CN209555488U - 一种用于制备纳米纤维的气喷微流体装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于制备纳米纤维的气喷微流体装置，由装置外壳(1)、纺丝液注入装置(2)、注射器(3)、控制器(4)、温度‑湿度调节装置(5)、卷轴电机(6)、卷轴接收装置(7)、纺丝喷头(10)、纺丝喷头夹持装置(11)、移动平台、移动平台电机(16)和高压气体产生装置(15)组成；注射器(3)固定于纺丝液注入装置(2)上，将其与纺丝喷头(10)的轴向进口相连接，高压气体产生装置(15)出口与纺丝喷头(10)的径向进口相连接；纺丝喷头(10)固定于Z轴移动平台(12)上；通过控制器(4)调节轴移动平台的移动距离；启动纺丝液注入装置(2)和高压气体产生装置(15)，纺丝喷头(10)出口处均匀出丝并由卷轴接收装置(7)收集。

Description

一种用于制备纳米纤维的气喷微流体装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于制备纳米纤维的气喷微流体装置，更具体的说是一种可规模化制备纳米纤维的气喷微流体纺丝机。

背景技术

纳米纤维是一种通过纺丝装置制备的功能材料，广泛应用于纺织工业、组织工程、能源材料以及下一代可穿戴设备。目前，最常用的制备纳米纤维的途径是静电纺丝、熔融纺丝以及离心纺丝。静电纺丝的应用范围最广，其可纺的聚合物范围较广，所制备的纤维直径为纳米级。但是静电纺丝的基本原理是通过高压静电场形成纺丝液的高速喷射，所以静电纺丝装置使用过程中需要高压电源，具有一定危险性，能耗消耗大。其次，对于接近绝缘的聚合物溶液或是黏度较大的流体，静电纺丝难以实现纺丝过程。熔融纺丝是现将聚合物加热形成熔融的流体状态，然后将其从纺丝喷头中挤出，温度较高的纤维经空气或水冷却后固化成型，然后通过一定速度的旋转卷绕形成纤维。因此熔融纺丝技术可用于制备纤维，但是难以将纤维组装成膜，其次熔融纺丝制备的纤维直径受限于喷丝头的孔径，直径分布多在10μm以上。因此，熔融纺丝装置不能应用于制备纳米级的纤维。近年来，离心纺丝技术成为一种广受关注的新型纤维制备方法，其通过高速旋转实现纺丝液的高速喷射，但是离心纺丝技术依赖于超高速的机械旋转，对设备的性能要求较高。同时，离心纺丝技术所能适用的聚合物范围较窄。综上，开发出一种成本低、安全高效、绿色环保的新型纺丝技术是规模化制备纳米纤维关键问题。

发明内容

本实用新型的目的在于开发一种新型的用于制备纳米纤维的气喷微流体纺丝装置，解决现有技术条件下存在的问题和不足。通过高压气体产生装置提供高压气流，带动纺丝液高速喷射，纺丝液经过溶剂挥发以及冷却固化后可以形成超细纳米结构纤维，实现一种低溶剂、低能耗、安全高效、绿色环保的纳米纤维的生产。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种用于制备纳米纤维的气喷微流体纺丝装置，其特征在于由装置外壳1，纺丝液注入装置2，注射器3，控制器4，温度-湿度调节装置5，卷轴电机6，卷轴接收装置7，纺丝喷头10，纺丝喷头夹持装置11，Z轴移动平台12，Y轴移动平台13，X轴移动平台14，移动平台电机16和高压气体产生装置15组成；装置外壳1通过隔板分成上下两层，其中上层一侧放置有卷轴接收装置7，通过动力线与卷轴电机6连接；在卷轴接收装置7的后方安装有温度/湿度调节装置5，通过控制器(4)调节温度与湿度，实现溶剂快速蒸发与纤维固化；装置上层另一侧为纺丝喷头10，通过纺丝喷头夹持装置11固定在Z轴移动平台12上，纺丝喷头夹持装置11通过滑块与Z轴移动平台12导轨连接；Z轴移动平台12通过滑块与Y轴移动平台13导轨连接，Y轴移动平台13固定在X轴移动平台14丝杠上，可以实现纺丝喷头10的三维空间移动；移动平台电机16分别与Z轴移动平台12、Y轴移动平台13和X轴移动平台14通过丝杠连接，带动移动平台的运动；卷轴接收装置7下方的装置下层一侧设有纺丝液注入装置2，另一侧为控制器4；纺丝喷头10为同轴结构，轴向进口通过管道与置于纺丝液注入装置2上的注射器3连接、径向进口通过导气管与装置外壳1外部的高压气体产生装置15连接，可以实现气流喷射快速制备纳米纤维；控制器4分别与纺丝液注入装置2、高压气体产生装置15、卷轴接收装置7通过电源线连接，可以实现纺丝过程中的控制。

