一种熔体静电纺丝装置
技术领域
本实用新型涉及静电纺丝领域，特别是涉及一种熔体静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，其过程主要是将聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。通过静电纺丝可以获得纳米级的聚合物细丝，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的重要的学术与技术活动之一，静电纺丝制备技术在医疗、组织工程、过滤和电池膜等领域广泛应用。
现有技术中的静电纺丝装置通常包括一供料单元、一纺丝头和一接收板。其中，所述纺丝头内设置有一加热器和一针头；所述供料单元向所述纺丝头供料，所述纺丝头的加热器对物料进行加热熔融，使固态物料变为熔体并挤向所述纺丝头的针头，并在针头处形成液滴；所述接收板水平放置，所述纺丝头的针头朝向所述接收板；所述纺丝头的针头接高压电源，所述接收板接地，在所述接收板与所述纺丝头之间形成高压强电场，在高压强电场作用下，所述纺丝头的针头处的液滴会由球形变为圆锥体，即所谓的“泰勒锥”，并从锥尖端延展得到纤维细丝，从而所述纺丝头的针头向所述接收板喷射出纺丝，并在所述接收板上成形。
例如，请参阅图1，中国专利CN20323835U公开了一种新型熔体静电纺丝装置，包括一箱体100、一料筒200、一推杆300、一喷嘴400，一电加热器500、一接收装置600和高压静电发生器700。其中，所述料筒200通过螺钉固定在所述箱体100中央，所述推杆300的下部的螺纹与所述料筒200上方的内孔螺纹连接，所述推杆300的上部设置有手柄，转动所述推杆300的手柄，可使所述推杆300在所述料筒200内移动；所述喷嘴400接在所述料筒200的下方并连通，并从所述箱体100的中央部分导出，所述喷嘴400接地；所述电加热器500设置在所述箱体100内，并围绕着所述料筒200，对所述料筒200内的物料进行加热；所述接收装置600设置在所述喷嘴400下方，所述高压静电发生器700的正极输出端连接所述接收装置600。其工作时，向所述料筒200加入一定量的物料并加热到预设温度，物料变为熔体，转动所述推杆300挤压熔体，当所述喷嘴400末端出现熔融的聚合物滴液时，打开所述高压静电发生器700，使熔体喷射出来，并在所述接收装置600冷却沉积。上述静电纺丝装置所使用的物料为颗粒状，为保证物料受热均匀和及时供料，一般都要配合体积较大的料筒使用。将颗粒状放入料筒后进行熔融得到熔体，然后转动与料筒螺纹配合连接的推杆，使推杆挤压熔体，熔体在从喷嘴挤出，也就是说，料筒、推杆和喷嘴要组装成一体，整体作为纺丝头，此外，现有技术中的静电纺丝装置成型过程中，一般纺丝头需要移动以配合完成各种成型动作，因此，上述纺丝头在成型过程中作运动时，需要连同与之成为整体的推杆以及装有大量熔体的料筒共同运动，从而导致静电纺丝装置的运动机构笨重，纺丝头无法实现高速运动，不符合纳米尺寸零件成型的要求，其设备结构复杂，操作不便，成本高。此外，转动螺杆的过程中难以控制熔体的挤出量，无法实现精确送料。
实用新型内容
基于此，本实用新型的目的在于，提供一种熔体静电纺丝装置，减轻纺丝头的整体重量，在提高纺丝头运动的速度，实现纳米尺寸零件的成型的同时，提高送料的精确度，进一步简化熔体静电纺丝装置的结构与操作，降低设备成本。
一种熔体静电纺丝装置，包括纺丝头，所述纺丝头包括导热块、导料通道和加热器；所述导料通道设置在所述导热块中并贯穿所述导热块；所述加热器位于所述导料通道一侧。
