CN110846725A - 一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，包括气流均匀分散装置和湿度控制装置；气流均匀分散装置主要由气体储存仓、气流缓冲桩、旋转拨片和径向支杆组成；气体储存仓主要由共轴的中空大圆台和中空大圆柱组成，气流缓冲桩位于气体储存仓内部，形状与其相同且二者共轴，主要由小圆台和小圆柱组成，多个旋转拨片的形状都为扇环状且尺寸相同，等间距分布在大圆柱远离大圆台的端面上，多个径向支杆分布在各相邻旋转拨片之间；湿度控制装置主要由控制面板、湿度传感器、加湿器、除湿器和吹风装置组成，湿度传感器分布在静电纺丝舱体内。本发明的系统可对纺丝环境湿度精确调控，并能实现气流的平稳流入。

Description

一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统

技术领域

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统。

背景技术

静电纺丝技术是近些年迅速兴起的一种制备微/纳米纤维的方法，具有制造装置简单、纤维结构可调性好、可纺原材料广、技术结合性强、产品附加值高等优点，被广泛应用于国防军工、生物医用、环境治理、电子能源等领域。

在有机溶剂体系溶液纺丝过程中，环境的湿度会带来射流周围空气介电常数的变化，尤其是影响它与射流中溶剂的相容性，进而会影响电场大小，因此在很大程度上湿度将影响着溶液能否纺丝；环境的湿度对于成形纤维质量也带来了不可忽视的影响，如纤维直径的均匀性、纤维成孔结构、纤维表面粗糙度、纤维力学性能以及纤维膜的均匀性等；环境的湿度直接影响纺丝过程溶剂挥发速度，不合适的湿度将会造成喷头堵塞，阻碍静电纺丝连续化稳定生产。

专利“一种控制规模化静电纺丝环境温湿度的装置”(CN105588203A)公开了一种控制规模化静电纺丝环境温湿度的装置，包括底座、空调装置、加热器、设备箱体外壳和除湿机，该发明尽管可以解决温湿度调节的问题，但是在湿度调节过程中气流流经路径长，湿度调控响应缓慢，并且缺少智能反馈装置，无法对箱体内部微环境实时监测，最后流至工作室的气流仅保持单方向流入难以扩散至箱体上、下两端，严重影响静电纺丝射流成纤的过程；专利“静电纺丝设备的湿度控制系统”(CN201520905472.1)公开了一种静电纺丝设备的湿度控制系统，包括控制器、湿度检测传感器、除湿机、超声波加湿器和蜂鸣器，但是除湿机和超声波加湿器安装于静电纺丝箱内，这种单独位点气流输送方式易造成局部气流集中，气流难以短时快速分散，无法实现将气流均匀稳定输运至整个箱体。

综上所述，纺丝环境湿度的控制以及气流如何平稳输运至纺丝区域，是近些年来一直困扰众多科研人员的难题，这将严重阻碍静电纺丝技术的进一步发展。

因此，开发一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，有望解决上述瓶颈问题，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中静电纺丝过程中湿度难以精确调控以及气流难以平稳输运至纺丝区域的问题，提供一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，包括气流均匀分散装置和湿度控制装置；

气流均匀分散装置主要由气体储存仓、气流缓冲桩、旋转拨片和径向支杆组成；

气体储存仓主要由共轴的中空大圆台和中空大圆柱组成，大圆台的大端端面与大圆柱的端面贴合，且直径相同，气流缓冲桩位于气体储存仓内部，形状与其相同且二者共轴，主要由小圆台和小圆柱组成，小圆台位于大圆台内，二者大端端面齐平，小圆柱位于大圆柱内，二者两端端面齐平；

旋转拨片的数量为多个，形状都为扇环状且尺寸相同，所有旋转拨片长度较大的弧等间距分布在大圆柱远离大圆台的端面的圆周上，所有旋转拨片长度较小的弧等间距分布在小圆柱远离小圆台的端面的圆周上；

