石墨烯智能過濾薄膜制備裝置及設計

孫龍飛,周洪亮,寇兆軍(通信作者),張登博,張遠明

(臨沂大學機械與車輛工程學院 山東 臨沂 276000)

0 引言

隨著水污染、空氣污染、新冠疫情等各類環境污染和防疫問題的日益突出,引起帶過濾膜產品的高速發展,這些過濾膜主要用于空氣凈化過濾、醫療食品過濾、潔凈室過濾、工業除塵過濾、電子防水透氣和服裝面料、口罩過濾等領域[1-3]。目前,過濾薄膜的主要材質是高分子化合物,性能相對單一,僅具有過濾性能[4-5]。在高效、智能化生產需求的日益增長,還需要對過濾的材質進行檢測和控制,力求達到智能化和數據化的追蹤,因此,傳統過濾薄膜已經難以滿足當前智能化、數據化的過濾需求和應用。

為了增強過濾薄膜的吸附性和智能化,本研究提出石墨烯智能過濾薄膜制備裝置及設計方法。提出在制備過濾薄膜的原材料中引入石墨烯這一高吸附性能的材料,并在制備過程中利用靜電紡絲技術制備過濾薄膜的基體,并利用氣溶膠三維打印技術[6-7],在制備的薄膜中嵌入三維打印制備的納米銀電路和傳感器,從而使過濾薄膜具備檢測和信號傳遞功能,制備成石墨烯智能過濾薄膜。

1 石墨烯智能過濾薄膜制備原理

本項目提出在靜電紡絲制備過程中嵌入氣溶膠三維打印,從而制備出石墨烯智能過濾薄膜。這一創新理念為嵌入式智能薄膜的制備奠定了基礎。

首先,將石墨烯和靜電紡絲材料混合,制備出過濾薄膜制備的高分子材料。石墨烯高分子混合材料被置于微量泵中,在靜電紡絲微噴運動平臺和控制系統、機械運動平臺作用下,將混合材料噴射到滾筒上,從而制備出過濾薄膜基體,該過程可以通過調節噴射泵的電機旋轉速度和滾筒轉速制備不同過濾性能的薄膜。之后將過濾薄膜置于氣溶膠三維打印運動平臺上,利用氣溶膠三維打印技術將電路打印基材打印到過濾薄膜上制備出電路打印基底,然后將納米銀或納米銅顆粒打印到基底上,最終再利用基材密封打印電路,從而制備出石墨烯智能過濾薄膜。加工方法的流程和制造原理如圖1所示。

圖1 石墨烯智能過濾薄膜制造原理和流程

2 石墨烯智能過濾薄膜制備裝置設計

2.1 石墨烯智能過濾薄膜制備裝置整機系統設計

石墨烯智能過濾薄膜制備裝置是智能薄膜制備加工的重要組成部分,其主要作用是將靜電紡絲的噴射、滾動的旋轉;氣溶膠的霧化、傳輸、噴射和工作平臺的運動進行耦合。研究團隊自主設計了石墨烯智能過濾薄膜制備裝置。石墨烯智能過濾薄膜制備裝置總體結構設計如圖2所示。該加工裝置平臺主要包括三坐標工作臺、靜電紡絲系統、氣溶膠打印系統、鞘氣控制系統,其整體結構如圖2所示。上位機通過運動控制卡實現對X、Y、Z三軸工作臺的控制,通過IO控制卡控制鞘氣系統開關和靜電紡絲系統中滾筒電機的旋轉。

圖2 石墨烯智能過濾薄膜制備裝置系統框架及核心結構

整機的控制借助電腦主界面進行,運動控制卡對各運動軸下達動作指令,運動結構互相配合完成薄膜制備。將靜電紡絲系統與氣溶膠打印系統進行了深度融合。其中,氣溶膠打印系統主要包括自主設計的氣溶膠霧化及輸送裝置、氣溶膠三維打印噴頭等核心部件。而靜電紡絲系統主要包括靜電紡絲滾筒、噴射測距傳感器、定位裝置等核心零部件。在加工過程中,上述系統和構件彼此緊密配合,分工協作,完成對石墨烯智能薄膜的制備。

