CN115025628A - 一种复合纳米纤维空气滤膜及其制备装置和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种复合纳米纤维空气滤膜及其制备装置和制备方法，包括电纺直写模块、移动平台模块、高速滚筒、高压电源、高速CCD、轨迹同步控制模块、主控制模块、落点检测模块和沉积轨迹预设模块；电纺直写模块包括精密注射泵、高分子聚合物溶液和喷头；电纺直写模块置于移动平台模块上，沿平行于高速滚筒轴线的方向做往返运动；高压电源与喷头电性连接，高压电源为喷头提供高压电场；高速滚筒设置于喷头对侧，喷头喷射的溶液在高速滚筒上形成纳米纤维。本发明利用高速滚筒与多个移动平台模块相结合的方式，满足高效收集纳米纤维的需求，还可以调控纳米纤维的交错角度，实现复合纳米纤维空气滤膜的批量化、大幅宽、高效率制备。

Description

一种复合纳米纤维空气滤膜及其制备装置和制备方法
技术领域
本发明涉及空气滤膜技术领域，具体为一种复合纳米纤维空气滤膜及其制备装置和制备方法。
背景技术
随着工业化、城镇化不断推进的大背景下，空气过滤设备在我们的生活工作中所起到的作用也愈加重要。微尘颗粒对于设备来说往往会带来严重的危害，不仅是降低绝缘产生短路，亦或是加快磨损发生卡死，甚至堵塞通道引起过热，而且故障修复费时费力。因此我们对空气过滤设备也将提出更高要求。纳米纤维凭借其比表面积大，催化性能好，化学反应性能好等特点，广泛应用于各个领域。在空气过滤领域中，引入纳米纤维作为过滤手段，能够对更多种类、更小尺寸的杂质起到净化作用，更好更高效地实现净化过滤等功能。电纺直写技术是利用电场力作为驱动手段，电场力作用于静电纺丝喷嘴，当电场力克服表面张力，泰勒锥锥尖将喷出射流，形成纳米纤维，且通过缩小喷嘴与收集板之间的距离从而使射流维持在一个稳定阶段，收集的纳米纤维均一性和有序性得以有效提高。调整工艺手段可以决定纳米纤维的各项参数，制作简单，且满足批量生产的需求。
现有的空气滤料中有采用纳米纤维作为过滤介质，但主要的方式是采用静电吸附的过滤机理，在实际应用上仍存在难以对特定尺寸的待过滤颗粒达到完全过滤的效果。空气滤料的厚度对过滤效率有很大影响，越厚的滤料往往意味着更高效的过滤效率，但随之而来的是更大的空气阻力，空气滤料的空气通量也将大幅减少。因此亟需高通量、低阻力、完全过滤的空气过滤膜制备技术的开展与突破。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中滤料空气阻力及待净化空气流量间相矛盾的难题，提出一种复合纳米纤维空气滤膜及其制备装置和制备方法，依托于尺寸筛分的过滤机理，满足表层拦截的过滤机能，同时兼具高通量、低阻力、完全过滤三大特征。
为了实现上述目的，本发明提供了一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，包括电纺直写模块、移动平台模块、高速滚筒、高压电源、高速CCD、轨迹同步控制模块、主控制模块、落点检测模块和沉积轨迹预设模块；所述电纺直写模块包括精密注射泵、高分子聚合物溶液和喷头；所述电纺直写模块置于移动平台模块上，电纺直写模块在移动平台模块带动下沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动；所述高压电源与喷头电性连接，高压电源为喷头提供高压电场；所述高速滚筒设置于喷头对侧，喷头喷射的溶液在高速滚筒上形成纳米纤维；所述高速CCD置于喷头与高速滚筒中间，用于拍摄喷头处的高分子聚合物溶液图像；所述轨迹同步控制控制模块与移动平台模块和高速滚筒电性连接，控制移动平台模块的移速与高速滚筒的转速呈现以下关系Vp＝2πr·ω·tan(α/2)，其中，Vp为移动平台模块移速，r为高速滚筒的半径，ω为高速滚筒转速，α为所制备纳米纤维的交错角度；所述主控制模块信号输入端与高速CCD、沉积轨迹预设模块和落点检测模块信号输出端连接，主控制模块的信号输出端与轨迹同步控制模块、高速滚筒和高压电源的信号输入端连接，所述主控制模块根据信号输入端的输入信号得到实时射流图像、纳米纤维沉积点位和预设纳米纤维的沉积形貌，基于调整轨迹同步控制模块和高压电源的工作参数，实时控制纳米纤维形貌。