与现有技术相比，该熔体静电纺丝装置的纺丝头结构简单轻便，可连续地将微量的物料放入该纺丝头中加热制备熔体，在保证持续供料的同时，大大减轻纺丝头的重量，实现纺丝头的高速运动，符合纳米尺寸零件成型的要求。
进一步，所述纺丝头还包括温度传感器，所述温度传感器位于所述导料通道另一侧。通过温度传感器的检测，对纺丝头内的温度实施监控，保证加热温度稳定在设定的范围。
进一步，该熔体静电纺丝装置还包括双轮挤出机，所述双轮挤出机包括电机和动轮组，所述动轮组包括压轮和惰轮；所述压轮与所述惰轮相对设置，其二者之间具有一间隙；所述电机带动所述压轮转动。通过双轮挤出机的压轮与惰轮，控制送料量，可实现精确送料，该双轮挤出机结构简单，操作方便。
进一步，所述动轮组还包括箱体、弹簧和惰轮支架，所述压轮轴接于所述箱体内，所述惰轮支架设置在所述箱体内并可朝向所述压轮移动，所述惰轮与所述惰轮支架轴接并与所述压轮相对，所述弹簧一端安装在所述箱体的内壁上，另一端顶住所述惰轮支架并对所述惰轮支架施加朝向所述压轮的力。通过弹簧的压紧力，将惰轮推向压轮，物料在压轮与惰轮之间移动时与压轮以及惰轮贴紧，增大物料与压轮以及惰轮之间的摩擦力。
进一步，所述双轮挤出机包括传动轮和两组动轮组，所述传动轮设置在相邻的动轮组的压轮之间并与其啮合。设置多组动轮组，增大牵引力的同时，提高送料机构的可靠性。
进一步，所述动轮组还包括压轮传动轮，所述压轮安装在所述压轮传动轮上并与其同轴转动，所述电机带动所述压轮传动轮转动以带动所述压轮转动。压轮传动轮与电机齿轮啮合传动，增大输出力矩，保证压轮转动力矩，并提高运动精度。
进一步，该熔体静电纺丝装置还包括一冷却单元，所述冷却单元设置在所述双轮挤出机与所述纺丝头之间。通过冷却单元冷却进入纺丝头前的物料，保证物料靠近纺丝头入口处呈固相状态，进入纺丝头内的物料被加热成呈液相状态，以固相状态的物料推动液相状态的物料，实现将液相状态的物料从纺丝头挤出；同时，冷却单元对物料及时散热，避免纺丝头热量上传到纺丝头上部的部件上，保证物料进入纺丝头前保持固相状态。
进一步，该熔体静电纺丝装置还包括接收单元，所述接收单元包括绝缘接收板，所述绝缘接收板与所述纺丝头相对设置。
进一步，所述接收单元还包括导电极板，所述绝缘接收板位于所述纺丝头与所述导电极板之间。通过设置导电极板，使熔体静电纺丝装置同时具有熔融沉积成型和静电纺丝成型功能；与此同时，高压电源的高伏电压正极接导电极板，高伏电压负极接纺丝头，避免高伏电压击坏纺丝头上的用电设备，影响正常工作。
进一步，该熔体静电纺丝装置还包括供料单元，所述供料单元包括料盘、用以检测供料的断料检测器和用以干燥物料的干燥器。物料在干燥器的作用下，进行预热处理与干燥，从而滤除外部水份，防止物料受潮，达到更好的成型效果；通过预热处理，更好地挤出物料。断料检测对物料的移动进行检测，确保及时供料，避免纺丝头堵塞引发的故障。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。
附图说明
图1为现有技术中一种静电纺丝装置其纺丝头的示意图；
图2为本实用新型实施例中熔体静电纺丝装置整体结构的示意图；
图3为本实用新型实施例中双轮挤出机结构的示意图；
图4为本实用新型变形实施例之一中双轮挤出机结构的示意图；
图5为本实用新型变形实施例之二中双轮挤出机结构的示意图；
图6为本实用新型变形实施例之三中双轮挤出机结构的示意图；
图7为本实用新型实施例中纺丝头结构的示意图；
具体实施方式