2.2 運動系統與控制設計

石墨烯智能過濾薄膜制備裝置運動系統由滾筒直流電機和三個XYZ-軸伺服電機組成,并由運動控制卡控制。運動系統的主體是自主設計的三坐標工作臺。該工作臺面尺寸為300 mm×300 mm×400 mm;其中X、Y軸工作臺行程為300 mm×300 mm,Z軸行程為400 mm,三個坐標軸均通過伺服電機帶動滾珠絲杠進行移動,電機采用松下公司生產的三相交流伺服電機。工作臺的X、Y軸控制工作臺可實現左右和前后運動,Z軸主要實現噴頭相對工件的軸向進給和抬升。

氣溶膠打印系統噴頭和靜電紡絲噴射噴頭都安裝在Z軸運動固定安裝架上,且分布在兩側,由于其打印過程是非同步進行,所以采用一套運動系統可以同時控制兩個打印系統工作。石墨烯智能過濾薄膜制備裝置運動系統需要對滾筒進行運動控制。數控系統要實現對滾筒轉速的調節。

本研究團隊自主設計了石墨烯智能過濾薄膜制備裝置專用的數控系統。該系統采用PC與NC相結合的控制形式,對三坐標運動平臺的各軸進行聯動控制,通過串口對加工系統的旋轉主軸開關控制。PC部分主要是采購了研華PCM-3363型工控機,開發采用了Windows系統(CPU主頻為1.67 GHz),支持PCI-104總線擴展。人機界面的開發是采用C++和C#在Visual Studio 2013軟件上實現。NC部分采用Xilinx Spartan3E系列FPGA進行實現,主要完成各個軸的控制脈沖分配以及所有IO操作。數控系統的主控制界面如圖3所示,自主開發的數控板卡的正反面如圖4所示。

圖3 數控系統控制界面

圖4 數控系統控制板卡

2.3 噴頭結構設計

為了解決石墨烯智能過濾薄膜制備過程中,氣溶膠三維打印束分散、氣溶膠易阻塞噴頭和氣溶膠過噴難控制問題,本研究提出一種基于氣溶膠噴射三維打印的新型噴頭結構設計,如圖5所示。該新型噴頭主要包括氣動接頭卡套、加熱棒、加熱頭、上固定環等。加熱棒安裝在加熱頭的柱狀腔內,氣動接頭卡套和上四氟管卡套分別安裝在加熱頭中間的通孔兩端,其中氣動接頭卡套接輸送氣溶膠的管路,四氟管卡套下端接輸送氣溶膠氣體的四氟管。上述加熱頭結構被上固定環和手擰螺釘一同緊固在加熱頭固定板上。同時加熱頭固定板又安裝在錐形鞘氣背板上。

圖5 新型噴頭結構

裝置下端部分的核心構件是上噴嘴和下噴嘴,兩者上下緊靠安裝,依靠上噴嘴固定座和下噴嘴固定蓋螺旋緊固帶動夾緊。下噴嘴的內部軸線處設有氣溶膠的直通管道,上端車削加工出錐形收縮口,下噴嘴的側面設有側面進氣環繞空腔和密封環放置管道。下噴嘴的中間部分開設有圓柱形通孔,用于安裝滑動銷軸和彈簧。下噴嘴的內部設有環錐形氣流孔道,該孔道一端與側面環繞空腔相通,一端與中間氣溶膠通孔側面相通,形成側面旋轉鞘氣,實現對氣溶膠氣體的壓縮和環繞。整個噴頭被上固定環、下固定環、手擰螺釘、噴嘴固定板和加熱頭固定板安裝在錐形鞘氣背板。

上噴嘴固定座軸向上,在中間區域設有通孔,用于安裝上端的下四氟管卡套,從而與四氟管相通,實現氣溶膠的上下輸送。上噴嘴固定在側面設有兩個對稱的通孔,用于安裝兩個對稱的氣艙座。氣艙座上使用螺釘緊固安裝氣艙蓋板,并最終將氣道管路與氣艙蓋板相連,實現二、三兩段鞘氣的輸送。

2.4 鞘氣系統設計

石墨烯智能過濾薄膜制備過程中需要嵌入氣溶膠打印電路。為了提升打印電路的質量和精度,氣溶膠的連續性和打印束徑需要被嚴格控制。為此,本研究中提出采用三段鞘氣對噴頭內的氣溶膠進行直徑收縮。氣溶膠噴射打印氣路管道分布示意圖及原理如圖6所示。

