CN114214737A

CN114214737A - 一种静电纺丝设备

Info

Publication number: CN114214737A
Application number: CN202111542589.4A
Authority: CN
Inventors: 朱平; 孙旺; 严宏鑫; 高丹
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-03-22

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝设备，包括喷射装置、收集装置和高压电源；所述的喷射装置包括金属线电极组和供液系统，所述金属线电极组包括多根平行放置于同一水平面上的金属线电极，金属线电极连接高压电源的正极；所述供液系统包括储液槽和置于输液槽内的微型水泵，微型水泵以通过喷射的方式对金属线电极进行喷液，储液槽顶部对应于金属线电极设置有用于喷出溶液的缝隙，接收装置与高压电源的负极相连接。在喷射装置和接收装置之间形成电场进行静电纺丝，利用线性金属电极代替针头避免了针头电纺易堵塞，储液槽顶部缝隙可以有效避免电纺过程中溶液挥发，利用微型水泵对金属线电极喷洒供液，可以减少驱动装置的安装，提高安全性。

Description

一种静电纺丝设备

技术领域

本发明涉及静电纺丝装置技术领域，具体涉及一种无针式静电纺丝设备。

背景技术

纳米技术、信息技术及生物技术将成为 21 世纪社会经济发展的三大支柱。近年来，纳米技术的快速发展为我国的科技发展带来了前所未有的挑战与机遇。其中静电纺丝技术作为纳米技术的一个分支，是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。

静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法，与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。

随着纳米纤维在日常生活和科研领域的重要作用，规模化生产已经变得迫切且必要。而传统的静电纺丝喷射装置采用针头式纺丝，由于单针头效率低下，多针头纺丝结构在高压下针头间会发生相互作用，导致制备出来的纤维直径不均匀，且针头易发生堵塞，纺丝过程易滴液，针头安装清洗维护工作非常繁琐，所以研究一种无针头喷射装置对于规模化生产有着重要意义。现有设计中的储液槽均处于开放状态，在纺丝过程中溶剂易挥发，造成环境污染，制备出的纳米纤维粗细不均。此外，通过电机驱动金属线电极浸没造成涂抹不均匀，且驱动装置常常为金属设备，在运动过程容易出现火花风险等。

在整个静电纺丝过程中会受到多种因素的影响，如施加电压、所加溶液的浓度，流速、喷射装置的位置、收集装置的位置与收集速度参数以及外界环境参数如空气温湿度等。对这些参数手动进行设置会较为麻烦并且影响实验成功率和效率，因此对这些参数的控制和改良在静电纺丝中有着重要的研究意义，且目前的静电纺丝设备在参数控制以及实验记录的功能单一，在实验记录方面往往由于实验数据量的庞大缺乏了对实验数据的记录，使得实验制备成本增加，静电纺丝纳米纤维的制备上效率一直非常低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于无针式喷射装置的静电纺丝设备，至少达到减少溶液挥发及提高安全性的目的。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种静电纺丝设备，包括喷射装置、收集装置和高压电源；所述的喷射装置包括金属线电极组和供液系统，所述金属线电极组包括多根平行放置于同一水平面上的金属线电极，金属线电极连接高压电源的正极；所述供液系统包括储液槽和置于输液槽内的微型水泵，微型水泵以通过喷射的方式对金属线电极进行喷液，储液槽顶部对应于金属线电极设置有用于喷出溶液的缝隙；所述接收装置为滚筒收集器，所述滚筒收集器设置于喷射装置上方，接收装置与高压电源的负极相连接。

进一步地，所述金属线电极之间的间距为5-10cm。

进一步地，所述供液系统还包括输液管和注射泵，储液槽通过输液管与注射泵相连进行溶液供液。

进一步地，包括运动推进装置，所述运动推进装置与滚筒收集器相连接推动滚筒移动，用于调节接收模块与喷射模块之间的距离。

进一步地，包括辅助装置，所述的辅助模块包括温湿度传感器、照明灯、加温灯和除湿机。

进一步地，所述喷射装置、接收装置、高压电源、运动推进装置和辅助装置均置于绝缘材料制成的箱体内。

进一步地，包括控制系统，所述控制系统包括上位机、PLC控制系统和触摸屏；触摸屏连接PLC控制系统；PLC控制系统和上位机相连接，上位机读取PLC控制系统采集的数据进行实时记录并建立数据库；PLC控制系统采集数字和模拟信号并连接执行机构。

