CN110373724A

CN110373724A - 一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备

Info

Publication number: CN110373724A
Application number: CN201810326817.6A
Authority: CN
Inventors: 郑煜铭; 晨曦; 洪灵源
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-10-25

Abstract

本发明公开一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，包括熔融加热单元、丝杆传动单元、阶梯控温单元和静电纺丝单元，其特点为所述丝杆传动单元向熔融加热单元施加压力，使熔融物料从出料口喷头挤出，熔融物料在电场力作用下形成纺丝，纺丝再通过阶梯控温单元，得到了进一步拉伸，最终被静电纺丝单元的收集转盘捕集，完成静电纺丝。本发明的静电纺丝装置能够实现阶梯控温，以获得更细的电纺纤维，在熔融型静电纺丝领域具有较好的应用前景。

Description

一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备

技术领域

本发明属于熔融型静电纺丝领域，尤其涉及一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备。

背景技术

熔融静电纺丝是一种制备纳米及微纳米纤维材料的特殊方法，聚合物熔体在高压静电场下克服表面张力从喷孔喷出，带电喷射流在喷射过程中冷却固化，最终变成超细纤维被接收极捕集，从而获得静电纺纤维；熔融静电纺丝不需要使用溶剂，因此无需考虑溶剂的毒性和回收问题，对环境更为友好；静电纺纤维具有高比表面、高孔隙率和一系列特殊性能，使其应用前景广阔，例如能源材料、催化负载、高效过滤、生物医药和服装饰品等领域；但在静电纺丝过程中，如果聚合物熔体射流的温度下降过快，就会导致纺丝过早固化，进而使静电纺纤维无法得到充分拉伸，影响最终的形貌和尺寸；因此，能否控制好温度对熔融静电纺丝纤维的形貌、尺寸影响巨大；此外，熔融静电纺丝的加热部件与纺丝部件的绝缘安全问题也亟需解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以进行阶梯控温熔融电纺的丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备。本发明的特点和优点是：本发明所采用的电磁屏蔽罩、绝缘隔离模块和支撑底盘的组合能够阻隔高频线圈所产生的电场对静电纺丝电场的影响，同时硅胶传动带起到了绝缘隔热效果，可有效避免静电场对外界环境影响以及传动电机的高温失效问题；另外，本发明所采用的阶梯控温单元解决了熔融静电纺丝所面临的纺丝过早冷却固化的问题，确保了纺丝环境温度的稳定，可有效提高高温环境下聚合物熔体的流动性和拉伸性，为实现安全快捷生产微纳米级电纺纤维提供了可能。

附图说明

图1是丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备的结构示意图；图中：1.不锈钢筒；2.进料斗；3.不锈钢推进杆；4.热电偶传感器A；5.绝缘隔热层；6.高频线圈；7.电磁屏蔽罩；8.绝缘隔离模块；9.支撑底盘；10.出料口喷头；11.螺纹丝杆；12.支撑杆；13.丝杆滑台；14.丝杆固定顶板；15.丝杆固定底板；16.硅胶传动带；17.传动电机；18.环形加热器；19.热电偶传感器B；20.小玻璃罩；21.排风扇A；22.高压静电发生器；23.收集转盘；24.转盘电机；25.热电偶传感器C；26.排风扇B；27.玻璃外罩。

图2是杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备部分结构的三维渲染图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：本发明所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其结构如附图1所示，包括，熔融加热单元、丝杆传动单元、阶梯控温单元和静电纺丝单元，其特征在于：所述熔融加热单元包含不锈钢筒1、进料斗2、不锈钢推进杆3、热电偶传感器A 4、绝缘隔热层5、高频线圈6、电磁屏蔽罩7、绝缘隔离模块8、支撑底盘9和出料口喷头10。不锈钢筒1用于储存熔融物料；进料斗2位于不锈钢筒1上部侧方，用于投加物料；不锈钢推进杆3底部的底盘包裹有全氟橡胶圈，用于保证不锈钢桶的密闭性；不锈钢推进杆3推动熔融物料，使熔融物料穿过不锈钢筒1底部的绝缘隔离模块8，从出料口喷头10挤出，物料挤出速率为0~10.0 ml/h；高频线圈6环绕在绝缘隔热层5的外层，由于电磁感应加热原理，高频线圈6可加热不锈钢桶1，使内部物料转变并保持为熔融态，加热温度范围优选在0~350 ℃±0.5 ℃；绝缘隔热层5围在不锈钢筒1外围，为石棉材质，用于绝缘和保温；电磁屏蔽罩7围在高频线圈6外层，可由铜、铝、钢等金属制成，能屏蔽高频线圈6在工作时产生的电磁场；热电偶传感器A 4位于不锈钢筒1和绝缘隔热层5之间，用于监测不锈钢桶1的实时温度；绝缘隔离模块8的顶部通过螺纹法兰与不锈钢桶1连接，绝缘隔离模块8的底部通过卡箍法兰与出料口喷头10连接；绝缘隔离模块8由高密度聚四氟乙烯材料制成，用于绝缘出料口喷头10和不锈钢筒1；支撑底盘9为不锈钢材质，用于支撑不锈钢筒1。

