一种制备均匀厚度纤维膜的多针静电纺丝装置的制作方法

1.本实用新型涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种制备均匀厚度纤维膜的多针静电纺丝装置。


背景技术：

2.纳米纤维是纳米材料的一种，具有较高的比表面积，在尺度效应、表面效应、力学性能等方面，比常规纤维具有更高的应用价值，可广泛应用于能源、环保、生物医药、电子信息等领域。
3.静电纺丝是简单有效且经济的制备纳米纤维材料的方法，可生产出几纳米至数微米的纤维，比常规纤维小2～3个量级。不同于传统的干法或湿法以机械力实现拉丝，静电纺丝法以电场力实现拉丝，分为针式和无针式两种。针式静电纺丝存在结构相对复杂、产量小（单针0.1g/h～1g/h）、易堵塞损坏、不易清洗等问题。而无针式静电纺丝缺少对射流形状的控制，使得最终收集的纳米纤维膜厚度不一、均匀性较差。
4.虽然现有技术采用了不同的方法去改善纤维膜的均匀性，例如，在针头排列方式上，采用直列式或空间排列式，或者椭圆形、圆形、三角形、梯形、凸弧形、旋转式双针及错位排布的双列直线形等，在接收方面，采用弧形或球形面收集，使接收面电场均匀，在规模化生产中通过针头与接收装置之间的往复运动，但是，这些方法效果有限，仍然存在喷丝结构堵塞后需关停设备，导致生产节奏受影响，且得到的静电纺丝纤维膜边缘厚度不均，导致用户体验较差。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种制备均匀厚度纤维膜的多针静电纺丝装置，用以解决现有技术存在喷丝结构易堵塞影响生产且得到的静电纺丝纤维膜边缘厚度不均的问题。
6.一方面，本实用新型实施例提供了一种制备均匀厚度纤维膜的多针静电纺丝装置，包括高压静电发生器、溶液存储装置、针头呈倾斜阵列排布的注射装置、接收装置，以及用于实时监测纤维膜边缘厚度并将纤维膜厚度不均匀性最小作为优化目标控制注射装置的各针的溶液推进速度和纺丝时间得到均匀厚度纤维膜的控制器；其中，
7.高压静电发生器的输出端与注射装置的电极连接；溶液存储装置的输出端与注射装置的供液口连接；接收装置接地。
8.上述技术方案的有益效果如下：通过目标最优求解获得优化后的各针纺丝速度，可有效改善纤维膜边缘厚度的不均匀性，并在部分针头堵塞的情况下仍能获得厚度均匀的纤维膜，避免关停设备清洗针头对生产进度产生较大的影响，可适用于任意厚度变化的纤维膜制备。
9.基于上述装置的进一步改进，所述注射装置的各针头包括喷嘴、喷丝、狭缝、无针中的至少一种。
10.进一步，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
11.进一步，所述数据采集单元进一步包括：用于获取当前时刻注射装置中各针头三维坐标的坐标定位子单元，用于获取当前时刻注射装置中各针的溶液推进速度的速度定位子单元，用于获取当前时刻注射装置中各针在接收装置上形成的纤维膜的横向厚度的厚度获取子单元。
12.进一步，所述数据采集单元还包括用于识别注射装置的各针头是否堵塞并标记堵塞的针头的序号的状态识别子单元。
13.进一步，所述数据处理与控制单元具有显示屏；并且
14.所述显示屏上显示注射装置中各针头三维坐标、纺丝距离、溶液推进速度、在接收装置上形成的纤维膜的横向厚度，以及纺丝电压。
15.进一步，所述数据采集单元还包括用于获取当前时刻环境温度和湿度的温度-湿度获取子单元；并且
16.所述显示屏上还显示当前时刻环境温度和湿度，作为纺丝温度和纺丝湿度。
17.进一步，所述注射装置采用多针头小间距排布的直线阵列，或者采用多针头大间距倾斜排布的二维阵列，或者倾斜排布的三维阵列分布形式；其中，
18.所述小间距是指针头间距为2~5 cm，所述大间距是指针头间距为5.1~10 cm。
19.进一步，该装置还包括用于通过具有电磁屏蔽效应的辅助器件对注射装置到接收装置之间的电场进行约束的辅助电极；其中，
20.所述辅助电极布设于注射装置、接收装置之间区域的外部，且对称设置。
21.进一步，该装置还包括用于防止静电纺丝溶液溢出的防溢液机构，以及，用于对注射装置的各针进行清洁的清洗设备；其中，
22.所述防溢液机构套设于溶液存储装置的外部。
23.与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
