石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置及設(shè)計(jì)

孫龍飛,周洪亮,寇兆軍(通信作者),張登博,張遠(yuǎn)明

(臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)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(huán)境污染和防疫問(wèn)題的日益突出,引起帶過(guò)濾膜產(chǎn)品的高速發(fā)展,這些過(guò)濾膜主要用于空氣凈化過(guò)濾、醫(yī)療食品過(guò)濾、潔凈室過(guò)濾、工業(yè)除塵過(guò)濾、電子防水透氣和服裝面料、口罩過(guò)濾等領(lǐng)域[1-3]。目前,過(guò)濾薄膜的主要材質(zhì)是高分子化合物,性能相對(duì)單一,僅具有過(guò)濾性能[4-5]。在高效、智能化生產(chǎn)需求的日益增長(zhǎng),還需要對(duì)過(guò)濾的材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和控制,力求達(dá)到智能化和數(shù)據(jù)化的追蹤,因此,傳統(tǒng)過(guò)濾薄膜已經(jīng)難以滿足當(dāng)前智能化、數(shù)據(jù)化的過(guò)濾需求和應(yīng)用。

為了增強(qiáng)過(guò)濾薄膜的吸附性和智能化,本研究提出石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置及設(shè)計(jì)方法。提出在制備過(guò)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(guò)程中利用靜電紡絲技術(shù)制備過(guò)濾薄膜的基體,并利用氣溶膠三維打印技術(shù)[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(guò)濾薄膜具備檢測(cè)和信號(hào)傳遞功能,制備成石墨烯智能過(guò)濾薄膜。

1 石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備原理

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

首先,將石墨烯和靜電紡絲材料混合,制備出過(guò)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作用下,將混合材料噴射到滾筒上,從而制備出過(guò)濾薄膜基體,該過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴射泵的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和滾筒轉(zhuǎn)速制備不同過(guò)濾性能的薄膜。之后將過(guò)濾薄膜置于氣溶膠三維打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,利用氣溶膠三維打印技術(shù)將電路打印基材打印到過(guò)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(guò)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(guò)濾薄膜制造原理和流程

2 石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置設(shè)計(jì)

2.1 石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石墨烯智能過(guò)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(dòng)的旋轉(zhuǎn);氣溶膠的霧化、傳輸、噴射和工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行耦合。研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置。石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該加工裝置平臺(tái)主要包括三坐標(biāo)工作臺(tái)、靜電紡絲系統(tǒng)、氣溶膠打印系統(tǒng)、鞘氣控制系統(tǒng),其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Y、Z三軸工作臺(tái)的控制,通過(guò)IO控制卡控制鞘氣系統(tǒng)開(kāi)關(guān)和靜電紡絲系統(tǒng)中滾筒電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

圖2 石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置系統(tǒng)框架及核心結(jié)構(gòu)

整機(jī)的控制借助電腦主界面進(jìn)行,運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸下達(dá)動(dòng)作指令,運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)互相配合完成薄膜制備。將靜電紡絲系統(tǒng)與氣溶膠打印系統(tǒng)進(jìn)行了深度融合。其中,氣溶膠打印系統(tǒng)主要包括自主設(shè)計(jì)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(tǒng)主要包括靜電紡絲滾筒、噴射測(cè)距傳感器、定位裝置等核心零部件。在加工過(guò)程中,上述系統(tǒng)和構(gòu)件彼此緊密配合,分工協(xié)作,完成對(duì)石墨烯智能薄膜的制備。

2.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與控制設(shè)計(jì)

石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由滾筒直流電機(jī)和三個(gè)XYZ-軸伺服電機(jī)組成,并由運(yùn)動(dòng)控制卡控制。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主體是自主設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)工作臺(tái)。該工作臺(tái)面尺寸為300 mm×300 mm×400 mm;其中X、Y軸工作臺(tái)行程為300 mm×300 mm,Z軸行程為400 mm,三個(gè)坐標(biāo)軸均通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行移動(dòng),電機(jī)采用松下公司生產(chǎn)的三相交流伺服電機(jī)。工作臺(tái)的X、Y軸控制工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)左右和前后運(yùn)動(dòng),Z軸主要實(shí)現(xiàn)噴頭相對(duì)工件的軸向進(jìn)給和抬升。

