一种静电纺丝实验机
技术领域
本实用新型涉及包装材料实验设备领域，尤其涉及一种静电纺丝实验机。
背景技术
近年来纳米纤维材料的制备已成为近十几年材料科学技术领域的重要学术和技术活动之一。随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，已在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。
对于一些高校或者科研机构，会对静电纺丝进行科研实验，实验过程中，需要一次对多种不同的溶液进行不同参数的静电纺丝实验，现有的静电纺丝设备难以满足静电纺丝科研实验的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种静电纺丝实验机。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种静电纺丝实验机，包括直流高压电源、溶液推送机构、辊筒式纳米丝收集机构、纵向往复运动机构、横向轨道和基架；
所述溶液推送机构的数量为两组，并排布置，溶液推送机构包括用于固定注射器针筒的固定组件和用于推动注射器推杆的推动组件；
所述辊筒式纳米丝收集机构包括一受驱动旋转的收集辊筒，用于收集注射器在静电场作用下喷出的纳米丝；
所述纵向往复运动机构，用于带动所述溶液推送机构在收集辊筒的轴向方向上做往复运动；
纵向往复运动机构安装在横向轨道上，横向轨道与所述收集辊筒的轴向相垂直，在纵向往复运动机构上设置有用于与横向轨道锁定的锁紧部件，从而纵向往复运动机构能够在横向轨道上调节其位置，进而调节注射器的针头与收集辊筒之间的距离，以满足实验要求。
在上述技术方案中，所述基架采用铝型材构建而成，基架包括工作台、以及工作台下部的电气安装室、工作台上部的工作室；所述溶液推送机构、辊筒式纳米丝收集机构、往复运动机构安装在工作台上。
在上述技术方案中，溶液推送机构的固定组件包括注射器支架和注射器压板，注射器压板通过螺栓安装在注射器支架上，通过调节螺栓能够将注射器压紧固定在注射器压板和注射器支架之间；溶液推送机构的推动组件包括安装板、第一电机、光轴、直线轴承、第一丝杠和推板，第一丝杠转动安装在安装板底部，第一电机的输出轴通过联轴器与第一丝杠的一端连接，所述光轴与第一丝杠平行，光轴也安装在安装板底部，第一丝杠上具有第一丝杠螺母，第一丝杠螺母与推板连接，且推板通过直线轴承安装在光轴上；所述注射器支架安装在安装板上表面，在安装板上设置在一长形通孔，以使推板的顶部伸出该长形通孔作用于注射器的推杆尾端并为推板的移动提供行程空间。
在上述技术方案中，所述辊筒式纳米丝收集机构包括收集辊筒、辊筒底部框架、两个辊筒支架、第二电机、电机安装板；两个辊筒支架竖直安装在辊筒底部框架上，收集辊筒转动安装在两个辊筒支架之间，在辊筒底部框架的一侧安装有电机安装板，所述第二电机通过螺栓固定安装在电机安装板内侧，并且第二电机位于辊筒底部框架的内部空间中，以减小占用外部空间，第二电机的输出轴安装有第一传动带轮，在收集辊筒的其中一端安装有第二传动带轮，第一传动带轮和第二传动带轮之间通过传动带连接，从而实现第二电机驱动收集辊筒转动。
在上述技术方案中，纵向往复运动机构包括底板、直线导轨、第二丝杠、滑座、第三电机；直线导轨和第二丝杠相互平行安装在底板上，第二丝杠上具有第二丝杠螺母，所述滑座滑动安装在直线导轨上并且与第二丝杠螺母连接，第三电机与第二丝杠的一端连接，第三电机驱动第二丝杠运转，第二丝杠通过第二丝杠螺母带动滑座沿直线导轨运动；所述溶液推送机构安装在滑座上，进而滑座会带动两组溶液推送机构同步运动。
在上述技术方案中，纵向往复运动机构的底板的侧部设置有立架，所述锁紧部件安装在该立架上。
在上述技术方案中，所述的两组溶液推送机构是通过间距可调结构并排安装在纵向往复运动机构的滑座上的；该间距可调结构包括第一齿条、第二齿条、齿轮以及两条相平行的滑轨，两个溶液推送机构通过所述滑轨滑动安装在纵向往复运动机构的滑座上，以使两个溶液推送机构能够在滑座上滑动，第一齿条的一端与其中一个溶液推送机构固定连接，第二齿条的一端与另一个溶液推送机构固定连接，第一齿条和第二齿条相互平行，且第一齿条和第二齿条的齿面相对，所述齿轮安装在第一齿条和第二齿条之间并与第一齿条和第二齿条的齿面啮合。
在上述技术方案中，在工作室内还设置有温湿度控制装置和照明装置。
在上述技术方案中，在基架的工作室上层还设置有顶部腔室，顶部腔室内设置有除静电装置，除静电装置采用日本SSD送风型除静电装置BF-X4DD。
本实用新型的优点和有益效果为：