24.1、针对多针静电纺丝纤维膜厚度均匀性低的问题，通过控制各针纺丝速度，在不需要注射装置往复运动的前提下，可获得厚度均匀的纺丝纤维膜，且厚度均匀的有效范围一般比等速纺丝更宽，并进一步减少因纤维膜边缘厚度不均匀引起的生产损耗。无需注射装置往复运动即可实现纺丝纤维膜厚度均匀可控。
25.2、针对多针静电纺丝过程中针头堵塞的问题，在部分针头堵塞后通过调整剩余针头的溶液推进速度和纺丝时间仍可获得厚度均匀的纺丝纤维膜，且厚度均匀的有效范围与针头堵塞前基本一致，确保静电纺丝生产过程不因针头堵塞而导致停顿，有利于生产持续高效开展。
26.3、针对针间距过小导致各针纺丝厚度分布不均匀的问题，将多针头小间距直线阵列排布（一维方向）拓展为大间距倾斜阵列排布（二维平面），既可以降低各针间电场相互影响，使纺丝纤维分布、形貌可控，又可以起到缩短各针纺丝纤维分布间距的实际效果，使得满足生产要求，实现纤维膜厚度均匀可控。该装置获得的纺丝纤维膜厚度均匀的有效宽度实现了最大化，减少了因纤维膜边缘厚度不均匀引起的生产损耗（如配合注射装置往复运动，效果更佳）。
27.提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特
征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
28.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
29.图1示出了实施例1制备均匀厚度纤维膜的多针静电纺丝装置组成示意图；
30.图2示出了实施例2多针头大间距倾斜排布的二维阵列示意图；
31.图3示出了实施例2多针头大间距倾斜排布及常规非倾斜排布在一维投影得到的直线阵列示意图。
具体实施方式
32.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
33.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
34.实施例1
35.本实用新型的一个实施例，公开了一种制备均匀厚度纤维膜的多针静电纺丝装置，如图1所示，包括高压静电发生器、溶液存储装置、针头呈倾斜阵列排布的注射装置、接收装置，以及控制器。
36.控制器，用于实时监测纤维膜边缘厚度并将纤维膜厚度不均匀性最小作为优化目标控制注射装置的各针的溶液推进速度和纺丝时间得到均匀厚度纤维膜。其中，控制器涉及的改善纤维膜边缘厚度不均匀性的方法或程序可参见专利cn201811030815.9探测到不均匀区域后控制注射装置的各针进行补充纺丝，或者参见专利cn201810443032.7精准控制泰勒锥的形成。上述特征均不涉及方法的改进。
37.高压静电发生器的输出端与注射装置的电极连接；溶液存储装置的输出端与注射装置的供液口连接；接收装置接地。
38.上述装置适用于各种厚度变化（不限于等厚度）的纤维膜制备。注射装置的倾斜阵列单元不限于等间距或者不等间距排布。
39.与现有技术相比，本实施例提供的装置通过目标最优求解并控制各针纺丝速度，改善纤维膜边缘厚度的不均匀性，并在部分针头堵塞的情况下仍能获得厚度均匀的纤维膜，避免关停设备清洗针头对生产进度产生较大的影响，可适用于任意厚度变化的纤维膜制备。
40.实施例2
41.在实施例1装置的基础上进行改进，所述注射装置的各针头包括喷嘴、喷丝、狭缝、无针中的至少一种。
42.优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
43.优选地，所述数据采集单元进一步包括：用于获取当前时刻注射装置中各针头三维坐标的坐标定位子单元（例如，位置传感器），用于获取当前时刻注射装置中各针的溶液推进速度的速度定位子单元（例如，速度传感器），用于获取当前时刻注射装置中各针在接收装置上形成的纤维膜的横向厚度的厚度获取子单元（例如，游标卡尺），用于识别注射装置的各针头是否堵塞并标记堵塞的针头的序号的状态识别子单元（堵塞是指启动后不能喷丝的针头），以及，用于获取当前时刻环境温度和湿度的温度-湿度获取子单元（温度、湿度传感器）。
44.优选地，所述数据处理与控制单元具有显示屏。并且，所述显示屏上显示注射装置中各针头三维坐标、纺丝距离（各针头距离接收装置的距离）、溶液推进速度、在接收装置上形成的纤维膜的横向厚度，以及纺丝电压（高压静电发生器的供电电压），当前时刻环境温度和湿度（作为纺丝温度和纺丝湿度）。