圖6 氣溶膠噴射打印氣路管道分布示意圖及原理

其中,第一段鞘氣是錐形收縮鞘氣,第二段和第三段鞘氣是環錐形的收縮鞘氣,三段鞘氣的組合應用可以有效限制氣溶膠打印過程中氣溶膠到打印底板之間的分散,提升打印束徑的控制精度,進而提升打印產品的質量和精度,此外,通過三段鞘氣保護,特別是錐形鞘氣和環錐形鞘氣的組合方案,還可以解決氣溶膠在打印噴頭內的粘滯和阻塞問題。

此外,由于氣溶膠具有類似氣體介質的特性,因此在實際加工制造過程中,對于氣溶膠的精確控制一直是該技術在實際應用中的技術難點。為此本研究提出在下噴嘴中嵌入滑動銷軸來解決該技術難題。具體原理如圖7所示。

圖7 滑動銷軸兩固定位置的氣溶膠通路示意圖

滑動銷軸為圓柱形狀,內部含有兩條通路,均由電火花加工而成。其中一個通道是通孔,另一通道是左旋轉90°的“L”形。上述通道分別用于調整氣溶膠的輸送方向。前者用于氣溶膠的循環管路,是常規初始狀態,應用于開進打印的氣溶膠穩定階段和打印過程中打印頭挪位時,主要通過氣溶膠的循環通道,不斷調整工藝參數和霧化裝置從而使氣溶膠達到穩定打印的霧化狀態。后者用于氣溶膠的打印管路,是打印狀態時的固定位置。通過右側氣艙內施加輔助氣體壓力,配合右側彈簧壓力,使兩者之和遠大于左側彈簧力,從而推動滑動銷軸往右運動,接通氣溶膠正常打印的管路,實現氣溶膠的正常打印。

2.5 靜電紡絲系統結構設計

靜電紡絲噴射系統是保證石墨烯智能過濾薄膜加工的重要組成部分,其主要作用是將帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時,聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發或固化,最終落在接收裝置上,形成類似非織造布狀的纖維氈,這一結構正是過濾薄膜的基底。樣機中使用的靜電紡絲噴射系統由本團隊自主設計與制作,主要包括運動平臺搭建、靜電紡絲注射器件及裝夾零部件等。其中電源采購,其最大電壓應達到30 kv,其正極通過鋼夾連接于物料噴頭一側,負極連接于滾筒上,并使滾筒連接大地。這般使得噴頭與物料成型滾筒之間產生電場,使帶電的復合材料在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點向滾筒處加速。在微觀上,電子通過電場力噴出,為物料提供路徑。通過滾筒的旋轉,物料成型于滾筒上,完成薄膜作業。

3 石墨烯智能過濾薄膜制備裝置樣機

石墨烯智能過濾薄膜制備裝置樣機如圖8所示,樣機正面分成兩塊主體結構,左側是顯示面板和數控操作面板,下面是主機和電源系統,機器背面是整機裝置的電路系統。樣機的右面是氣溶膠三維打印和靜電紡絲耦合系統,包括打印平臺、三坐標工作臺、噴頭等結構。平臺下面主要是鞘氣系統,主要是流量閥、壓力閥和具體的氣路管路等。通過對打印系統的調試和工藝實驗探究及優化設計,該加工樣機可以實現對石墨烯材料的靜電紡絲噴射制造,還可以在制備的基底材料上進行氣溶膠三維打印納米銀電路和傳感器打印,從而使過濾薄膜具備檢測和信號傳遞功能,制備成石墨烯智能過濾薄膜。

圖8 石墨烯智能過濾薄膜制備裝置樣機

4 結語

綜上所述,本項目基于靜電紡絲與氣溶膠三維打印技術,將靜電紡絲噴射打印系統與氣溶膠三維打印系統的深度融合,開發出石墨烯智能過濾薄膜制備裝置,實現了加工裝備的創新,填補了該類裝備的市場空白。立足于不同材料的特性及優點,將石墨烯與靜電紡絲高分子材料兩種材料進行融合,可制備出增強增韌且具有吸附性的石墨烯復合材料。在結構設計中自主設計了石墨烯智能過濾薄膜制備裝置專用的數控系統,設計出內置新型噴頭結構,解決了氣溶膠噴頭易阻塞和過噴難控制問題,提出采用三段鞘氣對噴頭內的氣溶膠進行直徑收縮的方法及結構設計,設計了靜電紡絲噴射和氣溶膠三維打印的安裝結構,實現了Z軸運動平臺對兩套系統的運動控制。本研究為石墨烯智能過濾薄膜的制備奠定了硬件基礎,為后續理論研究和工藝研究創造了條件。