优选装置外壳1顶部设有照明灯8和排风扇9。

优选纺丝喷头10与卷轴接收装置11之间的距离为20～50cm。

本实用新型还提供了一种利用上述的气喷微流体纺丝装置制备纳米纤维的纺丝工艺，其具体步骤如下：

将配制好的聚合物溶液灌入注射器3，并将注射器3固定于纺丝液注入装置2上；使用管道将注射器3与纺丝喷头10的轴向进口相连接，使用导气管将高压气体产生装置15出口与纺丝喷头10的径向进口相连接；将控制器4上的总电源开关打开，然后分别开启纺丝液注入装置2、X轴移动平台14控制开关、Y轴移动平台13控制开关以及Z轴移动平台12控制开关；将纺丝喷头10通过夹持装置固定于Z轴移动平台12上；通过控制器4调节X轴移动平台14、Y轴移动平台13以及Z轴移动平台12的移动距离，使纺丝喷头10停留在合适的初始位置；通过控制器4调节温度与湿度；通过控制器4上的控制按钮开启卷轴接收装置电机6、卷轴接收装置7，并设定卷轴接收装置的合理转速和转动方向；通过控制器4调节纺丝液注入装置2的流速和高压气体产生装置15的出口压力，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝喷头10出口处均匀出丝并由卷轴接收装置7收集。

优选卷轴接收装置7的转速范围为0～100rpm，转动方向可以为顺时针或逆时针。温度控制范围为25℃～100℃，一般室温就可以，湿度控制为60～90％；优选高压气体产生装置(15)的出口压力为0.02～0.76MPa。

优选上述聚合物溶液中的聚合物为聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(PU)或聚丙烯酸钠；聚合物溶液中溶剂为水、乙醇、氯仿、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺；聚合物溶液的质量浓度为10～30％。

优选X轴移动平台(14)的移动范围为20～50cm，Y轴移动平台(13)的移动范围为0～22cm，Z轴移动平台(12)的移动范围为0～50cm。

优选纺丝液注入装置(2)的注射速度为0.01～100mL/h；本发明所述的用于制备纳米纤维的气喷微流体纺丝装置所纺纤维直径范围是100nm～20μm。

有益效果：

本实用新型纺丝过程不涉及高温、高电压的条件，可以快速纺丝，常温下固化，通过卷轴接收形成纤维膜。

附图说明

图1是一种用于制备纳米纤维的气喷微流体纺丝装置的结构示意图；其中1-装置外壳，2-纺丝液注入装置，3-注射器，4-控制器，5-温度/湿度调节装置，6-卷轴电机，7-卷轴接收装置，8-照明灯，9-排风扇，10-纺丝喷头，11-纺丝喷头夹持装置，12-Z轴移动平台，13-Y轴移动平台，14-X轴移动平台，15-高压气体产生装置，16-移动平台电机。