进一步，所述移动平台模块和电纺直写模块设置于高速滚筒的两侧，可以同时向高速滚筒喷射两种不同高分子聚合物溶液，形成复合纳米纤维。
进一步，所述精密注射泵靠近高速滚筒一端设置有喷头，远离高速滚筒一端固定于移动平台模块上；所述精密注射器内部为空腔，所述高分子聚合物溶液置于空腔中，为电纺直写过程提供溶液。
进一步，所述移动平台模块包括竖直支架、平台和驱动装置；所述驱动装置为可伸缩细杆，一端连接竖直支架，一端连接平台，带动平台沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动，所述轨迹同步控制模块与移动平台模块的驱动装置电性连接，通过参数设置控制平台移动。
进一步，所述高速滚筒包括筒体和轴承；所述筒体呈圆柱状，筒体内设置有轴承；所述轴承为驱动装置，与所述轨迹同步控制模块电性连接，通过轨迹同步控制模块的参数设置实现筒体的高速转动。
进一步，所述喷头为针头或螺杆电线电极无针喷头，所述喷头与高分子聚合物溶液相连，为高分子聚合物溶液的喷射通道。
进一步，所述落点检测模块设置有传感装置，用于感应纳米纤维在高速滚筒上的沉积点位，并模拟高速滚筒上纳米纤维的沉积形貌，反馈至主控制模块，以便调控纳米纤维的沉积形貌。
进一步，所述高速CCD与电纺直写模块的喷头水平高度一致，用于拍摄喷头处的高分子聚合物溶液的图像，并实时传输至主控制模块，以便调控纳米纤维的沉积形貌。
进一步，所述沉积轨迹预设模块设置有多种纳米纤维空气滤膜形貌，也可以在此模块绘制所需的纳米纤维沉积形貌，并将所需沉积形貌相关信息传输至主控制模块。
进一步，所述轨迹同步控制模块的信号输出端与高速滚筒、移动平台模块连接，接收主控制模块的控制信号后，调整工作参数使高速滚筒的转速和移动平台模块的移速按匹配运动状态运行，控制纳米纤维沉积形貌。
本发明还提供一种复合纳米纤维空气滤膜的制备方法，运用于上述任意所述的制备装置，将两种高分子聚合物溶液经精密注射泵供给至喷头处，在高压电场下拉伸成直写纤维；电纺直写模块在移动平台模块带动下，沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动，从两侧喷射在高速转动的滚筒上；通过高速CCD、轨迹同步控制模块、主控制模块、落点检测模块和沉积轨迹预设模块协同调整工作参数；时间T后，从高速滚筒上收集复合纳米纤维，用热压机加工N次，得到所述复合纳米纤维空气滤膜；所述高速滚筒的转速≥2000r/min；移动平台模块的移速与高速滚筒呈现以下关系Vp＝2πr·ω·tan(α/2)，其中，Vp为高速平台移速，r为高速滚筒的半径，ω为高速滚筒转速，α为所制备纳米纤维的交错角度。
进一步，所述高分子聚合物溶液分别为PEO溶液和PI溶液；所述PEO溶液的浓度为12wt％，溶剂为体积比为3:1的水和酒精；所述PI溶液的浓度为25wt％，溶剂为DMF溶液。
进一步，所述高分子聚合物溶液为PVDF溶液或PVC溶液。
进一步，所述精密注射泵的供液速度为5-20μL/h。
进一步，所述时间T为10-30min；所述加工次数N为2-5次；所述热压机的工作温度为90-120℃。
本发明还提供一种复合纳米纤维空气滤膜，由多层不同材料制备的纳米纤维上下堆叠构成，同层的纳米纤维相互横纵交错，形成大量上下贯通的通孔，交错角度控制为0-90°。
进一步，所述纳米纤维的尺寸为300-900nm，所述通孔的尺寸为1-5μm。
区别于现有技术，上述技术方案具有以下有益效果：
1.本发明利用纳米纤维的高吸附性能作为净化过滤手段，纳米纤维所具有的比表面积大，催化性能好，化学反应性能好等特点，相比于普通材料，能够对空气中杂质有更好的净化性能。
