纳米纤维膜的制备装置及系统的制作方法

本发明涉及纳米纤维膜制备技术领域，具体而言，涉及纳米纤维膜的制备装置及系统。

背景技术：

纳米纤维近几年一直是各行各业的研究热点，其主要原因在于纳米纤维有较小的比表面积，使它的小尺寸效应明显、显著的量子尺寸效应，掺杂功能性纳米颗粒可赋予纳米纤维优良的表面活性、防紫外、屏蔽电磁波等特点，这些独特的效应极大地扩大了原料的应用范围，纳米纤维的应用已经涉及到环境领域、材料领域、生物医学、废水离子吸收、功能服装等多行业。因此纳米纤维的研发与生产装置一直在更新换代，从原先的单针头纺丝发展到多针头纺丝，又从多针头纺丝发展到无针头纺丝(如气泡纺丝、气流气泡纺丝等)，这些纺丝装置在技术上的更新换代，极大的提高了纳米纤维的产量及其质量，然而，目前无针头纺丝技术已经在产业化开发上有了很大的突破，但都或多或少存在这样或者那样的小缺点，如单纯的气泡纺丝虽然克服了针头纺丝产量低、针头容易堵塞等缺点，但仍然需要依靠较高的电压(高压电源)形成对纺丝液的高倍牵伸，但高压电源需要我们对仪器的维护安全等有更高的要求；气流气泡纺丝依靠高压气流的作用形成对纺丝液的高倍牵伸，但气流形成高压时也需要对仪器的安全性有很高的要求。因此我们突破这两种纺丝方法的缺陷，开发一种对电源和气流要求都不高的新型静电纺丝装置，可用于开发多功能纳米纤维或者纳米纤维膜。

技术实现要素：

本发明提供了一种纳米纤维膜的制备装置，旨在改善现有的纺丝装置对电压和气流都很高的问题。

本发明还提供了一种纳米纤维膜的制备系统，该系统的制得的纳米纤维膜性能好，且系统的安全性高。

本发明是这样实现的：

一种纳米纤维膜的制备装置，包括储液桶、纺丝盘、带动纺丝盘进行升降运动的升降杆、收集板、喷气机构以及静电发生器，升降杆设置于储液桶内，升降杆的一端与储液桶的底部连接，升降杆的另一端与纺丝盘连接，纺丝盘设置有多个附着孔，收集板设置于纺丝盘的上方，收集板连接有第二电极；静电发生器连接有第一电极，第一电极远离静电发生器的一端位于纺丝盘的上方，当升降杆带动纺丝盘上升至最高位置时，喷气机构的喷气口由下朝上与多个附着孔对应，纺丝盘与第一电极接触。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，喷气机构包括渐扩管，渐扩管的大口为喷气口。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，渐扩管的数量至少为2，其围绕储液桶均匀分布。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，渐扩管数量为4，纺丝盘为圆形，纺丝盘的直径为10-11cm，喷气口的口径为1-1.5cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，储液桶具有圆柱形的内腔，内腔的横截面的直径与纺丝盘的直径相同。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，渐扩管与纺丝盘之间的夹角为30°-60°。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，静电发生器的可控电压范围为10-15kv。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，附着孔的孔径为0.8-1.2cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，储液桶底部设置有液面提升台，升降杆包括活动杆和套筒，活动杆设置于套筒内，液面提升台设置有置杆腔，套筒设置于置杆腔内。

一种纳米纤维膜的制备系统，包括上述的纳米纤维膜的制备装置。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的纳米纤维膜的制备装置，使用时，由于采用静电发生器在进行纺丝时产生瞬时高压电，相比较现有的纺丝装置，其安全性能好，且该装置对气压的要求不高，只要能够达到将将在附着孔形成的液膜吹脱即可，而因为不需采用高压电源以及太高气压，故设备稳定性好，制得的纳米纤维膜品质好。上述设计得到的纳米纤维膜的制备系统，由于其包括本发明所提供的纳米纤维膜的制备装置，故其制得的纳米纤维膜性能好，且系统的安全性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的纳米纤维膜的制备装置的结构示意图；

图2是图1中升降杆上升到与第一电极接触时的结构示意图；

图3是纳米纤维膜的制备装置工作室的示意图；

图4是本发明第二实施例提供的纳米纤维膜的制备装置的结构示意图。

图标：100-纳米纤维膜的制备装置；110-储液桶；111-内腔；120-纺丝盘；121-附着孔；130-升降杆；140-收集板；150-喷气机构；151-渐扩管；153-喷气口；161-第一电极；162-第二电极；163-静电发生器；170-机架；171-渐扩管固定件；181-控制按钮；10-纺丝液量；200-纳米纤维膜的制备装置；220-纺丝盘；230-升降杆；231-套筒；232-活动杆；290-液面提升台；291-置杆腔；20-纺丝液量。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

