CN208949453U - 一种自动给料式熔体静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动给料式熔体静电纺丝装置，包括储料装置、送料装置、热融纺丝装置。储料装置设置于送料装置进料口的上方，储料装置用于存放聚合物线材原料；进料口的下方设置有齿轮和滚轮，聚合物线材原料夹在齿轮和滚轮的啮合面之间向下移动。热融纺丝装置设置于齿轮和滚轮的啮合面的正下方，热融纺丝装置包括加热器、高压电源和收集盘，加热器的上部设有进料斗，加热器的下部设有锥形喷头，进料斗和锥形喷头连通收集盘设置于锥形喷头下方；高压电源的正极与收集盘电连接，高压电源的负极与金属的锥形喷头电连接并接地。本实用新型使聚合物线材即熔即纺，避免气泡和分子链断裂，保障了聚合物的物理特性，提升了纺丝的效率和品质。

Description

一种自动给料式熔体静电纺丝装置

技术领域

本实用新型涉及静电纺丝的技术领域，特别是涉及一种自动给料式熔体静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝技术是制备一维纳米纤维材料最简单的方法之一，近几年越来越多的受到科研机构的青睐，在静电纺丝设备和纺丝应用方面获得了长足的发展。静电纺丝技术主要分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，其中溶液静电纺丝由于设备简单且更加容易的获得纳米量级的纤维而受到更多人的研究，但是由于其自身存在的溶剂污染和纤维强度低的问题，工业化生产的过程中遇到一定的阻力。熔体静电纺丝虽然设备复杂一些，但是其不存在溶剂污染问题，并且纤维强度比较高，已经逐渐成为静电纺丝技术的主要研究方向，如公开号为：CN106283220A，公开日为：20170104的中国实用新型专利：一种热气流辅助双静电场静电纺丝装置，提出了一种在双电场和热气流的辅助下实现可控地制备高效率静电纺长纤维方法；授权公告号为：CN102839431B，授权公告日为：20141210的中国实用新型专利：熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置及工艺，也提出了一种能够快速大规模制备超细纳米纤维的设备；授权公告号为：CN103215662B，授权公告日为：20150708的中国实用新型专利：一种间断式离心熔体静电纺丝装置，提出在电场力和离心力的共同作用下，实现了静电纺丝纤维的超细化，纺丝效率也得到进一步提升。

通过行业分析以及检索专利发现现有熔体静电纺丝技术进料方式大都都是以聚合物颗粒为原料，加热后变为流体，通过螺杆推进或者注射器挤压方式从喷头流出，但这些方式仍有以下缺点：1、颗粒母料熔化后流体内部极易产生大量气泡，容易使纺丝中断；2、待纺的聚合物需要长时间整体加热并且一直处于流体状态，极易使聚合物分子链断裂，影响纺丝纤维的物理特性；3、无法精确控制纺丝速率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种自动给料式熔体静电纺丝装置，以解决上述现有技术存在的问题，使聚合物线材即熔即纺，避免气泡和分子链断裂，保障了聚合物的物理特性，提升了纺丝的效率和品质。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供了一种自动给料式熔体静电纺丝装置，包括储料装置、送料装置、热融纺丝装置；

所述送料装置上方设置有进料口，所述储料装置设置于所述进料口上方，所述储料装置用于存放聚合物线材原料；

所述进料口的下方设置有齿轮和滚轮，所述聚合物线材原料夹在所述齿轮和滚轮的啮合面之间，所述齿轮能够驱动所述聚合物线材原料向下移动；

所述热融纺丝装置设置于所述齿轮和滚轮的啮合面的正下方，所述热融纺丝装置包括加热器、高压电源和收集盘，所述加热器的上部设有进料斗，所述加热器的下部设有锥形喷头，所述进料斗和所述锥形喷头连通所述收集盘设置于所述锥形喷头下方；所述聚合物线材原料能够通过所述进料斗进入所述加热器，并由所述锥形喷头射出；所述锥形喷头和所述收集盘均为金属材质，所述高压电源的正极与所述收集盘电连接，所述高压电源的负极与所述锥形喷头电连接并接地。

