制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的纺丝装置的制作方法

本实用新型涉及静电纺丝技术领域，具体地说是一种制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的纺丝装置。

背景技术：

随着科技不断进步与发展，传统的单组分纳米材料已不能满足其在科技领域的应用要求。近年来，许多纳米科技领域的研究者致力于复合纳米材料的研究，将不同功能的纳米材料，如力学性能优异、热学性能显著的纳米材料，借助某种技术将其复合，制备出功能化的纳米材料。

石墨烯由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成，是目前发现的最薄的二维材料。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其片层结构含有丰富的含氧基团，这种特殊的结构使其蕴含了许多优异的物理化学性质，如高的比表面积和优良的导热性能、良好的生物相容性等。因结构中含有丰富的含氧基团，氧化石墨烯可稳定地分散在大多数极性有机溶剂中，这有利于氧化石墨烯与其它材料复合，增强材料的性能。目前，氧化石墨烯复合纳米纤维在光学、催化、过滤以及细胞支架材料等领域得到广泛应用。

制备氧化石墨烯复合纳米纤维有多种方法，包括自组装技术、化学气相沉积法、静电纺丝技术。与其他方法相比，静电纺丝技术制备氧化石墨烯纳米纤维具有操作简单、制备工艺成熟等优势。尽管有研究组报道通过静电纺丝技术成功制备出氧化石墨烯复合纳米纤维，但是制备的氧化石墨烯纳米纤维直径部分不均匀且有串珠状结构，严重限制了氧化石墨烯复合材料的应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的纺丝装置，该装置操作简单且制备的复合纳米纤维形貌良好、无串珠结构。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案为：制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的纺丝装置，包括静电纺丝发生装置、接收装置、干燥装置和封闭装置，静电纺丝发生装置、接收装置和干燥装置均位于封闭装置的内部；所述静电纺丝发生装置包括高压发生器、微量泵和针管，针管与微量泵相连通且在底端设有针管喷头；所述接收装置包括铝箔纸，铝箔纸位于所述针管喷头的正下方；所述高压发生器的正极与所述针管喷头相连，高压发生器的负极与所述铝箔纸相连；所述干燥装置的工作头对应针管喷头与接收装置之间。

为实现针管喷头与铝箔纸之间的垂直距离可调，一种可选择的技术方案为：所述铝箔纸设置在操作平台上，所述操作平台的下方设有调节操作平台高度的第一升降装置。在铝箔纸下方设置可调节高度的操作平台，可以实现铝箔纸的上下移动，从而调整针管喷头与铝箔纸之间的垂直距离。

为实现针管喷头与铝箔纸之间的垂直距离可调，另一种可选择的技术方案为：所述针管安装在第二升降装置上，第二升降装置带动针管上下移动。将针管安装在第二升降装置上，可实现针管的上下移动，从而调整针管喷头与铝箔纸之间的垂直距离。

进一步的技术方案为：所述针管喷头上套置有一环形电极。在针管喷头上设置环形电极，在高压发生器产生高压后，在针管喷头与接收装置之间形成固定的电场区域，提升所制得的纳米纤维的形貌和品质。环形电极可采用铝箔纸制成。

进一步的技术方案为：所述第一升降装置包括丝杠和螺母套，所述丝杠安装在操作平台底面的四个角处，所述螺母套分别与丝杠相配合，所述螺母套同步旋转驱动所述丝杠做往复直线运动。

一种可选择的第一升降装置的驱动方案为：所述螺母套通过驱动齿轮进行驱动，两个相邻的驱动齿轮之间设置有传动齿轮以实现驱动齿轮同步旋转，主动驱动齿轮与摇柄之间通过锥齿轮传动机构相连接。

另一种可选择的第一升降装置的驱动方案为：所述螺母套通过驱动蜗轮进行驱动，两个相邻的驱动蜗轮之间设置有传动蜗轮以实现驱动蜗轮同步旋转，主动驱动蜗轮与摇柄之间通过蜗轮蜗杆机构相连接，摇柄安装在蜗杆的末端。

