一种旋转喷涂制膜设备的制作方法

本实用新型涉及薄膜材料和器件制造领域，具体是一种旋转喷涂制膜设备，该设备可以利用不同物质的液态分散液或溶液快速制备具有定向有序且可设计的微观结构的薄膜材料。

背景技术：

具有特殊有序微观结构的柔性薄膜材料是现代工业中重要的基础材料，广泛应用于过滤纯化、阻隔防护、离子交换、催化合成等技术领域。目前，工业上常用的薄膜材料通常为有机高分子材料，如：聚烯烃等；无机材料因刚性化学键结构，通常难以独立形成自支撑的柔性膜材料。薄膜材料的制备通常分为干法和湿法两类，其主要区别在于是否需要溶剂的参与；由于溶剂的去除过程(如过滤分离或溶剂挥发等)速度较慢，薄膜材料的湿法制备过程通常效率不高；但湿法制膜的微观结构可控性较好，尤其适合制备包含多种物质的复合薄膜材料，薄膜均匀性好，可设计性好。随着二维材料和小分子功能材料的出现，利用这些新材料制备薄膜有望实现更加优异的功能，并拓展新的薄膜材料应用；然而这些材料通常只能通过湿法成膜的方法，利用其溶液或分散液制成薄膜材料，而现有湿法制膜工艺在制膜效率上的不足大大限制新型薄膜材料的制备和应用开发。

目前，湿法成膜的方法主要有喷涂、刷涂、浸渍涂覆、旋涂、抽滤、层层自组装等，其中：前三种方法适合大面积膜的制备，但膜厚较大，涂膜微观结构可控性较差；后三种方法仅适用于小面积薄膜的制备，涂膜微观结构可控性较好，但制膜效率低。公开号为CN108568926A的中国发明专利申请，提出一种高效制备高定向、高致密二维材料薄膜的方法，采用内表面光滑的圆形管作为模具，并使模具高速旋转；在这一过程中，将含有成膜物质的溶液或分散液倒入模具中，溶液在离心力的作用下可以在模具表面快速形成均匀致密且微观结构有序的薄膜材料。利用该技术可实现二维材料、有机高分子材料、以及其他有机无机纳米材料等之一种或两种及以上薄膜及复合薄膜材料的高效制备，这为新型膜材料的高效控制制备提供解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种旋转喷涂制膜设备，可快速、高效、可控、安全的制备出大面积且具有有序微观结构的二维材料、有机高分子材料、以及其他有机或无机纳米材料的单一物质或多种物质复合薄膜材料。

本实用新型的技术方案是：

一种旋转喷涂制膜设备，包括：固定底座、旋转动力头、滚筒模具和成膜基体、缓冲垫、喷头、喷头支架、喷涂增压部件、加热套、滚筒模具保护套、喷涂溶液，具体结构如下：

滚筒模具和成膜基体中，成膜基体紧贴于滚筒模具内侧；缓冲垫安装于旋转动力头与固定底座连接处，旋转动力头通过键轴连接滚筒模具，滚筒模具的外侧设置加热套，加热套外加滚筒模具保护套，滚筒模具保护套安装于滚筒模具和加热套之外侧，喷涂增压部件的出气口通过管路连至喷头一端的进气口，喷涂溶液通过管路连至喷头一端的进液口；喷头通过喷头支架固定于滚筒模具外端斜上方，喷头另一端的喷嘴对准滚筒模具内侧的成膜基体上。

一种旋转喷涂制膜设备，包括：固定底座、旋转动力头、滚筒模具和成膜基体、缓冲垫、喷头、喷头移动装置、喷头移动支架、喷涂增压部件、喷涂液进料控制部件、光波加热管和固定架、滚筒模具保护套、喷涂溶液，具体结构如下：