由于在现有技术中，静电纺丝的物料一般为颗粒状。当将颗粒状的物料放置到加热器内加热熔融为熔体时，为防止物料在加热器中受热不均匀和保证及时供料，每次需要熔融大量的熔体，然后再将熔体从纺丝头挤出，特别是在加热器与纺丝头一体的情况下，在纺丝头的运动过程中，大量熔体增加负荷，影响纺丝头的移动速度。针对此问题，本实用新型采用线状固体物料为原料，采用双轮挤出线性固体物料的送料方式，简化送料装置；同时，线性固体物料的移动推动了在加热装置熔化的液相物料，并将液相物料马上从纺丝头挤出，从而减轻了纺丝头的整体重量，简化纺丝头结构，并能实现精确地输出物料。
具体地，请参阅图2，本实用新型的熔体静电纺丝装置包括一供料单元10、一双轮挤出机20、一纺丝头30、一接收单元40和一主控单元。其中，所述主控单元分别与所述供料单元10、所述双轮挤出机20、所述纺丝头30、所述接收单元40电连接；所述双轮挤出机20、所述纺丝头30和所述接收单元40组成成型室；所述供料单元10通过导料管将线状固体物料输送到所述双轮挤出机20内；所述双轮挤出机20牵引物料并将线状固体物料输送到所述纺丝头30内，线状固体物料在所述纺丝头30内被加热熔融为熔体，所述接收单元40与所纺丝头30分别接高压电源的正、负极并形成高压电场，所述纺丝头30喷射出熔体形成纺丝；所述接收单元40位于纺丝喷出方向并且与所述纺丝头30相对，纺丝在所述接收单元40上成形。
所述供料单元10包括一料盘11，一断料检测器12和一干燥器(图未示)，其中，物料放置在所述料盘11中，并通过导料管将物料输送到所述双轮挤出机20内；所述断料检测器12设置在所述料盘与所述双轮挤出机20之间，所述断料检测器12对物料的移动进行检测，保证供料；所述干燥器设置在所述供料单元10内并对进入成型室前的物料进行干燥与预热处理。
所述双轮挤出机20安装在双轮挤出机支架(图未示)上，在所述主控单元的控制下沿所述双轮挤出机支架作水平或垂直运动。所述双轮挤出机20的进料口与所述供料单元10连接。请参阅图3，所述双轮挤出机20包括一电机(图未示)、一机箱21和一动轮组22，所述动轮组22包括一压轮220与一惰轮221。其中，所述主控单元与所述电机电连接并控制所述电机转动；所述电机与所述压轮220连接并带动所述压轮220转动；所述压轮220与所述惰轮221分别轴接在所述机箱21的同侧箱壁上并相对设置，所述压轮220与所述惰轮221之间有一间隙，线性物料在所述压轮220与所述惰轮221之间通过，并且物料与所述压轮220以及所述惰轮221相接触，物料在与所述压轮220的摩擦力作用下向所述纺丝头30移动，所述惰轮221对物料进行限位，使物料保持与所述压轮220相接触，并在物料对其摩擦力作用下转动。
进一步，请参阅图4，作为所述双轮挤出机20的变形实施例之一，所述动轮组22还包括一弹簧222和一惰轮支架223。其中，所述主控单元与所述电机电连接并控制所述电机转动；所述压轮220轴接在所述机箱21的箱壁上，所述电机与所述压轮220连接并带动所述压轮220转动；所述惰轮支架223设置在所述机箱21内并可朝向所述压轮220移动；所述惰轮221轴接在所述惰轮支架223上，所述压轮220与所述惰轮221相对设置，线性物料在所述压轮220与所述惰轮221之间通过；所述弹簧222一端固定在所述机箱21的另一侧箱壁上，所述弹簧222另一端顶住所述惰轮支架223并对所述惰轮支架223施加朝向所述压轮220的力；在弹力的作用下，将所述惰轮支架223连同所述惰轮221压向所述压轮220，所述压轮220与所述惰轮221之间的物料被推向所述压轮220并与所述压轮220以及所述惰轮221紧密贴合；物料在与所述压轮220的摩擦力作用下，被牵引向所述纺丝头30移动，所述惰轮221在与物料的摩擦力作用下转动。