锥齿轮传动机构或者蜗轮蜗杆机构在传递动作的过程中，改变了动作的传递方向，便于人们的操作。

进一步的技术方案为：所述第二升降装置包括丝杠和螺母套，所述丝杠活动安装在底座上，所述螺母套与所述丝杠相配合，所述针管安装在螺母套上，丝杠原位旋转带动螺母套做往复直线运动。

第一升降装置和第二升降装置均采用丝杠传动副，精确度高，维护简单，使用寿命长，可以实现微小距离的调整。

进一步的技术方案为：所述干燥装置的工作头为250W红外线灯泡。采用红外线灯泡作为干燥装置，成本低廉，干燥效果好，易于操作。

进一步的技术方案为：所述针管喷头与所述铝箔纸之间的垂直距离为15～20cm，所述针管喷头的出液流量为1.0～3.0ml/h，所述铝箔纸的大小为20～30cm²。当各项数据在上述范围时，制备出的纳米纤维品质好，且降低装置的成本。

所述的密封装置为可打开的有机玻璃罩。有机玻璃罩既能将装置与外界隔离，又不影响对装置工作过程的观察，在制备工作的准备阶段，可将有机玻璃罩打开，调整操作平台的高度以及针管喷头与铝箔纸之间的距离等，准备工作完成后，装置工作过程中，应使用有机玻璃罩将装置与外界隔离。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的一种制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的纺丝装置，通过高压发生器产生高压，在针管喷头与接受装置之间形成电场区域，增加干燥装置后，可快速除去喷射流中的溶剂，同时也有效地避免了较高湿度对制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的不利影响。该装置设计简单且巧妙合理，所制得的氧化石墨烯复合纳米纤维形貌良好、无串珠结构，直径分布均匀。

2、针管喷头与铝箔纸之间的距离可以调节，根据不同的情况设置不同的距离，使用灵活、操作简便，提升所制备的复合纳米纤维的品质。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所制得的制得的氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维的扫描电镜图。

图中：1针管，2环形电极，3干燥装置，4铝箔纸，5操作平台，6高压发生器，7封闭装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步的描述：

实施例一：

如图1所示，制备氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜的纺丝装置，包括静电纺丝发生装置、接收装置、干燥装置3和封闭装置7，静电纺丝发生装置、接收装置和干燥装置3均位于封闭装置7的内部；所述静电纺丝发生装置包括高压发生器6、微量泵和针管1，针管1与微量泵相连通且在底端设有针管喷头；所述接收装置包括铝箔纸4，铝箔纸4位于所述针管喷头的正下方；所述高压发生器6的正极与所述针管喷头相连，高压发生器6的负极与所述铝箔纸4相连；所述干燥装置3的工作头对应针管喷头与接收装置之间。

为实现针管喷头与铝箔纸之间的垂直距离可调，所述铝箔纸4设置在操作平台5上，所述操作平台5的下方设有调节操作平台5高度的第一升降装置。在铝箔纸4下方设置可调节高度的操作平台5，可以实现铝箔纸4的上下移动，从而调整针管喷头与铝箔纸4之间的垂直距离。

所述针管喷头上套置有一环形电极2。在针管喷头上设置环形电极2，在高压发生器6产生高压后，在针管喷头与接收装置之间形成固定的电场区域，提升所制得的纳米纤维的形貌和品质。环形电极2可采用铝箔纸制成。

所述第一升降装置包括丝杠和螺母套，所述丝杠安装在操作平台5底面的四个角处，所述螺母套分别与丝杠相配合，所述螺母套同步旋转驱动所述丝杠做往复直线运动。

所述螺母套通过驱动齿轮进行驱动，两个相邻的驱动齿轮之间设置有传动齿轮以实现驱动齿轮同步旋转，主动驱动齿轮与摇柄之间通过锥齿轮传动机构相连接。

所述干燥装置3的工作头为250W红外线灯泡。采用红外线灯泡作为干燥装置3，成本低廉，干燥效果好，易于操作。

针管1的材质为玻璃或者塑料材料，所述针管喷头与所述铝箔纸之间的垂直距离为15～20cm，所述针管喷头的出液流量为1.0～3.0ml/h，所述铝箔纸的大小为20～30cm²。当各项数据在上述范围时，制备出的纳米纤维品质好，且降低装置的成本。

