CN111647959B - 一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置及方法，其通过设置高压输液装置驱动纺丝液流动至实心针头与喷口凹槽之间的间隙处，并通过直流高压发生器使得实心针头与旋转球壳之间形成电场，在实心针头的引流下，可以使得纺丝液在实心针头的针尖处形成泰勒锥的液体包，并在电场作用的拉伸下，使得在实心针头的针尖处的纺丝液进行喷射纺丝纤维并在旋转球壳的表面沉积，而旋转球壳为高速旋转，使得纺丝纤维在机械力的作用下，纤维规整分布，并使得纤维直径更细，从而使得提高了纺丝纤维取向度，而本申请设置了多个喷射凹槽与对应的实心针头，同时，通过高压输液装置进行驱动纺丝液流速以加快喷丝，使得纺丝效率更高。

Description

一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置及方法
技术领域
本申请涉及静电纺丝设备技术领域，尤其涉及一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置及方法。
背景技术
静电纺丝是目前制备聚合物纳米纤维最简单高效的方法之一，以其装置简单、原料来源广泛、成本低廉等优点，受到国内外广泛的关注。
静电纺丝装置主要分为3个部分：高压直流电源、喷丝装置和目标电极，直流高压电源的作用是提供高压，在喷丝装置与目标电极之间形成强电场，以便对带电聚合物进行高倍拉伸，喷丝装置连接高压电源正极，产生喷射细流，目标电极提供负极以用于收集纤维。一般认为，在外加电场中，静电纺丝的液流表面聚集电荷，电荷之间的排斥力与表面张力抗衡，随着电场强度增加，在半球状的液滴表面将形成倒三角锥。在临界场强的作用下，表面电荷的排斥力将与表面张力平衡，此时的倒锥称为泰勒锥。当电场超过此临界值，电荷间的排斥力将克服表面张力在泰勒锥的顶端形成带电喷射细流。喷射细流经过拉伸延长，并做不稳定运动，产生鞭动和分裂，最后随着溶剂的挥发而凝固后便得到静电纺丝纤维。
传统的静电纺丝设备，所得到的纤维均以无纺布的形式存在，这在一定程度上限制了它的应用范围。由于静电纺丝过程中聚合物射流运动过程相当复杂，目前只能通过改善接收装置才能有效地提高纤维排列的取向度，且根据是否存在机械运动分为静态和动态两类，其中，静态收集装置是利用纤维之间存在的静电斥力或磁场力使纤维取向分布，对纤维的直径、表观形貌等没有影响；而动态收集装置是在机械力的作用下将纤维规整分布，对纤维的直径、表观形貌等有一定的影响。
为了制备连续而有序的纳米纤维，德国Dal-ton等人用两个金属圆环来收集静电纺丝纤维。他们将两个不锈钢环作为收集极，顶部距喷头为150mm，且用接地的鳄鱼夹固定。所有的金属器件都与高压电源相隔离，整个静电纺丝过程采用15kV的高压进行60s。静电纺丝结束后，将收集到的纤维进行特殊的加工，得到排列情况比较好的纳米纤维。Li Dan等采用一种简单有效的方法来制备平行取向纳米纤维，在常规的收集器上凿开一个槽，在附加电场的作用下，纳米纤维横跨槽的两边形成平行取向排列。更有采用磁场诱导磁化电纺丝排列，得到了大面积排列、有序度高的静电纺丝纤维，其附加磁场收集器，在纺丝装置中放置两块永磁铁，这两块磁铁平行对立在平板负极之上，在溶液中加入少量纳米四氧化三铁，得到磁化高分子溶液。当静电纺丝纤维喷出后，磁化电纺丝在磁场中沿磁力线方向排列，从而使电纺丝平行悬搭在两块磁铁的空隙中。
上述现有技术为双环收集法、附加电场收集法以及附加磁场收集法，其中双环收集法由于纺丝量小而导致效率低，所以仅适用于实验室静电纺丝，并不适合于工业化大批量的生产模式；附加电场收集法所制备的纤维的取向度较低；附加磁场收集法由于需要在溶液中加入少量纳米四氧化三铁，对溶液成分有所改变，同时也不满足工业化生产的效率要求。
发明内容
本申请提供了一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置及方法，用于解决现有技术中制备纺丝纤维效率低下、纤维取向度低以及成分被改变的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置，包括：高压输液装置、接收板、喷丝板、高速旋转球壳收集装置、设置于所述喷丝板上的喷丝头、主输液管与直流高压发生器；
所述高速旋转球壳收集装置包括旋转球壳与电机，所述旋转球壳为上端开口的空心球壳，所述电机设置在所述接收板上，所述电机的输出端通过转轴与所述旋转球壳的底端连接；