优选的，所述储料装置包括料盘架，所述聚合物线材原料成盘状设置于料轴上，所述料轴设置于所述料盘架上。

优选的，所述送料装置包括框架，所述进料口设置于所述框架的上方，所述滚轮与一支架的一端转动连接，所述支架的另一端与所述框架铰接，所述支架与所述框架之间设置有一弹簧。

优选的，所述齿轮与一步进电机的转轴连接，所述步进电机固定于所述框架上，所述步进电机与步进电机控制器连接。

优选的，所述框架的下方设有通孔，所述进料斗设置于所述通孔中。

优选的，所述加热器包括金属块和温控器，所述金属块内设置有加热棒和温度感应器，所述加热棒和所述温度感应器分别与所述温控器连接。

优选的，所述加热棒为陶瓷加热棒。

优选的，所述进料斗为陶瓷的圆柱筒。

本实用新型还涉及一种自动给料式熔体静电纺丝装置的使用方法，

先进行准备工作：将直径为1.5-3mm的聚合物线材原料在料盘架上缠绕成盘状，一根所述聚合物线材原料盘成一盘；将加热器的温度调整至150℃-300℃之间，并根据温控器显示进行预热；设置步进电机控制器控制步进电机的转速，使齿轮的线速度为3-15mm/min；开启高压电源；

再将所述聚合物线材原料从进料口放入至齿轮和滚轮的啮合面之间，步进电机带动齿轮转动，进而扯动所述聚合物线材原料下移；

当所述聚合物线材原料下移至进料斗中，经过预热好的加热器开始熔化，进而在高压电源的静电场作用下，熔融的所述聚合物线材原料经过劈裂、拉伸形成纺丝射流，由锥形喷头喷射而出，纺丝射流在空气中经过细化、降温后，沉积在收集盘上，形成纳米纤维膜；

30min后停止纺丝，先关闭步进电机控制器，待熔融的所述聚合物线材原料射流完后，关闭高压电源和温控器，纺丝结束。

优选的，所述高压电源的电压为25-35kV，所述加热器的预热时间为10-15min。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型的自动给料式熔体静电纺丝装置，以聚合物线材为原料，聚合物线材送入加热器中，在锥形喷头处实现即熔即纺，这样能够既保证熔融的聚合物流体内没有气泡产生，又能使聚合物熔化后在很短的时间内形成纺丝，最大限度保持了原聚合物的物理特性，极大的提升了纺丝的效率和品质。此外，本实用新型通过调节步进电机的速度，能实现精确的喷丝速度控制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型自动给料式熔体静电纺丝装置的结构示意图；

图2为本实用新型自动给料式熔体静电纺丝装置中送料装置的结构示意图；

图3为本实用新型自动给料式熔体静电纺丝装置中加热器的结构示意图；

图4为本实用新型中ABS电纺纤维膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图5为本实用新型中PLA电纺纤维膜的SEM照片；

图6为本实用新型中PCL电纺纤维膜的SEM照片；

其中：1-料盘架，2-进料口，3-框架，4-齿轮，5-负极，6-高压电源，7-正极，8-收集盘，9-聚合物线材原料，10-支架，11-弹簧，12-滚轮，13-加热器，14-纺丝射流，15-纳米纤维膜，16-步进电机，17-步进电机控制器，18-金属块，19-进料斗，20-锥形喷头，21-加热棒，22-温度感应器，23-温控器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种自动给料式熔体静电纺丝装置，以解决现有技术存在的问题，使聚合物线材即熔即纺，避免气泡和分子链断裂，保障了聚合物的物理特性，提升了纺丝的效率和品质。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1至图6所示：本实施例提供了一种自动给料式熔体静电纺丝装置，包括储料装置、送料装置、热融纺丝装置。

