CN201933210U - 可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，包括系统支架、系统控制器、气压泵和喷射器，喷射器包括静电纺丝液的储料筒，储料筒的底部设有出液口，出液口与喷嘴连通，气压泵的出气口通过导气管与喷射器的进气口相连通，气压泵通过泵用驱动电机驱动，系统控制器与泵用驱动电机信号连接，系统还包括液位实时检测装置和气压实时检测装置，实时检测储料筒内的静电纺丝液的液位和导气管中的气压，并与系统控制器的信号接收端信号连接。通过电机的转速和转向，能实现供气压力的精确快速无级可调，通过压力信号作为反馈值，可避免了成型过程中液珠和流涎现象。系统结构简单，自动化程度高，成本低，可实现性强，操作方便。

Description

可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统

技术领域

本实用新型涉及一种静电纺丝系统，特别是一种可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，属于自动化设备制造技术领域，也属于超细纤维制造技术领域。

背景技术

近二十年来，由于人们越来越关注纳米材料，纳米纤维是一种直径小于100 nm 的超微细纤维。纳米纤维的制备方法有静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维等方法。由于纳米纤维具有小直径、比表面积大、孔隙率高等优点，被广泛应用于机械、化工、医疗等行业。由于超细纤维的优良性能，人们对其制造方法进行了广泛的研究，但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500 nm 的纤维，而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维，其直径最小可至1 nm。静电纺丝技术作为制备纳米纤维的主要手段之一，对其研究和应用也就越来越多。

静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同，即静电纺丝技术是通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1 是静电纺丝工艺原理及装置示意图。如图1所示，静电纺丝装置主要部分固定安装在装置支架2上，将静电纺丝液35注入到注射器的储料筒21中，在静电纺丝工艺过程中，接入高压发生器30，将静电纺丝液35加上几千至几万伏的高压静电，从而在喷嘴22和接地的电极板32之间产生一个强大的电场力。当电场力施加于静电纺丝液35的表面时，将在液体表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与静电纺丝液35的表面张力的方向相反。这样，当电场力施加于液体的表面时，将产生一个向外的力，对于一个半球形状的液滴，这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于静电纺丝液35的表面张力时，带电的静电纺丝液35的液滴就悬挂在喷嘴22的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大，在喷嘴22末端呈半球状的静电纺丝液35的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状，这就是Taylor 锥33。通过喷射器的进气口13向储料筒21中的静电纺丝液35表面施加压力，将静电纺丝液35从喷嘴22中挤出。当电场力超过一个临界值后，排斥的电场力将克服静电纺丝液35的液滴的表面张力形成射流，而在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从喷嘴22末端向喷嘴22和接地的电极板32之间的接收板31运动的时候，都会出现加速现象，这也导致了射流在电场中的拉伸，最终在接收板31上形成无纺布状的纳米纤维34。通过系统控制器26的控制，向注射器的储料筒21中的静电纺丝液35表面施加压力，可以激发静电纺丝液35从喷嘴22喷射出去。

由于不同的应用领域对成型纤维直径有着不同的要求，静电纺丝液的射流速度是影响纤维直径的主要因素，所以控制静电纺丝工艺的供料速度对于获得相应纤维直径有着至关重要的作用。目前，用于静电纺丝工艺的静电纺丝液供应装置主要包括以下几种类型：气压式供料泵、蠕动泵、微量注射泵。传统的气压式供料泵具有供料装置和喷头相分离，减轻喷头重量等优点，但在供料时有一定的延时性，不能做到实时及时响应，影响供料的精度。蠕动泵虽然具有精度高、可控性强等优点，但对于粘度过高的材料，不能正常的给料。微量注射泵采用带有减速器的步进电机，通过丝杠传动机构推动活塞方式进行供料，能够以较高精度推动粘度较大的液体，但此供料方式的供料速度不能实现多级射流快速准确的调节，容易造成成型过程中出现液珠和流涎现象，从而影响最终成型纳米纤维的质量。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是根据静电纺丝工艺的要求，提供一种可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，可实现静电纺丝工艺的供料速度精确、快速、高效的控制，并且通过压力信号作为反馈值对静电纺丝液射流速度进行微量自调节，避免了成型过程中液珠和流涎现象。另外，把静电纺丝工艺的供料控制部件集成为单独的模块，使得供料机构更紧凑，而且有利于装配和维护。

