一种局部控温静电纺丝系统的制作方法

本实用新型涉及静电纺丝领域，尤其涉及一种局部控温静电纺丝系统。

背景技术：

静电纺丝是一种高效制备纳米纤维的技术手段，其所制备的纳米纤维尺度为纳米级和微米级，具有极高的比表面积。静电纺丝纳米纤维膜以其独特的孔隙结构，被广泛应用在各种领域，如空气过滤、水过滤、食品保鲜、电池隔膜、药物控释和组织修复等。

静电纺丝过程中以高分子聚合物的拉伸细化为主，其过程中需要一套材料供给装置，高压静电发生器和纳米纤维接收装置。通过供给装置把聚合物挤出至针头处，使材料在高压静电场的作用下被拉伸形成泰勒锥，继而在针头和收集装置之间的空间中的静电场进一步拉伸细化行程超细纤维，最终沉积到收集装置上。随着纺丝过程的持续，无数根纳米纤维相互叠加交织使行程具有一定孔隙结构的纳米纤维膜，其效率和孔隙的可控度是其他技术无法达到的。

静电纺丝技术包括远场静电纺丝和近场静电纺丝，目前大多数可纺的聚合物材料均通过溶于特定的有机溶剂里面，形成特定的溶液再进行静电纺丝。而大多数有机溶剂都具有挥发性，溶剂的挥发在溶液开始与空气接触后就发生了，最终沉积在收集装置上的纤维已挥发掉大部分溶剂。溶剂的挥发受纺丝环境的温度影响较大，当环境温度过高时，溶剂挥发过快，导致溶液在针头处剩下固体材料并凝结在针头处，最终使针头堵塞，纺丝不得不中止。

通过控制纺丝环境的温度可以起到延缓溶剂挥发的效果，但纺丝腔温度均一则带来另一个问题。纤维拉伸过程和沉积后需要挥发掉大量的溶剂，否则沉积到收集装置上的纤维膜含水量太高，或者纤维出现大量串珠，特别是当纺丝距离较短，纤维在空间得不到充分挥发和拉伸，溶剂的挥发程度将更不充分，严重影响纤维膜的质量。

所以，本实用新型为了解决针头处溶剂挥发过快而纺丝过程中溶剂挥发过慢的矛盾，设置局部温度可控装置，在减缓针头处溶剂挥发速率的同时，可以适当地升高纺丝环境温度，促进纤维里的溶剂挥发，最终达到纤维稳定成形的目的，提高纤维膜的质量。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种局部控温静电纺丝系统，能分别实时反馈和调节针头区和纺丝区的温度，使针头区和纺丝区处于适合的工作温度下，从而达到纤维稳定成形，提高纤维膜质量的目的。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种局部控温静电纺丝系统，包括纺丝腔、喷丝装置、收集装置、纺丝控温装置和高压静电发生器，所述喷丝装置、收集装置、纺丝控温装置设于纺丝腔内，且所述喷丝装置设于纺丝腔的顶部，所述收集装置设于喷丝装置的下方；

所述喷丝装置包括喷头驱动机构、供液机构和喷头，所述喷头上设有若干个针头和喷丝控温装置，所述喷丝控温装置设于针头的外周，所述高压静电发生器与针头相连接；

喷头驱动机构，用于驱动喷头做往复运动；

供液机构，用于向喷头输送纺丝溶液；

喷丝控温装置，用于实时反馈和控制针头区的温度；

纺丝控温装置，用于实时反馈和控制纺丝区的温度。

作为上述方案的改进，所述喷丝控温装置包括制冷机构、设于制冷机构内的若干个第一温度传感器和控制器，所述制冷机构和第一温度传感器分别与控制器相连接，所述制冷机构和第一温度传感器设于针头的外周。

作为上述方案的改进，所述制冷机构的形状为上下开口的长方体，所述针头穿插于制冷机构内；

所述制冷机构包括由内至外依次连接的制冷层、半导体层和散热层。

作为上述方案的改进，所述制冷机构包括由内至外依次连接的制冷层、半导体层、散热层和散热片。

作为上述方案的改进，所述针头的长度与制冷机构的高度相等。

作为上述方案的改进，所述喷头驱动机构包括设于纺丝腔顶部的水平导轨、设于水平导轨上且能沿水平导轨滑动的喷头支架和驱动喷头支架的第一电机；

所述供液机构为供液泵，所述供液泵包括供液泵体和导液管，所述喷头、供液泵体设于喷头支架上，所述供液泵体通过导液管与喷头相连通。

作为上述方案的改进，所述喷头包括喷丝板、进液头和针座，所述喷丝板内设有分液流道，所述进液头设于喷丝板的顶部，所述针座设于喷丝板的底部，所述进液头通过分液流道与针座相连通，所述针头设于针座上，所述喷丝控温装置与喷丝板相连接，所述供液机构与进液头相连通。