送料装置上方设置有进料口2，储料装置设置于进料口2上方，储料装置用于存放聚合物线材原料9。具体的，储料装置包括料盘架1，聚合物线材原料9成盘状设置于料轴上，料轴设置于料盘架1上。聚合物线材原料9和料轴在料盘架1上自然转动进行供料。以聚合物线材为原料，送料量少，不需要搅拌，容易控制，相对于聚合物颗粒不容易产生气泡。

进料口2的下方设置有齿轮4和滚轮12，聚合物线材原料9夹在齿轮4和滚轮12的啮合面之间，齿轮4能够驱动聚合物线材原料9向下移动。具体的，送料装置包括框架3，进料口2设置于框架3的上方，滚轮12与一支架10的一端转动连接，支架10的另一端与框架3铰接，支架10与框架3之间设置有一弹簧11，保障滚轮12与框架3不接触，且滚轮12在弹簧11和支架10的作用下可以活动，因此滚轮12和齿轮4可以夹持不同直径的聚合物线材原料9。具体的，齿轮4与一步进电机16的转轴连接，步进电机16固定于框架3上，步进电机16与步进电机控制器17连接。通过步进电机控制器17调节步进电机16的速度，由于聚合物线材大都具有一定的柔韧性，在受到齿轮4挤压的情况下，齿轮4的齿端处聚合物线材原料9会产生微小变形，进而在齿轮4和聚合物线材原料9的挤压作用下，实现精确地喷丝速度控制。

热融纺丝装置设置于齿轮4和滚轮12的啮合面的正下方，热融纺丝装置包括加热器13、高压电源6和收集盘8，加热器13的上部设有进料斗19，框架3的下方设有通孔，进料斗19设置于通孔中，其中进料斗19为陶瓷的圆柱筒，加热器13的进料斗19加热面积小，聚合物线材原料9到达锥形喷头20处是“即熔即纺”，从熔化到喷丝需要的时间很短，不存在传统的聚合物搅拌过程，甚至加热器13中基本不存在空气，对聚合物物理性质影响小。而传统螺杆推进或者注射器推进，聚合物原料需要全部熔化掉再等待电纺，聚合物原料需要保持流体形态一个甚至几个小时，等待期间聚合物分子链等性质会发生很多改变，直接影响纤维物理性能和纺丝质量。

加热器13的下部设有锥形喷头20，锥形喷头20的喷射口直径优选为400-800nm，进料斗19和锥形喷头20连通，收集盘8设置于锥形喷头20下方，聚合物线材原料9能够通过进料斗19进入加热器13，并由锥形喷头20射出。加热器13包括金属块18和温控器23，金属块18内设置有加热棒21和温度感应器22，加热棒21和温度感应器22分别与温控器23连接。其中，加热棒21为陶瓷加热棒。聚合物线材原料9由步进电机16精确控制送料速度，送入进料斗19，经过加热器13的加热在锥形喷头20处实现即熔即纺，既能够保证熔融的聚合物流体内不产生气泡，又能使聚合物流体在熔化后的很短时间内形成纺丝，最大限度保持了原料的物理特性。

其中，锥形喷头20和收集盘8均为金属材质，高压电源6的正极7与收集盘8电连接，高压电源6的负极5与锥形喷头20电连接并接地，锥形喷头20和收集盘8之间会形成高压静电场。锥形喷头20中流出的流体聚合物会被感应出大量静电荷，并且在静电场作用下经过劈裂、拉伸形成纺丝射流14，纺丝射流14在空气中经过细化、降温最后沉积在纺丝收集盘8，形成纳米纤维膜15。

本实施例还公开了上述自动给料式熔体静电纺丝装置的使用方法，具体如下：

先进行准备工作：将直径为1.5-3mm的聚合物线材原料9在料盘架1上缠绕成盘状，一根聚合物线材原料9盘成一盘；将加热器13的温度调整至150℃-300℃之间，并根据温控器23显示进行预热；设置步进电机控制器17控制步进电机16的转速，使齿轮4的线速度为3-15mm/min；开启高压电源6。

