專利名稱：一種具有加熱功能的電紡納米纖維膜制備裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電紡納米纖維制備裝置，尤其是涉及一種具有加熱功能的電紡納米纖維膜制備裝置。
背景技術：
納米纖維以其獨特的優(yōu)點受到了學術界和工業(yè)界廣泛的注意，納米纖維制造及應用的研究近年來已經成為微納米技術、先進制造、紡織、生物醫(yī)學等領域的關注的熱點之一，并已經開發(fā)多種納米纖維制備技術?；陔娂忨詈蠂娪〉撵o電紡絲技術是制備納米纖維的常用方法之一。相比于其他制備技術，靜電紡絲具有設備簡單、操作方便、材料適用性強、可噴印溶液粘度高等優(yōu)點，因而在近些年得到了迅猛的發(fā)展。靜電紡絲通過施加靜電高壓作為紡絲溶液拉伸噴射的動 力，靜電紡絲過程黏彈性溶液在外電場的作用下發(fā)生形變產生泰勒錐，并誘使溶液從泰勒錐尖射出。在直流高壓作用下，靜電紡絲過程受到施加電壓、電荷密度、溶液特性、空間電場分布等方面因素的影響，直接影響了電紡納米纖維的表面形貌和沉積位置；傳統靜電紡絲射流存在螺旋無規(guī)則運動，納米纖維在收集板上呈無序隨機分布且纖維表面形貌難以進行有效控制，這已經成為限制靜電紡絲技術發(fā)展應用的主要因素。研發(fā)一種穩(wěn)定生產、可獲得整體形貌、取向良好的連續(xù)纖維的靜電紡絲裝置，對于納米纖維的生產以及相關的領域具有重要的意義和廣闊的應用前景。靜電紡絲裝置主要由電源、噴頭和接收板三個部分構成。通過改造收集板獲得有序納米纖維己成為提高靜電紡絲噴射過程的可控性的有途徑之一，如中國專利 ZL2087181130. 3、ZL20720634252. 12、ZL2077179139. 4 提出利用作周向運動的收集板以獲得取向均勻的納米纖維，但噴射過程噴頭與收集板中心相對位置保持固定，影響了納米纖維膜厚度的均勻性，限制了納米纖維膜的應用。劉艷(劉艷.納米金屬氧化物/聚合物復合材料的制備及其應用研究.[D]福州福建師范大學，2008.)指出，復合材料由于其優(yōu)良的綜合性能和性能的可設計性，被廣泛應用于航空航天及人們日常生產、生活的各個領域；隨著科學技術的發(fā)展，制得具有特殊結構和性能的新材料已成可能。聚合物與納米無機材料復合是提高材料力學性能的有效途徑；同時，以靜電紡絲法制備了 ZnO納米纖維，進而制備不用環(huán)氧納米復合材料，并對纖維進行差熱.熱重分析、紅外光譜、X射線粉末衍射、掃描電鏡(SEM)等表征。結果表明，煅燒后的納米纖維表面光滑，直徑約70nm。伍暉(伍暉.電紡絲納米纖維的制備、組裝與性能.[D]北京清華大學，2009.)指出，只要實驗設計恰當，電紡絲可以被應用與制備任何氧化物納米纖維材料，例如金屬，功能氧化物、氮化物、硫化物等，也完全有可能被加工成納米纖維結構。如電紡絲法制備氧化鋅納米纖維、納米金屬氧化物/聚合物復合材料的制備及其應用研究等文獻中以聚乙烯醇(PVA)與乙酸鋅的混合溶液為前驅體，采用靜電紡絲法制得乙酸鋅/PVA復合纖維，經煅燒后得到直徑分布均勻的ZnO納米纖維。雖提到了制備功能性氧化納米纖維的方法，但復合纖維的制備與加熱處理得到氧化納米纖維的過程是獨立分開的，需要電紡、加熱氧化等多個獨立流程，實驗周期長，涉及設備多。