第一实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种纳米纤维膜的制备装置100，其包括储液桶110、纺丝盘120、带动纺丝盘120进行升降运动的升降杆130、收集板140、喷气机构150以及静电发生器163。

具体地，结合图2所示，升降杆130设置于储液桶110内，升降杆130的一端与储液桶110的底部连接，升降杆130的另一端与纺丝盘120连接，纺丝盘120设置有多个附着孔121，收集板140设置于纺丝盘120的上方，收集板140连接有第二电极162；静电发生器163连接有第一电极161，第一电极161远离静电发生器163的一端位于纺丝盘120的上方。

启动升降杆130，当升降杆130带动纺丝盘120上升至最高位置时，喷气机构150的喷气口153由下朝上与多个附着孔121对应，纺丝盘120与第一电极161接触。需要指出的是，纺丝盘120与收集板140均导电。

纳米纤维膜的制备方法，以制备醋酸纤维素纳米纤维膜为例：首先制备纺丝液，将醋酸纤维素按照浓度为12％加入到复合溶剂中，以醋酸纤维素质量为基准，纳米银、石墨烯氧化物、碳纳米管的添加含量均为醋酸纤维素质量的5％，磁力搅拌12小时配制复合纺丝溶液，并用超声波振荡器震荡2-3小时，以保证功能纳米级颗粒分子在纺丝液中的均匀分配。

参考附图1-3所示，当需要进行纺丝时，向储液桶110内加入纺丝液，此时升降杆130处于收缩状态，纺丝液加至液面淹没纺丝盘120，然后打开控制按钮181启动升降杆130，升降杆130带动纺丝盘120一起上升，当纺丝盘120脱离纺丝液液面时，附着孔121处形成纺丝液薄膜，当纺丝盘120上升至与第一电极161接触距离储液桶11010-12cm时，第二电极162接地极，通电后第一电极161与第二电极162电性相异，使得收集板140与纺丝盘120之间形成静电场，此时启动喷气机构150，使喷气口153从下至上向附着孔121吹气，纺丝液薄膜破碎成微米级的液滴，使液滴在高压静电场与气流的双重作用下拉伸成所需规格的纳米纤维，并最终附着于收集板140的下表面。

最终可得到含纳米银、石墨烯氧化物、碳纳米管三种功能纳米颗粒的醋酸纤维素纳米纤维，沉积24小时后，在收集板140上聚集成集抗菌、导电、导热等多种功能于一体的醋酸纤维素纳米纤维膜。

需要注意的是，渐扩管151喷吹时间与纺丝盘120上升到最高点的停留时间要相互一致，停留时间控制在10秒以内，当纺丝盘120下降或上升的过程中渐扩管151喷吹过程暂停；升降杆130的上升高度是一定的，但下降的高度是可控的，主要是为了配合储液桶110内纺丝液的深度。

上述设计，由于采用静电发生器163在进行纺丝时产生瞬时高压电，相比较现有的纺丝装置，其安全性能好，且该装置对气压的要求不高，只要能够达到将将在附着孔121形成的液膜吹脱即可，而因为不需采用高压电源以及太高气压，故设备稳定性好，制得的纳米纤维膜品质好。

进一步地，为了能够使最终得到的纳米纤维膜物理性能更好，收集板140与纺丝盘120上升到最高处时的距离为18-20cm。

进一步地，纳米纤维膜的制备装置100还包括机架170，储液桶110、收集板140、喷气机构150以及静电发生器163均安装于机架170。将上述结构均设置于机架170上便于纳米纤维膜的制备装置100更好工作，也便于纳米纤维膜的制备装置100整体移动。

进一步地，静电发生器163的可控电压范围为10-15kv，不同电压下拉伸处的纳米纤维规格不同，根据所要拉伸的纳米纤维的规格选择不同的电压，但电压超出或低于此范围内拉伸处的纤维性能差，则难以指出优质纤维膜。