2.本发明引入高速滚筒作为收集方式，相比于普通静电纺丝，既可以维持纳米纤维群的有序均匀的形貌，还可以在成膜效率上可以实现高效批量生产的目的。
3.本发明引入高速滚筒与移动平台模块相结合的方式，不仅克服了直写技术成膜效率不高的问题，实现高效批量生产的目的，而且在纺丝制作的过程中，还可以多个电纺直写模块同时工作，直写不同的高分子聚合物溶液，从而达到高效制备复合纳米纤维空气滤膜的目的。
附图说明
图1为本发明在过滤空气时的工作方式示意图。
图2为本发明实施例1制备的复合纳米纤维空气滤膜的俯视示意图。
图3为本发明实施例1制备的复合纳米纤维空气滤膜的截面示意图。
图4为本发明实施例1的复合纳米纤维空气滤膜的制备装置图。
图5为本发明实施例1制备的复合纳米纤维空气滤膜示意图。
图6为本发明实施例2制备的复合纳米纤维空气滤膜示意图。
附图标记说明：
1、气体流线；2、待过滤颗粒；3、纳米纤维；4、通孔；5、复合纳米纤维空气滤膜；6、电纺直写模块，61、精密注射泵，62、高分子聚合物溶液，63、喷头；7、移动平台模块；8、高速滚筒，81、轴承；9、高速CCD；10、高压电源；11、轨迹同步控制模块；12、主控制模块；13、沉积轨迹预设模块；14、落点检测模块。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例和附图详予说明。
实施例1：
请参阅图4，本实施例提供一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，包括电纺直写模块6、移动平台模块7、高速滚筒8、高速CCD、9、高压电源10、轨迹同步控制模块11、主控制模块12、沉积轨迹预设模块13和落点检测模块14。电纺直写模块6包括精密注射泵61、高分子聚合物溶液62和喷头63；电纺直写模块6置于移动平台模块7上，在移动平台模块7带动下沿垂直于高速滚筒8轴线的方向做往返运动。本实施例中，移动平台模块7和电纺直写模块6设置于高速滚筒8的两侧，同时向高速滚筒8喷射两种不同高分子聚合物溶液62，形成复合纳米纤维，移动平台模块7包括竖直支架、平台和驱动装置，驱动装置为可伸缩细杆，一端连接竖直支架，一端连接平台，与轨迹同步控制模块11电性连接，在轨迹同步控制模块11工作参数设置下带动平台沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动，使沉积在滚筒上的纤维受到一个较大的横向力。高压电源10与喷头63电性相连，为喷头63提供高压电场；精密注射泵61靠近高速滚筒8一端设置有喷头63，远离高速滚筒8一端固定在移动平台模块7上，高分子聚合物溶液62置于精密注射器61内部设置的空腔中，精密注射泵61不断将高分子聚合物溶液62推向喷头63，为电纺直写过程提供溶液；喷头63为针头，与高分子聚合物溶液62相连，是溶液喷射通道。高速滚筒8包括筒体和轴承81，筒体呈圆柱状，筒体内设置有轴承81，轴承81为驱动装置，与轨迹同步控制模块11电性连接，通过轨迹同步控制模块11的参数设置实现高速滚筒的转动。高速滚筒8用于收集纳米纤维3，通过较高转速使落在滚筒表面的纳米纤维3受到一个较大的切向力，将纳米纤维拉伸至一个粗细均匀的尺寸。通过轨迹同步控制模块11匹配高速滚筒8的转速与移动平台模块7的移速度，从而匹配落到滚筒表面纤维的切向力与横向力，实现同层纤维纵横交错的有效沉积，调控同层纳米纤维的交错角度在0-90°之间。落点检测模块14与主控制模块12电性连接，其中设置的传感装置能够感应纳米纤维3在高速滚筒8上的沉积点位，模拟出高速滚筒8上纳米纤维3的沉积形貌，并反馈至主控制模块12，高速CCD9与主控制模块12电性连接，置于喷头63与高速滚筒8中间，与喷头63的水平高度一致，用于拍摄喷头63处喷射的高分子聚合物溶液62的图像，并实时传输至主控制模块12。沉积轨迹预设模块13与主控制模块12电性连接，内置多种纳米纤维空气滤膜的不同沉积形貌以供选择，同时也可以在此模块绘制所需的纳米纤维膜的沉积形貌。轨迹同步控制模块11的一端与高速滚筒8、移动平台模块7电性连接，另一端与主控制模块12电性连接，用于接收主控制模块12的控制信号，同步匹配出对应控制信号的输出指令，让高速滚筒8、移动平台模7按特定状态运行，实现同层纳米纤维3纵横交错的有效沉积，以及控制纳米纤维3在高速滚筒8上的沉积位置及沉积角度。