为解决以上技术问题，本实用新型采取的技术方案如下：

一种可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，包括系统支架、系统控制器及安装于系统支架上的静电纺丝液供应装置，静电纺丝液供应装置包括固定在系统支架上的气压泵和喷射器，喷射器包括静电纺丝液的储料筒，储料筒的底部设有出液口，出液口与喷嘴连通，气压泵的出气口通过导气管与喷射器的进气口相连通，气压泵通过泵用驱动电机驱动，泵用驱动电机也固定在系统支架上，系统控制器的指令信号输出端与泵用驱动电机的指令信号接收端信号连接，该静电纺丝液射流系统还包括实时测量系统，实时测量系统包括液位实时检测装置和气压实时检测装置，液位实时检测装置实时检测储料筒内的静电纺丝液的液位，气压实时检测装置实时检测导气管中的气压，液位实时检测装置和气压实时检测装置的信号输出端皆与系统控制器的信号接收端信号连接。

上述气压泵由固定安装在基板座上的往复式运动执行机构和柱塞式气压泵构成，基板座固定安装在系统支架上，柱塞式气压泵包括柱塞和缸体气室，柱塞的前端在缸体气室中往复运动，柱塞的末端向缸体气室之外探出，泵用驱动电机驱动减速器转动，减速器通过传动往复式运动执行机构带动柱塞的末端作往复运动，从而驱动柱塞式气压泵做吸气和排气运动；上述储料筒的顶部设有静电纺丝液注入口和与静电纺丝液注入口密封配合的上端盖，上端盖与储料筒密封连接，上端盖上还设有另外一个观测小孔，液位实时检测装置为位移传感器，位移传感器安装在上端盖的上方，位移传感器透过观测小孔实时测量储料筒内的静电纺丝液的液位，位移传感器和上端盖的接口密封连接，位移传感器的信号输出端与系统控制器的信号接收端信号连接；上述气压实时检测装置为压力传感器，压力传感器的气压测试端通过螺纹连接宝塔管接头的一端，宝塔管接头的另一端与导气管密封连接，压力传感器的信号输出端与系统控制器的信号接收端信号连接。

上述基板座上设有与其垂直的两个平行的支撑板，分别为前支撑板和后支撑板；往复式运动执行机构为丝杠，丝杠的螺杆前端通过一个轴承安装在前支撑板上，丝杠的螺杆末端通过另一个轴承安装在后支撑板上，丝杠的螺母与柱塞的末端固定连接；丝杠的螺杆末端顺序通过联轴器和减速器与泵用驱动电机的传动轴传动连接，泵用驱动电机也通过支撑架固定安装于基板座上，泵用驱动电机的传动轴驱动减速器转动，减速器通过联轴器传动丝杠的螺杆转动。

上述往复式运动执行机构还包括对丝杠的螺母的行程进行感测的行程开关，行程开关将丝杠的螺母的受控行程以开关量形式的信号向系统控制器输出。

作为本实用新型的改进，上述两个支撑板之间增设一根与丝杠的螺杆平行的光杆，光杆的两端分别固定在两个支撑板上，光杆上设有与之间隙配合的滑块，滑块与丝杠的螺母紧固连接。

上述丝杠的螺母可通过一个推板与柱塞的末端紧固连接。

上述宝塔管接头通过一个Y型管接头与导气管密封连接，Y型管接头的一个接口与喷射器的进气口直接密封配合。

作为本实用新型的又一改进，上述系统控制器的信号接收端与触摸屏的终端控制指令信号输出端信号连接。

作为本实用新型的再进一步改进，上述系统控制器还可再外联一个监控中心系统，监控中心系统为远端计算机，系统控制器通过无线RS232串口模块与远端计算机信号连接。

上述导气管为软管，软管由橡胶或塑料材料制成。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下实质性特点和优点：

1. 本实用新型通过带有减速比的步进电机作为执行动力，以压力作为反馈信号，能做到实时及时响应，将喷射器和往复式运动执行机构分开，继承了传统静电纺丝液射流系统的优点，同时克服了供料速度在运行时实时调节性差的缺点；

2. 本实用新型可控静电纺丝液射流系统是静电纺丝装备的关键设备，能够以较高精度推动粘度较大的液体；

3. 根据不同应用领域对于静电纺丝供料速度的不同要求，能够精确、快速、稳定的切换差异大的静电纺丝液射流速度，可实现无级调速，本实用新型可控静电纺丝液射流系统是实现静电纺丝液射流速度可调的有效设备，可避免静电纺丝过程中液珠和流涎现象；