滚筒模具和成膜基体中，滚筒模具内侧贴附氟化离型膜作为成膜基体；缓冲垫安装于旋转动力头与固定底座连接处，旋转动力头通过连轴法兰连接滚筒模具，旋转动力头带动滚筒模具旋转，滚筒模具外加滚筒模具保护套，滚筒模具内侧通过安装光波加热管和固定架，固定架的一端通过螺栓固定于滚筒模具保护套侧面，固定架的另一端安装光波加热管；喷涂增压部件的出气口通过管路连接喷头一端的进气口，喷涂液进料控制部件的进液口连接喷涂溶液，喷涂液进料控制部件的出液口连接喷头一端的进液口；喷头安装于喷头移动支架顶端，喷头移动支架安装在喷头移动装置上。

一种旋转喷涂制膜设备，包括：固定底座、旋转动力头、滚筒模具和成膜基体、缓冲垫、喷头、喷头移动装置、喷涂增压部件、喷涂液进料控制部件、光波加热管和固定架、滚筒模具保护套、滚筒模具尾端固定架、滚筒模具尾端三角架、中空稳定轴、稳定轴承、固定壳体、安全门、喷涂溶液，具体结构如下：

滚筒模具和成膜基体中，滚筒模具内侧贴附离型膜作为成膜基体，缓冲垫安装于固定底座底部；滚筒模具的内侧安装光波加热管和固定架，光波加热管安装于固定架上，滚筒模具的外侧设置滚筒模具保护套，滚筒模具保护套的底部安装于固定底座上；旋转动力头通过连轴法兰连接滚筒模具，滚筒模具尾端连接滚筒模具尾端三角架，滚筒模具尾端三角架的轴心安装稳定轴承，稳定轴承通过中空稳定轴安装于滚筒模具尾端固定架中，滚筒模具尾端固定架安装于固定底座上，中空稳定轴的中空部分引入进气管、进液管，喷涂增压部件的出气口通过进气管连接喷头一端的进气口，喷涂液进料控制部件的进液口连接喷涂溶液，喷涂液进料控制部件的出液口通过进液管连接喷头一端的进液口，喷头排布于喷头移动装置上，喷头移动装置套设于中空稳定轴外侧；设备壳体由固定壳体和安全门组成，固定壳体罩扣于旋转动力头和滚筒模具外侧，固定壳体底部与固定底座连接，安全门位于滚筒模具一侧。

所述的旋转喷涂制膜设备，安全门上安装但不限于电磁阀或限位开关；安全门采用但不限于通过导轨与固定底座相连，并能沿滚筒模具轴方向移动；或者，安全门顶部通过转轴安装于固定壳体，形成上掀式开合结构。

所述的旋转喷涂制膜设备，旋转动力头是直流电机、伺服电机、步进电机或者主轴箱变速器和电机的组合；喷涂增压部件采用但不限于气体压缩机、压缩气体罐或无气喷涂增压泵，喷涂增压部件的出气口与喷头的进气口通过耐压管连接；喷头部件采用但不限于自动雾化喷头、超声波空气喷头、连续注射喷头、间歇式注射喷头或压电喷头；喷头移动装置包括直线移动模组或角度旋转控制模组。

本实用新型的优点及有益效果如下：

本实用新型制造一种可用于二维材料、有机高分子材料以及其它有机或无机纳米材料，通过液相快速形成具有可设计有序微观结构薄膜材料的设备。利用该设备制备薄膜材料的机制是：含有成膜物质的液体在一定压力下通过喷嘴雾化成细小的液滴，落在滚筒模具中以特定速度旋转的基体材料表面，或以连续液体的形式被定量的注射到旋转的基体材料表面；由于基体运动产生的剪切力使液滴被摊薄成极薄的液膜，使液滴中的溶剂可以快速挥发的同时，液滴内部所含有的成膜物质在剪切力的作用下也按照基体运动的方向定向排列；上述过程的不断累积，可以实现具有定向堆叠结构的薄膜材料的快速制备；而通过间歇的更换不同成膜物质溶液进行成膜，就可以实现多种物质复合层状有序薄膜结构的制造。从而，通过控制滚筒旋转速度、喷涂环境温度以及空气流量等参数可以实现溶剂的快速或按需挥发，从而实现高效成膜或按需成膜。

