一種仿生集水纖維的連續(xù)化制備裝置及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于化學仿生技術領域，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】
[0002]目前，水資源匱乏已成為世界性問題，嚴重影響國民經濟的可持續(xù)發(fā)展和國家生態(tài)安全，對人類的生存構成了極大的威脅，據聯合國數據報道，世界上有將近有12 %的人無法獲得安全的飲用水。
[0003]根據聯合國環(huán)境規(guī)劃署的數據，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大量的能源。與此同時，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熱性質好的金屬。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)設立了兩個霧水收集站，霧水收集器用尼龍網制成，尼龍網支架下用一個大鐵盤收集，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，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，不能滿足人類生產生活所需。
[0005]自然界中的生物經過長期的進化過程獲得了在極度缺水環(huán)境中生存的本領。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)的居民也已經開始用類似的傳統(tǒng)集水材料從霧氣中收集淡水。但現有集水技術存在著效率低、集水成本高、環(huán)境不友好、集水纖維生產效率低的缺陷，無法滿足廣大缺水地區(qū)對于水資源的迫切需求。

【發(fā)明內容】

[0006]現有技術中制備集水纖維存在的問題，主要體現在節(jié)點穩(wěn)定性不足，節(jié)點結構不均，纖維的生產速度與效率低下。為了解決現有技術中存在的問題，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、反應管、熱風鼓風機、氣流分布器、定向導輪A、定向導輪B、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、反應管、氣流分布器、定向導輪A和定向導輪B，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速；整個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支架，所述纖維軸水平設置，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。所述反應管為聚氯乙烯(PVC)管、鋼管、鋁管或陶瓷管。所述反應管的進風端(纖維輸出端)設置有氣流分布器，用于保證紡錘節(jié)結構穩(wěn)定。
[0009]所述熱風鼓風機的速度和溫度可控，用于為氣流分布器提供合適的氣流，并將氣流送入反應管內。
[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)；整個牽引過程保證纖維始終處于高聚物溶液內。
[0011]所述的相向異步纏繞器包括牽引拉絲電機、纖維纏繞電機、纖維纏繞盤和電機底座，其中牽引拉絲電機和纖維纏繞電機是兩個相向移動、異步轉動的電機，所述的纖維纏繞電機固定在電機底座上，纖維纏繞電機的輸出軸與纖維纏繞盤的纏繞軸固定連接，用于驅動纖維纏繞盤的纏繞軸的轉動，進而將具有節(jié)點結構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)，溶質聚偏氟乙烯(PVDF)混合而成。混合溶液中PVDF的質量分數為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、反應管、氣流分布器，再經由定向導輪A和定向導輪B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，打開熱風鼓風機預熱反應管。打開相向異步纏繞器，調整原纖維牽引速度至原纖維上形成節(jié)點，開始連續(xù)化生產仿生集水纖維。
[0020]所述預熱反應管的時間為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)點性質，包括節(jié)點表面粗糙度、節(jié)點間距、節(jié)點大小以及節(jié)點表面孔結構等。
[0022]本發(fā)明具有的優(yōu)點在于:
[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，實現節(jié)點結構均勻穩(wěn)定的或者具有節(jié)點大小梯度的仿生集水纖維的制備，具有非常高的工業(yè)化實際應用價值。
[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，實現了仿生集水纖維的自動化生產，提高產品產量與質量，為實現工業(yè)應用打下堅實基礎。
[0025]3、本發(fā)明制備的仿生集水纖維用于工業(yè)化集水網面的編織，制備的仿生集水纖維的節(jié)點比傳統(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)化制備裝置的結構示意圖；
[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構示意圖。
[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-反應管； 7-熱風鼓風機；8-氣流分布器；
[0033]9-定向導輪A ; 10-定向導輪B; 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；15-纏繞電機； 16-纏繞軸；
[0035]17-電機底座； 18-帶動螺紋桿。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[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、反應管6、熱風鼓風機7、氣流分布器8、定向導輪A9和定向導輪B10、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、反應管6、氣流分布器8、定向導輪A9和定向導輪BlO，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的轉速；整個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的穩(wěn)定性；所述的纖維軸3水平設置，纖維軸3可以繞中心軸承2旋轉，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和反應管6時能保持平直的狀態(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)，本實施例中液槽孔的直徑為0.4mm。根據不同實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，保證在表面張力作