所述喷丝头包括喷丝球壳与若干个实心针头，所述喷丝球壳延伸至所述旋转球壳内部设置，所述喷丝球壳的侧壁设有若干个径向向内延伸的喷口凹槽，所述喷口凹槽均匀分布，所述实心针头的针尾通过固定支架与所述喷口凹槽的侧壁固定连接，所述实心针头的针尖延伸至所述喷口凹槽外部设置，所述实心针头沿所述喷丝球壳的径向设置，所述实心针头与所述喷口凹槽的侧壁之间留有间隙，所述主输液管的端部设有用于其与所述喷口凹槽导通的导液管；
所述实心针头通过导线串联后与所述直流高压发生器的正极电连接，所述直流高压发生器的负极与所述旋转球壳电连接；
所述高压输液装置包括高压推进器与数控控制器，所述高压推进器设有注液口与出液口，所述注液口与所述出液口通过管道连通，所述出液口与所述主输液管连接，所述数控控制器与所述高压推进器电连接，用于限定纺丝液在所述主输液管中的流速。
优选地，所述喷丝球壳与所述旋转球壳同心设置。
优选地，所述喷丝球壳与所述旋转球壳的开口处相对应的侧壁不设置有所述喷口凹槽。
优选地，所述实心针头与所述喷口凹槽的侧壁之间的最近距离为0.7mm～1.5mm。
优选地，相邻的所述实心针头之间的距离为15～25mm，所述实心针头的长度为1.8cm。
优选地，所述直流高压发生器的正极电压为20kV～40kV，其负极电压为-20kV～-40kV。
优选地，所述电机的额定转速为800r/min～1000r/min。
优选地，所述主输液管的端部设有球型腔体，所述球型腔体开有若干个导液口，所述喷口凹槽的底端设有通过所述导液管与所述导液口连通的喷液口。
本申请另一方面还提供了一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，应用上述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置，包括以下步骤：
步骤1：通过开启电机驱动旋转球壳高速旋转；
步骤2：通过高压推进器注入纺丝液，并通过数控控制器控制纺丝液流速；
步骤3：通过开启直流高压发生器输入正压与负压分别给实心针头与所述旋转球壳，使得当所述纺丝液经过所述实心针头与喷口凹槽的侧壁之间的间隙后，在所述实心针头的针尖处形成泰勒锥的液体包，并在高压电场的作用下，所述实心针头的针尖处的液体包向所述旋转球壳表面进行喷丝。
优选地，所述步骤2中的所述纺丝液通过所述数控控制器控制的流速范围是0.4mL/h～0.6mL/h。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请实施例提供了一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置及方法，其无需加入其他化学物质，避免纤维成分被改变，而是通过设置高压输液装置驱动纺丝液流动至实心针头与喷口凹槽之间的间隙处，并通过直流高压发生器使得实心针头与旋转球壳之间形成电场，在实心针头的引流下，可以使得纺丝液在实心针头的针尖处形成泰勒锥的液体包，并在电场作用的拉伸下，使得在实心针头的针尖处的纺丝液进行喷射纺丝纤维并在旋转球壳的表面沉积，而旋转球壳为高速旋转，使得纺丝纤维在机械力的作用下，纤维规整分布，并使得纤维直径更细，从而使得提高了纺丝纤维取向度，而本实施例设置了多个喷射凹槽与对应的实心针头，可以提高纺丝量，同时，通过高压输液装置进行驱动纺丝液流速以加快喷丝速率，使得纺丝纤维制备效率更高。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置中喷口凹槽的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置，包括：高压输液装置、接收板4、喷丝板5、高速旋转球壳收集装置、设置于喷丝板5上的喷丝头、主输液管9与直流高压发生器；
需要说明的是，在本实施例中设置多个高速旋转球壳收集装置与多个喷丝头，以提高纺丝效率。
进一步地，高速旋转球壳收集装置包括旋转球壳3与电机，旋转球壳3为上端开口的空心球壳，电机设置在接收板4上，电机的输出端通过转轴与旋转球壳3的底端连接；
进一步地，喷丝头包括喷丝球壳2与若干个实心针头1，喷丝球壳2延伸至旋转球壳3内部设置，喷丝球壳2的侧壁设有若干个径向向内延伸的喷口凹槽10，喷口凹槽10均匀分布，参考图2，实心针头1的针尾通过固定支架11与喷口凹槽10的侧壁固定连接，实心针头1的针尖延伸至喷口凹槽10外部设置，实心针头1沿喷丝球壳2的径向设置，实心针头1与喷口凹槽10的侧壁之间留有间隙，主输液管9的端部设有用于其与喷口凹槽10导通的导液管8；