1、本实用新型的静电纺丝实验机采用两组并排设置的溶液推送机构，能够同时加持两个注射器进行静电纺丝实验，这样可以获得多种实验方式，例如：独立推送、联动推送、设定时间间隔推送、不同溶液不同推送速度推送等多种实验方式。
2、本实用新型的两组溶液推送机构之间的距离可调节，保证能够实现形成稳定电场，从而接收到均匀的纳米纤维。
3、本实用新型的静电纺丝实验机能够沿收集辊筒轴向做往复运动，并能够方便的调节注射器针头与收集辊筒之间的距离，以进一步满足实验的要求。
4、本实用新型的静电纺丝实验机结构小巧，操作简单实用，适用于小型实验实训操作。
5、本实用新型的静电纺丝实验机增加了加热、除湿功能，保证实验期间温湿度基本恒定。
6、本实用新型的静电纺丝实验机增加除静电功能，实验结束后开启，消除实验仓内的静电，避免因静电导致的安全隐患。
附图说明
图1是本实用新型的静电纺丝实验机的整体结构示意图。
图2是本实用新型中的溶液推送机构的结构示意图。
图3是本实用新型中的辊筒式纳米丝收集机构的结构示意图。
图4是本实用新型的工作台上布置的各机构的结构示意图。
图5是本实用新型的静电纺丝实验机的顶部示意图。
图6是本实用新型的实施例五中的溶液推送机构与纵向往复运动机构的安装结构示意图。
图7为PVA水溶液静电纺丝后的SEM图。
图8为羧甲基壳聚糖水溶液和丁香罗勒精油静电纺丝后的TEM图。
其中：
1：直流高压电源，2：溶液推送机构，3：辊筒式纳米丝收集机构，4：纵向往复运动机构，5：横向轨道，6：基架，7：温湿度控制装置，8：照明装置，9：除静电装置。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。
实施例一
一种静电纺丝实验机，包括直流高压电源1、溶液推送机构2、辊筒式纳米丝收集机构3、纵向往复运动机构4、横向轨道5和基架6。
所述基架采用铝型材构建而成，基架包括工作台、以及工作台下部的电气安装室、工作台上部的工作室。所述溶液推送机构、辊筒式纳米丝收集机构、往复运动机构安装在工作台上。下面具体介绍各机构的具体结构：
所述溶液推送机构2包括安装板2-1、第一电机2-2、注射器2-3、注射器支架2-4、注射器压板2-10、联轴器2-5、光轴2-6、直线轴承2-7、第一丝杠2-8、推板2-9。第一丝杠2-8转动安装在安装板2-1底部，第一电机2-2的输出轴通过联轴器2-5与第一丝杠2-8的一端连接，所述光轴2-6与第一丝杠2-8平行，光轴2-6也安装在安装板2-1底部(进一步的说，安装板2-1底部具有两个立板2-11，所述第一丝杠2-8转动安装在两个立板上，光轴2-6的两端固定安装在两个立板上)，第一丝杠2-8上具有第一丝杠螺母，第一丝杠螺母与推板2-9连接，且推板2-9通过直线轴承2-7安装在光轴2-6上；所述注射器支架2-4安装在安装板2-1上表面，注射器压板2-10通过螺栓2-12安装在注射器支架2-4上，通过调节螺栓能够将注射器2-3压紧固定在注射器压板2-10和注射器支架2-4之间，在安装板2-1上设置在一长形通孔，以使推板2-9的顶部伸出该长形通孔作用于注射器2-3的推杆尾端并为推板2-9的移动提供行程空间。工作时，第一电机2-2驱动第一丝杠2-8转动，第一丝杠2-8通过第一丝杠螺母带动推板2-9沿光轴2-6移动(直线轴承起到导向作用)，使得推板2-9推动注射器2-3的推杆做推液动作。步进电机可精确设定推送速度，确保实验数据的稳定性。
溶液推送机构2的数量为两组，这样能够同时加持两个注射器做纺丝实验，两组溶液推送机构并排布置，可独立控制(即只有一个溶液推送机构2工作)，也可联动控制(两个溶液推送机构2都工作)，这样可以获得多种实验方式(独立推送、设定时间间隔推送、不同溶液不同推送速度推送等多种实验方式)。
所述辊筒式纳米丝收集机构3包括收集辊筒3-1、辊筒底部框架3-2、两个辊筒支架3-3、第二电机3-4、电机安装板3-5。两个辊筒支架3-3竖直安装在辊筒底部框架3-2上，收集辊筒3-1转动安装在两个辊筒支架3-3之间，在辊筒底部框架3-2的一侧安装有电机安装板3-5，所述第二电机3-4通过螺栓固定安装在电机安装板3-5内侧，并且第二电机3-4位于辊筒底部框架3-2的内部空间中，以减小占用外部空间，第二电机3-4的输出轴安装有第一传动带轮3-6，在收集辊筒3-1的其中一端安装有第二传动带轮3-7，第一传动带轮3-6和第二传动带轮3-7之间通过传动带3-8连接，从而实现第二电机3-4驱动收集辊筒3-1转动。