进一步地，所述PLC控制系统包括串行通信接口、数字量模块、模拟量模块和输出接口；触摸屏通过串行通信接口连接PLC控制系统；数字量模块连接喷射装置、接收装置和运动推进装置中的开关按钮，用于采集数字信号；模拟量模块连接传感器，用于采集模拟量信号；PLC控制系统通过输出接口连接继电器模块，继电器模块连接执行机构。

进一步地，所述上位机和PLC控制系统基于Modbus TCP协议通信进行连接。

与现有技术相比，本发明提供的一种静电纺丝设备，在喷射装置和接收装置之间形成电场进行静电纺丝，其喷射装置利用线性金属电极代替针头，有效的避免了针头电纺易堵塞，安装维护繁琐问题。采用金属线电极组可以使电场分布均匀，可以有效提高纺丝效率，更好的实现规模化生产。储液槽顶部设计为对应金属线电极的缝隙可以有效避免电纺过程中溶液挥发，利用微型水泵对金属线电极喷洒供液，可以减少驱动装置的安装，提高安全性、溶液利用率，降低硬件成本，显著提高纺丝效率，实现规模化生产。

此外，本发明提供基于PLC集成和上位机通信的自动化和智能化控制系统，通过图形化和便捷的人机交互界面，简化系统控制层级，降低控制系统硬件成本，提升系统维护性能，使系统管理运行更加实时有效。控制系统界面可以直观全面进行系统各个部件的参数设置，安全便捷的调整系统运行状态，从整体上提升系统的自动化与智能化，使得实验过程操作简便，安全系数高，可观测性强。通过与上位机通信进行实验数据的记录与存储，可以进行每次实验的对比，总结经验，提升实验效率和设备利用率，实现了低成本，易维护的目的，更好地满足制备需求。本发明既能够有效的进行参数控制与实验监控记录，又能有效提升实验效率进行规模化生产。

附图说明

图1为本发明提供的静电纺丝设备的结构示意图。

图2为滚筒支架的结构示意图。

图3为本发明提供的控制系统总体结构框架图。

图4为本发明提供的PLC控制系统功能图。

图中：1-金属线电极；2-滚筒收集器；3-储液槽；4-微型水泵；5-触摸屏；6-高压电源；7-滚筒驱动器；8-输液管；9-注射泵，10-滚筒支架，11-电机。

具体实施方式

本发明一种典型的实施方式提供的静电纺丝设备，包括喷射装置、收集装置和高压电源。

如图1所示，本实施方式所述喷射装置包括金属线电极组和供液系统，所述金属线电极组包括多根平行放置于同一水平面上的金属线电极1，金属线电极1连接高压电源6的正极。所述供液系统包括储液槽3和置于输液槽3内的微型水泵4，微型水泵4以通过喷射的方式对金属线电极1进行喷液，储液槽3顶部对应于金属线电极1设置有用于喷出溶液的缝隙。

所述接收装置为滚筒收集器2，所述滚筒收集器2设置于喷射装置上方，接收装置2与高压电源6的负极相连接。

根据本实施方式，无针头喷射装置连接高压电源正极，接收装置连接电源负极，两者之间形成电场进行静电纺丝。

在以上实施方式中，本实施方式所述喷射装置为无针头式，无针头式喷射装置由多根平行放置位于同一水平面的金属线电极1构成，金属线电极1平行放置，优选地，所述金属线电极之间的间距为5-10cm。

金属线电极1取代针头作为静电纺丝的发射极，采用金属线电极组可以使电场分布均匀，可以有效提高纺丝效率，更好的实现规模化生产。

储液槽3位于金属线电极1下方，储液槽3由玻璃制成，能够有效的避免电场干扰。储液槽3顶部设计为对应金属电极排列的缝隙，避免电纺过程中溶液挥发。储液槽3内部设有微型水泵以对金属线电极1进行喷液使之蘸液，采用喷射方式可以加大溶液接触面积，防止溶液挥发，提高纺丝效率。

现有装置大多通过驱动装置带动金属电极浸没于储液槽中进行蘸液，其缺陷在于驱动装置多为金属，在运动过程可能因为长时间的带电产生火花，引以火灾。且因为静电纺丝过程一直在高压下进行，驱动装置为金属结构在运动过程会不可避免的造成金属干扰。采用本发明提供的喷射方式供液减少了驱动装置的安装，有效的避免了风险。