氣溶膠打印系統(tǒng)噴頭和靜電紡絲噴射噴頭都安裝在Z軸運(yùn)動(dòng)固定安裝架上,且分布在兩側(cè),由于其打印過(guò)程是非同步進(jìn)行,所以采用一套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以同時(shí)控制兩個(gè)打印系統(tǒng)工作。石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要對(duì)滾筒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

本研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置專用的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PC與NC相結(jié)合的控制形式,對(duì)三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的各軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制,通過(guò)串口對(duì)加工系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)主軸開(kāi)關(guān)控制。PC部分主要是采購(gòu)了研華PCM-3363型工控機(jī),開(kāi)發(fā)采用了Windows系統(tǒng)(CPU主頻為1.67 GHz),支持PCI-104總線擴(kuò)展。人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)是采用C++和C#在Visual Studio 2013軟件上實(shí)現(xiàn)。NC部分采用Xilinx Spartan3E系列FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn),主要完成各個(gè)軸的控制脈沖分配以及所有IO操作。數(shù)控系統(tǒng)的主控制界面如圖3所示,自主開(kāi)發(fā)的數(shù)控板卡的正反面如圖4所示。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)控制界面

圖4 數(shù)控系統(tǒng)控制板卡

2.3 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備過(guò)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(guò)噴難控制問(wèn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖5所示。該新型噴頭主要包括氣動(dòng)接頭卡套、加熱棒、加熱頭、上固定環(huán)等。加熱棒安裝在加熱頭的柱狀腔內(nèi),氣動(dòng)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(dòng)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(jié)構(gòu)被上固定環(huán)和手?jǐn)Q螺釘一同緊固在加熱頭固定板上。同時(shí)加熱頭固定板又安裝在錐形鞘氣背板上。

圖5 新型噴頭結(jié)構(gòu)

裝置下端部分的核心構(gòu)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(dòng)夾緊。下噴嘴的內(nèi)部軸線處設(shè)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(cè)面設(shè)有側(cè)面進(jìn)氣環(huán)繞空腔和密封環(huán)放置管道。下噴嘴的中間部分開(kāi)設(shè)有圓柱形通孔,用于安裝滑動(dòng)銷軸和彈簧。下噴嘴的內(nèi)部設(shè)有環(huán)錐形氣流孔道,該孔道一端與側(cè)面環(huán)繞空腔相通,一端與中間氣溶膠通孔側(cè)面相通,形成側(cè)面旋轉(zhuǎn)鞘氣,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠氣體的壓縮和環(huán)繞。整個(gè)噴頭被上固定環(huán)、下固定環(huán)、手?jǐn)Q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(qū)域設(shè)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(shí)現(xiàn)氣溶膠的上下輸送。上噴嘴固定在側(cè)面設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的通孔,用于安裝兩個(gè)對(duì)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(shí)現(xiàn)二、三兩段鞘氣的輸送。

2.4 鞘氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備過(guò)程中需要嵌入氣溶膠打印電路。為了提升打印電路的質(zhì)量和精度,氣溶膠的連續(xù)性和打印束徑需要被嚴(yán)格控制。為此,本研究中提出采用三段鞘氣對(duì)噴頭內(nèi)的氣溶膠進(jìn)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(huán)錐形的收縮鞘氣,三段鞘氣的組合應(yīng)用可以有效限制氣溶膠打印過(guò)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(jìn)而提升打印產(chǎn)品的質(zhì)量和精度,此外,通過(guò)三段鞘氣保護(hù),特別是錐形鞘氣和環(huán)錐形鞘氣的組合方案,還可以解決氣溶膠在打印噴頭內(nèi)的粘滯和阻塞問(wèn)題。

此外,由于氣溶膠具有類似氣體介質(zhì)的特性,因此在實(shí)際加工制造過(guò)程中,對(duì)于氣溶膠的精確控制一直是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)。為此本研究提出在下噴嘴中嵌入滑動(dòng)銷軸來(lái)解決該技術(shù)難題。具體原理如圖7所示。