需要说明的是，设置实心针头1可以为从实心针头1与喷口凹槽10的侧壁之间的间隙喷射的纺丝液提供引流的作用，以在实心针头1的针尖处形成泰勒锥并进行喷丝，而实心针头1的形状可以为圆锥型或其他形状，在此不做限定，同时，喷口凹槽10与实心针头1均径向设置，使得喷丝在电场的作用下，沉积至旋转球壳3表面分布更加规整。
进一步地，在主输液管9延伸至喷丝球壳2内部。
进一步地，实心针头1通过导线串联后与直流高压发生器的正极电连接，直流高压发生器的负极与旋转球壳3电连接。
进一步地，高压输液装置包括高压推进器6与数控控制器7，高压推进器6设有注液口与出液口，注液口与出液口通过管道连通，出液口与主输液管9连接，数控控制器7与高压推进器6电连接，用于限定纺丝液在主输液管9中的流速。
可以理解的是，纺丝液可以从注液口注入，并在高压推进器6的驱动下，由出液口流出到主输液管9中，而由于设置了数控控制器7，可以通过其控制高压推进器6的功率来调整纺丝液的流速，也能够使得实心针头1与喷口凹槽10之间的间隙不被堵塞。
进一步地，喷丝球壳2与旋转球壳3同心设置。
可以理解的是，两个球壳同心设置，使得两个球壳之间的距离均等，可以使得喷丝纤维分散均匀，不易集中分布。
进一步地，喷丝球壳2与旋转球壳3的开口处相对应的侧壁不设置有喷口凹槽10。
可以理解的是，喷丝球壳2与旋转球壳3的开口处相对应的侧壁不设置有喷口凹槽10，使得所喷射的纺丝不会溅出旋转球壳3外，避免浪费。
进一步地，实心针头1与喷口凹槽10的侧壁之间的最近距离为0.7mm～1.5mm。
需要说明的是，实心针头1与喷口凹槽10的侧壁之间的最近距离为0.7mm～1.5mm，可以使得纺丝液在实心针尖处易形成泰勒锥的液体包。
进一步地，相邻的实心针头1之间的距离为15～25mm，实心针头1的长度为1.8cm。
需要说明的是，实心针头1之间得间距过大，会导致效率较低；而间距较小，也会导致针头之间电场干扰影响较大，而距离为15-25mm使得效率较高，且针头之间得电场干扰较弱。
进一步地，直流高压发生器的正极电压为20kV～40kV，其负极电压为-20kV～-40kV。
需要说明的是，纺丝液需要在强大电场作用得拉伸下，可以使得纺丝以螺旋状运动轨迹在旋转球壳3表面沉积；
进一步地，电机的额定转速为800r/min～1000r/min。
可以理解的是，在旋转球壳3的转速为800r/min～1000r/min的情况下，可以使得纺丝纤维更加规整分布。
进一步地，主输液管9的端部设有球型腔体，球型腔体开有若干个导液口，喷口凹槽10的底端设有通过导液管8与导液口连通的喷液口。
可以理解的是，通过导液管8连通主输液管9与喷口凹槽10，并利用高压输液装置，可以使得加速喷丝，提高纺丝效率。
需要说明的是，本实施例一的具体工作过程为：
开启电机让旋转球壳3高速旋转，将纺丝液注入高压推进器6中，通过控制数控控制器7驱动纺丝液在主输液管9与导液管8中流动，同时，开启直流高压发生器，使得实心针头1与旋转球壳3之间形成电场，当实心针头1与喷口凹槽10之间的间隙中填满静电纺射流，控制纺丝液流速至0.4mL/h-0.6mL/h，可以使得纺丝液在实心针头1的引流下，并在表面张力的作用下，纺丝液在针头处呈球状液滴，随着电压增大，液滴表面电荷密度增大，库伦斥力大于表面张力，喷丝口表面的液滴被拉长，当达到临界电压时，液滴就会从球状变为锥状，使得纺丝液在针尖隆起泰勒锥的液体包，随后，在电场和辅助气流的作用下拉伸，以螺旋状运动轨迹沉积到旋转球壳3的表面，而由于旋转球壳3高速旋转，在机械力的作用下，使得喷射的纺丝纤维在球壳表面上呈圆周且规整分布，并使得纤维直径会更细，从而提高纤维的取向度。
需要说明的是，本实施例中的纺丝液流速、湿度、电压等参数均是基于在线算法模型进行计算出来的，通过计算相关参数，并在装置中设置对应参数，使得静电纺丝全过程可以平稳进行。
实施例二
为了方便理解，参考图3，本实施例二提供了一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，应用上述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置，包括以下步骤：