附图说明

图1-图2.实施例1简单小面积薄膜制备设备结构示意图和剖面图。其中，图1为结构示意图，图2为剖面图。

图3-图4.实施例2稳定中等面积薄膜制备设备结构示意图和剖面图。其中，图3 为结构示意图，图4为剖面图。

图5-图6.实施例3高效大面积薄膜制备设备无外壳结构示意图和剖面图。其中，图5为结构示意图，图6为剖面图。

图7.实施例3高效大面积薄膜制备设备整体结构示意图。

附图中数字指代的部件名称如下：

1固定底座；2旋转动力头；3滚筒模具和成膜基体；4缓冲垫；5喷头；6喷头支架；7喷头移动装置；8喷头移动支架；9喷涂增压部件；10喷涂液进料控制部件；11加热套；12光波加热管和固定架；13滚筒模具保护套；14滚筒模具尾端固定架； 15滚筒模具尾端三角架；16中空稳定轴；17稳定轴承；18固定壳体；19安全门；20 喷涂溶液。

具体实施方式

在具体实施过程中，本实用新型旋转喷涂制膜设备的核心部件由(一)旋转滚筒模具、(二)液体喷涂组件、(三)温度控制组件和(四)安全防护组件四个基础部分构成。该设备以溶液或分散液为原料，可实现二维材料、有机高分子材料、以及其他有机无机纳米材料的单一成分薄膜或两种及以上成分复合薄膜材料的大面积快速制备，所得薄膜微观结构高度有序且具有可设计性，可用于高性能膜材料的研究开发和工业化生产。

(一)旋转滚筒模具组件主要由以下五个主要部件构成，分别是：旋转动力头、成膜基体、滚筒模具、旋转稳定装置以及固定底座。

所述旋转动力头可以是直流电机、伺服电机、步进电机或者主轴变速箱和电机的组合，其作用是为滚筒模具提供旋转动力并控制滚筒工作。

所述成膜基体的作用是作为载体在其表面形成目标薄膜材料，其材质可以是各种金属、有机聚合物或其它无机非金属材料，其形态通常为柔性的连续膜，当面积较小时也可以是刚性的片材或块材。

所述滚筒模具用于承载和固定成膜基体，并带动成膜基体旋转，为成膜过程提供剪切力。滚筒模具的材质可以是各种金属、有机聚合物或其它无机非金属材料；滚筒模具的内径范围是1cm到100m，优选的内径范围是5cm到400cm；滚筒模具的长度范围是5cm到50m，优选的长度范围是10cm到2m；滚筒模具的壁厚范围是0.01mm到1m，优选的壁厚范围是1mm到10cm；滚筒模具与动力头连接，其连接方式可采用但不限于光轴、键轴、卡盘或者法兰连接。滚筒模具在动力头的带动下旋转，其旋转速度范围是1转/分钟到500000转/分钟，优选的转速范围是2000到6000 转/分钟。

所述旋转稳定装置的作用是减弱动力头和滚筒模具在高速旋转过程中产生的震动，避免动力头与固定底座发生共振及发生偏心旋转。稳定装置包含但不限于安装于动力头与固定底座连接处的缓冲垫，以及安装于离心滚筒的尾端稳定架等。

所述固定底座用于为设备提供稳定配重或将设备固定在非活动支架上，同时也作为基座用于固定动力头，安装其他组件构建及电路和气路设备。固定底座的材质主要可选用但不限于铸铁、钢材、聚合物或石材。