4. 具有模块化设计特征，自动化程度高，结构紧凑，易于装配和检修；

5. 系统结构和构造简单，成本低、可实现性强、操作方便。

附图说明

图1是静电纺丝工艺原理及装置示意图。

图2是本实用新型第一个实施例的静电纺丝液射流系统总图。

图3是本实用新型第一个实施例的喷射器和液位实时检测装置的结构分解示意图。

图4是本实用新型第一个实施例的气压泵结构图。

图5是本实用新型第二个实施例的静电纺丝液射流系统总图。

图6是本实用新型第三个实施例的系统分级式控制的信号系统框图。

图7是本实用新型第四个实施例的系统分级式控制的信号系统框图。

具体实施方式

本实用新型的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图2～图4，一种可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，包括系统支架2、系统控制器26及安装于系统支架2上的静电纺丝液供应装置，静电纺丝液供应装置包括固定在系统支架2上的气压泵和喷射器，喷射器包括静电纺丝液的储料筒21，储料筒21的底部设有出液口，出液口与喷嘴22连通，气压泵的出气口14通过导气管15与喷射器的进气口13相连通，气压泵通过泵用驱动电机1驱动，泵用驱动电机1也固定在系统支架2上，系统控制器26的指令信号输出端与泵用驱动电机1的指令信号接收端信号连接；系统还包括实时测量系统，实时测量系统包括液位实时检测装置和气压实时检测装置，液位实时检测装置实时检测储料筒21内的静电纺丝液的液位，气压实时检测装置实时检测导气管15中的气压，液位实时检测装置和气压实时检测装置的信号输出端皆与系统控制器26的信号接收端信号连接。实时测量系统的主要作用有两个方面，一是实时的检测导气管15中的气体压力值和喷射器的储料筒21内液位高度，二是将压力信号和位移信号转化为模拟量传输至系统控制器26，实现系统连续工作时的内特性的参数实时检测，为系统控制器26提供静电纺丝液射流现场源数据，从而为连续、高效的可微量自调节的可控静电纺丝液射流提供设备保障。通过调节泵用驱动电机1的转速和转向，能实现供气压力的精确快速可调，通过系统控制器26接收压力和液位信号作为反馈值进行自动控制策略微调，避免了成型过程中液珠和流涎现象。另外，把静电纺丝工艺的静电纺丝液射流系统集成为单独的系统，使得供料机构更紧凑，而且有利于其装配和维护。

上述气压泵由固定安装在基板座23上的往复式运动执行机构和柱塞式气压泵构成，基板座23固定安装在系统支架2上，柱塞式气压泵包括柱塞16和缸体气室10，柱塞16的前端在缸体气室10中往复运动，柱塞16的末端向缸体气室10之外探出，泵用驱动电机1驱动减速器转动，减速器通过传动往复式运动执行机构带动柱塞16的末端作往复运动，从而驱动柱塞式气压泵做吸气和排气运动；上述储料筒21的顶部设有静电纺丝液注入口和与静电纺丝液注入口密封配合的上端盖20，上端盖20与储料筒21密封连接，上端盖20上还设有另外一个观测小孔，液位实时检测装置为位移传感器19，位移传感器19安装在上端盖20的上方，位移传感器19透过观测小孔实时测量储料筒21内的静电纺丝液的液位，位移传感器19和上端盖20的接口密封连接，位移传感器19的信号输出端与系统控制器26的信号接收端信号连接；上述气压实时检测装置为压力传感器18，压力传感器18的测压敏感端通过螺纹连接宝塔管接头17的一端，宝塔管接头17的另一端与导气管15密封连接，压力传感器18的信号输出端与系统控制器26的信号接收端信号连接。喷射器以压缩空气为动力源，因此只要改变气压泵压缩空气流量的大、小压力的高低，就能方便的对气压泵的流量、扬程实现无级调节。通过压力传感器18、位移传感器19和系统控制器26对导气管15中的气体压力值和喷射器的储料筒21内液位高度实时检测、信号传输和信号分析处理，通过控制泵用驱动电机1实现自动调节气压泵的工作参数，实现系统微调和无级调节。压力传感器18可将压力信号转化为4-20mA电流信号，位移传感器19可将位移信号转化为0-10V的电压信号。

上述基板座23上设有与其垂直的两个平行的支撑板5、11，分别为前支撑板11和后支撑板5；上述往复式运动执行机构为丝杠，丝杠的螺杆7前端通过一个轴承12安装在前支撑板11上，丝杠的螺杆7末端通过另一个轴承24安装在后支撑板5上，丝杠的螺母9与柱塞16的末端紧固连接；丝杠的螺杆7末端顺序通过联轴器4和减速器与泵用驱动电机1的传动轴连接，泵用驱动电机1通过支撑架3固定安装于基板座23上，泵用驱动电机1的传动轴驱动减速器转动，减速器通过联轴器4传动丝杠的螺杆7转动。丝杠是将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等特点。丝杠的螺母可随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。本实施例中往复式运动执行机构采用丝杠，丝杠与电机连接时中间加装联轴器以达到柔性连接，往复式运动直线运动精度高，可以实现精确的微进给，还具有可逆性好和效率高的优点。本实施例中的丝杠的螺母9能往复水平运动18cm，缸体气室10容纳气体的体积大于200ml，柱塞式气压泵一次能注射200ml的空气，喷射器能将储料筒21内液体通过空气压力挤出喷嘴22。