进一步，请参阅图5，作为所述双轮挤出机20的变形实施例之二，所述双轮挤出机20还包括至少两组动轮组22和传动轮23，其中，相邻的两个动轮组22的压轮220之间设置一所述传动轮23，所述传动轮23分别与相邻的压轮220啮合，并在所述压轮220之间传动；所述主控单元与所述电机电连接并控制所述电机转动；所述电机与多组动轮组22中的其中一个压轮220连接并带动所述压轮220转动；多组动轮组22的压轮220分别轴接在所述机箱21的同侧箱壁上；所述惰轮支架223设置在所述机箱21内并可朝向所述压轮220移动；多组动轮组22的惰轮221轴接在所述惰轮支架223上，多组动轮组22的压轮220与多组动轮组22的惰轮221相对设置，物料在所述压轮220与所述惰轮221之间通过；所述弹簧222一端固定在所述机箱21的另一侧箱壁上，所述弹簧222另一端顶住所述惰轮支架223并对所述惰轮支架223施加朝向所述压轮220的力；在弹力的作用下，将所述惰轮支架223连同所述惰轮221压向所述压轮220，所述压轮220与所述惰轮221之间的物料被推向所述压轮220并与所述压轮220以及所述惰轮221紧密贴合；物料在与所述压轮220的摩擦力作用下，被牵引向所述纺丝头30移动，所述惰轮221在与物料的摩擦力作用下转动。
进一步，请参阅图6，作为所述双轮挤出机20的变形实施例之三，所述动轮组22还包括一压轮传动轮224，所述压轮传动轮224设置在所述压轮220上，并与所述压轮220同轴同向转动，所述压轮传动轮224与所述压轮220共同轴接在所述机箱21的一侧箱壁上；所述主控单元与所述电机电连接并控制其转动；所述电机与所述压轮传动轮224连接并带动所述压轮传动轮224转动；所述压轮传动轮224带动所述压轮220同轴同向转动；所述动轮组22的数量为两组以上时，所述传动轮23设置在相邻两个的压轮传动轮224之间并与其啮合，所述传动轮23在所述压轮传动轮224之间传动。
所述纺丝头30包括一导热块31、一导料通道32、一加热器33、一喷头34和一同轴针头35。其中，所述纺丝头30安装在所述所述双轮挤出机20的出料口处，随着所述双轮挤出机20的移动而移动；请参阅图7，本实施例中的所述导热块31为圆筒状，优选地，所述导热块31的材料为铜，所述导料通道32设置在所述导热块31的轴心处并贯通所述导热块31，所述导料通道32的始端与所述双轮挤出机20的出料口相连接；所述加热器33设置在所述导热块31内并在所述导料通道32一侧，优选地，所述加热器33为电阻加热棒；所述喷头34的外径小于所述导热块31的外径，所述喷头34设置在所述导热块31的底端，所述导料通道32末端位于所述喷头34内；所述同轴针头35与所述喷头34中的所述导料通道32同轴连通；所述主控单元与所述加热器33电连接并控制所述加热器33，固相物料进入所述导料通道32内后被所述加热器33加热熔融为熔体，在物料挤压与所述双轮挤出机20推动的作用下，熔体从导料通道32被挤向所述同轴针头35，从所述同轴针头35挤出，形成液滴。优选地，所述喷头34的材料为铜，所述喷头34与所述同轴针头35过盈连接，使得热量高效地从所述喷头34传到所述同轴针头35，所述同轴针头35的长度优选5～8mm，这样既能保证形成稳定的高压强电场，又能避免在所述同轴针头35末端形成的液滴与所述喷头34粘连；优选地，所述导热块31内设置一温度传感器36，所述温度传感器36与所述加热器33相对并位于所述导料通道32另一侧，所述温度传感器36对在所述加热器33中加热的物料进行温度检测。