再将聚合物线材原料9从进料口2放入至齿轮4和滚轮12的啮合面之间，步进电机16带动齿轮4转动，进而扯动聚合物线材原料9下移。

当聚合物线材原料9下移至进料斗19中，经过预热好的加热器13开始熔化，进而在高压电源6的静电场作用下，熔融的聚合物线材原料9经过劈裂、拉伸形成纺丝射流14，由锥形喷头20喷射而出，纺丝射流14在空气中经过细化、降温后，沉积在收集盘8上，形成纳米纤维膜15。

30min后停止纺丝，先关闭步进电机控制器17，待熔融的聚合物线材原料9射流完后，关闭高压电源6和温控器23，纺丝结束。

高压电源6的电压为25-35kV，所述加热器13的预热时间为10-15min。

应用例1：

以直径1.75mm的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)线材为原料，利用该装置制备ABS微纳米纤维，具体操作如下：

1、调节温控器23控制加热器13的设定温度为230℃，等待10min左右，使金属块18和锥形喷头20达到预设温度，并保持稳定。

2、调节步进电机控制器17控制步进电机16的转速，进而使齿轮4线速度为10mm/min。

3、调节纺丝收集盘8位于锥形喷头20的下方距离10cm处。

4、将直径1.75mm的ABS线材缠绕在料盘1上，将ABS线材一端插入进料口2，用手拨动支架10使其与齿轮4分离，ABS线材经过齿轮4后穿过加热头进料口2和金属块18后到达锥形喷头20处。松开支架10，使滚轮12挤压ABS线材，此时随着齿轮4的转动，ABS线材会被持续送入到锥形喷头20中，高温使ABS熔化成流体从锥形喷头20流出。

5、待ABS线材熔化从锥形喷头20流出后，打开高压电源6，调节纺丝电压至30kV，此时锥形喷头20和纺丝收集盘8之间会形成高压静电场，ABS流体带上大量静电荷，在高压静电场的作用下，流体经过劈裂、拉伸形成纺丝射流14，纺丝射流14在空气中经过细化、降温固化最后沉积在纺丝收集盘8上，形成ABS纳米纤维膜。

6、30min后停止纺丝，先关闭步进电机控制器17，停止输送ABS线材，等待已经熔化的ABS流干净后，观察发现不再有纺丝射流14产生，关闭高压电源6以及温控器23，纺丝结束。

7、取ABS纳米纤维样品，用SEM(扫描电子显微镜)观察拍照如图4所示，所得ABS纤维直径在800nm左右，粗细均匀，表面光滑，制备的纤维品质很高。

应用例2：

以直径2.5mm的PLA(聚乳酸)线材为原料，利用该装置制备PLA微纳米纤维，具体操作如下：

1、调节温控器23控制加热器13的设定温度为190℃，等待10min左右使金属块18和锥形喷头20达到预设温度，并保持稳定。

2、调节步进电机控制器17控制步进电机16的转速，使齿轮4的线速度为5mm/min。

3、调节纺丝收集盘8位于锥形喷头20的下方距离10cm处。

4、将直径2.5mm的PLA线材缠绕在料盘1上，将PLA线材一端插入进料口2，用手拨动支架10使其与齿轮4分离，PLA线材经过齿轮4后穿过加热头进料口2和金属块18后到达锥形喷头20处。松开支架10，使滚轮12挤压PLA线材，此时随着齿轮4的转动，PLA线材会被持续送入到锥形喷头20中，高温使PLA熔化成流体从锥形喷头20流出。

5、待PLA线材熔化从锥形喷头20流出后，打开高压电源6，调节纺丝电压至35kV，此时锥形喷头20和纺丝收集盘8之间会形成高压静电场，PLA流体带上大量静电荷，在高压静电场的作用下，流体经过劈裂、拉伸形成纺丝射流14，纺丝射流14在空气中经过细化、降温固化最后沉积在纺丝收集盘8上，形成ABS纳米纤维膜。

6、30min后停止纺丝，先关闭步进电机控制器17，停止输送PLA线材，等待已经熔化的PLA流干净后，观察发现不再有纺丝射流14产生，关闭高压电源6以及温控器23，纺丝结束。

