CN105887214B - 一种静电纺丝制膜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种静电纺丝制膜装置，是一种台式静电纺丝制膜装置。安装在料糟一侧的喷头成平面直线排列，与成膜***平面平行。料糟安放在一个电绝缘性很高的托板7上，其长度与成膜***平面宽度相匹配。绝缘托板安置在两条平行滑轨上，并与喷头组运动控制***相连。喷头组的往复运动，是通过喷头组运动控制***给出的往复运动，带动绝缘托板运动实现的。喷头组运动控制***的主要部件是往复丝杆，或者是步进电机。成膜***由圆形钢带5、两个相同直径的上支撑圆辊3和下支撑圆辊4、支架5、调速电机和转速控制***组成。在两侧形成对称平面每侧设置2‑3排喷头组，提高单机喷丝产量。

Description

一种静电纺丝制膜装置
技术领域
本发明涉及将高分子溶液或熔体用静电纺丝方法制成纳米纤维膜的装置，属于静电纺丝领域，机械制造类。
技术背景
由纳米纤维形成的膜是一种新品质的材料，具有许多有价值的性质。这种膜应用领域广泛，最典型的是作为锂电池隔膜，能使锂电池性能得到很大的提高。
在专利为200480056915中，描述了一种非喷头静电纺丝装置。该装置只能用于静电纺丝，不能用于制备均匀的纳米纤维膜。在专利号为200710000533.X中，采用双喷头组提高了静电纺丝量，但缺乏对喷头组运动的描述。在专利号201010137161.7中，只是叙述了喷头组设置在喷头支架上的滑糟中，缺乏对运动的描述。在专利CN101474105A中描述了一种刻度摆动仪的运动作为喷头滑动动力源，摆动仪的运动规律是曲线加速运动，非直线匀速运动。同样的道理，在相关的专利201110314014.7中以圆周运动变直线运动，都不符合制膜要求。同时，在上述专利中成膜辊或者接丝辊都设计为圆形辊，加大了对整机恒温空间的设计，能耗高。为了克服以上装置的不足，本发明提出一种新的设计方案，以此制备出均匀的纳米纤维膜，并且能降低耗。
发明的内容
本发明提供的一种静电纺丝制膜装置，是一种台式静电纺丝制膜装置。装置由喷头组、料糟、供料***、直流高压电源、喷头组运动控制***、成膜***、膜厚度控制***、收卷辊、供热***、温度控制***、溶剂处理***以及台式恒温室组成。喷头与料糟连接，供料***中的供料泵将料液通过供料管输送至料糟，再至各喷头。在直流高压电场作用下，高分子溶液形成多股细流，溶剂蒸发细流凝固形成纳米纤维。安装在料糟一侧的喷头成平面直线排列，与成膜***平面平行。每个料糟一侧排列的喷头数的多少，由料糟的长度和电学要求的距离确定。料糟安放在一个电绝缘性很高的托板7上，其长度与成膜***平面宽度相匹配。所有喷头与成膜***平面距离一致，在喷头往复运动时保持不变。绝缘托板安置在两条平行滑轨上，并与喷头组运动控制***相连。平行滑轨固定在另一块绝缘平板上，绝缘平板固定在托架8上。喷头组的往复运动，是通过喷头组运动控制***给出的往复运动，带动绝缘托板运动实现的，由此可避免喷头上的高压电影响喷头组运动控制***。喷头组运动控制***的主要部件是往复丝杆，或者是步进电机。往复丝杆运动控制***是由调速电机和往复丝杆组成，往复丝杆上的滑块与绝缘托板相连。复丝杆螺纹多少螺距长短，根据料糟一侧的喷头分布设计。步进电机运动控制***由丝杆、步进电机和电源控制***组成。丝杆滑块与绝缘托板相连，丝杆滑块运动带动喷头组运动。步进电机运动控制***的优点是能用步长调节控制喷头组往复运动距离；转为返向运动时停留时间可调节。
静电纺丝制膜装置的成膜***，由圆形钢带5、两个相同直径的上支撑圆辊3和下支撑圆辊4、支架6、调速电机和转速控制***组成。两支撑圆辊支撑圆形钢带，形成两个平面，平面面积与圆形钢带宽度周长有关。圆形钢带5宽度1000-1500，周长度2000-2500，厚度0.2-1.0；支撑圆辊有效长度1000-1500，直径150-200。支撑圆辊两端轴承平行固定在支架6上，支架6垂直固定在台面上；上支撑圆辊3可以相对下支撑圆辊4平行移动，以调节圆形钢带张力；下支撑圆辊4与调速电机相连，电机转动带动下支撑圆辊转动，继而圆形钢带转动。由圆形钢带5构成的成膜***，在两侧形成对称平面。每个平面高760-1000，每一侧能设置2-3排喷头组，提高单机喷丝产量。收卷辊2安放在上支撑圆辊3的上方，收卷辊2与上支撑圆辊3支撑的钢带紧贴，钢带转动带动收卷辊2转动。在专利申请号2013204677089中有关于收卷***的详细描述。
整个装置放在一个恒温室1中，恒温室1安在一个台子上，形成台式装置。静电纺丝制膜装置供热***分两部份，一部分是供恒温室用热，用于使恒温室1加热恒温。另一部分是分组局部供热***，热风管道安置在每排喷头组下方，当喷丝量大时补充溶剂的挥发热量，热量可通过控制器调节。恒温室1中的溶剂蒸汽通过恒温室出口9排出，进入溶剂处理***。溶剂处理***为循环水冷凝的溶剂回收装置，结构简单能耗低，溶剂回收率在98％以上。
在本方案中，喷头组中的喷头采用两种类型。一种为通常的，按针头部分的长短与内径最佳比例设计，保证每个喷头有最大的喷丝量。另一种喷头在专利200710000533.X和200920152165.5中已有描述，称之为双层结构圆筒喷头，简称双喷头。
附图说明
图为静电纺丝制膜装置示意图，恒温室1，收卷辊2，上支撑辊3，下支撑辊4，圆形钢带5，支架6，托板7，托架8，恒温室出口9。
具体实施方式
采用本发明的静电纺丝制膜装置，以适当的高分子溶液制备纳米纤维膜。其溶液可以是水溶液，也可以是有机溶剂溶液。其过程是高分子溶液也称电纺液从料槽流向喷头，再由喷头流出。当喷头与成膜***圆形钢带之间形成高电场时，电纺液在喷头顶端形成泰勒锥体。由于电场的作用，液流***成若干细流，流向圆形钢带。同时溶剂挥发高分子固化，在圆形钢带5上形成纳米纤维。同时各排喷头组以一定匀速往返运动，圆形钢带5也以一定速度转动，使纳米纤维形成均匀的纳米纤维膜。往复丝杆的运动控制***或步进电机运动控制***调节喷头组往返运动速度，每次往返时间与圆形钢带5转动速度相匹配，一般控制在2-3秒。圆形钢带5转动速度是根据膜厚要求调节的，当喷头组往返运动速度不匹配时，易引起成膜不均匀。纳米纤维膜从圆形钢带5上剥离，由收卷辊2连续收卷。
进行静电纺丝制膜程序之前，对恒温室1进行加温。温度的控制范围应由静电纺丝液的溶剂体系和静电纺丝电场强度来确定。如果能控制好纳米纤维在圆形钢带成膜之前溶剂已挥发，成膜有很好孔隙率和透气性。如果控制好溶剂大部分挥发，但尚有适当的少部分，不影响纤维变形，这时由于纤维交叉点的紧联接，形成的膜具有高强度的网状膜。
实例1
上述静电纺丝制膜装置，设计的圆形钢带5宽度1000，厚度0.5，周长2500。以3F公司牌号904的聚偏氟乙烯(PVDF)为材料配成静电纺丝液，以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，丙酮为调节剂。以DMF∶丙酮＝7∶3(V/V)的混和溶剂，配制PVDF含量为10％的静电纺丝液。恒温室1温度恒定在35℃，以针头型喷头安装在每条料糟上，进行静电纺丝制膜。每排供料量每分钟5ml，控制膜厚度20μm，每小时大约产膜10m2。
实例2
以实例1相同的静电纺丝制膜装置和料液进行静电纺丝制膜，恒温室1温度恒定在40℃，以双喷头安装在每条料糟上，喷头数与实例1相同。每排供料量15ml，控制膜厚度20μm。开启分组供热***，调节至合适的热量输出。大约每小时能产膜30m2。
实例3
上述静电纺丝制膜装置，设计圆形钢带5宽度为1500，厚度0.6，长度2500。料糟长度与圆形钢带5宽度相匹配，双喷头数相应增加，其他参数相同，以同一料液静电纺丝制膜，每小时能产膜45m2。