(二)液体喷涂组件主要由以下四个主要部件构成，分别是喷头部件、喷头位置控制部件、喷涂增压部件、喷涂液进料控制部件。

所述喷头部件的作用是将分散液喷出，并使其喷至旋转的成膜基体表面。该部件可采用但不限于自动雾化喷头、超声波空气喷头、连续注射喷头、间歇式注射喷头、压电喷头等。

所述喷头位置控制部件的作用是调整喷头位置，控制喷涂区域大小及均匀喷涂，其可采用喷头支架，也可以采用喷头移动装置包括直线移动模组、角度旋转控制模组等。

喷涂增压部件的作用是为喷头提供高压气源，为喷头提供可调节的喷涂压力，该部件可采用但不限于气体压缩机、压缩气体罐、以及无气喷涂增压泵等其他压缩装置，其出气口与喷头进气口通过耐压管连接。

所述喷涂液进料设备是控制一种或多种不同成分的喷涂液输送至喷头，并控制喷雾成膜过程的通断、喷雾流量等。该部件可采用但不限于蠕动泵、机械泵或隔膜泵等。该组件通过液体管路与喷头进液口连接，设备工作过程中，该组件为喷头提供设定的成膜液体。

(三)温度控制组件主要由四个主要部件构成，包括加热器、冷却器、温度传感器和温度控制器。其中，加热器和冷却器的作用是控制滚筒模具腔体内部的温度以调控溶剂蒸发速度；加热器可采用但不限于加热电阻、红外加热管或光波加热管等；冷却器可采用但不限于液氮喷雾、压缩气体喷雾、压缩机热交换管路等。温度传感器及温度控制器用于感知及控制模具腔体内的温度，所述温度控制器用于控制加热器的功率输出，以调整加热温度；或控制冷却物质的量以降低温度。上述传感器及控制器均通过电路与设备整体控制组件相连，调控薄膜制备过程的环境条件。

(四)安全防护组件的作用是防止设备中的高速旋转部件、加热及冷却部件，以及带电部件在工作过程中，对设备使用人员可能造成的伤害。该组件由滚筒模具保护套和设备壳体构成；滚筒模具保护套安装于滚筒模具外为滚筒模具高速旋转提供安全保障，设备壳体包括固定壳体和安全门组成，安全门上可安装但不限于电磁阀或限位开关，用于检测安全门开关状态，安全门可采用但不限于通过导轨与设备底座相连，并能沿滚筒模具轴方向移动，或通过转轴安装于固定壳体，形成上掀式开合等。安全门的作用是在安全门打开时设备处于保护状态，所有旋转部件强制不工作；只有安全门关闭时，设备旋转机构才能正常工作。

用于该设备成膜的原料包括但不仅限于二维材料、有机高分子材料、有机纳米材料、无机纳米材料以及其它各种可制成溶液的物质，所形成的溶液可以利用喷涂设备喷出，且所用溶剂在一定条件下可挥发或固化成膜。

本说明书所述附图和实施例是对本实用新型的具体实施方式做进一步详细描述，一下的三个实施例是用于本实用新型的说明，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

如图1-图2所示，本实施例中，提供一种简单小面积薄膜制备的旋转喷涂制膜设备，包括：固定底座1、旋转动力头2(直流电机)、滚筒模具和成膜基体3(滚筒模具采用铝合金，成膜基体采用聚四氟乙烯膜)、缓冲垫4(橡胶缓冲垫)、喷头 5、喷头支架6、喷涂增压部件9(空气压缩机)、加热套11、滚筒模具保护套13、喷涂溶液20(二维纳米材料分散液)，具体结构如下：

滚筒模具和成膜基体3中，滚筒模具内径小于15cm，其长度小于10cm，成膜基体紧贴于滚筒模具内侧。缓冲垫4安装于旋转动力头2与固定底座1连接处，旋转动力头2通过键轴连接滚筒模具，滚筒模具最高转速到6000转/分钟，滚筒模具的外侧设置加热套11，加热套11外加滚筒模具保护套13，以防止高速滚筒模具在运行过程中出现安全隐患。滚筒模具保护套13安装于滚筒模具和加热套之外侧，加热套11用于加热滚筒模具，其加热温度根据所用溶液中溶剂沸点调整，其加热温度范围从 30℃到300℃。喷涂增压部件9的出气口通过管路连至喷头5一端的进气口，喷涂溶液20通过管路连至喷头5一端的进液口。喷头5通过喷头支架6固定于滚筒模具外端斜上方，喷头5另一端的喷嘴对准滚筒模具内侧的成膜基体上。

