转动；
步骤4：打开直流高压电源，调节到设定电压，均匀涂覆在圆环状喷丝头上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒、第二接收滚筒上。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用封闭式储液槽储存聚合物溶液，并采用精确给液导管给液，解决了开放式储液槽中不能精确给液、溶剂容易挥发而导致的影响静电纺丝纳米纤维品质的问题。
(2)本发明采用的喷丝装置为旋转的圆环状喷丝头，聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，极大地提高了静电纺丝的产量，避免了针头式静电纺丝装置容易堵塞、效率较低的弊端，并可通过增加圆环状喷丝头的数量，进一步提高纺丝效率。
(3)本发明在圆环状喷丝头的两侧设置了电绝缘隔板，解决了喷丝头电场分布不均、形成的纤维直径较粗且不均匀以及喷丝头之间的电场相互干扰等问题。
(4)本发明采用双侧滚筒接收圆环状喷丝头喷出的纳米纤维，充分地利用了装置的纺丝空间，极大地提升了纳米纤维的生产效率。而且还可以通过调节两侧接收滚筒的转速、转向和接收距离，同时纺出两种不同细度的纳米纤维。
附图说明
图1为本实施例提供的规模化制备纳米纤维的装置示意图；
图2为封闭式储液槽、精确给液导管、圆环状喷丝头、电绝缘隔板之间连接结构正视图；
图3为精确给液导管结构示意图；(a)外部结构图；(b)内部结构图；
图4为圆环状喷丝头结构示意图；(a)主视图；(b)侧视图；
附图标记说明：
1-直流高压电源；2-封闭式储液槽；3-精确给液导管；4-圆环状喷丝头；5-电绝缘隔板；6-第一接收滚筒1；7-第二接收滚筒；8-第一直流电机；9-第二直流电机；10-第三直流电机；11-控制面板；
301-导管外壳；302-空心销钉；303-弹簧；304-滚珠；
41-圆环；42-固定轴套；43-连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1为本实施例提供的规模化制备纳米纤维的装置示意图，所述的规模化制备纳米纤维的装置由直流高压电源1、封闭式储液槽2、精确给液导管3、圆环状喷丝头4、电绝缘隔板5、第一接收滚筒6、第二接收滚筒7、第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10、控制面板11等组成。
结合图2，封闭式储液槽2下方设置精确给液导管3，精确给液导管3下方设置圆环状喷丝头4；精确给液导管3和圆环状喷丝头4的数量一致，一一对应设置。每个圆环状喷丝头4的左右两侧均设置电绝缘隔板5，电绝缘隔板5与圆环状喷丝头4的圆形面平行。
圆环状喷丝头4的前后两侧分别设有一接收滚筒(如图1中的第一接收滚筒6、第二接收滚筒7)，接收滚筒与圆环状喷丝头4的圆形面垂直设置。
直流高压电源1的正极与圆环状喷丝头4相连接，直流高压电源1的负极与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7相连接。第一接收滚筒6连接第一直流电机8，圆环状喷丝头4连接第二直流电机9，第二接收滚筒7连接第三直流电机10，第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10均连接控制面板11。第一接收滚筒6、圆环状喷丝头4、第二接收滚筒7分别由第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10带动旋转，第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10的转速和控制开关均集成在控制面板11上。
直流高压电源1输出的电压是0～60kV。
封闭式储液槽2用于存储聚合物溶液，并防止溶剂挥发，其可以由亚克力板、不锈钢、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料制成。
结合图3，精确给液导管3由导管外壳301、空心销钉302、弹簧303、滚珠304构成。空心销钉302上部的外径大于下部的外径，弹簧303套在空心销钉302下部外周，弹簧303下端抵住滚珠304。空心销钉302、弹簧303都装在导管外壳301内部，滚珠304部分位于导管外壳301内、部分位于导管外壳301外。其中，导管外壳301起到溶液导流的作用，空心销钉302起到固定弹簧303的作用，弹簧303起到抵住滚珠304的作用，滚珠304将聚合物溶液均匀涂覆在圆环状喷丝头4上。
结合图4，圆环状喷丝头4由一个或者多个圆环41构成，制作圆环41的材质可以是铁、铝、不锈钢、铜等电导体。构成圆环状喷丝头4的圆环41的宽度d与直径D之比是1∶3～1∶100。本实施例中，圆环状喷丝头4中心设有固定轴套42，固定轴套42通过连接件43与圆环41连接。各圆环状喷丝头4的固定轴套42均设置于同一个连接轴上，该连接轴与第二直流电机9连接。
电绝缘隔板5可以由绝缘电木、亚克力板、PVC板等电绝缘材料制成，起到隔绝圆环状喷丝头4之间的电场相互干扰的作用。
第一接收滚筒6、第二接收滚筒7分别设置在圆环状喷丝头4的前后两侧，转动方向分为顺时针、逆时针可调。静电纺丝时，可以同时对圆环状喷丝头4两侧喷出的纳米纤维进行接收。
圆环状喷丝头4与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7的距离调节范围是0～50cm。
第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10的转速是0～5000r/min。
采用上述规模化制备纳米纤维的装置，本实施例还提供了一种规模化制备纳米纤维的方法，包括以下步骤：
