本实用新型涉及静电纺丝装置，尤其是涉及具有不同内径喷嘴阵列纺丝喷头制备高均匀性和高直径分布宽度纳米纤维膜的一种高效过滤纳米纤维膜制备装置。
背景技术：
纳米技术作为一种改变未来的技术，被许多国家作为科技战略研发的重点。纳米纤维的制备和应用作为纳米技术的一项分支，具有很高的研究潜力和广泛的应用前景。目前纳米纤维主要的制备方法有模板合成、拉伸法、微相分离、自组装、静电纺丝等，其中静电纺丝法具有装置简单、方便操控、能连续产生纳米纤维和生产效率相对较高等优势成为制备纳米纤维的主流，国内外有许多研究所和课题组进行静电纺丝发制备纳米纤维的相关研究。传统的静电纺丝方法主要利用具有微细溶液通道的喷嘴在注射泵的定量供液下产生溶液溢出形成悬滴，悬滴在高压电源的作用下极化产生电荷，并且电荷在高压电源的电场中受力，带动溶液克服表面张力进行运动形成射流，射流在空间电场中受力进行不稳定的鞭动细化，最终形成纳米纤维进行沉积。静电纺丝法制备的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、通透性高等特性，凭其优越特性可以广泛地应用到化学催化、过滤材料、微电子、传感器、新型复合材料、生物组织工程和自清洁表面等领域。其中静电纺丝制备的纳米纤维膜作为过滤材料可以排除大部分的杂质得到纯净的溶液，在目前水资源污染严重的情况下更需要高效率高阻隔性的过滤材料的需求。研究表明，纳米纤维膜的过滤效率取决于纳米纤维的直径和纳米纤维直径分布的宽度等，在一定范围内随着纳米纤维的直径减小其膜的过滤效率提高，随着纳米纤维直径分布宽度的增大其膜的过滤效率提高。传统的静电纺丝利用单喷嘴进行纳米纤维制备，产量和效率均很低，并且其直径分布范围相对较小；并且在静电纺丝的工艺中，影响纳米纤维直径的主要工艺参数有输入电压、供液速率、极间距、溶液浓度以及喷嘴内径等等，在大规模批量化制备纳米纤维时通过改变喷嘴内径控制纳米纤维直径分布是最简单有效的一种方式。
技术实现要素：
本实用新型旨在提供一种高均匀性、高直径分布宽度的高效过滤纳米纤维膜制备装置。
本实用新型设有立柱、三轴座、光轴、丝杠、滑块、丝杠轴承、直线轴承、垂架、横向喷头、第1供液泵、固定板、光电编码器、支撑柱、连接架、联轴器、伺服电机、电机座、横架、纵向喷头、第2供液泵、高压电源、圆形收集板、直流电机和主控板，所述横向喷头和纵向喷头均由盖板、喷嘴板和隔壁板组成；
所述立柱可采用方形柱状零件，所述支撑柱包括横向支柱和纵向支柱，横向支柱和纵向支柱作为整个装置的支架，横向支柱和纵向支柱平行安装于两侧；所述三轴座设有2个，一个三轴座固定安装于立柱上方，另一个三轴座固定安装于连接架上方，并且连接架固定安装于支撑柱上，2个三轴座安装位置相互对称平行；三轴座上有三个直线分布的通孔，两条光轴的两端分别与2个三轴座的两个外侧通孔固定连接，形成双轴导轨；所述丝杠两端分别与2个三轴座的中心通孔通过轴承铰接安装；所述滑块上的3根直线分布通孔位置与三轴座一致，2个直线轴承安装于滑块的两侧通孔，丝杠轴承安装于滑块的中间通孔，滑块通过直线轴承和丝杠轴承分别与光轴和丝杠连接，共同构成三轴的传动机构；所述丝杠的其中一段通过联轴器与伺服电机连接，通过伺服电机驱动丝杠传动，带动丝杠轴承沿着双轴导轨进行横向直线运动，伺服电机通过电机座固定安装于连接架上。通过伺服电机和横向的传动机构组成横向传动系统；同理，横向传动系统由2个三轴座、2个光轴、直线轴承、丝杠、丝杠轴承、滑块、联轴器、伺服电机及电机座组成，所述横向传动系统以相同的连接方式与纵向传动系统垂直并且沿着纵向安装于支撑柱上，纵向传动系统安装位置稍低于横向传动系统，其中，纵向传动系统中的三轴座和电机座均与支撑柱固定安装。
本实用新型提供的纺丝喷头主要由盖板、喷嘴板和隔离板组成，其中喷嘴板由金属材料加工制造，盖板和隔离板由绝缘材料加工制造；喷嘴板上设有凹槽和喷嘴直线阵列，凹槽的两端设有进液孔；盖板与喷嘴板的凹槽连接构成溶液槽，隔离板与喷嘴板配合连接，通过隔离板包覆喷嘴板的外侧及其各个喷嘴外侧，可以有效降低各个喷嘴之间的静电抑制作用，并且隔离的带电的喷嘴板，提高了装置的安全性；喷嘴直线阵列的数量可为2～50个，喷嘴之间的间距可为5～20mm；其中喷嘴内径设计为不同尺寸实现静电纺丝纳米纤维的不同直径控制，通过一系列沿着一个方向顺序递增的喷嘴内径参数实现沉积纳米纤维膜直径分布宽度的提高，其中喷嘴内径大小可为30μm～300μm，递增的幅度控制为10μm～30μm，当喷嘴的内径越小，递增幅度越小，所沉积的纳米纤维膜的平均直径越小，并且膜的精细度越高。