一种杂乱纤维膜的制备装置及其方法
技术领域
本发明涉及纺丝纤维制备领域，具体是一种杂乱纤维膜的制备装置及其方法。
背景技术
静电纺丝是制备聚合物微纳米纤维的一种重要加工方法，通过静电作用于聚合物溶液上，使得喷头处的溶液滴由球形变为圆锥形(泰勒锥)，并从锥尖处喷射出形成纺丝射流，纺丝射流在电场力的作用下向收集装置运动，在运动过程中被拉伸并逐渐固化形成纤维丝。这种加工方式具有设备简单、操作简便、加工出的纤维能够达到纳米级别等优势，被广泛应用在生物医学材料、过滤材料、纤维薄膜制备等领域。
杂乱纤维膜是一种包含了多种长度和直径尺度的纤维，纤维直径范围从300nm-1800μm，长度范围500μm-900mm，这种纤维膜具有较大的尺度范围，因此具有很好的过滤效果，常应用于过滤产品。现有技术中，常采用固定工具对纤维束进行裁剪，最后得到长度统一、直径不一的纤维膜，剪切后按一定方式混合得到杂乱纤维膜。但是，这种方式制造的纤维膜尺度取决于用来剪切的长纤维束的尺寸，由于尺寸变化不具有连续性，所以纤维膜尺度剪切受到一定的限制。
现有技术在杂乱纤维膜制备过程中需要剪切和混合等后期工序，不能直接制备直径和长度范围较大的杂乱纤维膜，制备过程工序较多，生产成本高。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种杂乱纤维膜的制备装置，通过。
本发明的上述技术方案是通过以下方式实现的：
一种杂乱纤维膜的制备装置，包括传动箱、纺丝喷头、溶液泵、储液箱、收集装置以及高压电源。传动箱的输出端与纺丝喷头的底部连接，传动箱用于带动纺丝喷头转动。收集装置位于纺丝喷头的顶部上方位置，收集装置用于收集由纺丝喷头制备出来的纺丝纤维。收集装置上设置有高压电极网，高压电极网与高压电源电性连接。溶液泵的进口伸入至储液箱内，储液箱内放置有纺丝溶液，溶液泵的出口正对纺丝喷头的顶部，溶液泵的出口位于高压电极网与纺丝喷头之间。
纺丝喷头的形状为锥状，纺丝喷头的外表面分别设有第一溶液流道、第二溶液流道、第三溶液流道以及第四溶液流道，第一溶液流道、第二溶液流道、第三溶液流道以及第四溶液流道以纺丝喷头的中心为同轴圆心，依次沿纺丝喷头外表面螺旋向下，第一溶液流道的平均宽度大于第二溶液流道的平均宽度，第二溶液流道的平均宽度大于第三溶液流道的平均宽度，第三溶液流道的平均宽度大于第四溶液流道的平均宽度。
与现有技术相比，本发明的优点是：传动箱转动带动纺丝喷头转动，纺丝喷头转动产生离心力，通过在纺丝喷头上设有第一溶液流道、第二溶液流道、第三溶液流道以及第四溶液流道，使纺丝溶液在离心力的作用下从纺丝喷头的顶部向下旋转，而且直径发生变化。纺丝溶液在高压电极网产生高压静电场的作用下形成射流，在经过高压电极网时产生不同长度和不同直径的纺丝纤维，最总制备出杂乱纤维膜，具有制备工序简单，降低生产成本的特点。
进一步优化为：第一溶液流道、第二溶液流道、第三溶液流道以及第四溶液流道均与收集装置之间的距离各不相同。
采用上述技术方案，每个溶液流道上的纺丝溶液在高压静电力作用下发生喷射、飞行的时间也不同，导致纺丝射流所受的电场拉伸作用效果也不相同，所以形成的纤维直径也就不相同。
进一步优化为：第一溶液流道、第二溶液流道、第三溶液流道以及第四溶液流道均沿着纺丝喷头的外表面的旋转线速度各不相同。
采用上述技术方案，形成的纺丝射流喷射的初速度也不相同，导致射流在静电场加速运动中的喷射飞行时间也不相同，所以形成的纤维直径也不相同。
进一步优化为：收集装置与纺丝喷头之间的距离范围为5cm-20cm。
采用上述技术方案，在此距离范围内形成高压静电场，纺丝溶液从纺丝喷头的顶部流向至底部，在高压静电场的作用下，可以高效地形成不同直径的纺丝纤维。
进一步优化为：高压电源的输出范围为-30kV-60kV。
采用上述技术方案，在此电压范围内，高压电极网与纺丝喷头之间均可产生高压静电场，能制备出符合要求的纺丝纤维。
进一步优化为：电机选用OPG(OPG是台湾欧邦电机有限公司的英文缩写，以下简称OPG)调速电机，电机的转速范围为5r/min-450r/min。
采用上述技术方案，通过调整电机的转速的大小，调整传动箱转动的转速，进而调整纺丝喷头的转速，从而间接的制备出符合要求的纺丝纤维。
进一步优化为：溶液泵选用电磁计量泵，溶液泵的流量范围0L/h-0.5L/h。
采用上述技术方案，该泵可以输送满足符合流量要求的纺丝溶液。