径向支杆的数量为多个，分布在各相邻旋转拨片之间，按顺时针或逆时针方向，各旋转拨片的前母线与其相邻的径向支杆活动连接，后母线与其相邻的径向支杆无连接；

湿度控制装置主要由控制面板以及与其连接的湿度传感器、加湿器、除湿器和吹风装置组成，加湿器、除湿器和吹风装置与大圆台的小端连通；

湿度传感器分布在静电纺丝舱体内，用于实时监测舱体内湿度并将参数信息反馈至控制面板，控制面板用于控制加湿器、除湿器和吹风装置的启闭以及各旋转拨片的旋转角度。

本发明要解决的技术问题是现有技术静电纺丝过程中湿度难以精确调控、调控方式粗糙、进入纺丝区域气流紊乱等导致成形纤维质量受到严重影响(如纤维直径的均匀性、纤维成孔结构、纤维表面粗糙度、纤维力学性能以及纤维膜的均匀性等)，之所以会出现这些问题是因为现有技术大多都采用单独位点气流输送方式输送气流的，这种输送方式容易造成局部气流集中，气流难以短时快速均匀分散，无法实现将气流均匀稳定输运至整个箱体。本发明通过采用多位点气流输送方式输送气流，很好地解决了现有技术存在的上述问题，具体机理如下：

纺丝舱体内置湿度传感器对舱内湿度进行实时监测，根据纺丝实际要求，若舱内湿度过低或过高，则控制面板选择启动加湿器或除湿器，湿或热气体通过输送通道到达气体储存仓内的气流均匀分散装置，该过程中气体先流经气流缓冲桩，气流缓冲桩将对气流起到缓冲作用，可避免气流因流速过大而直接进入纺丝区域对纺丝过程中射流拉伸固化、溶剂蒸发产生不良影响，之后气体再流经旋转拨片，由于旋转拨片数量为多个，且均匀分布在纺丝舱体入口平面上，能够实现多位点气流均匀输送至纺丝舱体内，避免局部气流集中和气流难以短时快速分散的问题，旋转拨片以一定角度开合，实现气体储存仓内的气流平稳可控流至静电纺丝舱体内，当纺丝舱体内部的湿度达到要求时，通过调节旋转拨片角度减少气体输入量，在精确调节湿度的同时减少了能耗。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，旋转拨片的旋转角度的取值范围为15°～75°，角度不宜过小或者过大，以免气流流通受阻或者气流瞬时流量过大，无法实现气流的平稳可控输入。

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，径向支杆的一端通过螺纹与气流缓冲桩固定连接，另一端通过螺纹与气体储存仓固定连接。

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，气流缓冲桩与气体储存仓的材质为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或聚苯乙烯(PS)；旋转拨片的材质为聚醚酰亚胺(PEI)、聚砜(PSU)、聚亚苯基砜树脂(PPSU)或聚醚砜树脂(PES)；径向支杆的材质为聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚酮(POK)。

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，小圆柱的半径的取值范围为6～12cm，小圆柱的高度的取值范围为5～50cm，大圆柱的半径的取值范围为10～30cm；小圆台的小端的半径的取值范围为2～4cm，小圆台的高度的取值范围为8～10cm；径向支杆的半径的取值范围为0.2～0.4cm。静电纺丝舱体形状为长方体，其材质为不锈钢，里面含有保温层和绝缘板，长度、宽度和高度的取值范围分别为50～200cm、40～150cm和30～100cm，静电纺丝舱体底部开有排气孔，其形状为圆形，半径的取值范围为1～4cm，排气孔连通吸风装置以调节排气量。此处所给的静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统的各部件的尺寸是针对特定尺寸的静电纺丝舱体而言的，当静电纺丝舱体的尺寸增大或减小时，静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统的各部件的尺寸随之增大或减小即可。

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，加湿器和除湿器各通过一根支管与主管连通，主管同时与吹风装置和大圆台的小端连通。

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，主管上还安装有流量控制阀，流量控制阀位于吹风装置和大圆台的小端之间。

如上所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，加湿器为水加热蒸发加湿器，除湿器为电阻丝加热吹风除湿器。