本实施例的使用过程：控制旋转动力头2按照设定加速度增速旋转，到达设定转速旋转后匀速旋转，旋转动力头2带动滚筒模具旋转，开启加热套11加热，热量通过滚筒模具与加热套11之间的空气对流传到热能给滚筒模具，滚筒模具通过热传导将热量传给成膜基体，控制加热套11温度，使成膜基体温度保持在设定温度稳定，开启空气压缩机，带二维纳米材料分散液从喷头5喷出到达成膜基体表面，在剪切力和离心力作用下沿着成膜基体表面铺展形成液膜，液膜受到成膜基体加热挥发，形成薄膜。持续如此过程，即可得到二维纳米材料层层高定向紧密堆叠的结构，实现中小面积(小于300cm²)二维纳米材料宏观薄膜的制备。

实施例2

如图3-图4所示，本实施例中，提供一种稳定中等面积薄膜制备的旋转喷涂制膜设备，包括：固定底座1、旋转动力头2(三相交流电机和主轴箱)、滚筒模具和成膜基体3(滚筒模具采用铝合金，成膜基体采用氟化离型膜)、缓冲垫4(橡胶缓冲垫)、喷头5、喷头移动装置7、喷头移动支架8、喷涂增压部件9(空气压缩机)、喷涂液进料控制部件10(蠕动泵)、光波加热管和固定架12、滚筒模具保护套13、喷涂溶液20(二维纳米材料分散液)，具体结构如下：

滚筒模具和成膜基体3中，滚筒模具内径大于15cm，其长度小于40cm，滚筒模具内侧贴附氟化离型膜作为成膜基体。缓冲垫4安装于旋转动力头2与固定底座1连接处，旋转动力头2通过连轴法兰连接滚筒模具，旋转动力头2带动滚筒模具旋转，其转速最高转速到5000转/分钟，滚筒模具外加滚筒模具保护套13，以防止高速旋转的滚筒模具在运行过程中出现安全隐患。滚筒模具内侧通过安装光波加热管和固定架 12，固定架的一端通过螺栓固定于滚筒模具保护套13侧面，固定架的另一端安装光波加热管。喷涂增压部件9的出气口通过管路连接喷头5一端的进气口，喷涂液进料控制部件10的进液口连接喷涂溶液20，喷涂液进料控制部件10的出液口连接喷头一端的进液口。喷头5安装于喷头移动支架8顶端，喷头移动支架8安装在喷头移动装置7上。

本实施例的使用过程：开启旋转动力头2，旋转动力头2带动滚筒模具按照设定加速度增速旋转，到达设定转速旋转后匀速旋转，开启光波加热管，热量通过辐射加热滚筒模具内侧的成膜基体表面。空气压缩机将高压气体从喷头吹出，蠕动泵按照设定的流速将二维纳米材料分散液挤入喷头，喷到成膜基体表面，在剪切力和离心力作用下沿着成膜基体表面铺展形成液膜。喷头在喷头移动装置7和喷头移动支架8作用下，沿着旋滚筒模具旋转轴向往复移动，使得成膜基体表面的二维纳米片在宽范围内铺展均匀。液膜受到光波管加热作用挥发，形成薄膜。持续如此过程，即可实现中等面积(300cm²～3000cm²)薄膜的制备。实施例2与实施例1区别在于：旋转动力头由单独电机改为电机与主轴箱组合，滚筒模具与旋转动力头连接由键轴连接改为法兰连接，加热方式由加热套转变为光波加热管，固定喷头变为往复移动喷头。