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供可實現對電紡絲過程納米纖維的有序沉積、納米纖維膜性均勻控制、納米纖維加熱同步完成的一種具有加熱功能的電紡納米纖維膜制備裝置。本發(fā)明設有供液裝置、噴頭、滾筒、測溫元件、高壓電源、數控溫度單元、繼電器、滾筒支撐架、滾筒軸、電熱元件、弧形保溫罩、旋轉電機、絕緣棒、滾筒軸金屬端、平移電機、水平移動裝置、保溫罩支撐架和電機支撐架；所述噴頭固定在供液裝置上，通過調節(jié)供液裝置的給進速度，可以控制靜電紡絲過程溶液的供給速度；滾筒內設有電熱元件，用于控制收集纖維時的溫度；滾筒軸一端為金屬電極，所述金屬電極接高壓電源負極并接地；絕緣棒的一端與旋轉電機的輸出軸相連，絕緣棒的另一端與滾動軸金屬端固定連接，滾筒軸另一端絕緣，滾筒軸軸端內部形成一中空連線孔，以供與電熱元件連接的導線部分長度穿設；滾筒表面設有測溫元件；測溫元件與數控溫度單元連接，數控溫度單元再與繼電器相連，繼電器連接電熱元件，構成溫度控制部件；弧形保溫罩與滾筒同軸，可降低電熱元件加熱后的熱量損耗，弧形保溫罩固定在保溫罩支撐架上；滾筒支撐架與電機支撐架一起安裝于水平移動裝置上；水平移動裝置與平移電機相連，用于調節(jié)滾筒軸向移動?！?br> 本發(fā)明通過調節(jié)滾筒的轉速及軸向運動速度，當滾筒的轉速與纖維的噴射速度相匹配時，可以克服射流的無序螺旋運動獲得有序納米纖維。靜電紡絲過程中滾筒在旋轉運動時同時進行往復軸向平動，在誘使納米纖維有序沉積的同時也促進納米纖維在收集板上的均勻分布，以提高納米纖維膜厚度的均勻性。而納米纖維收集過程同時進行加熱，實現納米纖維加熱處理的同步進行。本發(fā)明集成了加熱、滾筒收集板、滾筒移動等功能于一體，可實現納米纖維的快速有序制備、納米纖維膜均勻性控制和納米纖維加熱處理等過程的同步完成。


圖I為本發(fā)明實施例的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的滾筒與電機連接結構示意圖。圖3為本發(fā)明實施例的滾筒收集結構示意圖。在圖廣3中，各標記為1、供液裝置；2、溶液槽；3、噴頭；4、滾筒；5、測溫元件；6、高壓電源；7、數控溫度單元；8、繼電器；9、連線孔；10、滾筒支撐架；11、滾筒軸；12、電熱元件；13、弧形保溫罩；14、旋轉電機；15、電機輸出軸；16、絕緣棒；17、滾筒軸金屬端；18、平移電機；19、水平移動裝置；20、保溫罩支撐架；21、電機支撐架。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明實施例設有供液裝置I、噴頭3、滾筒4、測溫元件5、高壓電源6、數控溫度單元7、繼電器8、滾筒支撐架10、滾筒軸11、電熱元件12、弧形保溫罩13、旋轉電機14 (Ml)、絕緣棒16、滾筒軸金屬端17、平移電機18 (M2)、水平移動裝置19、保溫罩支撐架20和電機支撐架21 ;所述噴頭3固定在供液裝置I上，通過調節(jié)供液裝置I的給進速度，可以控制靜電紡絲過程溶液的供給速度；滾筒4內設有電熱元件12，用于控制收集纖維時的溫度；滾筒軸11 一端為金屬電極，所述金屬電極接高壓電源6負極并接地；絕緣棒16的一端與旋轉電機14的輸出軸相連，絕緣棒16的另一端與滾動軸金屬端17固定連接，滾筒軸11另一端絕緣，滾筒軸11軸端內部形成一中空連線孔9，以供與電熱元件12連接的導線部分長度穿設；滾筒4表面設有測溫元件5 ;測溫元件5與數控溫度單元7連接，數控溫度單元7再與繼電器8相連，繼電器8連接電熱元件12，構成溫度控制部件；弧形保溫罩13與滾筒4同軸，可降低電熱元件12加熱后的熱量損耗，弧形保溫罩13固定在保溫罩支撐架20上；滾筒支撐架10與電機支撐架21 —起安裝于水平移動裝置19上；水平移動裝置19與平移電機18相連，用于調節(jié)滾筒4軸向移動。以下以制備氧化鋅納米纖維膜為例，結合附圖對本發(fā)明具體工作原理和操作過程進行詳細的說明。利用本發(fā)明的制備過程如下I.制備電紡絲前驅體溶液。 用PVA粉末和去離子水攪拌配制7%PVA聚合物水溶液，將O. 5g醋酸鋅加入
2.5gPVA溶液中，對混合溶液進行攪拌，獲得均勻、透明、澄清、無色、粘稠的前驅體溶液。溶液在室溫下靜置5h左右備用。2.電紡絲裝置搭接及實驗室前準備。所述的溶液槽2裝有前驅體溶液，通過調節(jié)供液裝置I的給進速度，實驗時供給速度為200 μ L/h(供液裝置I先供液20min使供液穩(wěn)定);滾筒4放置于噴頭3的正前方15cm處。溫控單元啟動內置于滾筒4里面的電熱元件12使?jié)L筒表面溫度達到500°C左右(此時PVA已完全受熱分解，乙酸鋅也完全分解成為氧化鋅)。3.電紡絲制備氧化鋅納米纖維。待供液裝置I供液速度穩(wěn)定、滾筒表面溫度達到500°C左右以后，打開高壓電源6對噴頭3加以7kV的高壓。噴頭3懸掛的液滴在高壓電場的作用下，被拉扯成錐形，從錐尖快速噴射出超細射流。噴射的液流在滾筒收集后快速揮發(fā)溶劑并受熱分解，溫度控制部件在500°C保溫2h后關掉使?jié)L筒4自然冷卻，最終在滾筒4上形成干燥的氧化鋅纖維。本發(fā)明通過調節(jié)滾筒的轉速及軸向運動速度，當滾筒的轉速與纖維的噴射速度相匹配時，可以克服射流的無序螺旋運動獲得有序納米纖維。靜電紡絲過程中滾筒在旋轉運動時同時進行往復軸向平動，在誘使納米纖維有序沉積的同時也促進納米纖維在收集板上的均勻分布，以提高納米纖維膜厚度的均勻性。而納米纖維收集過程同時進行加熱，實現納米纖維加熱處理的同步進行。所述的滾筒4內設有電熱元件12控制收集纖維時的溫度；滾筒軸11 一端為金屬電極，接高壓電源6負極并接地，通過絕緣棒16與旋轉電機14相連，旋轉電機14用于調節(jié)滾筒轉動；滾筒4另一端絕緣，該軸軸端內部形成一中空連線孔9，以供一與加熱元件連接的導線部分長度穿設，導線用于連接溫度控制部件。所述的滾筒4外圍同軸固定弧形保溫罩13，可降低電熱元件12加熱后的熱量損耗，保溫罩支撐架20用于固定弧形保溫罩13，弧形保溫罩為圓環(huán)管狀。所述的旋轉電機14固定設置于電機支撐架21上，旋轉電機14的電機輸出軸15與絕緣棒16的一端連接，絕緣棒16的另一端與滾筒軸金屬端17固定連接在一起，電機支撐架21與滾筒支撐架10 —起放在水平移動裝置19上；水平移動裝置19與平移電機18相連，用于調節(jié)滾筒4軸向移動。這樣在整個組裝過程中，滾筒4自身轉動的同時，還可以沿軸線作平行滑動。所述的溫度控制部件包括電熱元件12、測溫元件5、數控溫度單元7和繼電器8。溫度控制部件利用電熱元件12做發(fā)熱體，測溫元件5將滾筒4表面上的溫度電信號送至數控溫度單元7進行放大，比較后顯示測量溫度值，同時輸出信號到繼電器8輸入端，從而控制電熱元件12。