所述的密封装置7为可打开的有机玻璃罩。有机玻璃罩既能将装置与外界隔离，又不影响对装置工作过程的观察，在制备工作的准备阶段，可将有机玻璃罩打开，调整操作平台的高度以及针管喷头与铝箔纸4之间的距离等，准备工作完成后，装置工作过程中，应使用有机玻璃罩将装置与外界隔离。

当针管1充满溶液后，通过微量泵将液体推出，在电场力作用下，纺丝液从针管喷头位置喷出，首先形成泰勒锥，然后形成氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维，在到达接收装置后，复合纳米纤维沉积在铝箔纸4上，随着时间不断增加，最终形成氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜。

使用本实施例的装置制备四氧化三铁纳米纤维的具体操作过程如下：

采用本实例的装置，量取5ml的N,N二甲基甲酰胺于螺口玻璃瓶中，加入5mg氧化石墨烯，将螺口玻璃瓶旋紧后用封口膜封口，超声振荡15分钟，制得氧化石墨烯分散液；称取0.40g聚丙烯腈原丝加入到氧化石墨烯分散液中，在55℃、180r/min下磁力加热搅拌12小时，制得纺丝溶液；将纺丝溶液静置5小时以除去溶液中的气泡，将高压发生器6的电压调至15kV，接收距离：操作平台5上的铝箔纸4与针管喷头的垂直距离为15cm，出液流量为1.0mL/h，铝箔纸4的大小为20cm²，在搭建的静电纺丝装置中进行电纺，即得氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜，其扫描电镜图如图2所示。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：本实施例中，所述螺母套通过驱动蜗轮进行驱动，两个相邻的驱动蜗轮之间设置有传动蜗轮以实现驱动蜗轮同步旋转，主动驱动蜗轮与摇柄之间通过蜗轮蜗杆机构相连接，摇柄安装在蜗杆的末端。

当针管1充满溶液后，通过微量泵将液体推出，在电场力作用下，纺丝液从针管喷头位置喷出，首先形成泰勒锥，然后形成氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维，在到达接收装置后，复合纳米纤维沉积在铝箔纸4上，随着时间不断增加，最终形成氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜。

使用本实施例的装置制备四氧化三铁纳米纤维的具体操作过程如下：

采用本实例的装置，量取5ml的N,N二甲基甲酰胺于螺口玻璃瓶中，加入7.5mg氧化石墨烯，将螺口玻璃瓶旋紧后用封口膜封口，超声振荡15分钟，制得氧化石墨烯分散液；称取0.60g聚丙烯腈原丝加入到氧化石墨烯分散液中，在55℃、180r/min下磁力加热搅拌12小时，制得纺丝溶液；将纺丝溶液静置5小时以除去溶液中的气泡，将高压发生器6的电压调至15kV，接收距离：操作平台5上的铝箔纸4与针管喷头的垂直距离为20cm，出液流量为3.0mL/h，铝箔纸4的大小为30cm²，在搭建的静电纺丝装置内进行电纺，即得氧化石墨烯包裹聚丙烯腈复合纳米纤维膜。

本实用新型中，对于针管喷头与铝箔纸4之间垂直距离的调节，不限于采用实施例所述的设置操作平台5和第一升降装置的方式，还可以将所述针管1安装在第二升降装置上，第二升降装置带动针管1上下移动。将针管1安装在第二升降装置上，可实现针管1的上下移动，从而调整针管喷头与铝箔纸4之间的垂直距离。所述第二升降装置包括丝杠和螺母套，所述丝杠活动安装在底座上，所述螺母套与所述丝杠相配合，所述针管1安装在螺母套上，丝杠原位旋转带动螺母套做往复直线运动。

本实用新型中，第一升降装置和第二升降装置不限于丝杠和螺母套，还可以采用液压缸、气缸、电动推杆、直线电机等其他的升降装置。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不是本实用新型的全部实施例，不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。