具体实施方式

实施例1

本实用新型的一种用于制备纳米纤维的气喷微流体纺丝装置(如图1所示)，其特征在于包括：装置外壳1，纺丝液注入装置2，注射器3，控制器4，温度-湿度调节装置5，卷轴电机6，卷轴接收装置7，照明灯8，排风扇9，纺丝喷头10，纺丝喷头夹持装置11，Z轴移动平台12，Y轴移动平台13，X轴移动平台14，高压气体产生装置15，移动平台电机16；其中装置外壳1内部通过隔板分成上下两层，纺丝液注入装置2固定于装置外壳1下层左侧，注射器3安装在纺丝液注入装置2上并与纺丝喷头10的轴向通道进口通过管道连接。卷轴接收装置7与卷轴电机6通过动力线连接并固定于隔板上层左侧，温度-湿度调节装置5固定于卷轴接收装置7的左侧。纺丝喷头10通过纺丝喷头夹持装置11固定于Z轴移动平台12上，Z轴移动平台12有滑块固定于Y轴移动平台13导轨上，Y轴移动平台13固定于X轴移动平台14丝杠上，X轴移动平台固定于隔板上层右侧。移动平台电机固定于Z轴移动平台12上，并通过丝杠与X轴移动平台14、Y轴移动平台13、Z轴移动平台12连接并带动移动平台移动。高压气体产生装置15置于装置外壳1外部，并且其气体出口通过导气管与纺丝喷头10的径向通道进口连接。控制器4固定于隔板下层右侧，通过电源线与纺丝液注入装置2、高压气体产生装置15和移动平台电机16相连并实现纺丝过程的参数控制。

其中，纺丝喷头10通过夹持装置固定于Z轴移动平台12上，调节X轴移动平台14距离为20cm，使纺丝喷头10与卷轴接收装置7之间的距离为20cm，卷轴接收装置的转速为0rpm。Y轴移动平台13距离为0cm，Z轴移动平台12为0cm。将聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶解于去离子水中，配置成10wt％的均匀溶液灌入注射器3。控制温度为25度，湿度为80％；设定纺丝液注入装置2的流速为100mL h^-1，高压气体产生装置15的出口压力为0.02MPa，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝过程开始。该装置通过高压气流实现聚乙烯基吡咯烷酮快速纺丝，纺丝过程中无高温、高电压的使用，可以制备得到20μm的纤维

实施例2

装置如实施例1所述，其中纺丝喷头10与卷轴接收装置7之间的距离为25cm，卷轴接收装置7的转速为10rpm，X轴移动平台14移动距离为25cm，Y轴移动平台13移动距离为22cm，Z轴移动平台12移动距离为50cm。将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶解于氯仿中，配置成15wt％的均匀溶液并灌入注射器3中。设定温度为30度，湿度为85％；设定纺丝液注入装置2的流速为80mL h^-1，高压气体产生装置15的出口压力为0.10MPa，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝过程开始。由于卷轴接收装置7进行往复旋转运动，直径为16μm的聚甲基丙烯酸甲酯纤维可以快速形成并在卷轴接收装置7上层层叠加，实现纳米纤维膜的制备。

实施例3

装置如实施例1所述，其中纺丝喷头10与卷轴接收装置7之间的距离为28cm，卷轴接收装置7的转速为30rpm，X轴移动平台14移动距离为28cm，Y轴移动平台13移动距离为18cm，Z轴移动平台12移动距离为40cm。将聚乳酸(PLA)溶解于二氯甲烷中，配置成20wt％的均匀溶液并灌入注射器3中。设定温度为30度，湿度为90％；设定纺丝液注入装置2的流速为75mL h^-1，高压气体产生装置15的出口压力为0.15MPa，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝过程开始。可以快速得到直径为14μm的聚甲基丙烯酸甲酯纤维，纺丝过程无高温、高电压应用，能够进一步实现大规模工业化的生产要求。