所述丝杆传动单元包含螺纹丝杆11、支撑杆12、丝杆滑台13、丝杆固定顶板14、丝杆固定底板15、硅胶传动带16和传动电机17。螺纹丝杆11的两端与两根支撑杆12的两端均分别固定在丝杆固定顶板14和丝杆固定底板15上，支撑杆12通过滑轨穿过丝杆滑台13，螺纹丝杆11通过螺母穿过丝杆滑台13，不锈钢推进杆3的顶部固定于丝杆滑台13底面，不锈钢推进杆3能够与丝杆滑台13同步运动；螺纹丝杆11与传动电机17通过硅胶传动带16连接，起绝缘隔热的作用，传动电机17的运作通过硅胶传动带16带动螺纹丝杆11旋转，使丝杆滑台13进行垂直运动，进而使不锈钢推进杆3推动熔融物料。

所述阶梯控温单元包含环形加热器18、热电偶传感器B 19、小玻璃罩20和排风扇A21。环形加热器装载在出料口喷头10与收集转盘23之间，其内部装有垂直布的红外加热管，可对环形加热器18的内部空间进行加热；热电偶传感器B 19垂直布于环形加热器18内侧，用于监测实时温度；小玻璃罩20用于隔离熔融加热单元和阶梯控温单元；排风扇A 21用于排风降温，可配合环形加热器18调节体系温度。

所述静电纺丝单元包含高压静电发生器22、收集转盘23、转盘电机24、热电偶传感器C 25、排风扇B 26和玻璃外罩27。出料口喷头10和收集转盘23分别与高压静电发生器22通过导线相连；收集转盘23通过轴承与转盘电机24相连，转盘电机24带动收集转盘23进行旋转；热电偶传感器C 25位于收集转盘23旁，用于监测温度，配合排风扇A 21和环形加热器18可调节温度；排风扇B 26设置在玻璃外罩27上，用于排风降温，用来帮助降低导线周围的环境温度，以延长导线的使用寿命；熔融物料从出料口喷头10挤出，经过电场力拉伸和环形加热器18加热后，被收集转盘23捕集；玻璃外罩27将熔融加热单元、丝杆传动单元、阶梯控温单元和静电纺丝单元罩住，使设备与外界环境隔离。

具体来说，所述高压静电发生器22和传动电机17均在玻璃外罩27的外部；所述不锈钢桶为可拆卸部件，其容积为20~100 ml；所述出料口喷头的喷孔呈环状分布，孔直径为0.3~1.2 mm，孔间距为15.0~20.0 mm；所述高压静电发生器电压变化范围为-20~50 kV，其连接的导线缠有耐热绝缘胶布；所述转盘电机转速范围为200~1400 rpm。