(1)调节好圆环状喷丝头4与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7之间的纺丝距离。
(2)在封闭式储液槽2内注入聚合物溶液，聚合物溶液经封闭式储液槽2下方设置的精确给液导管3输出，并均匀涂覆在精确给液导管3下方设置的圆环状喷丝头4上。
(3)打开控制面板11上的控制开关，通过第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10调整圆环状喷丝头4和第一接收滚筒6、第二接收滚筒7的转速，使圆环状喷丝头4和第一接收滚筒6、第二接收滚筒7以一定的转速转动。
(4)打开直流高压电源1，调节到一定电压，均匀涂覆在圆环状喷丝头4上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒6、第二接收滚筒7上。
下面通过几个具体的实施例进一步说明规模化制备纳米纤维的方法。
实施例1
采用图1所示的一种规模化制备纳米纤维的装置进行纺丝，溶液选用7wt％的聚环氧乙烷水溶液，首先调节圆环状喷丝头4与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7之间的纺丝距离为12cm，然后在封闭式储液槽2内注入7wt％的聚环氧乙烷水溶液，溶液经封闭式储液槽2下方设置的精确给液导管3输出，并均匀涂覆在精确给液导管3下方设置的圆环状喷丝头4上。打开控制面板11上的控制开关，通过第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10调整圆环状喷丝头4和第一接收滚筒6、第二接收滚筒7的转速，使圆环状喷丝头4以60r/min的转速顺时针转动，第一接收滚筒6、第二接收滚筒7以1000r/min的转速顺时针转动。打开直流高压电源1，调节电压至25kV，均匀涂覆在圆环状喷丝头4上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒6、第二接收滚筒7上。制备得到的纳米纤维的直径为110±12nm，总纺丝效率为148g/h·m。
实施例2
采用图1所示的一种规模化制备纳米纤维的装置进行纺丝，溶液选用7wt％的聚环氧乙烷水溶液，首先调节圆环状喷丝头4与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7之间的纺丝距离分别为12cm、15cm，然后在封闭式储液槽2内注入7wt％的聚环氧乙烷水溶液，溶液经封闭式储液槽2下方设置的精确给液导管3输出，并均匀涂覆在精确给液导管3下方设置的圆环状喷丝头4上。打开控制面板11上的控制开关，通过第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10调整圆环状喷丝头4和第一接收滚筒6、第二接收滚筒7的转速，使圆环状喷丝头4以60r/min的转速顺时针转动，第一接收滚筒6以1000r/min的转速顺时针转动，第二接收滚筒7以1200r/min的转速逆时针转动。打开直流高压电源1，调节电压至25kV，均匀涂覆在圆环状喷丝头4上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒6、第二接收滚筒7上。第一接收滚筒6上接收到的纳米纤维的直径为115±16nm，第二接收滚筒7上接收到的纳米纤维的直径为137±20nm，总纺丝效率为172g/h·m。
实施例3
采用图1所示的一种规模化制备纳米纤维的装置进行纺丝，溶液选用9wt％的聚丙烯腈(PAN)/N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液，首先调节圆环状喷丝头4与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7之间的纺丝距离为15cm，然后在封闭式储液槽2内注入9wt％的PAN/DMF溶液，溶液经封闭式储液槽2下方设置的精确给液导管3输出，并均匀涂覆在精确给液导管3下方设置的圆环状喷丝头4上。打开控制面板11上的控制开关，通过第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10调整圆环状喷丝头4和第一接收滚筒6、第二接收滚筒7的转速，使圆环状喷丝头4以80r/min的转速顺时针转动，第一接收滚筒6、第二接收滚筒7以2000r/min的转速顺时针转动。打开直流高压电源1，调节电压至30kV，均匀涂覆在圆环状喷丝头4上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒6、第二接收滚筒7上。制备得到的纳米纤维的直径为153±32nm，总纺丝效率为195g/h·m。
实施例4
采用图1所示的一种规模化制备纳米纤维的装置进行纺丝，溶液选用9wt％的聚乳酸(PLA)/二氯甲烷(DCM)溶液，首先调节圆环状喷丝头4与第一接收滚筒6、第二接收滚筒7之间的纺丝距离分别为15cm、18cm，然后在封闭式储液槽2内注入9wt％的PLA/DCM溶液，溶液经封闭式储液槽2下方设置的精确给液导管3输出，并均匀涂覆在精确给液导管3下方设置的圆环状喷丝头4上。打开控制面板11上的控制开关，通过第一直流电机8、第二直流电机9、第三直流电机10调整圆环状喷丝头4和第一接收滚筒6、第二接收滚筒7的转速，使圆环状喷丝头4以80r/min的转速顺时针转动，第一接收滚筒6以2000r/min的转速顺时针转动，第二接收滚筒7以2400r/min的转速逆时针转动。打开直流高压电源1，调节电压至30kV，均匀涂覆在圆环状喷丝头4上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒6、第二接收滚筒7上。第一接收滚筒6上接收到的纳米纤维的直径为378±89nm，第二接收滚筒7上接收到的纳米纤维的直径为395±106nm，总纺丝效率为227g/h·m。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：包括封闭式储液槽(2)，封闭式储液槽(2)下方设有精确给液导管(3)，精确给液导管(3)下方设有圆环状喷丝头(4)；每个圆环状喷丝头(4)的左右两侧均设有电绝缘隔板(5)，圆环状喷丝头(4)的前后两侧分别设有第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)；