有益效果：

(1)本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，通过将引入的气流进行均匀分散，实现气流的平稳流入，在纺丝区域分布趋于相同；

(2)本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，可以对纺丝环境湿度精确有效调控，可调节相对湿度范围为20～80％；

(3)本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，对进气、排气通量精确调控，在保证湿度有效调节同时，保证纺丝环境的安全，避免出现有机溶剂过高造成的火灾、爆炸等事故。

附图说明

图1为本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统示意图；

图2为本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统的气流均匀分散装置示意图；

图3为本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统的气流均匀分散装置俯视图；

图4为采用本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统所得纤维膜扫描电子显微镜图片(放大倍数为20万倍)；

图5为未采用本发明的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统所得纤维膜扫描电子显微镜图片(放大倍数为20万倍)；

其中，1-径向支杆，2-旋转拨片，3-气流缓冲桩，4-气体储存仓，5-流量控制阀，6-水加热蒸发加湿器，7-电阻丝加热吹风除湿器，8-吹风装置，9-湿度传感器，10-控制面板，11-静电纺丝舱体，12-排气孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，如图1所示，包括气流均匀分散装置和湿度控制装置；其中，气流均匀分散装置的示意图如图2～3所示；

气流均匀分散装置由气体储存仓4、气流缓冲桩3、旋转拨片2和径向支杆1组成；

气体储存仓4由共轴的中空大圆台和中空大圆柱组成，大圆台的大端端面与大圆柱的端面贴合，且直径相同；大圆柱的半径的取值范围为10～30cm；

气流缓冲桩3位于气体储存仓4内部，形状与其相同且二者共轴，由小圆台和小圆柱组成，小圆台位于大圆台内，二者大端端面齐平，小圆柱位于大圆柱内，二者两端端面齐平；小圆柱的半径的取值范围为6～12cm，小圆柱的高度的取值范围为5～50cm，小圆台的小端的半径的取值范围为2～4cm，小圆台的高度的取值范围为8～10cm；其中，气流缓冲桩3与气体储存仓4的材质为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或聚苯乙烯(PS)；

旋转拨片2的数量为多个，形状都为扇环状且尺寸相同，所有旋转拨片2长度较大的弧等间距分布在大圆柱远离大圆台的端面的圆周上，所有旋转拨片2长度较小的弧等间距分布在小圆柱远离小圆台的端面的圆周上；旋转拨片2的旋转角度的取值范围为15°～75°；其中，旋转拨片2的材质为聚醚酰亚胺(PEI)、聚砜(PSU)、聚亚苯基砜树脂(PPSU)或聚醚砜树脂(PES)；

径向支杆1的数量为多个，分布在各相邻旋转拨片2之间，按顺时针或逆时针方向，各旋转拨片2的前母线与其相邻的径向支杆1活动连接，后母线与其相邻的径向支杆1无连接；径向支杆1的一端通过螺纹与气流缓冲桩3固定连接，另一端通过螺纹与气体储存仓4固定连接；径向支杆1的半径的取值范围为0.2～0.4cm；其中，径向支杆1的材质为聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚酮(POK)；

湿度控制装置由控制面板10以及与其连接的湿度传感器9、水加热蒸发加湿器6、电阻丝加热吹风除湿器7和吹风装置8组成；

水加热蒸发加湿器6、电阻丝加热吹风除湿器7和吹风装置8与大圆台的小端连通；水加热蒸发加湿器6和电阻丝加热吹风除湿器7各通过一根支管与主管连通，主管同时与吹风装置8和大圆台的小端连通；主管上还安装有流量控制阀5，流量控制阀5位于吹风装置8和大圆台的小端之间；静电纺丝舱体底部开有排气孔12，其形状为圆形，半径的取值范围为1～4cm，排气孔12连通吸风装置8以调节排气量；

湿度传感器9分布在静电纺丝舱体11内，用于实时监测舱体内湿度并将参数信息反馈至控制面板10，控制面板10用于控制水加热蒸发加湿器6、电阻丝加热吹风除湿器7和吹风装置8的启闭以及各旋转拨片2的旋转角度；