实施例3

如图5-图6和图7所示，本实施例中，提供一种高效大面积薄膜制备的旋转喷涂制膜设备，包括：固定底座1、旋转动力头2(三相交流电机和主轴箱)、滚筒模具和成膜基体3(滚筒模具采用不锈钢，成膜基体采用氟化离型膜)、缓冲垫4(橡胶缓冲垫)、喷头5(多个)、喷头移动装置7、喷涂增压部件9(空气压缩机)、喷涂液进料控制部件10(机械泵)、光波加热管和固定架12、滚筒模具保护套13、滚筒模具尾端固定架14、滚筒模具尾端三角架15、中空稳定轴16、稳定轴承17、固定壳体18、安全门19、喷涂溶液20(二维纳米材料分散液)，具体结构如下：

滚筒模具和成膜基体3中，滚筒模具内径大于15cm，其长度大于40cm，滚筒模具内侧贴附氟化离型膜作为成膜基体。缓冲垫4安装于固定底座1底部，缓冲垫4为八个橡胶圆柱均匀分布。滚筒模具的内侧安装光波加热管和固定架12，光波加热管安装于固定架上，滚筒模具的外侧设置滚筒模具保护套13，滚筒模具保护套13的底部安装于固定底座1上。旋转动力头2通过连轴法兰连接滚筒模具，滚筒模具尾端连接滚筒模具尾端三角架15，滚筒模具尾端三角架15的轴心安装稳定轴承17，稳定轴承17通过中空稳定轴16安装于滚筒模具尾端固定架14中，滚筒模具尾端固定架14 安装于固定底座1上，以保证其长型滚筒模具在高速旋转过程中保持轴心稳定。中空稳定轴16的中空部分引入进气管、进液管，实现滚筒模具在旋转过程中向其内部输送压缩空气和喷涂溶液。设备壳体由固定壳体18和安全门19组成，固定壳体18罩扣于旋转动力头2和滚筒模具外侧，固定壳体18底部与固定底座1连接，安全门19 顶端通过转轴与固定壳体18铰接，安全门19上安装有电磁阀，用于检测安全门开关状态，设备工作过程中，只有在安全门19有效关闭时，机械旋转设备才可以工作，防止设备操作人员因意外接触旋转部件而造成伤害。喷涂增压部件9的出气口通过管路连接喷头5一端的进气口，喷涂液进料控制部件10的进液口连接喷涂溶液20，喷涂液进料控制部件10的出液口连接喷头一端的进液口，喷头5排布于喷头移动装置7 上，喷头移动装置7套设于中空稳定轴16外侧。

本实施例的使用过程：关闭设备壳体上的安全门，开启旋转动力头2，旋转动力头2带动滚筒模具按照设定加速度增速旋转，到达设定转速旋转后匀速旋转，开启光波加热管，加热成膜基体表面，多个喷头5在喷头移动装置7作用下沿着滚筒模具轴向往复移动，二维纳米材料分散液经过多个喷头5同时喷出，进入滚筒模具内壁的成膜基体表面，在剪切力和离心力作用下沿着成膜基体表面铺展形成液膜，液膜受到光波加热作用挥发，形成薄膜。持续如此过程，即可实现大面积(大于3000cm²)薄膜的制备。实施例3与实施例2的区别在于：喷头数量由单个变为多个，增加滚筒尾端稳定装置，以稳定长型滚筒的高速旋转，滚筒模具长度可达1米以上，增加设备壳体，避免长型滚筒模具高速旋转过程中出现意外伤害操作人员。

以上三个实施例实现二维纳米材料高定向组装形成小、中和大面积薄膜的设备，解决先有现有二维材料薄膜制备设备存在的缺点，其制备过程简单，操作稳定，薄膜生产效率高，其设备生产的薄膜纳米片取向性和堆叠密度远高于现有制备设备。真正实现二维纳米材料高定向组装成薄膜的工业化产品，推动二维纳米材料薄膜在诸多领域的研究和应用。

以上是本实用新型的三种优选实施方式，并不用于限制本实用新型。其中设备的各个组成部分还可以做若干改进和变形，在不脱离本实用新型技术的原理的改进和变形，也应视为本实用新型的保护范围。