利用上述装置制备复合纳米纤维空气滤膜的方法步骤如下：
(1)配制高分子聚合物溶液62：一种为浓度为12wt％的PEO溶液，溶剂为体积比为3:1的水和酒精；另一种为浓度为25wt％的PI溶液，溶剂为DMF溶液；
(2)将配制好的高分子聚合物溶液62装入精密注射泵61，以额定流速20μL/h供给至喷头63处；
(3)用沉积轨迹预设模块13预设纳米纤维3沉积形貌，向主控制模块10发出指示信号，主控制模块10结合高速CCD9所传来的实时纳米纤维喷射图像，向轨迹同步控制模块11及高压电源10输出控制信号，使高压电源模块10为高速滚筒8两侧的喷头63处提供3.5kV的电压，轨迹同步控制模块11向半径为6.4cm的高速滚筒8发出指令，使其转速达2000r/min，同时控制移动平台模块7使其移动速度保持在1333cm/s，带动电纺直写模块6沿垂直于高速滚筒8轴线的方向做往返运动，将高分子聚合物溶液62经喷头63在高压电场作用下，从两侧喷射在高速滚筒8上；
(4)15min后，从高速滚筒8上收集复合纳米纤维，再用热压机加工5次，得到复合纳米纤维空气滤膜5。
实施例1制备的复合纳米纤维空气滤膜5由多层纳米纤维上下有序堆叠所得，且上下层的纳米纤维尺寸均匀；同层的纳米纤维3之间相互横纵交错，交错角度为90°，如图5所示。请参阅图1-3，从截面层看，空气滤膜5存在大量上下贯通的通孔4，所述通孔4由同层纳米纤维3的孔隙构成；从俯视图上看，空气滤膜5存在大量有序排列的微小面积的圆形通孔4，由于通孔尺寸过小，原本类矩形的通孔群在肉眼观察下呈现出圆形形貌。当制备得到的复合纳米纤维空气滤膜5作用于待过滤空气时，待过滤颗粒2的气体流线1途径空气滤膜表面的纳米纤维群3时，将因待过滤颗粒2的尺寸大于通孔4而被过滤于纳米纤维微筛过滤结构空气滤膜5表面。
实施例2：
与实施例1的实验条件区别在于，移动平台模块7的移动速度为933.4cm/s，其余实验条件一致。
实施例2制备的复合纳米纤维空气滤膜5由多层纳米纤维上下有序堆叠所得，且上下层的纳米纤维尺寸均匀；同层的纳米纤维3之间相互横纵交错，交错角度为70°，如图6所示。
实施例3：
与实施例1的实验条件的区别在于，移动平台模块7的移动速度为621.6cm/s，其余实验条件一致。
实施例3制备的复合纳米纤维空气滤膜5，由多层纳米纤维上下有序堆叠所得，且上下层的纳米纤维尺寸均匀；同层的纳米纤维3之间相互横纵交错，交错角度为50°。
实施例1-3的实验条件和同层纳米纤维交错角度测试数据如表1所示：
表1
Figure BDA0003636314290000071
Figure BDA0003636314290000081
由表1可以看出，本发明通过轨迹同步控制模块11来调整移动平台模块7的移速以及高速滚筒8的转速，从而匹配落到高速滚筒8表面的纳米纤维3的切向力与横向力，实现同层纤维3纵横交错的有效沉积，并调控纳米纤维3的交错角度为0-90°。而纳米纤维的交错角度越趋近于90°，所制备的空气滤膜空气通量越高。且本发明制备的空气滤膜由多层纳米纤维上下有序堆叠所得，上下层的纳米纤维尺寸均匀、整齐切合、有序紧密，能够形成上下贯通的通孔4，在提高空气通量的同时能够有效减少滤膜的空气阻力。