此外，通过微型水泵且储液槽顶部留有缝隙的方式来对金属电极进行供液，可以减少硬件成本，且装置简易有效，提高生产安全控制成本。

优选的实施方式中，所述供液系统还包括输液管和注射泵，储液槽通过输液管与注射泵相连进行溶液供液，能够实现溶液的持续、稳定的供应。

优选的实施方式中，包括运动推进装置，所述运动推进装置与滚筒收集器相连接推动滚筒移动，用于调节接收模块与喷射模块之间的距离。

滚筒收集器由带有电机的滚筒驱动器7驱动进行旋转，如图2所示，运动推进装置包括电机12和滚筒支架11，滚筒收集器2由滚筒支架11连接在箱体内，滚筒支架11与箱体滑动连接，所述电机12为低速步进电机，电机输出轴连接齿轮，所述齿轮与滚筒支架上的齿条配合实现滚筒支架的升降，从而实现通过调节高度来调整收集装置与金属线电极间的距离，满足多种制备需求。滚筒收集器可以做到连续的收放卷，避免了平板收集器收集到的纤维面积有限的缺点，且纺丝出的纳米纤维更加均匀。

优选的实施方式中，在以上机构基础上，提供的静电纺丝设备还包括辅助装置，所述的辅助模块包括温湿度传感器、照明灯、加温灯和除湿机。温湿度传感器感知外界环境信息；照明灯，加温灯，除湿机用来调节环境状态。通风口设置风机，用来通风排气保障实验安全。

所述喷射装置、接收装置、高压电源、运动推进装置和辅助装置均置于绝缘材料制成的箱体内，将上述装置和高压电源封闭于箱体内，避免操作人员手动接触。

图3是本发明设计控制系统总体结构图。图4为本发明提供的PLC控制系统功能图。如图所示,控制系统用于高压电源、喷射装置、收集装置、推进装置和运动装置的协同工作，同时在触摸屏（人机界面）上按照纺丝要求进行各项参数的调整。与上位机相连进行实时实验数据的记录。本实施例中,控制系统和触摸显示屏的引入提高了静电纺丝设备的自动化程度,并且具有良好的人机交互界面。控制系统与上位机的通信实现了实验数据交互与存储的功能，提高了实验效率。

所述控制系统包括上位机、PLC控制系统和触摸屏；触摸屏连接PLC控制系统；PLC控制系统和上位机相连接，上位机读取PLC控制系统采集的数据进行实时记录并建立数据库；PLC控制系统采集数字和模拟信号并连接执行机构。

触摸屏连接在机箱上，解决现有装置需近身人工操作的弊端，通过PLC控制完成实验需要的所有参数设置，再与上位机进行通信实现实验记录和存储，进一步解决静电纺丝实验中数据记录丢失的缺陷，同时有利于规模化生产，从整体上提升了静电纺丝控制系统的自动化与智能化。

所述PLC控制系统包括串行通信接口、数字量模块、模拟量模块和输出接口；触摸屏通过串行通信接口连接PLC控制系统；数字量模块连接喷射装置、接收装置和运动推进装置中的开关按钮，用于采集数字信号；模拟量模块连接传感器，用于采集模拟量信号；PLC控制系统通过输出接口连接继电器模块，继电器模块连接执行机构。

所述PLC控制系统包括有电源、PLC CPU、PLC接口模块、数字量模块、模拟量模块、功能模块、通信模块实现分布式自动化功能。

所述静电纺丝设备设有触摸屏由PLC控制进行接收外部指令以进行参数控制，通过以太网通信能够以图形、文字进行参数设置，显示设备状态，提供给用户所需的人机交互界面。该控制系统与上位机连接进行通信，进行实验数据的记录。

通过上述控制系统进行静电纺丝的参数设置以进行制备纳米纤维。所述PLC控制系统与上位机通过以太网接口相连，在实验过程中，上位机与PLC控制系统基于Modbus TCP协议通信进行检测与数据采集，建立一个系统监控与实验记录系统。上位机管理系统可以实时模拟静电纺丝的过程，并且记录实验涉及到的所有参数。并对静电纺丝机的各个装置的状态进行监控，安全有效的进行静电纺丝制备纳米纤维。通过建立上位机系统监控和实验记录系统，上位机读取PLC寄存器中数据进行实时记录，最后建立数据库服务对每次实验数据进行记录，以供实验后续的对比改进，提升实验效率。