进一步地，喷气机构150包括渐扩管151，渐扩管151的大口为喷气口153。需要注意的是，在开启喷气机构150时，保持渐扩管151内气压小于5kpa。

渐扩管151为沿长度方向直径逐渐变大或变小的异径管，呈喇叭形。由于渐扩管151呈喇叭形，其能够将气流更大范围分散喷向纺丝盘120。

进一步地，渐扩管151的数量至少为2，其围绕储液桶110均匀分布。多个渐扩管151以尽量将纺丝液都从纺丝盘120上吹脱，提高纳米纤维膜的产率。

进一步地，在本实施例例中，渐扩管151的数量为4，其分别围绕储液桶110均匀分布，当启动喷气机构150时，该四个渐扩管151同时朝向纺丝盘120喷气。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，渐扩管151的数量可以是两个、三个或者四个以上。

具体地，纺丝盘120为圆形，纺丝盘120的直径为10-11cm，喷气口153的口径为1-1.5cm。当渐扩管151的数量为4个，纺丝盘120的形状和尺寸以及喷气口153的口径如上述时，其能够保证将附着于纺丝盘120上的纺丝液完全吹离。

渐扩管151设置的越多越能确保附着于附着孔121上的纺丝液被完全吹离。但渐扩管151设置过多则装置生产过程中所用材料也就越多，生产成本也就越大，当设置4个渐扩管151，纺丝盘120的形状和尺寸以及喷气口153的口径如上述时，即能够确保附着孔121上附着的纺丝液被全部吹离至收集板140又能使生产成本降到最小。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际使用需要，纺丝盘120还可以是其他形状，而纺丝盘120的直径以及喷气口153的口径也可以根据生产量进行调节。

进一步地，机架170设置有用于固定渐扩管151的渐扩管固定件171，其数量与渐扩管151的数量相对应。设置渐扩管固定件171后将渐扩管151固定住，放置喷气机构150启动时气压过大造成渐扩管151位移。

进一步地，渐扩管151与纺丝盘120之间的夹角为30°-60°。当纺丝盘120上升至与第一电极161接触时，渐扩管151位于纺丝盘120下方与纺丝盘120之间成30°-60°夹角，此角度下能够使渐扩管151更大面积向纺丝盘120吹出气流。

进一步地，附着孔121的孔径为0.8-1.2cm，附着孔121直径不同以适合不同性质的纺丝液，例如某些纺丝液的黏度高一点则可以选附着孔121大一点的装置，某些纺丝液黏度小一些则可以选择附着孔121小一点的装置。

进一步地，储液桶110具有圆柱形的内腔111，内腔111的横截面的直径与纺丝盘120的直径相同。

上述设计使得，纺丝盘120位于内腔111中时，纺丝盘120的边缘与内腔111对应的储液桶110的内壁贴合，纺丝盘120与储液桶110的内壁之间无空隙，能够大大节约内腔111的空间，减小储液桶110中纺丝液的储备量。

第二实施例

本发明实施例所提供的纳米纤维膜的制备装置200，其实现原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

请参照附图3所示，储液桶110底部设置有液面提升台290，升降杆130包括活动杆232和套筒231，活动杆232设置于套筒231内，液面提升台290设置有置杆腔291，套筒231设置于置杆腔291内。

升降杆130可以选用液压式升降杆130。设置液面提升台290能够占据纺丝盘220以下的空间，减少纺丝液的进入量，也能避免纺丝液的浪费。对比图3和图4，第一实施例提供的纳米纤维膜的制备装置100的纺丝液量10很明显多与第二实施例提供的纳米纤维膜的制备装置200的纺丝液量20。

综上所述，本发明所提供的纳米纤维膜的制备装置由于采用静电发生器在进行纺丝时产生瞬时高压电，相比较现有的纺丝装置，其安全性能好，且该装置对气压的要求不高，只要能够达到将将在附着孔形成的液膜吹脱即可，而因为不需采用高压电源以及太高气压，故设备稳定性好，制得的纳米纤维膜品质好。

故本发明提供的纳米纤维膜具有以下优点：1、采用新型的薄膜纺丝技术，整个薄膜静电纺丝过程的一致性与均匀性较高，在一定程度上保留针头纺丝的优点；2、与现有的很多静电纺丝技术相比，采用的高压电源相对较低，采用的气流的负压相对偏小，结构的稳定性与安全系数较高；3、气泡静电纺技术过程需要严格控制好气流大小以形成均匀的气泡，但实际因受溶液性质的影响及流体作用，气泡的大小无法做到很均匀，因此与目前气泡静电纺技术相比，本技术能够严格控制好薄膜的厚度，也能在产量上有所突破。

本发明还提供了一种纳米纤维膜的制备系统，其包括本发明所提供的纳米纤维膜的制备装置，由于其包括本发明所提供的纳米纤维膜的制备装置，故其制得的纳米纤维膜性能好，且系统的安全性高。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。