Claims

1.一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，主要包括熔融加热单元、丝杆传动单元、阶梯控温单元和静电纺丝单元，其特征在于：（1）所述熔融加热单元包含不锈钢筒、进料斗、不锈钢推进杆、热电偶传感器A、绝缘隔热层、高频线圈、电磁屏蔽罩、绝缘隔离模块、支撑底盘和出料口喷头；不锈钢筒用于储存物料；进料斗位于不锈钢筒的上部侧方，用于投加物料；不锈钢推进杆立于不锈钢桶中间，可做往复活塞运动；绝缘隔热层围在不锈钢筒外围；高频线圈环绕在绝缘隔热层的外层；电磁屏蔽罩围在高频线圈外层；热电偶传感器A位于不锈钢筒和绝缘隔热层之间；绝缘隔离模块的顶部与不锈钢桶连接，绝缘隔离模块的底部与出料口喷头连接；支撑底盘支撑在不锈钢桶正下方；（2）所述丝杆传动单元包含螺纹丝杆、支撑杆、丝杆滑台、丝杆固定顶板、丝杆固定底板、硅胶传动带和传动电机；螺纹丝杆的两端与两根支撑杆的两端均分别固定在丝杆固定顶板和丝杆固定底板上，支撑杆通过滑轨穿过丝杆滑台，螺纹丝杆通过螺母穿过丝杆滑台，不锈钢推进杆的顶部固定于丝杆滑台底面，不锈钢推进杆能够与丝杆滑台同步运动；螺纹丝杆与传动电机通过硅胶传动带连接，传动电机的运作通过硅胶传动带带动螺纹丝杆转动，使丝杆滑台进行垂直运动，进而使不锈钢推进杆推挤熔融物料；（3）所述阶梯控温单元包含环形加热器、热电偶传感器B、小玻璃罩和排风扇A；环形加热器装载在出料口喷头与收集转盘之间；热电偶传感器B垂直布于环形加热器内侧；小玻璃罩罩在阶梯控温单元的外部；排风扇A置于环形加热器的下侧；（4）所述静电纺丝单元包含高压静电发生器、收集转盘、转盘电机、热电偶传感器C、排风扇B和玻璃外罩；出料口喷头和收集转盘分别与高压静电发生器通过导线相连；收集转盘通过轴承与转盘电机相连，转盘电机带动收集转盘进行旋转；热电偶传感器C位于收集转盘旁；排风扇B设置在玻璃外罩上；玻璃外罩将熔融加热单元、丝杆传动单元、阶梯控温单元和静电纺丝单元罩住，使设备与外界环境隔离。

2.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述不锈钢桶为可拆卸部件，其优选容积为20~200 ml；所述不锈钢推进杆底部的推进底盘包裹有全氟橡胶圈，用于保证不锈钢桶的密闭性；不锈钢推进杆推动熔融物料，使熔融物料通过不锈钢筒底部的绝缘隔离模块，从出料口喷头挤出，物料挤出速率优选为0~20.0ml/h；当不锈钢推进杆升至最高位置时，不锈钢推进杆底部的推进底盘底面刚好位于进料口的上端，此时可向不锈钢桶内投加物。

3.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述高频线圈工作时，由于电磁感应加热原理，可加热不锈钢桶，使不锈钢桶内部物料转变并保持为熔融态，加热温度范围优选为0~350 ℃±0.5 ℃；热电偶传感器A用于监测不锈钢桶的实时温度。

4.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述电磁屏蔽罩可由铜、铝、钢等金属制成，能屏蔽高频线圈在工作时产生的电磁场；所述绝缘隔热层为石棉材质，用于绝缘和保温；所述绝缘隔离模块为高密度聚四氟乙烯材质，用于绝缘出料口喷头和不锈钢筒；所述支撑底盘为不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述环形加热器内部装有垂直分布的红外加热管，可对环形加热器的内部空间进行加热；所述热电偶传感器B用于监测环形加热器内侧的实时温度；所述小玻璃罩用于隔离熔融加热单元和阶梯控温单元；所述排风扇A用于排风降温，可配合环形加热器调节体系温度；所述热电偶传感器C用于监测温度，可配合排风扇A和环形加热器调节环境温度。

6.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述硅胶传动带起绝缘隔热的作用；所述排风扇B用于排风降温，可有效降低导线周围的环境温度，以延长导线的使用寿命；导线表面缠有耐热绝缘胶布。

7.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述出料口喷头的喷孔呈环状分布，孔直径优选为0.3~1.2 mm，孔间距优选为15.0~20.0 mm；熔融物料从出料口喷头挤出，经过电场力拉伸和环形加热器加热后，被收集转盘捕集；所述转盘电机优选转速范围为200~1400 rpm。

8.根据权利要求1所述的一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，其特征在于：所述高压静电发生器和传动电机均在玻璃外罩外部，高压静电发生器电压变化范围为-20~50 kV。