圖7 滑動(dòng)銷軸兩固定位置的氣溶膠通路示意圖

滑動(dòng)銷軸為圓柱形狀,內(nèi)部含有兩條通路,均由電火花加工而成。其中一個(gè)通道是通孔,另一通道是左旋轉(zhuǎn)90°的“L”形。上述通道分別用于調(diào)整氣溶膠的輸送方向。前者用于氣溶膠的循環(huán)管路,是常規(guī)初始狀態(tài),應(yīng)用于開(kāi)進(jìn)打印的氣溶膠穩(wěn)定階段和打印過(guò)程中打印頭挪位時(shí),主要通過(guò)氣溶膠的循環(huán)通道,不斷調(diào)整工藝參數(shù)和霧化裝置從而使氣溶膠達(dá)到穩(wěn)定打印的霧化狀態(tài)。后者用于氣溶膠的打印管路,是打印狀態(tài)時(shí)的固定位置。通過(guò)右側(cè)氣艙內(nèi)施加輔助氣體壓力,配合右側(cè)彈簧壓力,使兩者之和遠(yuǎn)大于左側(cè)彈簧力,從而推動(dòng)滑動(dòng)銷軸往右運(yùn)動(dòng),接通氣溶膠正常打印的管路,實(shí)現(xiàn)氣溶膠的正常打印。

2.5 靜電紡絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜電紡絲噴射系統(tǒng)是保證石墨烯智能過(guò)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(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)被加速。當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí),聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流。細(xì)流在噴射過(guò)程中溶劑蒸發(fā)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(jié)構(gòu)正是過(guò)濾薄膜的基底。樣機(jī)中使用的靜電紡絲噴射系統(tǒng)由本團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)與制作,主要包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭建、靜電紡絲注射器件及裝夾零部件等。其中電源采購(gòu),其最大電壓應(yīng)達(dá)到30 kv,其正極通過(guò)鋼夾連接于物料噴頭一側(cè),負(fù)極連接于滾筒上,并使?jié)L筒連接大地。這般使得噴頭與物料成型滾筒之間產(chǎn)生電場(chǎng),使帶電的復(fù)合材料在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)向滾筒處加速。在微觀上,電子通過(guò)電場(chǎng)力噴出,為物料提供路徑。通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn),物料成型于滾筒上,完成薄膜作業(yè)。

3 石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置樣機(jī)

石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置樣機(jī)如圖8所示,樣機(jī)正面分成兩塊主體結(jié)構(gòu),左側(cè)是顯示面板和數(shù)控操作面板,下面是主機(jī)和電源系統(tǒng),機(jī)器背面是整機(jī)裝置的電路系統(tǒng)。樣機(jī)的右面是氣溶膠三維打印和靜電紡絲耦合系統(tǒng),包括打印平臺(tái)、三坐標(biāo)工作臺(tái)、噴頭等結(jié)構(gòu)。平臺(tái)下面主要是鞘氣系統(tǒng),主要是流量閥、壓力閥和具體的氣路管路等。通過(guò)對(duì)打印系統(tǒng)的調(diào)試和工藝實(shí)驗(yàn)探究及優(yōu)化設(shè)計(jì),該加工樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行氣溶膠三維打印納米銀電路和傳感器打印,從而使過(guò)濾薄膜具備檢測(cè)和信號(hào)傳遞功能,制備成石墨烯智能過(guò)濾薄膜。

圖8 石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置樣機(jī)

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本項(xiàng)目基于靜電紡絲與氣溶膠三維打印技術(shù),將靜電紡絲噴射打印系統(tǒng)與氣溶膠三維打印系統(tǒng)的深度融合,開(kāi)發(fā)出石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置,實(shí)現(xiàn)了加工裝備的創(chuàng)新,填補(bǔ)了該類裝備的市場(chǎng)空白。立足于不同材料的特性及優(yōu)點(diǎn),將石墨烯與靜電紡絲高分子材料兩種材料進(jìn)行融合,可制備出增強(qiáng)增韌且具有吸附性的石墨烯復(fù)合材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中自主設(shè)計(jì)了石墨烯智能過(guò)濾薄膜制備裝置專用的數(shù)控系統(tǒng),設(shè)計(jì)出內(nèi)置新型噴頭結(jié)構(gòu),解決了氣溶膠噴頭易阻塞和過(guò)噴難控制問(wèn)題,提出采用三段鞘氣對(duì)噴頭內(nèi)的氣溶膠進(jìn)行直徑收縮的方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了靜電紡絲噴射和氣溶膠三維打印的安裝結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)兩套系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。本研究為石墨烯智能過(guò)濾薄膜的制備奠定了硬件基礎(chǔ),為后續(xù)理論研究和工藝研究創(chuàng)造了條件。