一種仿生集水纖維的連續(xù)化制備裝置及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)仿生技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生集水纖維的連續(xù)化制備裝置及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，水資源匱乏已成為世界性問題，嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和國家生態(tài)安全，對人類的生存構(gòu)成了極大的威脅，據(jù)聯(lián)合國數(shù)據(jù)報(bào)道，世界上有將近有12 %的人無法獲得安全的飲用水。
[0003]根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù)，全球干旱地區(qū)的面積約占陸地總面積的41%。而在我國，干旱地區(qū)的面積也達(dá)到了 2.5X106km2，約占國土面積的1/4。并且，隨著全球變暖所引起的氣候異常，水資源匱乏的問題也愈演愈烈。俗話說開源節(jié)流，目前對于“節(jié)流”的概念已經(jīng)不斷普及，但是“巧婦難為無米之炊”，因此，有的沿海地區(qū)通過進(jìn)行海水淡化解決淡水資源匱乏的問題，但是該方法不得不耗費(fèi)大量的能源。與此同時(shí)，人們注意到，即使是極度缺水的地區(qū)，在霧氣中也含有大量的水分。因此，如果能夠充分利用霧氣中的水分，使其凝結(jié)并收集，就有望在很大程度上解決水資源匱乏的問題。
[0004]傳統(tǒng)的集水材料一般是親水的織物或者導(dǎo)熱性質(zhì)好的金屬。例如，秘魯政府為開發(fā)霧水資源，在該國西臨太平洋的多霧地區(qū)設(shè)立了兩個(gè)霧水收集站，霧水收集器用尼龍網(wǎng)制成，尼龍網(wǎng)支架下用一個(gè)大鐵盤收集，其霧水收集量換算成降雨量分別是296.8毫米和165.1毫米。西班牙科學(xué)家還發(fā)明了由聚氨基甲酸乙酯制成的人造樹，這種聚氨基甲酸乙酯吸水性能強(qiáng)，與霧的接觸面積大，散熱快，因而能夠凝聚大量的水分。但是上述方法的集水效率較低，不能滿足人類生產(chǎn)生活所需。
[0005]自然界中的生物經(jīng)過長期的進(jìn)化過程獲得了在極度缺水環(huán)境中生存的本領(lǐng)。因此通過仿生制備低能耗、高效率、環(huán)境友好的集水材料有望成為解決水資源匱乏問題的新途徑。我國許多生活在多霧氣候地區(qū)的居民也已經(jīng)開始用類似的傳統(tǒng)集水材料從霧氣中收集淡水。但現(xiàn)有集水技術(shù)存在著效率低、集水成本高、環(huán)境不友好、集水纖維生產(chǎn)效率低的缺陷，無法滿足廣大缺水地區(qū)對于水資源的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]現(xiàn)有技術(shù)中制備集水纖維存在的問題，主要體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性不足，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不均，纖維的生產(chǎn)速度與效率低下。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種仿生集水纖維的連續(xù)化制備裝置及其制備方法，可以連續(xù)化、工業(yè)化生產(chǎn)仿生集水纖維，并高效收集空氣中的微小液滴成為日常生活可用的淡水資源。
[0007]本發(fā)明提供一種仿生集水纖維連續(xù)化制備裝置，所述裝置包括:原纖維支撐架、中心軸承、纖維軸、脹緊摩擦器、液槽、反應(yīng)管、熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)、氣流分布器、定向?qū)л咥、定向?qū)л咮、相向異步纏繞器和速度控制器。所述纖維軸通過中心軸承固定在原纖維支撐架上，在纖維軸上固定原纖維的一端，然后原纖維的另一端水平依次穿過脹緊摩擦器、液槽、反應(yīng)管、氣流分布器、定向?qū)л咥和定向?qū)л咮，最后纏繞在相向異步纏繞器上；所述速度控制器連接相向異步纏繞器，用于控制相向異步纏繞器的轉(zhuǎn)速；整個(gè)裝置保證纖維始終處于水平狀
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[0008]所述的原纖維支撐架是固定纖維軸的一個(gè)支架，所述纖維軸水平設(shè)置，纖維軸上纏繞原纖維；所述纖維軸垂直于脹緊摩擦器的軸線。所述反應(yīng)管為聚氯乙烯(PVC)管、鋼管、鋁管或陶瓷管。所述反應(yīng)管的進(jìn)風(fēng)端(纖維輸出端)設(shè)置有氣流分布器，用于保證紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0009]所述熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)的速度和溫度可控，用于為氣流分布器提供合適的氣流，并將氣流送入反應(yīng)管內(nèi)。
[0010]所述的液槽帶有液槽蓋，所述液槽的前后壁開一對同心同直徑的液槽孔，液槽孔的直徑比原纖維直徑大0.2?0.4mm ;兩個(gè)液槽孔的孔心位于一條水平線上，保證纖維在高聚物溶液中處于水平狀態(tài)；整個(gè)牽引過程保證纖維始終處于高聚物溶液內(nèi)。
[0011]所述的相向異步纏繞器包括牽引拉絲電機(jī)、纖維纏繞電機(jī)、纖維纏繞盤和電機(jī)底座，其中牽引拉絲電機(jī)和纖維纏繞電機(jī)是兩個(gè)相向移動、異步轉(zhuǎn)動的電機(jī)，所述的纖維纏繞電機(jī)固定在電機(jī)底座上，纖維纏繞電機(jī)的輸出軸與纖維纏繞盤的纏繞軸固定連接，用于驅(qū)動纖維纏繞盤的纏繞軸的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而將具有節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的仿生集水纖維拉緊并纏繞至纖維纏繞盤的纏繞軸上。