所述接收单元40包括一绝缘接收板41、一绝缘托台42和丝杆电机(图未示)，其中，所述主控单元与所述丝杆电机电连接并控制所述丝杆电机运动，所述绝缘托台42安装在接收单元支架上，在所述丝杆电机带动下沿接收单元支架作上下垂直运动；所述绝缘接收板41与所述纺丝头30相对，接收从所述纺丝头30出来的物料，并通过绝缘支撑杆悬置在所述绝缘托台42上，所述绝缘接收板41随所述绝缘托台42的移动而移动；进一步，所述绝缘托台42上设置有导电极板(图未示)，所述绝缘接收板41位于所述纺丝头30与所述导电极板之间，所述导电极板接高压电源的高伏电压正极，所述同轴针头35接高压电源的高伏电压负极，优选地，所述导电极板的材料为铜箔或铝箔。
此外，为保证物料在进入所述导料通道32时保持固相状态，在所述双轮挤出机20的出料口端与所述纺丝头30的入料口端之间设置一冷却单元50，对进入所述纺丝头30前的物料进行冷却。在本实施例中，冷却方式为水冷，所述冷却单元50包括一水冷器51，一水槽52、一进水管53、一回水管54和一水泵55，所述水冷器51内设置有耐高温喉管(图未示)，所述耐高温喉管一端连接所述双轮挤出机20的出料口，另一端连接所述纺丝头30的导料通道32，物料从所述双轮挤出机20输出后经过所述水冷器51中的耐高温喉管再被送入所述纺丝头30的导料通道32中，物料在所述耐高温喉管中保持固相状态；所述水冷器51一端连接所述进水管53，另一端连接所述回水管54，所述进水管53与所述回水管54分别与所述水槽52连接；所述主控单元与所述水泵55电连接并控制所述水泵55，所述水泵55控制所述水槽52中的水从所述进水管53流入所述水冷器51，再从所述回水管54流回所述水槽52中，实现水循环冷却。优选地，耐高温喉管选用特氟龙或不锈钢材料制作。
基于上述熔体静电纺丝装置的结构，线性物料在所述双轮挤出机20的压轮与惰轮牵引下，从所述供料单元10将微量的物料连续送入所述加热器33内，所述加热器33随即对微量的物料进行熔融，然后，熔体立即通过所述纺丝头30挤出到所述接收单元40上，微量的熔体没有增加所述纺丝头30负荷，对纺丝头的高速移动没有影响，与此同时，所述双轮挤出机20的压轮与惰轮能对线材的移动进行精确的控制，提高送料量的精确度。以下具体说明其工作过程：
首先，放置在所述料盘11中的线性物料通过导料管，进入成型室中的所述双轮挤出机20的动轮组22的压轮220与惰轮221之间的间隙。在所述主控单元控制下，所述电机带动所述压轮220作逆时针转动，物料受到向下的摩擦力后向下移动，与此同时，所述惰轮221与物料之间产生摩擦，所述惰轮221作顺时针转动，并使物料保持与所述压轮220相接触。物料在所述压轮220与所述惰轮221同向的摩擦力牵引下，向所述双轮挤出机20的出料口移动。在主控单元的控制下，所述双轮挤出机20沿双轮挤出机支架作水平移动。
进一步，在所述动轮组22中设置一弹簧222和一惰轮支架223，所述弹簧222向所述惰轮支架223施加朝向所述压轮220的弹力，使所述惰轮支架223连同所述惰轮221压向所述压轮220，增强所述惰轮221对物料的压紧力。
进一步，增加所述动轮组22的组数，使所述动轮组22的数量为两组以上，并在多组动轮组22的压轮220之间各设置一传动轮23，所述传动轮23分别与相邻的两个压轮220啮合。在所述主控单元控制下，所述电机带动其中一个压轮220作逆时针转动，与之啮合的传动轮23作顺时针转动，与所述传动轮23啮合的另外一个压轮220在所述传动轮23的带动下作逆时针转动，以此类推，通过所述传动轮23实现在所述压轮220之间传动。
进一步，所述动轮组22还包括一压轮传动轮224，所述电机带动所述压轮传动轮224逆时针转动；所述压轮220安装在所述压轮传动轮224上并其同轴逆时针转动；当所述动轮组22的数量为两组以上时，所述传动轮23分别与相邻的两个压轮传动轮224啮合，实现传动。