实施例4

装置如实施例1所述，其中纺丝喷头10与卷轴接收装置7之间的距离为36cm，卷轴接收装置7的转速为40rpm，X轴移动平台14移动距离为36cm，Y轴移动平台13移动距离为14cm，Z轴移动平台12移动距离为30cm。将聚乙烯醇(PVA)溶解于去离子水中，配置成20wt％的均匀溶液并灌入注射器3中。设定温度为50度，湿度为65％；设定纺丝液注入装置2的流速为65mL h^-1，高压气体产生装置15的出口压力为0.21MPa，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝过程开始。可以快速得到直径为5μm的聚乙烯醇纤维，纺丝过程无高温、高电压应用，能够进一步实现大规模工业化的生产要求。

实施例5

装置如实施例1所述，其中纺丝喷头10与卷轴接收装置7之间的距离为40cm，卷轴接收装置7的转速为60rpm，X轴移动平台14移动距离为40cm，Y轴移动平台13移动距离为10cm，Z轴移动平台12移动距离为20cm。将聚氨酯(PU)溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，配置成25wt％的均匀溶液并灌入注射器3中。设定温度为30度，湿度为80％；设定纺丝液注入装置2的流速为50mL h^-1，高压气体产生装置15的出口压力为0.36MPa，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝过程开始。可以快速得到直径为1μm的聚氨酯纤维，纺丝过程无高温、高电压应用，能够进一步实现大规模工业化的生产要求。

实施例6

装置如实施例1所述，其中纺丝喷头10与卷轴接收装置7之间的距离为50cm，卷轴接收装置7的转速为100rpm，X轴移动平台14移动距离为50cm，Y轴移动平台13移动距离为5cm，Z轴移动平台12移动距离为10cm。将聚丙烯酸钠溶解于乙醇中，配置成30wt％的均匀溶液并灌入注射器3中。设定温度为20度，湿度为85％；设定纺丝液注入装置2的流速为0.01mLh^-1，高压气体产生装置15的出口压力为0.76MPa，同时启动纺丝液注入装置2和高压气体产生装置15，纺丝过程开始。可以快速得到直径为100nm的聚丙烯酸钠纤维，纺丝过程无高温、高电压应用，能够进一步实现大规模工业化的生产要求。

Claims (3)

1.一种用于制备纳米纤维的气喷微流体装置，其特征在于由装置外壳(1)，纺丝液注入装置(2)，注射器(3)，控制器(4)，温度/湿度调节装置(5)，卷轴电机(6)，卷轴接收装置(7)，纺丝喷头(10)，纺丝喷头夹持装置(11)，Z轴移动平台(12)，Y轴移动平台(13)，X轴移动平台(14)，移动平台电机(16)和高压气体产生装置(15)组成；装置外壳(1)通过隔板分成上下两层，其中上层一侧放置有卷轴接收装置(7)，通过动力线与卷轴电机(6)连接；在卷轴接收装置(7)的后方安装有温度-湿度调节装置(5)，通过控制器(4)调节温度与湿度，装置上层另一侧为纺丝喷头(10)，通过纺丝喷头夹持装置(11)固定在Z轴移动平台(12)上，纺丝喷头夹持装置(11)通过滑块与Z轴移动平台(12)导轨连接；Z轴移动平台(12)通过滑块与Y轴移动平台(13)导轨连接，Y轴移动平台(13)固定在X轴移动平台(14)丝杠上，移动平台电机(16)分别与Z轴移动平台(12)、Y轴移动平台(13)和X轴移动平台(14)通过丝杠连接；卷轴接收装置(7)下方的装置下层一侧设有纺丝液注入装置(2)，另一侧为控制器(4)；纺丝喷头(10)为同轴结构，轴向进口通过管道与置于纺丝液注入装置(2)上的注射器(3)连接、径向进口通过导气管与装置外壳(1)外部的高压气体产生装置(15)连接，控制器(4)分别与纺丝液注入装置(2)、高压气体产生装置(15)、卷轴接收装置(7)通过电源线连接。

2.根据权利要求1所述的气喷微流体装置，其特征在于装置外壳(1)顶部设有照明灯(8)和排风扇(9)。

3.根据权利要求1所述的气喷微流体装置，其特征在于纺丝喷头(10)与卷轴接收装置(7)之间的距离为20～50cm。