所提供的垂架安装于横向传动系统的滑块上，横架安装于纵向传动系统的滑块上；通过安装于垂架上与横向传动系统连接的纺丝喷头为横向纺丝喷头，通过安装于横架上与纵向传动系统连接的纺丝喷头为纵向纺丝喷头，横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头安装于同一高度。横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头分别连接第1供液泵和第2供液泵实现纺丝溶液以一定的流速供给，高压电源正极分别连接横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头的喷嘴板实现高压电供给；通过第1供液泵和第2供液泵的独立供液，在纺丝喷头的溶液槽分流作用下，分流至各个喷嘴形成悬滴，在高压电场作用下形成射流，进行纳米纤维制备和沉积。
本实用新型提供的圆形收集板为导电材料制成，并且可靠接地；圆形收集板一端通过联轴器与直流电机连接，通过直流电机驱动圆形收集板进行旋转运动；圆形收集板安装于横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头正下方，其中横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头的运动路径为正交的圆形轴线，轴线间的交点与圆形收集板的圆心处于同一竖直方向，并且初始安装时横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头从圆形收集板边缘至中心方向的喷嘴内径一个为等幅减小一个为等幅增加；所提供的光电编码器有两个，分别通过联轴器与两个丝杠同轴连接，并与主控板电连接，反馈丝杠的运动信息从而控制滑块在丝杠中的运动位置，从而反馈横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头的运动位置，随时根据其运动位置进行调整和控制，光电编码器通过固定板与三轴座固定连接；两个伺服电机和直流电机分别与主控板连接，通过两个伺服电机的驱动，是丝杠带动和丝杠轴承连接的滑块沿着双轴导轨方向运动，带动通过垂架和横架分别与两个滑块连接的横向纺丝喷头和纵向纺丝喷头进行正交的直线运动；通过光电编码器反馈两个纺丝喷头的位置信息并调整初始运动位置时初始运动位置时两个纺丝喷头一个位于圆形收集板边缘，一个位于圆形收集板圆心处正上方，两个纺丝喷头以一定的运动速度沿着其导轨和圆形收集板轴线的方向来回运动并进行纺丝，极限位置为圆形收集板的边缘，运动过程中由光电编码器确定并反馈两个纺丝喷头的实时位置；结合直流电机驱动圆形收集板的旋转运动，并且两个纺丝喷头的安装具有对称性，所以不同内径喷嘴能分别运动至圆形收集板的不同位置进行纺丝，使得圆形收集板上的各个局部位置均能沉积不同内径喷嘴制备的不同直径的纳米纤维，一方面能提高纳米纤维直径的分布宽度，一方面可以提高纳米纤维膜的均匀性。
本实用新型通过引入多喷嘴和喷头数量批量化纺丝提高纳米纤维产量，通过引入不同内径喷嘴阵列制备不同直径的纳米纤维从而扩大其直径分布的宽度；通过两个不同内径喷嘴阵列的纺丝喷头的正交运动以及圆形收集板的旋转运动进行制备和沉积纳米纤维，提高纳米纤维膜的均匀性，使所收集的纳米纤维膜各个局部都具有高的直径分布宽度；并且纺丝喷头处设计有电隔离，减小喷嘴之间的静电抑制作用并且提高装置的安全性。所制备的纳米纤维膜针对过滤材料还能进一步提高过滤液体纯度，提高其在过滤领域的应用范围。
附图说明
图1是本实用新型实施例的装置示意图。
图2是本实用新型实施例的纺丝喷头示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