此外，在线性物料进入所述双轮挤出机20前，物料先进入所述断料检测器12，所述断料检测器12对物料的移动进行检测，确保及时供料，避免喷头堵塞引发的故障。位于所述供料单元10内的所述干燥器对物料进行干燥，从而滤除水份，防止原料受潮；同时进行预热处理，以便更好供料。
下一步，物料在所述双轮挤出机20的推动下，送入所述纺丝头30的导料通道32中，在主控单元的控制下，所述纺丝头30的加热器33通过所述导热块31传热对物料进行加热，物料在所述导料通道32中变为熔体，呈液相状态，不断熔化的熔体通过所述导料通道32向所述同轴针头35挤压，熔体从所述同轴针头35挤出，形成液滴。优选地，在所述导热块31的导料通道32外壁设置所述温度传感器36，所述温度传感器36对在所述加热器33中加热的物料进行温度检测，实施监控，保证稳定的加热温度。
此外，物料在推向所述纺丝头30的导料通道32前，物料先通过所述水冷器51的耐高温喉管，主控单元控制所述水泵55，将所述水槽52中的水通过所述进水管53进入所述水冷器51对耐高温喉管内的物料进行冷却，再从所述回水管54流回所述水槽52，所述耐高温喉管中的物料被冷却，物料在所述耐高温喉管中保持固相状态，所述耐高温喉管中固相状态的物料被所述双轮挤出机20不断推动，从而推动所述纺丝头30的导料通道32中液相状态的物料向所述同轴针头35移动。
下一步，在主控单元的控制下，电机带动所述双轮挤出机20作水平移动，所述双轮挤出机20、所述冷凝器50和所述纺丝头30相对固定连接，移动安装在接收单元支架上的所述接收单元40，从而调整所述接收单元40与所述纺丝头30的相对距离，使得所述纺丝头30的同轴针头35靠近所述接收单元40的绝缘接收板41，所述同轴针头35处的液滴沉积在所述绝缘接收板41上。在主控单元的控制下，根据成型轨迹，所述同轴针头35与所述绝缘接收板41作水平相对移动，直到完成所需结构形状。
进一步，在主控单元的控制下，移动安装在双轮挤出机支架上的所述双轮挤出机20带动所述纺丝头30，或是移动安装在接收单元支架上的所述接收单元40，从而调整所述接收单元40与所述纺丝头30的相对距离，使得所述纺丝头30的同轴针头35与所述接收单元40的绝缘接收板41分开至合适的距离，所述绝缘托台42上的导电极板接通高压电源的正极，所述同轴针头35接通高压电源的负极，在所述同轴针头35与所述绝缘接收板41之间形成高压强电场。在高压强电场作用下，所述同轴针头35处的液滴由球形被拉成圆锥体，形成泰勒锥，并从锥尖端延展得到纤维细丝，从而得到从所述同轴针头35向所述绝缘接收板41喷射出的纺丝，纺丝在所述绝缘接收板41上成形。在主控单元的控制下，根据需要调整相应的电压，并根据成型轨迹，所述同轴针头35与所述绝缘接收板41作水平相对移动，直到完成所需结构形状。
相比于现有技术，本实用新型的熔体静电纺丝装置的送料机构结构简单，能连续地将微量的物料放入纺丝头中加热制备熔体，在保证持续送料的同时，大大减轻纺丝头的整体重量，实现纺丝头的高速运动，符合纳米尺寸零件成型的要求；与此同时，通过双轮牵引机的压轮与惰轮，控制送料量，可实现精确送料；熔体静电纺丝装置结构简单，操作方便。进一步，熔体静电纺丝装置中设置冷却单元，使物料保持固相状态进入纺丝头，在纺丝头内形成入口处为固相状态，挤压出口处为液相状态的熔体，增强送料的效果。最后，配合温度传感器、断料检测器和干燥器，保证工作稳定、可靠。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