进一步优化为：纺丝喷头的形状为锥状。
采用上述技术方案，有利于形成不同直径的纺丝纤维。
本发明还公开了一种基于杂乱纤维膜制备装置的制备方法，包括以下步骤：
向储液箱中添加PEO(聚氧化乙烯，又称聚环氧乙烷，是一种结晶性、热塑性的水溶性聚合物，以下简称PEO)水溶液，所述PEO水溶液的浓度为10％。
启动溶液泵，溶液泵的供液速度0.2L/h，通过溶液泵将纺丝溶液输送至纺丝喷头，并充满第一溶液流道、第二溶液流道、第三溶液流道以及第四溶液流道。
启动电机，电机的工作端带动传动箱转动，传动箱转动带动纺丝喷头旋转，纺丝喷头转动速度为50r/min。
开启高压电源，设置输出电压值为30kV，使高压电极网带电，高压电极网与所述纺丝喷头之间形成高压静电场，在纺丝喷头上流动的纺丝溶液形成射流。
射流在高压静电场产生的电场力的作用下，向高压电极网喷射，最后在高压电极网上形成不同直径和长度的纺丝纤维。
纺丝纤维沉积在收集装置上，形成不同直径和长度的杂乱纤维膜。
采用上述技术方案，本方法可快速形成不同直径和长度范围的杂乱纤维膜，而且直径和长度范围较大，同时无须现有技术中的剪切、混合等后期工序，使制备杂乱纤维的工艺简单快捷，节省了工作时间，提供了工作效率。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为制备杂乱纤维膜的示意图；
图3为纺丝喷头的结构示意图；
图中：1-电机；2-传动箱；3-纺丝喷头；4-纺丝纤维；5-收集装置；6-高压电极网；7-高压电源；8-溶液流道；81-第一溶液流道；82-第二溶液流道；83-第三溶液流道；84-第四溶液流道；9-溶液泵；10-储液箱。
具体实施方式
以下结合附图1、图2以及图3对本发明的技术方案做进一步说明。
一种杂乱纤维膜的制备装置，如图1和图2所示，包括包括电机1、传动箱2、纺丝喷头3、收集装置5、高压电源7、溶液泵9以及储液箱10。
电机1的工作端与传动箱2的输入端连接，电机1用于带动传动箱2工作产生转动，传动箱2的输出端与纺丝喷头3的底部连接，传动箱2用于带动纺丝喷头3转动。收集装置5位于纺丝喷头3的顶部上方位置，收集装置5用于收集由纺丝喷头3制备出来的纺丝纤维4。收集装置5上设置有高压电极网6，高压电极网6与高压电源7电性连接，高压电极网6用于形成高压静电场，高压电源7用于向高压电极网6提供高压电，高压电源7接地。溶液泵9的进口伸入至储液箱10内，储液箱10内放置有纺丝溶液，溶液泵9的出口正对纺丝喷头3的顶部，溶液泵9的出口位于高压电极网6与纺丝喷头3之间，溶液泵9用于将储液箱10内的纺丝溶液输送至纺丝喷头3的顶部上方位置，纺丝溶液从溶液泵9出口出来后流落在纺丝喷头3上，纺丝溶液顺着纺丝喷头3的顶部流至底部，同时在高压电极网6的高压静电场作用下，形成纺丝纤维4。
纺丝喷头3的形状为锥状，还可以是圆锥体，有利于形成不同直径的纺丝纤维4。如图1、图2以及图3所示，纺丝喷头3的外表面分别设有若干个溶液流道8。本实施例中纺丝喷头3的外表面分别设有第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84。第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84以纺丝喷头3的中心为同轴圆心，依次沿纺丝喷头3外表面螺旋向下，并且呈上宽下窄的变化趋势，即第一溶液流道81的平均宽度大于第二溶液流道82的平均宽度，第二溶液流道82的平均宽度大于第三溶液流道83的平均宽度，第三溶液流道83的平均宽度大于第四溶液流道84的平均宽度，如图1和图3所示，第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84的宽度逐渐变小。第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84均与收集装置5之间的距离各不相同，每个溶液流道上的纺丝溶液在高压静电力作用下发生喷射、飞行的时间也不同，导致纺丝射流所受的电场拉伸作用效果也不相同，所以形成的纤维直径也就不相同。第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84均沿着纺丝喷头3外表面的旋转线速度各不相同，形成的纺丝射流喷射的初速度也不相同，导致射流在静电场加速运动中的喷射飞行时间也不相同，所以形成的纤维直径也不相同。