7、取PLA纳米纤维样品，用SEM观察拍照如图5所示，所得PLA纤维直径在400nm左右，粗细均匀，表面光滑，制备的纤维品质很高。

应用例3：

以直径1.75mm的PCL(聚己内酯)线材为原料，利用该装置制备PCL微纳米纤维，具体操作如下：

1、调节温控器23控制加热器13的设定温度为10℃，等待10min左右使金属块18和锥形喷头20达到预设温度，并保持稳定。

2、调节步进电机控制器17控制步进电机16的转速，使齿轮4的线速度为8mm/min。

3、调节纺丝收集盘8位于锥形喷头20的下方距离10cm处。

4、将直径1.75mm的PCL线材缠绕在料盘1上，将PCL线材一端插入进料口2，用手拨动支架10使其与齿轮4分离，PCL线材经过齿轮4后穿过加热头进料口2和金属块18后到达锥形喷头20处。松开支架10，使滚轮12挤压PCL线材，此时随着齿轮4的转动，PCL线材会被持续送入到锥形喷头20中，高温使PCL熔化成流体从锥形喷头20流出。

5、待PCL线材熔化从锥形喷头20流出后，打开高压电源6，调节纺丝电压至28kV，此时锥形喷头20和纺丝收集盘8之间会形成高压静电场，PCL流体带上大量静电荷，在高压静电场的作用下，流体经过劈裂、拉伸形成纺丝射流14，纺丝射流14在空气中经过细化、降温固化最后沉积在纺丝收集盘8上，形成PCL纳米纤维膜。

6、30min后停止纺丝，先关闭步进电机控制器17，停止输送PCL线材，等待已经熔化的PCL流干净后，观察发现不再有纺丝射流14产生，关闭高压电源6以及温控器23，纺丝结束。

7、取PCL纳米纤维样品，用SEM观察拍照如图6所示，所得PCL纤维直径在600nm左右，粗细均匀，表面光滑，制备的纤维品质很高。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：包括储料装置、送料装置、热融纺丝装置；

所述送料装置上方设置有进料口，所述储料装置设置于所述进料口上方，所述储料装置用于存放聚合物线材原料；

所述进料口的下方设置有齿轮和滚轮，所述聚合物线材原料夹在所述齿轮和滚轮的啮合面之间，所述齿轮能够驱动所述聚合物线材原料向下移动；

所述热融纺丝装置设置于所述齿轮和滚轮的啮合面的正下方，所述热融纺丝装置包括加热器、高压电源和收集盘，所述加热器的上部设有进料斗，所述加热器的下部设有锥形喷头，所述进料斗和所述锥形喷头连通所述收集盘设置于所述锥形喷头下方；所述聚合物线材原料能够通过所述进料斗进入所述加热器，并由所述锥形喷头射出；所述锥形喷头和所述收集盘均为金属材质，所述高压电源的正极与所述收集盘电连接，所述高压电源的负极与所述锥形喷头电连接并接地。

2.根据权利要求1所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述储料装置包括料盘架，所述聚合物线材原料成盘状设置于料轴上，所述料轴设置于所述料盘架上。

3.根据权利要求1所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述送料装置包括框架，所述进料口设置于所述框架的上方，所述滚轮与一支架的一端转动连接，所述支架的另一端与所述框架铰接，所述支架与所述框架之间设置有一弹簧。

4.根据权利要求3所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述齿轮与一步进电机的转轴连接，所述步进电机固定于所述框架上，所述步进电机与步进电机控制器连接。

5.根据权利要求3所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述框架的下方设有通孔，所述进料斗设置于所述通孔中。

6.根据权利要求1所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述加热器包括金属块和温控器，所述金属块内设置有加热棒和温度感应器，所述加热棒和所述温度感应器分别与所述温控器连接。

7.根据权利要求6所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述加热棒为陶瓷加热棒。

8.根据权利要求1所述的自动给料式熔体静电纺丝装置，其特征在于：所述进料斗为陶瓷的圆柱筒。