直流高压电源(1)的正极与圆环状喷丝头(4)相连接，直流高压电源(1)的负极与第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)相连接；圆环状喷丝头(4)、第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)分别连接各自的驱动机构。
2.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述精确给液导管(3)和圆环状喷丝头(4)的数量一致，一一对应设置。
3.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述电绝缘隔板(5)与圆环状喷丝头(4)的圆形面平行；所述第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)均与圆环状喷丝头(4)的圆形面垂直。
4.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述第一接收滚筒(6)连接第一直流电机(8)，圆环状喷丝头(4)连接第二直流电机(9)，第二接收滚筒(7)连接第三直流电机(10)；第一接收滚筒(6)、圆环状喷丝头(4)、第二接收滚筒(7)分别由第一直流电机(8)、第二直流电机(9)、第三直流电机(10)带动旋转。
5.如权利要求4所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述第一直流电机(8)、第二直流电机(9)、第三直流电机(10)均连接控制面板(11)，第一直流电机(8)、第二直流电机(9)、第三直流电机(10)的转速和控制开关均集成在控制面板(11)上。
6.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述精确给液导管(3)包括空心销钉(302)，空心销钉(302)上部的外径大于下部的外径，弹簧(303)套在空心销钉(302)下部外周，弹簧(303)下端抵住滚珠(304)，滚珠(304)下端抵住圆环状喷丝头(4)；空心销钉(302)、弹簧(303)均设于导管外壳(301)内部，滚珠(304)部分位于导管外壳(301)内、部分位于导管外壳(301)外。
7.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述精确给液导管(3)由导管外壳和海绵块构成，海绵块设于导管外壳内，海绵块下端抵住圆环状喷丝头(4)。
8.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述圆环状喷丝头(4)中心设有固定轴套(42)，固定轴套(42)通过连接件(43)与外周的圆环(41)连接；各圆环状喷丝头(4)的固定轴套(42)均设置于同一个连接轴上，该连接轴与对应的驱动机构连接；
所述圆环(41)由电导体材料制成，圆环(41)的宽度与直径之比是1∶3～1∶100。
9.如权利要求1所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于：
所述直流高压电源(1)输出的电压是0～60kV；
所述封闭式储液槽(2)用于存储聚合物溶液，并防止溶剂挥发，其由耐腐蚀材料制成；
所述电绝缘隔板(5)由电绝缘材料制成，起到隔绝圆环状喷丝头(4)之间的电场相互干扰的作用；
所述圆环状喷丝头(4)与第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)的距离调节范围是0～50cm；
所述圆环状喷丝头(4)、第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)的转速是0～5000r/min。
10.一种规模化制备纳米纤维的方法，采用如权利要求1～9任一项所述的一种规模化制备纳米纤维的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调节好圆环状喷丝头(4)与第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)之间的纺丝距离；
步骤2：在封闭式储液槽(2)内注入聚合物溶液，聚合物溶液经封闭式储液槽(2)下方设置的精确给液导管(3)输出，并均匀涂覆在精确给液导管(3)下方设置的圆环状喷丝头(4)上；
步骤3：通过各驱动机构调整圆环状喷丝头(4)和第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)的转速，使圆环状喷丝头(4)和第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)以设定的转速转动；
步骤4：打开直流高压电源(1)，调节到设定电压，均匀涂覆在圆环状喷丝头(4)上的聚合物溶液液滴在高压静电和离心力的作用下被拉伸成纳米纤维，分别被收集在两侧的第一接收滚筒(6)、第二接收滚筒(7)上。
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