Claims (4)

1.一种静电纺丝制膜装置，包括喷头组、料糟、供料***、直流高压电源、厚度控制***、收卷辊、温度控制***、台式恒温室、喷头组运动控制***、成膜***、供热***，其特征在于：
成膜***由圆形钢带(5)、两个相同直径的上支撑圆辊(3)和下支撑圆辊(4)、支架(6)、调速电机和转速控制***组成，两支撑圆辊支撑圆形钢带(5)，上支撑圆辊(3)相对下支撑圆辊(4)可平行移动，下支撑圆辊(4)与调速电机相连，电机转动带动下支撑圆辊(4)转动，继而圆形钢带(5)转动，在圆形钢带(5)两侧形成对称平面，每一侧设置2-3排喷头组，各排喷头组以一定匀速往返运动，所述喷头组运动控制***调节喷头组往返运动速度，每次往返时间与圆形钢带(5)转动速度相匹配；
收卷辊(2)安放在上支撑圆辊(3)的上方，收卷辊(2)与上支撑圆辊(3)支撑的钢带紧贴，钢带转动带动收卷辊(2)转动，纳米纤维膜从圆形钢带(5)上剥离，由收卷辊(2)连续收卷；
供热***分两部分，一部分是供台式恒温室用热，用于使台式恒温室加热恒温；另一部分是分组局部供热***，热风管道安置在每排喷头组下方，当喷丝量大时补充溶剂的挥发热量，并通过控制器调节热量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷头组运动控制***由调速电机和往复丝杆组成，往复丝杆与托板(7)相连，托板(7)安装在两条平行滑轨上，平行滑轨固定在另一块绝缘平板上，喷头组安装在托板(7)上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷头组运动控制***由丝杆、步进电机和电源控制***组成，丝杆与托板(7)相连，托板(7)安装在两条平行滑轨上，平行滑轨固定在另一块绝缘平板上，喷头组安装在托板(7)上；并且所述喷头组运动控制***用步长调节控制喷头组往复运动距离，其中喷头组转为返向运动时的停留时间是可调节的。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括溶剂处理***，所述溶剂处理***为循环水冷凝的溶剂回收装置。
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