上述往复式运动执行机构还包括对丝杠的螺母9的行程进行感测的行程开关27，行程开关27将丝杠的螺母9的受控行程以开关量形式的信号向系统控制器26输出。行程开关用来限制丝杠的螺母9的位置或行程，使螺母9按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在本实施例中，行程开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测，用于控制丝杠上的螺母9的行程及限位保护。这样，丝杠、行程开关27和系统控制器26就组成一套自动控制与执行系统，可以实现无人守候的静电纺丝作业，节省了人的体力劳动。

实施例二：

参见图5，本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

在实施例一的两个支撑板5、11之间增设一根与丝杠的螺杆7平行的光杆6，光杆6的两端分别固定在两个支撑板5、11上，光杆6上设有与之间隙配合的滑块8，滑块8与丝杠的螺母9固定连接。该光杆滑块系统是丝杠的螺母9进行线性运动的辅助机构，可以增强丝杠被动输出往复直线运动的稳定性，使其输出往复直线运动规律符合柱塞式气压泵的动力输出要求，在整个系统的自重和复杂程度增加较少的条件下提高系统的工作可靠性。

在实施例一和实施例二中，丝杠的螺母9通过一个推板与柱塞16的末端紧固连接。泵用驱动电机1通过减速器和联轴器4带动丝杠转动，进而带动推板推动柱塞16的末端往复水平运动，推板最大的行程是18cm。推板方便拆卸，可以增加往复式运动执行机构的结构稳定性。

在实施例一和实施例二中，宝塔管接头17通过一个Y型管接头与导气管15密封连接，Y型管接头的一个接口与喷射器的进气口13直接密封配合。Y型管接头包括三个接口，其第一接口与宝塔管接头17密封连接，其第二接口与导气管15密封连接，其第三接口与与喷射器的进气口13直接密封连接。Y型管接头接入导气管路的位置更加靠近喷射器，也就是压力传感器18采集气压头参数的压力数据采集点更加接近喷射器内的气体，使管道行程中气压头阻力的影响降到更低，减少采集压力数据修正计算的复杂程度，优化了系统控制器26内植的算法，提高系统的工作效率和精度。

实施例三：

参见图6，本实施例与实施例一和实施例二的技术方案基本相同，不同之处在于：

在前述实施例的基础上，系统控制器26的信号接收端与触摸屏25的终端控制指令信号输出端信号连接。系统采用分级式控制的信号系统，以系统控制器26作为下位机的核心控制系统实现对系统控制，增加触摸屏25输入控制终端，提供手动控制方式，实现人机交互，为现场处置和设备检修提供方便。

实施例四：

参见图7，本实施例与上述实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：

在实施例三的基础上，系统控制器26又增加外联一个监控中心系统，监控中心系统为远端计算机28，系统控制器26通过无线RS232串口模块29与远端计算机28信号连接。系统采用分级式控制的信号系统，以系统控制器26作为下位机，结合压力传感器18、位移传感器19和行程开关27实现系统的自动控制。同时，本实施例在控制方面结合机电一体化技术，对下位机采用触摸屏25控制技术，提供手动控制模式。此外，作为上位机的远端计算机28通过无线RS232串口模块29与作为下位机的系统控制器26信号相连，实现对系统的实时远程监控，提高了集中控制和远程处置的能力。

本实用新型的导气管15为软管，软管由橡胶或塑料材料制成。

上面结合附图对本实用新型实施例进行了比较详细的说明，但本实用新型不限于上述实施例，还可以根据本实用新型发明创造的目的做出多种变化。符合本可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统的技术方案构思所作的任何组合、增加、修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，包括系统支架（2）、系统控制器（26）及安装于所述系统支架（2）上的静电纺丝液供应装置，所述静电纺丝液供应装置包括固定在所述系统支架（2）上的气压泵和喷射器，所述喷射器包括静电纺丝液的储料筒（21），所述储料筒（21）的底部设有出液口，所述出液口与喷嘴（22）连通，所述气压泵的出气口（14）通过导气管（15）与所述喷射器的进气口（13）相连通，所述气压泵通过泵用驱动电机（1）驱动，所述泵用驱动电机（1）也固定在所述系统支架（2）上，所述系统控制器（26）的指令信号输出端与泵用驱动电机（1）的指令信号接收端信号连接，其特征在于：还包括实时测量系统，所述实时测量系统包括液位实时检测装置和气压实时检测装置，所述液位实时检测装置实时检测所述储料筒（21）内的静电纺丝液的液位，所述气压实时检测装置实时检测所述导气管（15）中的气压，所述液位实时检测装置和气压实时检测装置的信号输出端皆与所述系统控制器（26）的信号接收端信号连接。