[0012]本發(fā)明還提供一種仿生集水纖維的制備方法，具體包括以下步驟:
[0013]步驟1:配置高聚物溶液；
[0014]所述高聚物溶液由溶劑N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)，溶質(zhì)聚偏氟乙烯(PVDF)混合而成?；旌先芤褐蠵VDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%。
[0015]步驟2:固定原纖維；
[0016]在纖維軸上固定原纖維的一端，原纖維的另一端依次穿過脹緊摩擦器、液槽、反應(yīng)管、氣流分布器，再經(jīng)由定向?qū)л咥和定向?qū)л咮改變方向后纏繞在相向異步纏繞器的纖維纏繞盤上。
[0017]所述的原纖維為尼龍線、鋼絲線或銅絲線。
[0018]步驟3:制備仿生集水纖維；
[0019]向液槽中加入步驟I配置的高聚物溶液，至液面高過原纖維位置，蓋上液槽蓋，打開熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)預(yù)熱反應(yīng)管。打開相向異步纏繞器，調(diào)整原纖維牽引速度至原纖維上形成節(jié)點(diǎn)，開始連續(xù)化生產(chǎn)仿生集水纖維。
[0020]所述預(yù)熱反應(yīng)管的時(shí)間為5?lOmin。
[0021]所述高聚物溶液中加入甲醇或乙醇可以改變仿生集水纖維的節(jié)點(diǎn)性質(zhì)，包括節(jié)點(diǎn)表面粗糙度、節(jié)點(diǎn)間距、節(jié)點(diǎn)大小以及節(jié)點(diǎn)表面孔結(jié)構(gòu)等。
[0022]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0023]1、本發(fā)明提供一種仿生集水纖維的連續(xù)化制備裝置及其制備方法，能夠大量、高效地制備仿生集水纖維，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定的或者具有節(jié)點(diǎn)大小梯度的仿生集水纖維的制備，具有非常高的工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0024]2、本發(fā)明通過改變原纖維的來源、液槽液面高度的自動化控制以及相向異步纏繞器的自動化控制，實(shí)現(xiàn)了仿生集水纖維的自動化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
[0025]3、本發(fā)明制備的仿生集水纖維用于工業(yè)化集水網(wǎng)面的編織，制備的仿生集水纖維的節(jié)點(diǎn)比傳統(tǒng)方法更為穩(wěn)定，使用周期大大延長。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明中仿生集水纖維的連續(xù)化制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明中氣流分布器的截面圖；
[0028]圖3為本發(fā)明中仿生集水纖維的制備方法的流程圖；
[0029]圖4為本發(fā)明中相向異步纏繞器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中:
[0031]1-原纖維支撐架；2-中心軸承； 3-纖維軸；4-脹緊摩擦器；
[0032]5-液槽；6-反應(yīng)管； 7-熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)；8-氣流分布器；
[0033]9-定向?qū)л咥 ; 10-定向?qū)л咮; 11_纖維纏繞盤；12-相向異步纏繞器；
[0034]13-速度控制器；14-拉制電機(jī)；15-纏繞電機(jī)； 16-纏繞軸；
[0035]17-電機(jī)底座； 18-帶動螺紋桿。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0037]本發(fā)明提供的一種仿生集水纖維連續(xù)化制備裝置，如圖1所示，所述的仿生集水纖維連續(xù)化制備裝置包括:原纖維支撐架1、中心軸承2、纖維軸3、脹緊摩擦器4、液槽5、反應(yīng)管6、熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)7、氣流分布器8、定向?qū)л咥9和定向?qū)л咮10、相向異步纏繞器12和速度控制器13。所述的纖維軸3通過中心軸承2固定在原纖維支撐架I上，在纖維軸3上固定原纖維的一端，然后原纖維的另一端水平依次穿過脹緊摩擦器4、液槽5、反應(yīng)管6、氣流分布器8、定向?qū)л咥9和定向?qū)л咮lO，最后纏繞在相向異步纏繞器12的纖維纏繞盤11上；速度控制器13連接相向異步纏繞器12，用于控制相向異步纏繞器12的轉(zhuǎn)速；整個(gè)裝置保證纖維始終處于水平狀態(tài)。
[0038]所述的中心軸承2用于將纖維軸3固定在原纖維支撐架I上，穩(wěn)定原纖維牽引速度和仿生集水纖維連續(xù)化制備裝置的工作狀態(tài)，保證仿生集水纖維生產(chǎn)的穩(wěn)定性；所述的纖維軸3水平設(shè)置，纖維軸3可以繞中心軸承2旋轉(zhuǎn)，使得原纖維纏繞在纖維軸3上；纖維軸3的軸線水平，并且垂直于脹緊摩擦器4的軸線。
[0039]所述的脹緊摩擦器4用于保證懸空的原纖維擁有足夠的張力，使得原纖維在通過液槽5和反應(yīng)管6時(shí)能保持平直的狀態(tài)，控制仿生集水纖維制備過程中的同心性。
[0040]所述的液槽5用于盛放高聚物溶液，液槽5前后壁開有一對同心同直徑的液槽孔，兩個(gè)液槽孔的孔心位于一條水平線上，用于保證原纖維在高聚物溶液中處于水平狀態(tài)，本實(shí)施例中液槽孔的直徑為0.4mm。根據(jù)不同實(shí)施例中原纖維直徑大小以及開孔方式的改變，液槽孔直徑會有相應(yīng)地變化。液槽孔直徑比原纖維直徑大0.2?0.4mm，從而使原纖維在牽引過程中不會阻礙高聚物溶液液膜的形成，同時(shí)，保證在表面張力作