步骤1：通过开启电机驱动旋转球壳3高速旋转；
步骤2：通过高压推进器6注入纺丝液，并通过数控控制器7控制纺丝液流速；
步骤3：通过开启直流高压发生器输入正压与负压分别给实心针头1与旋转球壳3，使得当纺丝液经过实心针头1与喷口凹槽10的侧壁之间的间隙后，在实心针头1的针尖处形成泰勒锥的液体包，并在高压电场的作用下，实心针头1的针尖处的液体包向旋转球壳3表面进行喷丝。
需要说明的是，在室温及相对湿度为40％～60％的环境下，进行纺丝会更佳。
进一步地，步骤2中的纺丝液通过数控控制器7控制的流速范围是0.4mL/h～0.6mL/h。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，应用一种基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备装置，包括：高压输液装置、接收板、喷丝板、高速旋转球壳收集装置、设置于所述喷丝板上的喷丝头、主输液管与直流高压发生器；
所述高速旋转球壳收集装置包括旋转球壳与电机，所述旋转球壳为上端开口的空心球壳，所述电机设置在所述接收板上，所述电机的输出端通过转轴与所述旋转球壳的底端连接；
所述喷丝头包括喷丝球壳与若干个实心针头，所述喷丝球壳延伸至所述旋转球壳内部设置，所述喷丝球壳的侧壁设有若干个径向向内延伸的喷口凹槽，所述喷口凹槽均匀分布，所述实心针头的针尾通过固定支架与所述喷口凹槽的侧壁固定连接，所述实心针头的针尖延伸至所述喷口凹槽外部设置，所述实心针头沿所述喷丝球壳的径向设置，所述实心针头与所述喷口凹槽的侧壁之间留有间隙，所述主输液管的端部设有用于其与所述喷口凹槽导通的导液管；
所述实心针头通过导线串联后与所述直流高压发生器的正极电连接，所述直流高压发生器的负极与所述旋转球壳电连接；
所述高压输液装置包括高压推进器与数控控制器，所述高压推进器设有注液口与出液口，所述注液口与所述出液口通过管道连通，所述出液口与所述主输液管连接，所述数控控制器与所述高压推进器电连接，用于限定纺丝液在所述主输液管中的流速；其特征在于，多针头式纺丝纤维制备方法，包括以下步骤：
步骤1：通过开启电机驱动旋转球壳高速旋转；
步骤2：通过高压推进器注入纺丝液，并通过数控控制器控制纺丝液流速；
步骤3：通过开启直流高压发生器输入正压与负压分别给实心针头与所述旋转球壳，使得当所述纺丝液经过所述实心针头与喷口凹槽的侧壁之间的间隙后，在所述实心针头的针尖处形成泰勒锥的液体包，并在高压电场的作用下，所述实心针头的针尖处的液体包向所述旋转球壳表面进行喷丝。
2.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述喷丝球壳与所述旋转球壳同心设置。
3.根据权利要求1或2所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述喷丝球壳与所述旋转球壳的开口处相对应的侧壁不设置有所述喷口凹槽。
4.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述实心针头与所述喷口凹槽的侧壁之间的最近距离为0.7mm～1.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，相邻的所述实心针头之间的距离为15～25mm，所述实心针头的长度为1.8cm。
6.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述直流高压发生器的正极电压为20kV～40kV，其负极电压为-20kV～-40kV。
7.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述电机的额定转速为800r/min～1000r/min。
8.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述主输液管的端部设有球型腔体，所述球型腔体开有若干个导液口，所述喷口凹槽的底端设有通过所述导液管与所述导液口连通的喷液口。
9.根据权利要求1所述的基于在线算法的多针头式纺丝纤维制备方法，其特征在于，所述步骤2中的所述纺丝液通过所述数控控制器控制的流速范围是0.4mL/h～0.6mL/h。
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