2.根据权利要求1所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述气压泵由固定安装在基板座（23）上的往复式运动执行机构和柱塞式气压泵构成，所述基板座（23）固定安装在所述系统支架（2）上，所述柱塞式气压泵包括柱塞（16）和缸体气室（10），所述柱塞（16）的前端在所述缸体气室（10）中往复运动，所述柱塞（16）的末端向所述缸体气室（10）之外探出，所述泵用驱动电机（1）驱动减速器转动，所述减速器通过传动往复式运动执行机构带动柱塞（16）的末端作往复运动，从而驱动所述柱塞式气压泵做吸气和排气运动；

所述储料筒（21）的顶部设有静电纺丝液注入口和与所述静电纺丝液注入口密封配合的上端盖（20），所述上端盖（20）与储料筒（21）密封连接，所述上端盖（20）上还设有另外一个观测小孔，所述液位实时检测装置为位移传感器（19），所述位移传感器（19）安装在所述上端盖（20）的上方，所述位移传感器（19）透过所述观测小孔实时测量所述储料筒（21）内的静电纺丝液的液位，所述位移传感器（19）和上端盖（20）的接口密封连接，所述位移传感器（19）的信号输出端与所述系统控制器（26）的信号接收端信号连接；

所述气压实时检测装置为压力传感器（18），所述压力传感器（18）的气压测试端通过螺纹连接宝塔管接头（17）的一端，所述宝塔管接头（17）的另一端与所述导气管（15）密封连接，所述压力传感器（18）的信号输出端与所述系统控制器（26）的信号接收端信号连接。

3.根据权利要求2所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述基板座（23）上设有与其垂直的两个平行的支撑板（5、11），分别为前支撑板（11）和后支撑板（5）；

所述往复式运动执行机构为丝杠，所述丝杠的螺杆（7）前端通过一个轴承（12）安装在前支撑板（11）上，所述丝杠的螺杆（7）末端通过另一个轴承（24）安装在后支撑板（5）上，所述丝杠的螺母（9）与所述柱塞（16）的末端紧固连接；

所述丝杠的螺杆（7）末端顺序通过联轴器（4）和减速器与所述泵用驱动电机（1）的传动轴连接，所述泵用驱动电机（1）通过支撑架（3）固定安装于所述基板座（23）上，所述泵用驱动电机（1）的传动轴驱动减速器转动，所述减速器通过所述联轴器（4）传动所述丝杠的螺杆（7）转动。

4.根据权利要求3所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述往复式运动执行机构还包括对所述丝杠的螺母（9）的行程进行感测的行程开关（27），所述行程开关（27）将所述丝杠的螺母（9）的受控行程以开关量形式的信号向所述系统控制器（26）输出。

5.根据权利要求3或4所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述两个支撑板（5、11）之间增设一根与所述丝杠的螺杆（7）平行的光杆（6），所述光杆（6）的两端分别固定在两个支撑板（5、11）上，所述光杆（6）上设有与之间隙配合的滑块（8），所述滑块（8）与所述丝杠的螺母（9）固定连接。

6.根据权利要求3或4所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述丝杠的螺母（9）通过一个推板与所述柱塞（16）的末端紧固连接。

7.根据权利要求2～4中任意一项所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述宝塔管接头（17）通过一个Y型管接头与所述导气管（15）密封连接，所述Y型管接头的一个接口与所述喷射器的进气口（13）直接密封配合。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述系统控制器（26）的信号接收端与所述触摸屏（25）的终端控制指令信号输出端信号连接。

9.根据权利要求8所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述系统控制器（26）外联监控中心系统，所述监控中心系统为远端计算机（28），所述系统控制器（26）通过无线RS232串口模块（29）与所述远端计算机（28）信号连接。

10.根据权利要求1～4中任意一项所述的可微量自调节的可控静电纺丝液射流系统，其特征在于：所述导气管（15）为软管，所述软管由橡胶或塑料材料制成。

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