45.优选地，所述注射装置采用多针头小间距排布的直线阵列，如图3所示，或者采用多针头大间距倾斜排布的二维阵列，如图2所示，或者倾斜排布的三维阵列分布形式。其中，小间距是指针头间距为2~5 cm，大间距是指针头间距为5.1~10 cm，以及更大尺寸。
46.优选地，该多针静电纺丝装置还包括用于通过具有电磁屏蔽效应的辅助器件对注射装置到接收装置之间的电场进行约束的辅助电极。其中，所述辅助电极布设于注射装置、接收装置之间区域的外部，且对称设置。辅助电极具体结构可参见专利cn201710399028.0。
47.优选地，该多针静电纺丝装置还包括用于防止静电纺丝溶液溢出的防溢液机构，以及，用于对注射装置的各针进行清洁的清洗设备。其中，防溢液机构套设于溶液存储装置的外部。防溢液机构的结构可参见专利cn202010071607.4。清洗设备的结构可参见专利cn201820382105.1。
48.优选地，控制器控制各针溶液推进速度不相等，以控制纺丝物料损耗降低并处于预设范围。现有技术多针纺丝过程中，如出现针头堵塞情况，一般需要关停设备清洗针头，否则将对所纺纤维膜厚度均匀性产生影响。本实施例提出的装置则可在部分针头堵塞的情况下及时调整各针纺丝速度和时间，使纺丝纤维膜厚度保持均匀性，确保生产的连续性。
49.图2是倾斜阵列排布示意图，假设配置多针的平板宽度1 m（横向）、长度1 m（纵向），即面积1 m2，纵向行间距5 cm，共21行；横向每行取针间距5 cm，布置20个针头。第一针在横向上的起始位置逐行递增（各行前后顺序不唯一，这里为展示效果，选取逐行递增）。实际纺丝生产过程中，接收装置在多针注射装置下方沿纵向平移，接收装置上的任意一行都可以接收到各行针头的纺丝纤维，即图2虽然是大间距二维阵列排布，但其在接收装置任意一行进行一维投影后，可起到大幅缩小各针纺丝间距的作用，相当于间距为0.24 cm的一维直线阵列排布。因此，多针头大间距倾斜排布的二维阵列既可以降低各针间电场相互影响，使纺丝纤维分布、形貌可控，又可以起到缩短各针纺丝纤维分布间距的实际效果，有利于使得优化求解的最优解满足生产要求，实现纤维膜厚度均匀可控。
50.图3是多针头大间距排布的直线阵列与常规非倾斜阵列排布在横向一维方向上的投影结果，同样可以看到，前者具有加密间距的效果，后者则不具备。多针倾斜阵列式排布
总针数为420针，小于常规阵列排布的441针，单位面积的针头密度降低了1/n（n为横向针头数，这里取1/n=5%），一定程度上降低了产能，如增大横向针头数n，则可进一步减少针头密度损失。综合来看，在产能损失可接受情况下，可以考虑采用多针头大间距倾斜排布的二维阵列。
51.需要强调的是，将多针头小间距直线阵列排布拓展为大间距倾斜阵列排布仅是一种示例，任何通过阵列组合排布使其在接收装置一维方向上投影得到小间距直线阵列排布效果（不限于等间距或不等间距）的方法，均符合本实施例的精神。
52.与实施例1相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果：
53.1、针对多针静电纺丝纤维膜厚度均匀性低的问题，通过控制各针纺丝速度，在不需要注射装置往复运动的前提下，可获得厚度均匀的纺丝纤维膜，且厚度均匀的有效范围一般比等速纺丝更宽，并进一步减少因纤维膜边缘厚度不均匀引起的生产损耗。无需注射装置往复运动即可实现纺丝纤维膜厚度均匀可控。
54.2、针对多针静电纺丝过程中针头堵塞的问题，在部分针头堵塞后通过调整剩余针头的溶液推进速度和纺丝时间仍可获得厚度均匀的纺丝纤维膜，且厚度均匀的有效范围与针头堵塞前基本一致，确保静电纺丝生产过程不因针头堵塞而导致停顿，有利于生产持续高效开展。
55.3、针对针间距过小导致各针纺丝厚度分布不均匀的问题，将多针头小间距直线阵列排布（一维方向）拓展为大间距倾斜阵列排布（二维平面），既可以降低各针间电场相互影响，使纺丝纤维分布、形貌可控，又可以起到缩短各针纺丝纤维分布间距的实际效果，使得满足生产要求，实现纤维膜厚度均匀可控。该装置获得的纺丝纤维膜厚度均匀的有效宽度实现了最大化，减少了因纤维膜边缘厚度不均匀引起的生产损耗（如配合注射装置往复运动，效果更佳）。
56.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。