這樣在整個組裝過程中使控制具有良好的控制精度和調節(jié)特性?？筛鶕牧霞皩嶒炈竭_的效果定性的控制加熱溫度。所述的電熱元件12為圓環(huán)管狀，電熱元件12是在金屬管內放入高溫電阻絲，采用管狀電熱元件12做發(fā)熱體，具有熱效率高，機械強度好，耐腐、耐磨等特點。電熱元件12固定在滾筒軸11上，外圍再裹一層具有良好絕緣性和導熱性能的材料(如石棉)作為絕緣層，絕緣層外裹有耐溫金屬皮(如不銹鋼)或周向均勻裹多根導電金屬絲，構成了加熱滾筒收集裝置的外表面。
所述的溫度控制部件可加熱范圍為(T70(TC，用于調節(jié)前驅體復合纖維進行熱處
理的溫度。所述的供液裝置可供液流量為(Γ5000μ L/h，用于調節(jié)紡絲時供液速度。所述的旋轉電機14可轉動速度為(T20m/s，用于調節(jié)滾筒轉動，使纖維有序沉積。所述的平移電機18可轉動速度為(TO. 5m/s，平移電機18的輸出軸與水平移動裝置19內部螺桿連接，當平移電機18帶動螺桿旋轉的時候，螺桿上的螺母就會直線移動，水平移動裝置19上部分就會一起隨著螺母移動，用于調節(jié)滾筒4軸向移動，可促進納米纖維在收集板上的均勻分布，電機正反轉切換頻率O. Of 7Hz。本發(fā)明裝置能夠單步完成上述工作流程。
權利要求
1.一種具有加熱功能的電紡納米纖維膜制備裝置，其特征在于設有供液裝置、噴頭、滾筒、測溫元件、高壓電源、數控溫度單元、繼電器、滾筒支撐架、滾筒軸、電熱元件、弧形保溫罩、旋轉電機、絕緣棒、滾筒軸金屬端、平移電機、水平移動裝置、保溫罩支撐架和電機支撐架；所述噴頭固定在供液裝置上；滾筒內設有電熱元件；滾筒軸一端為金屬電極，所述金屬電極接高壓電源負極并接地；絕緣棒的一端與旋轉電機的輸出軸相連，絕緣棒的另一端與滾動軸金屬端固定連接，滾筒軸另一端絕緣，滾筒軸軸端內部形成一中空連線孔；滾筒表面設有測溫元件；測溫元件與數控溫度單元連接，數控溫度單元再與繼電器相連，繼電器連接電熱元件，構成溫度控制部件；弧形保溫罩與滾筒同軸，弧形保溫罩固定在保溫罩支撐架上；滾筒支撐架與電機支撐架一起安裝于水平移動裝置上；水平移動裝置與平移電機相連?！?br> 全文摘要
一種具有加熱功能的電紡納米纖維膜制備裝置，涉及一種電紡納米纖維制備裝置。噴頭固定在供液裝置上，滾筒內設電熱元件；滾筒軸一端為金屬電極，金屬電極接高壓電源負極并接地；絕緣棒一端與旋轉電機的輸出軸相連，絕緣棒另一端與滾動軸金屬端固定連接，滾筒軸另一端絕緣，滾筒軸軸端內部形成一中空連線孔；滾筒表面設測溫元件；測溫元件接數控溫度單元，數控溫度單元與繼電器相連，繼電器連接電熱元件，構成溫度控制部件；弧形保溫罩與滾筒同軸，弧形保溫罩固定在保溫罩支撐架上；滾筒支撐架與電機支撐架安裝于水平移動裝置上；水平移動裝置與平移電機相連?？蓪崿F對電紡絲過程納米纖維有序沉積、納米纖維膜性均勻控制、納米纖維加熱同步完成。
文檔編號D04H1/728GK102912458SQ20121044444
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權日2012年11月8日
發(fā)明者孫道恒, 何廣奇, 王翔, 林奕宏, 邱小椿, 杜曉輝, 徐兵, 鄭高峰 申請人:廈門大學