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：包括电纺直写模块、移动平台模块、高速滚筒、高压电源、高速CCD、轨迹同步控制模块、主控制模块、落点检测模块和沉积轨迹预设模块；所述电纺直写模块包括精密注射泵、高分子聚合物溶液和喷头；所述电纺直写模块置于移动平台模块上，电纺直写模块在移动平台模块带动下沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动；所述高压电源与喷头电性连接，高压电源为喷头提供高压电场；所述高速滚筒设置于喷头对侧，喷头喷射的溶液在高速滚筒上形成纳米纤维；所述高速CCD置于喷头与高速滚筒中间，用于拍摄喷头处的高分子聚合物溶液图像；所述轨迹同步控制控制模块与移动平台模块和高速滚筒电性连接，控制移动平台模块的移速与高速滚筒的转速呈现以下关系Vp＝2πr·ω·tan(α/2)，其中，Vp为移动平台模块移速，r为高速滚筒的半径，ω为高速滚筒转速，α为所制备纳米纤维的交错角度；所述主控制模块信号输入端与高速CCD、沉积轨迹预设模块和落点检测模块信号输出端连接，主控制模块的信号输出端与轨迹同步控制模块和高压电源的信号输入端连接，所述主控制模块根据信号输入端的输入信号得到实时射流图像、纳米纤维沉积点位和预设纳米纤维的沉积形貌，调整轨迹同步控制模块和高压电源的工作参数，实时控制纳米纤维形貌。
2.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述移动平台模块和电纺直写模块设置于高速滚筒的两侧。
3.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述精密注射泵靠近高速滚筒一端设置有喷头，远离高速滚筒一端固定于移动平台模块上；所述精密注射器内部为空腔，所述高分子聚合物溶液置于空腔中，为电纺直写过程提供溶液。
4.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述移动平台模块包括竖直支架、平台和驱动装置；所述驱动装置为可伸缩细杆，一端连接竖直支架，一端连接平台，带动平台沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动，所述轨迹同步控制模块与移动平台模块的驱动装置电性连接，通过参数设置控制平台移动。
5.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述高速滚筒包括筒体和轴承；所述筒体呈圆柱状，筒体内设置有轴承；所述轴承为驱动装置，与所述轨迹同步控制模块电性连接，通过轨迹同步控制模块的参数设置实现筒体的高速转动。
6.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述喷头为针头或螺杆电线电极无针喷头，所述喷头与高分子聚合物溶液相连，为高分子聚合物溶液的喷射通道。
7.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述落点检测模块设置有传感装置，用于感应纳米纤维在高速滚筒上的沉积点位。
8.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述高速CCD水平高度与所述电纺直写模块的喷头一致。
9.如权利要求1所述的一种复合纳米纤维空气滤膜的制备装置，其特征在于：所述沉积轨迹预设模块设置有多种纳米纤维空气滤膜形貌。
10.一种复合纳米纤维空气滤膜的制备方法，运用于上述权利要求1-6任意所述的制备装置，其特征在于：将两种高分子聚合物溶液经精密注射泵供给至喷头处，在高压电场下拉伸成直写纤维；电纺直写模块在移动平台模块带动下，沿垂直于高速滚筒轴线的方向做往返运动，从两侧喷射在高速转动的滚筒上；通过高速CCD、轨迹同步控制模块、主控制模块、落点检测模块和沉积轨迹预设模块协同控制工作参数；时间T后，从高速滚筒上收集复合纳米纤维，用热压机加工N次，得到所述复合纳米纤维空气滤膜；所述高速滚筒的转速≥2000r/min；移动平台模块的移速与高速滚筒呈现以下关系Vp＝2πr·ω·tan(α/2)，其中，Vp为高速平台移速，r为高速滚筒的半径，ω为高速滚筒转速，α为所制备纳米纤维的交错角度。
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