在图1中，立柱1和支撑柱13平行安装于两侧作为整个装置的支架；一个三轴座2固定安装于立柱1上方，一个三轴座2安装于连接架14，连接架14安装于支撑柱13上方；两条光轴3两端分别与两个三轴座2的外侧两个通孔固定连接，形成双轴导轨；丝杠4两端分别与两个三轴座2通过轴承构成转动副；两个直线轴承7分别固定安装于滑块5两个外侧通孔上，丝杠轴承6固定安装于滑块5的中间通孔上，并且滑块5通过丝杠轴承6与丝杠4连接，通过直线轴承7与光轴3连接，共同构成传动机构；丝杠4的一端通过联轴器15与伺服电机16连接实现驱动；上述的两个三轴座2、两个光轴3及直线轴承7、丝杠4和丝杠轴承6、滑块5、联轴器15、伺服电机16及电机座17共同构成横向传动系统，将横向传动系统的组成零件以相同的连接方式与横向传统系统垂直并且沿着纵向安装于支撑柱13上，构成与横向传动系统正交的纵向传动系统，纵向传动系统安装位置稍低于横向传动系统；其中，纵向传动系统中的三轴座2和伺服电机16座均与支撑柱13固定安装；垂架8安装于横向传动系统的滑块5上，横向纺丝喷头9与垂架8连接；横架18安装于纵向传动系统的滑块5上，纵向纺丝喷头19与横架18连接，横向纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19安装高度一致；第1供液泵10通过导管与横向纺丝喷头9的进液口连接，第2供液泵20通过导管与纵向纺丝喷头19的进液口连接，分别实现纺丝溶液的定量供给；高压电源21正极分别连接横线纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19的喷嘴板92实现高压电源供给。圆形收集板22一端通过联轴器15与直流电机23连接实现其旋转运动的驱动；圆形收集板22安装于横向纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19正下方，其中横向纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19的运动路径为沿着圆形收集板22的正交轴线，交点与圆形收集板22的圆心处于同一竖直方向，并且初始安装时横向纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19从圆形收集板22边缘至中心方向的喷嘴内径一个为等幅减小一个为等幅增加；两个光电编码器12分别通过联轴器15与横向传动系统和纵向传动系统的两个丝杠4同轴连接，并与主控板24电连接反馈信息，光电编码器12通过固定板11与三轴座固定连接；两个伺服电机16和直流电机23分别与主控板24连接。
本实用新型装置工作时，通过第1供液泵10和第2供液泵20分别定量供液至横向纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19，在高压电源21的作用下进行批量静电纺丝；通过主控板24控制两个伺服电机16驱动丝杠4带动与丝杠轴承6连接的滑块5沿着光轴3导轨的方向直线运动，从而带动通过垂架8和横架18分别与两个滑块5连接的横向纺丝喷头9和纵向纺丝喷头19进行正交的直线运动；通过光电编码器12反馈两个纺丝喷头的位置信息并调整初始运动位置时两个纺丝喷头一个位于圆形收集板22边缘，一个位于圆形收集板22中心处，两个纺丝喷头以一定的运动速度沿着其导轨和圆形收集板22轴线的方向来回运动并进行纺丝，极限位置为圆形收集板22的边缘，运动过程中由光电编码器12确定并反馈两个纺丝喷头的实时位置；同时主控板24控制直流电机23驱动圆形收集板22的旋转运动，并且两个纺丝喷头的安装具有对称性，所以在持续进行的静电纺丝过程中，不同内径喷嘴能分别运动至圆形收集板22的不同位置进行纺丝，使得圆形收集板22上的各个局部位置均能沉积不同内径喷嘴制备的不同直径的纳米纤维，一方面能提高纳米纤维直径的分布宽度，一方面可以提高纳米纤维膜的均匀性。
图2中喷嘴板92上设计有凹槽和喷嘴直线阵列，凹槽的两端设计有进液孔；盖板91与喷嘴板92的凹槽连接构成溶液槽，隔离板93与喷嘴板92配合连接，并且隔离板93包覆喷嘴板92的外侧及其各个喷嘴外侧；喷嘴板92中直线喷嘴阵列的内径大小从左到右等幅增加。
本实用新型公开了一种高效制备高均匀性和高分布宽度的静电纺丝纳米纤维膜，提高其过滤效率，促进静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用。本实用新型通过引入多喷嘴和喷头数量批量化纺丝提高纳米纤维产量，通过引入顺序递增内径的喷嘴阵列制备不同直径的纳米纤维从而扩大其直径分布的宽度；通过两个具有上述内径分布的喷嘴阵列纺丝喷头的正交运动以及圆形收集板的旋转运动进行制备和沉积纳米纤维，提高纳米纤维膜的均匀性，使所收集的纳米纤维膜各个局部都具有高的直径分布宽度；并且纺丝喷头处设有电隔离，减小喷嘴之间的静电抑制作用并且提高装置的安全性。所制备的纳米纤维膜针对过滤材料还能进一步提高过滤液体纯度，提高其在过滤领域的应用范围。