作为上述方案的改进，所述纺丝控温装置包括若干个加热机构、若干个第二温度传感器和控制器，所述加热机构和第二温度传感器设于纺丝腔内壁，所述加热机构和第二温度传感器分别与控制器相连接。

作为上述方案的改进，所述加热机构为加热灯。

作为上述方案的改进，所述加热机构包括设于纺丝腔内壁的垂直导轨和第二电机，所述加热灯设于垂直导轨上且能沿垂直导轨滑动，所述第二电机用于驱动加热灯。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本实用新型通过分别在针头区和纺丝区设置独立的控温装置，喷丝控温装置和纺丝控温装置，实现局部温度可控。喷丝控温装置可实时反馈针头区的温度场，并根据反馈的温度信息实现制冷，避免针头处因温度过高造成溶剂挥发过快，针头堵塞，纺丝中止。

纺丝控温装置可实现反馈纺丝腔内部各个区域的温度场，并根据反馈的温度信息升高纺丝区内温度，并进一步使纺丝腔内部各个区域的温度场更均匀，使纺丝过程中溶剂充分挥发，从而达到纤维稳定成型，提高纤维膜质量的目的。

附图说明

图1是本实用新型一种局部控温静电纺丝系统的结构示意图；

图2是图1喷头的立体图；

图3是图1喷头的主视图；

图4是图1喷头的俯视图；

图5是图1喷头的仰视图；

图6是图4沿b-b处的剖视图；

图7是图3沿a-a处的剖视图；

图8是图7中c处的放大图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。仅此声明，本实用新型在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本实用新型的附图为基准，其并不是对本实用新型的具体限定。

本实用新型为了解决针头处溶剂挥发过快而纺丝过程中溶剂挥发过慢的矛盾，设置局部温度可控装置，在减缓针头处溶剂挥发速率的同时，可以适当地升高纺丝环境温度，促进纤维里的溶剂挥发，最终达到纤维稳定成形的目的，提高纤维膜的质量。

参见图1-5，本实用新型公开了一种局部控温静电纺丝系统，包括纺丝腔1、喷丝装置、收集装置2、纺丝控温装置和高压静电发生器3，所述喷丝装置、收集装置2、纺丝控温装置设于纺丝腔1内，且所述喷丝装置设于纺丝腔1的顶部，所述收集装置2设于喷丝装置的下方。

所述喷丝装置包括喷头驱动机构、供液机构和喷头4，所述喷头4上设有若干个针头41和喷丝控温装置，所述喷丝控温装置设于针头41的外周，所述高压静电发生器3与针头41相连接，以产生高压静电场。

喷头驱动机构，用于驱动喷头4做往复运动。

供液机构，用于向喷头4输送纺丝溶液。

喷丝控温装置，用于实时反馈和控制针头区的温度。

纺丝控温装置，用于实时反馈和控制纺丝区的温度。

大多数有机溶剂都具有挥发性，溶剂的挥发在溶液开始与空气接触后就发生了，最终沉积在收集装置上的纤维已挥发掉大部分溶剂。溶剂的挥发受纺丝环境的温度影响较大，当环境温度过高时，溶剂挥发过快，导致溶液在针头处变剩下固体材料并凝结在针头处，最终使针头堵塞，纺丝不得不中止。通过控制纺丝环境的温度可以起到延缓溶剂挥发的效果，但纺丝腔温度均一则带来另一个问题。纤维拉伸过程和沉积后需要挥发掉大量的溶剂，否则沉积到收集装置上的纤维膜含水量太高，或者纤维出现大量串珠，特别是当纺丝距离较短，纤维在空间得不到充分挥发和拉伸，溶剂的挥发程度将更不充分，严重影响纤维膜的质量。