所述纵向往复运动机构4用于带动所述溶液推送机构3在收集辊筒的轴向方向上做往复运动，具体来讲，纵向往复运动机构4包括底板4-1、直线导轨4-2、第二丝杠4-3、滑座4-4、第三电机4-5。直线导轨4-2和第二丝杠4-3相互平行安装在底板4-1上，直线导轨4-2的数量为两个，第二丝杠4-3的数量为一个，第二丝杠4-3位于两个直线导轨4-2之间，第二丝杠上具有第二丝杠螺母，所述滑座4-4滑动安装在直线导轨4-2上并且与第二丝杠螺母连接，第三电机4-5与第二丝杠4-3的一端连接，第三电机驱动第二丝杠运转，第二丝杠通过第二丝杠螺母带动滑座沿直线导轨运动。所述两个溶液推送机构2并排安装在滑座4-4上，进而滑座会带动两组溶液推送机构运动。
所述纵向往复运动机构的底板4-1安装在两个横向轨道5上，两个横向轨道与所述收集辊筒的轴向相垂直，在底板4-1上设置有用于与横向轨道5锁定的锁紧部件4-6(底板4-1的侧部设置有立架4-7，所述锁紧部件4-6安装在该立架4-7上，第二丝杠4-3也安装在该立架4-7上)，从而纵向往复运动机构4能够在横向轨道5上调节其位置，进而调节注射器的针头与收集辊筒之间的距离，以满足实验要求。
所述直流高压电源1用于静电纺丝过程中产生高电压、低电流的静电场，是静电纺丝设备的核心部件；直流高压电源位于工作台下部的电气安装室中。
本静电纺丝实验机的工作原理为：将不同比例配置的高分子溶液装入溶液推送机构的注射器内，通过溶液推送机构将溶液按设定的速度推出，溶液在高压静电场的作用下不是液滴状滴下，而是在注射器针尖和辊筒式纳米丝收集机构间形成丝状纳米纤维。丝状纤维缠绕在高速转动的收集辊上，往复运动机构可带动推送机构沿收集辊筒轴向做往复移动，所以收集机构可以得到片状的纳米纤维。
利用本静电纺丝实验机可进行以下实验：
1.两组溶液推送机构同时装入同一种溶液，推进速度相同，通过调节两组推进装置之间的距离，形成稳定电场，喷射效率提升，接收纤维效率提高；
以PVA水溶液为例，当PVA水溶液中PVA的质量百分比为80％，纺丝电压为18KV，推进速度为0.6ml/h，接收距离为12cm时，得到分布良好且纤维均匀的静电纺丝纤维膜，SEM图如图7所示。
2.两组溶液推送机构分别装入两种不同溶液，根据黏度、电导率等溶液参数，设置不同的推进速度，可以制备功能性材料。
3.两组溶液推送机构分别装入两种不同溶液，根据黏度、电导率等溶液参数，设置不同的推进速度，并连接具有同轴结构的喷嘴，可以得到核-壳结构的纤维。
以羧甲基壳聚糖水溶液为作为一种溶液，羧甲基壳聚糖的质量百分比为4％，电压为20KV，推进速度为1ml/h，丁香罗勒精油作为另一种溶液，电压为20KV，设置推进速度为0.6ml/h，可以得到核-壳结构纳米纤维，如图8所示，羧甲基壳聚糖水溶液为壳层，丁香罗勒精油为内核。
实施例二
在实施例一的基础上，进一步的，在工作室内还设置有温湿度控制装置7和照明装置8。
实施例三
在实施例一的基础上，进一步的，第二电机4通过调速器可实现额定范围内的无级调速，收集辊筒末端安装有旋转编码器，用于读取辊筒转速，并在触摸屏上显示收集辊筒的实时转速。
实施例四
在实施例一的基础上，进一步的，参见附图5，在基架的工作室上层还设置有顶部腔室，顶部腔室内设置有除静电装置9，除静电装置9采用日本SSD送风型除静电装置BF-X4DD。
实施例五
在实施例一的基础上，进一步的，参见附图6，两组溶液推送机构之间的间距是可调的，即所述的两个溶液推送机构2是通过间距可调结构并排安装在滑座4-4上。具体来讲，该间距可调结构包括第一齿条10-1、第二齿条10-2、齿轮10-3以及两条相平行的滑轨10-4，两个溶液推送机构2通过所述滑轨10-4滑动安装在纵向往复运动机构4的滑座4-4上，以使两个溶液推送机构2能够在滑座4-4上滑动，第一齿条10-1的一端与其中一个溶液推送机构2固定连接，第二齿条10-2的一端与另一个溶液推送机构2固定连接，第一齿条10-1和第二齿条10-2相互平行，且第一齿条10-1和第二齿条10-2的齿面相对，所述齿轮10-3安装在第一齿条10-1和第二齿条10-2之间，并与第一齿条10-1和第二齿条10-2的齿面啮合；当需要调节两个溶液推送机构2之间的间距时，手动推动其中任一溶液推送机构2即可，或者旋拧齿轮10-3(在齿轮10-3上同轴连接一旋拧，方便旋拧齿轮10-3)，可以实现两组溶液推送机构2同步相对运动(即做同步接近运动或者同步远离运动)，进而实现两组溶液推送机构之间的间距可调。通过调节两组溶液推送机构之间的间距，能够实现形成稳定电场，从而接收到均匀的纳米纤维。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。