具体的，收集装置5与纺丝喷头3之间的距离范围为5cm-20cm，在此距离范围内形成高压静电场，纺丝溶液从纺丝喷头3的顶部流向至底部，在高压静电场的作用下，可以高效地形成不同直径的纺丝纤维4。
具体的，本实施例中选用欧邦电机有限公司OPG调速电机1，转速范围为5r/min-450r/min，通过调整电机1的转速的大小，调整传动箱2转动的转速，进而调整纺丝喷头3的转速，从而间接的制备出符合要求的纺丝纤维4。
具体的，高压电源7的输出范围为-30kV-60kV，在此电压范围内，高压电极网6与纺丝喷头3之间均可产生高压静电场，能制备出符合要求的纺丝纤维4。
具体的，本实施例中溶液泵9选用是威尔沃夫牌电磁计量泵，型号为WS-03-07-M，流量范围0L/h-0.5L/h，该泵可以输送满足符合流量要求的纺丝溶液。
工作原理：如图2所示，溶液泵9将纺丝溶液输送至纺丝喷头3，纺丝溶液从纺丝喷头3的顶部依次沿着第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84充满每个溶液流道。电机1转动带动传动箱2转动，传动箱2转动带动纺丝喷头3转动，纺丝喷头3转动产生离心力，纺丝溶液在离心力的作用下从纺丝喷头3的顶部向下旋转，直径发生逐渐减小。接通高压电源7，使高压电极网6带电，与纺丝喷头3之间形成高压静电场，高压静电场产生电场力。纺丝溶液在离心力、重力以电场力的作用下，形成纺丝射流，并沉积在收集装置5上。由于第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84与收集装置5的距离各不相同，形成的纺丝射流在电场中的喷射时间也不相同，纺丝射流所受的电场力也不相同，所以形成的纤维直径也就不相同；第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84的宽度各不相同，纺丝溶液在不同流道处与电场的接触面积也不相同，形成的泰勒锥大小不相同，最终喷射出的纺丝射流直径也不相同。也能够形成不同直径的纺丝纤维4。第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84的旋转线速度不同，形成的纺丝射流喷射的初速度也不相同，导致射流在静电场加速运动中的喷射飞行时间也不相同，所以形成的纤维直径也不相同。纺丝溶液形成泰勒锥并喷射形成纺丝射流，纺丝射流在高压静电场作用下向收集装置5运动，并拉伸、固化，最终沉积在收集装置5上形成不同直径的纺丝纤维4，大量不同直径的纺丝纤维4沉积形成杂乱纤维膜。
传动箱2转动带动纺丝喷头3转动，纺丝喷头3转动产生离心力，通过在纺丝喷头3上设有第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84，使纺丝溶液在离心力的作用下从纺丝喷头3的顶部向下旋转，而且直径发生变化。纺丝溶液在高压电极网6产生高压静电场的作用下形成射流，在经过高压电极网6时产生不同长度和不同直径的纺丝纤维4，最总制备出杂乱纤维膜，具有制备工序简单，降低生产成本的特点。
一种基于杂乱纤维膜制备装置的制备方法，请结合图1、图2以及图3，包括：
向储液箱10中添加PEO水溶液，PEO水溶液的浓度为10％；
启动溶液泵9，溶液泵9的供液速度0.2L/h，通过溶液泵9将纺丝溶液输送至纺丝喷头3，并充满第一溶液流道81、第二溶液流道82、第三溶液流道83以及第四溶液流道84。
启动电机1，电机1的工作端带动传动箱2转动，传动箱2转动带动纺丝喷头3旋转，纺丝喷头3转动速度为50r/min。
开启高压电源7，设置输出电压值为30kV，使高压电极网6带电，高压电极网6与纺丝喷头3之间形成高压静电场，在纺丝喷头3上流动的纺丝溶液形成射流。
射流在高压静电场产生的电场力的作用下，向高压电极网6喷射，最后在高压电极网6上形成不同直径和长度的纺丝纤维4。
生成的纺丝纤维4沉积在收集装置5上，形成不同直径和长度的杂乱纤维膜，纤维直径范围300nm-600μm，长度范围500μm-900mm。
本方法可快速形成不同直径和长度范围的杂乱纤维膜，而且直径和长度范围较大，同时无须现有技术中的剪切、混合等后期工序，使制备杂乱纤维的工艺简单快捷，节省了工作时间，提供了工作效率。
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。