将该静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统用于聚乙烯醇溶液(相对分子质量为86000，质量分数为10％)的静电纺丝，该纺丝工艺参数为：加载电压为15kV，接收距离为15cm，灌注速度为1mL/h，得到的纺丝纤维膜的扫描电子显微镜如图4所示，纤维的直径分布均匀，纤维平均直径为346nm，直径变异系数为1.6％。

对比例1

一种常规的静电纺丝装置，用于对实施例1中的材料进行纺丝，纺丝工艺基本相同，不同之处在于对比例1中的不含有均匀分散式气流辅助湿度调控系统，而是采用单独位点气流输送方式输送气流，其得到的纤维膜的扫描电子显微镜如图5所示，由图可见，纤维直径分布非常不匀，并且有部分纤维未完全拉伸、固化，平均直径为452nm，直径变异系数为12.7％，将对比例1与实施例1进行对比可以看出，实施例1的纤维直径变异系数更小，说明其纤维分布更加均匀，这是因为对比例1中的这种输送方式容易造成局部气流集中，气流难以短时快速均匀分散，无法实现将气流均匀稳定输运至整个箱体；而实施例1中的系统能够实现多位点气流均匀输送至纺丝舱体内，更加均匀的气流使得纺丝液固化的更加均匀，从而纤维的直径也就更加均匀。

Claims (8)

1.一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征是：包括气流均匀分散装置和湿度控制装置；

气流均匀分散装置主要由气体储存仓、气流缓冲桩、旋转拨片和径向支杆组成；

气体储存仓主要由共轴的中空大圆台和中空大圆柱组成，大圆台的大端端面与大圆柱的端面贴合，且直径相同，气流缓冲桩位于气体储存仓内部，形状与其相同且二者共轴，主要由小圆台和小圆柱组成，小圆台位于大圆台内，二者大端端面齐平，小圆柱位于大圆柱内，二者两端端面齐平；

旋转拨片的数量为多个，形状都为扇环状且尺寸相同，所有旋转拨片长度较大的弧等间距分布在大圆柱远离大圆台的端面的圆周上，所有旋转拨片长度较小的弧等间距分布在小圆柱远离小圆台的端面的圆周上；

径向支杆的数量为多个，分布在各相邻旋转拨片之间，按顺时针或逆时针方向，各旋转拨片的前母线与其相邻的径向支杆活动连接，后母线与其相邻的径向支杆无连接；

湿度控制装置主要由控制面板以及与其连接的湿度传感器、加湿器、除湿器和吹风装置组成，加湿器、除湿器和吹风装置与大圆台的小端连通；

湿度传感器分布在静电纺丝舱体内，用于实时监测舱体内湿度并将参数信息反馈至控制面板，控制面板用于控制加湿器、除湿器和吹风装置的启闭以及各旋转拨片的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，旋转拨片的旋转角度的取值范围为15°～75°。

3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，径向支杆的一端通过螺纹与气流缓冲桩固定连接，另一端通过螺纹与气体储存仓固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，气流缓冲桩与气体储存仓的材质为聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯；旋转拨片的材质为聚醚酰亚胺、聚砜、聚亚苯基砜树脂或聚醚砜树脂；径向支杆的材质为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚四氟乙烯或聚酮。

5.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，小圆柱的半径的取值范围为6～12cm，小圆柱的高度的取值范围为5～50cm，大圆柱的半径的取值范围为10～30cm；小圆台的小端的半径的取值范围为2～4cm，小圆台的高度的取值范围为8～10cm；径向支杆的半径的取值范围为0.2～0.4cm。

6.根据权利要求1所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，加湿器和除湿器各通过一根支管与主管连通，主管同时与吹风装置和大圆台的小端连通。

7.根据权利要求6所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，主管上还安装有流量控制阀，流量控制阀位于吹风装置和大圆台的小端之间。

8.根据权利要求6所述的一种静电纺丝用均匀分散式气流辅助湿度调控系统，其特征在于，加湿器为水加热蒸发加湿器，除湿器为电阻丝加热吹风除湿器。

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