在静电纺丝实验过程中，首先将高压电源的正负极分别连接到喷射装置的金属丝电极处与纺丝纤维的收集装置上，做好实验所需材料的准备，将溶液加入到注射泵后，然后对喷射时注意事项进行详细检查，接下来实验所需的工作交由控制系统来完成。PLC接入控制显示单元提供给实验操作人员所需要的人机界面，以图形化和文字显示可进行的操作设置，操作人员进行实验所需各项参数的设定，将控制指令传送到各个控制设备及数据处理设备实现人机交互，解决了以往设备需人工进行静电纺丝各种装置的位置调节以及启停的弊端，节约了实验制备成本，提高了实验制备的效果。控制系统能够实时进行各项参数的调整，使得整个实验过程更加智能，当满足条件后系统开始纺丝纤维的喷射工作，喷射过程中，聚合物溶液会通过微型水泵作用喷射到纺丝电极处，发射极与接收装置间产生电场，在电场作用下形成“泰勒锥”形状的液滴，液滴在高压电源的电场力作用下发生射流并形成纳米纤维，黏附在接收装置上。为了满足不同的制备要求，控制系统可以进行接收装置的位置调整。如若各项执行机构没有正常运行可以按下急停按钮终止系统运行。

在PLC与上位机的通信中，最重要的是通信协议的选择，Modbus协议相比其他协议来讲内容公开，易理解，通用性更强，且适用于硬件成本推出了以太网接口为介质的ModbusTCP协议，使得其适用性更强，硬件成本降低。在PLC控制系统与上位机进行通信过程中，上位机与PLC控制系统进行以太网接口连接。上位机和PLC控制系统之间Modbus TCP协议应用一种主-从方式，主站向从站发送请求帧，从站给予响应。PLC作为从站负责响应从上位机传来的读取数据命令。首先在PLC变量管理中添加Modbus TCP协议，然后设置连接参数以及需要连接的服务器IP地址，端口号等，准备好需要传输的数据，将数据放在一个存储区内。使用C#语言进行上位机控制程序编写，在控制程序中进行模块添加，初始化对象，连接PLC控制系统，在绑定好端口号以及通讯参数设置后，开始侦听客户端数据请求。上位机在读取数据时，向PLC控制系统经由通信接口发出控制命令，PLC控制系统及时进行响应并且准备好指定寄存器内需要读取的数据并立即向上位机反馈，上位机再次进行读取就可以获得需要的数据。在上位机采集到PLC控制系统中的实验数据后，通过建立数据库服务来进行数据的存储。数据库作为一个实时数据存储的模块，主要功能就是实时记录实验需要的数据信息，并且进行保存，便于之后的访问与数据处理。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种静电纺丝设备，包括喷射装置、收集装置和高压电源；所述的喷射装置包括金属线电极组和供液系统，所述金属线电极组包括多根平行放置于同一水平面上的金属线电极，金属线电极连接高压电源的正极；所述供液系统包括储液槽和置于输液槽内的微型水泵，微型水泵以通过喷射的方式对金属线电极进行喷液，储液槽顶部对应于金属线电极设置有用于喷出溶液的缝隙；所述接收装置为滚筒收集器，所述滚筒收集器设置于喷射装置上方，接收装置与高压电源的负极相连接。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于：所述金属线电极之间的间距为5-10cm。

3.根据权利要求1或2所述的静电纺丝设备，其特征在于：所述供液系统还包括输液管和注射泵，储液槽通过输液管与注射泵相连进行溶液供液。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝设备，其特征在于：包括运动推进装置，所述运动推进装置与滚筒收集器相连接推动滚筒移动，用于调节接收模块与喷射模块之间的距离。

5.根据权利要求4所述的静电纺丝设备，其特征在于：包括辅助装置，所述的辅助模块包括温湿度传感器、照明灯、加温灯和除湿机。

6.根据权利要求5所述的静电纺丝设备，其特征在于：所述喷射装置、接收装置、高压电源、运动推进装置和辅助装置均置于绝缘材料制成的箱体内。

7.根据权利要求4、5或6所述的静电纺丝设备，其特征在于：包括控制系统，所述控制系统包括上位机、PLC控制系统和触摸屏；触摸屏连接PLC控制系统；PLC控制系统和上位机相连接，上位机读取PLC控制系统采集的数据进行实时记录并建立数据库；PLC控制系统采集数字和模拟信号并连接执行机构。

8.根据权利要求7所述的静电纺丝设备，其特征在于：所述PLC控制系统包括串行通信接口、数字量模块、模拟量模块和输出接口；触摸屏通过串行通信接口连接PLC控制系统；数字量模块连接喷射装置、接收装置和运动推进装置中的开关按钮，用于采集数字信号；模拟量模块连接传感器，用于采集模拟量信号；PLC控制系统通过输出接口连接继电器模块，继电器模块连接执行机构。

9.根据权利要求1所述的静电纺丝设备，其特征在于：所述上位机和PLC控制系统基于Modbus TCP协议通信进行连接。