本实用新型通过分别在针头区和纺丝区设置独立的控温装置，喷丝控温装置和纺丝控温装置，实现局部温度可控。喷丝控温装置可实时反馈针头区的温度场，并根据反馈的温度信息实现制冷，避免针头处因温度过高造成溶剂挥发过快，针头堵塞，纺丝中止。纺丝控温装置可实现反馈纺丝腔内部各个区域的温度场，并根据反馈的温度信息升高纺丝区内温度，并进一步使纺丝腔内部各个区域的温度场更均匀，使纺丝过程中溶剂充分挥发，从而达到纤维稳定成型，提高纤维膜质量的目的。

需要说明的是，物质系统内各个点上温度的集合称为温度场。针头区是指针头所处的附近区域。纺丝区是指纺丝腔内进行纺丝的区域。针头区的温度一般控制在15-30℃为最适宜，而针对不同溶剂的挥发性，纺丝区的温度相对比较高，一般在40℃为最适宜。

优选地，所述针头41由不锈钢材料制成。

如图1所示，所述喷头驱动机构包括设于纺丝腔1顶部的水平导轨61、设于水平导轨61上且能沿水平导轨61滑动的喷头支架62和驱动喷头支架62的第一电机(图中未示)。所述第一电机设于纺丝腔1内。

优选地，所述供液机构为供液泵，所述供液泵包括供液泵体71和导液管72，所述喷头4、供液泵体71设于喷头支架62上，所述供液泵体71通过导液管72与喷头4相连通。

在第一电机的驱动下使喷头和喷头支架在水平导轨上做水平往复运动。喷头不断喷丝，无数根纳米纤维在喷头不断的水平往复运动中相互叠加交织，形成纳米纤维膜。喷头和供液泵体均安装在喷头支架上，同步运动。供液泵不断地向喷头供应纺丝溶液，保证纺丝的顺利进行。

如图2-6所示，所述喷头4包括喷丝板43、进液头42和针座45，所述喷丝板43内设有分液流道44，所述进液头42设于喷丝板43的顶部，所述针座45设于喷丝板43的底部，所述进液头42通过分液流道44与针座45相连通，所述针头41设于针座45上，所述喷丝控温装置与喷丝板43相连接，所述供液机构与进液头42相连通。具体的，所述供液泵体71通过导液管72与进液头42相连通。纺丝溶液在供液泵体内通过导液管流入进液头，并通过分液流道分流到各个针座上的针头处。最后，纺丝溶液从针头处挤出，开启高压静电发生器，开始纺丝。针座和针头一一对应设置。优选地，针座的数量为4个，针头的数量为4个。

如图1、5-7所示，所述喷丝控温装置包括制冷机构8、设于制冷机构8内的若干个第一温度传感器9和控制器5，所述制冷机构8和第一温度传感器9分别与控制器5相连接，所述制冷机构8和第一温度传感器9设于针头41的外周。

具体的，制冷机构与喷丝板相连接，使制冷机构悬挂并包裹住针头的侧面。所述第一温度传感器能感受针头区的温度并转换成可用输出温度信号，并将温度信号传递给控制器，控制器根据设置的喷头制冷温度和第一温度传感器反馈的实时温度，动态调节制冷机构的功率，以保持针头的恒温。

如图5-8所示，所述制冷机构8的形状为上下开口的长方体，所述针头41穿插于制冷机构8内。所述制冷机构8包括由内至外依次连接的制冷层81、半导体层82和散热层83。本实用新型所述制冷机构可实现热传递，将针头区内的热量向外传递，从而实现制冷针头。所述半导体层为一块n型半导体材料和一块p型半导体材料联结成的热电偶对，当直流电流经过半导体层时，半导体层两侧的制冷层和散热层之间就会产生热量转移。靠近针头区的制冷层吸收针头区处的热量，使针头区的温度降低，并将热量传递给半导体层另一端的散热层，由散热层将热量散发到针头区外面，从而实现了制冷针头的目的。

优选地，所述制冷机构8包括由内至外依次连接的制冷层81、半导体层82、散热层83和散热片84。进一步，散热层83的外侧还与散热片84相连接，通过散热片加快降低散热层的温度，加快热传递的速率，进一步降低针头区的温度，使针头区获得更低的温度。需要说明的是，所述散热片84由铜或铝合金制成。更佳地，所述散热片84由铝合金制成。

所述制冷机构8内设有空腔，空腔用于容纳制冷层81、半导体层82和散热层83，如图3所示，制冷层81设于内侧，散热层83设于外侧。空腔底部设有开口，制冷层、半导体层和散热层通过开口设于空腔内，并采用盖板盖合开口，以使制冷层、半导体层和散热层固定设于制冷机构内。针头区内的热量经过制冷机构的内侧壁传递到制冷层，经过半导体层传递到散热层，由散热层将热量散发出去。散热层进一步与散热片相连接，散热片可加速散热层热量的散发，使散热层更易于散发热量。

优选地，所述针头41的长度与制冷机构8的高度相等，确保制冷机构完全包裹住针头的侧面，保证制冷效果。

如图1所示，所述纺丝控温装置包括若干个加热机构、若干个第二温度传感器10和控制器5，所述加热机构和第二温度传感器10设于纺丝腔1内壁，所述加热机构和第二温度传感器10分别与控制器5相连接。

优选地，所述加热机构为加热灯11。

所述第二温度传感器10均匀地设于纺丝腔1的四个内侧壁上，可反馈纺丝腔内部各个区域的温度场，控制器根据纺丝腔内分布的第二温度传感器反馈的实时温度，自动调节加热灯的功率，提升纺丝区的温度使溶剂充分挥发。

为了保证纺丝区域温度场的均匀性，所述加热机构包括设于纺丝腔1内壁的垂直导轨12和第二电机13，所述加热灯11设于垂直导轨12上且能沿垂直导轨12滑动，所述第二电机13用于驱动加热灯11。所述第二电机12优选为丝杆电机，设于纺丝腔1内。开启第二电机13可使加热灯11沿垂直导轨12上下移动，控制加热灯的位置，从而使纺丝区域的温度场更均匀。

优选地，所述加热机构为三个，即三个加热灯11分别安装在三个垂直导轨12上，如图1所示。

优选地，所述收集装置2为传送带、滚筒或二维运动平台。

更佳地，所述收集装置2为传送带。

本实用新型所述局部控温静电纺丝系统的工作原理是：进行静电纺丝作业之前，调查纺丝材料的溶剂的挥发性，流动性，纺丝工艺参数，设置喷头4制冷温度和纺丝腔1加热灯11的加热温度。取一定纺丝溶液装在供液泵中，启动供液泵，把溶液传输至喷头4并充满内部分液流道44，待纺丝溶液挤出针头41处时，开启高压静电发生器3，纺丝开始。开启加热灯11，根据纺丝腔1内分布的第二温度传感器10反馈的实时温度，自动调节加热灯11的功率。为了保证纺丝区域温度场的均匀性，可以开启加热灯11的丝杆电机，分别控制加热灯11在垂直方向上的位置，使纺丝区域的温度场更均匀。纳米纤维在纺丝区相互叠加交织并沉积在收集装置上最后形成纳米纤维膜。由于纳米纤维在交织的行程中溶剂不断地挥发，而在不同行程中溶剂的不同挥发程度会最终影响纤维膜的质量。通过第二温度传感器实时反馈纺丝区内各个区域的温度场，由控制器驱动丝杆电机，丝杆电机可分别控制各自的加热灯在其垂直方向上的位置，即处于不同区域的加热灯在其垂直方向上的位置，更好地控制纳米纤维在其不同的纺丝行程中溶剂的挥发程度，从而达到纤维稳定成型的，提高纤维膜的质量的目的。开启喷头4的第一电机，设置行程和速度，带动喷头4做往复运动。当观察到针头4处附近有液滴挤出时，开启喷头的喷丝控温装置，设置温度，使针头4附近温度场区别于外部纺丝区域的温度场，防止溶液中的溶剂过快挥发，根据制冷机构8内部安装的第一温度传感器9反馈的实时温度，做动态功率调节，保持针头41的恒温。制冷机构8在工作过程中，直流电流经过半导体层82，制冷层81吸热以降低针头4附近空气温度，即降低针头区的温度，热量由制冷层81传递至散热层83，散热层83放热并通过散热片84向外侧排热。随着纺丝过程的持续，启动收集装置2，匀速传动收集基材，使纤维沉积更加均匀。

本实用新型在面对纺丝过程中温度场对溶剂挥发的影响，设置动态控温装置，包括喷头的喷丝控温装置和纺丝腔的纺丝控温装置。一是减缓溶剂在针头处过度挥发，一定程度上预防固体材料堵塞针头的问题出现。二是促进纺丝区域的溶剂挥发速率，使沉积到收集装置上的纤维成形更加稳定可控，提高产品质量。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。