一种基于静电纺丝技术的超微细粒过滤装置的制作方法

本发明涉及一种3D打印装置，具体是涉及基于静电纺丝技术的超微细粒过滤装置。

背景技术：

随着工业社会的不断发展，提高生产效率成为智能制造行业的一大目标，而快速成型能够在生产速度方便有极大的提升。近些年，各类3D打印机层出不穷，其应用领域也不断扩大，除了建筑、汽车、航空航天、医疗等领域，一些办公场所也开始购置3D打印机，以提高工作效率。

目前3D打印的主要技术有熔融沉积快速成型(FDM)、光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)等方式，其中应用最广的是FDM的方式，这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。而最常用的塑料材料就是ABS和PLA两种，ABS的融化温度为220℃，PLA的融化温度为200℃左右，在高温状态下，材料会释放出大量超微细粒子，如PLA材料在打印过程中，每分钟释放200亿微粒，这些微粒的释放量，和在室内燃烧香烟释放的微粒数量差不多，而空气中悬浮的微粒容易被吸入肺部甚至脑部，过度积聚可能会引发肺病、血液及神经系统疾病，甚至导致死亡。现有研究表明，ABS等材料高温熔融状态下释放出氰化氢、一氧化碳等气体颗粒更是具有一定的毒性，对人体及环境有较大的影响。所以如何有效的解决此类问题成为人们研究的关注点之一。

目前，现有的桌面3D打印机缺乏过滤装置，市场上并没有出现良好的过滤效果的装置来过滤减少微粒的释放，设计一种新型3D打印机专用的微粒过滤装置，能从微粒产生的第一步就减少危害。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于静电纺丝技术的超微细粒过滤装置，可以有效过滤含有超微细粒的空气中超微细粒，适于各种场合。

本发明针对现有桌面3D打印机对环境的污染，提出一种可以过滤打印过程产生的有毒超微细粒子的新型3D打印装置，其过滤机构基于静电纺丝新技术，实用性强。

一种基于静电纺丝技术的超微细粒过滤装置，用于含有超微细粒的空气的过滤，包括：

带有密封腔的主体箱，所述密封腔用于放置会产生含有超微细粒的空气的机构；

带有进气口和出气口的过滤箱，该过滤箱的进、出气口分别与所述密封腔密封导通；

设置在过滤箱内的过滤挡板，该过滤挡板通过覆设在其上的静电纺丝膜实现过滤功能。

本发明中，所述会产生含有超微细粒的空气的机构可为各种现有的或者将来会产生的，在工作过程中或者在其他状态下，会产生含有超微细粒的空气的设备或者装置。作为优选，所述会产生含有超微细粒的空气的机构为3D打印机。采用本发明的技术方案，3D打印作业主要在主体箱内完成，在3D打印机工作过程中，产生的有害超微细粒经过过滤箱后，被静电纺丝膜吸附过滤，避免向外界释放。

本发明中的过滤箱，可以是单独的箱体结构，然后通过两个密封管道与主体箱密封对接，此时过滤挡板一般设置在过滤箱中，过滤挡板四周与过滤箱内壁密封对接，避免打印机内空气直接从缝隙中“短路”通过，导致其得不到有效的过滤。作为优选，所述过滤箱为管道结构。采用管道结构，可以直接实现过滤箱与主体箱的密封对接，省去额外增加管道，使得装置的整体结构更加简单。

作为优选，所述过滤箱内设有风机。利用风机可以进一步增强过滤箱内的空气流动，同时进一步引导主体箱内的空气尽快进入到过滤箱内实现过滤。风机可以设置一个或者多个，设置一个或两个时，一般设置在过滤箱的进风口或者出风口处。

作为优选，所述过滤挡板为沿过滤箱设置的两块或多块。所述过滤箱上设有卡槽，所述过滤挡板滑动设置在所述卡槽内，在过滤挡板安装到位后，过滤挡板与过滤箱密封固定。采用两块或多块过滤挡板，在进一步提高过滤效率的同时，也能避免因设置一片过滤膜孔隙不均匀造成的通量过大而导致的过滤效果降低的问题。采用卡槽结构，方便了过滤挡板的安装和拆卸以及更换。

作为优选，所述打印机采用熔融沉积快速成型的方式进行打印，采用的打印材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或聚乳酸(PLA)。ABS和PLA最常用的两种塑料材料，采用本发明的装置，可进一步去除在高温状态下这些材料的释放出大量超微细粒子，避免对人体的伤害以及对周围环境的污染。

作为优选，所述过滤箱设置在主体箱顶部。3D打印过程中，环境中温度会升高，产生热胀冷缩的效果，使气体在箱体内上升，可在膨胀力的作用下，自动的进入到过滤箱中进行过滤，进一步提高过滤效率。

作为优选，所述静电纺丝膜通过高压静电纺丝机制作得到。本发明采用静电纺丝技术，通过不同材料的组合溶解，不同参数的调整，可以制备出有利于过滤有毒超微细粒的过滤膜，能够明显起到过滤效果，大大提升过滤的效率；通过不同材料不同参数的调整来制造PCL静电纺丝膜进行过滤，减少对人体环境的不良影响。作为进一步优选，所述静电纺丝膜制作过程中：(1)采用的聚合物溶液为质量百分比浓度为10～20％的聚己内酯溶液；(2)注射流速为2.5～4.5mL/h；(3)电压为5～15kV。

作为优选，所述聚合物溶液的溶剂采用DMF和DCF，DMF和DCF体积比为1:(3～5)。

作为优选，所述静电纺丝膜制作过程中，注射器针尖与收集器之间的距离为10～20cm。

作为优选，所述静电纺丝膜制作过程中，环境温度为30～40℃，相对湿度为40～60％。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的打印装置将工艺成熟的静电纺丝技术引入到三维打印的过滤过程中来，针对三维打印自身的特点，将静电纺丝技术与三维打印有机结合，能够有效去除三维打印过程中产生的超微细粒，避免这些超微细粒被人体吸入，同时也避免其对环境的污染。

本发明通过设置风扇，同时将过滤箱置于主体箱上方，利用在3D打印过程中，环境中温度会升高，产生热胀冷缩的效果，使气体在箱体内上升，经过风扇在密闭空间内进行循环流动，通过过滤挡板过滤空气中的细小颗粒，实现无限内循环过滤，起到净化作用，而两次或多次静电纺丝膜过滤，也能避免因一片过滤膜孔隙不均匀造成的通量过大而导致的过滤效果降低的问题。

本发明整体结构简单，仅需要将现有的打印机或者其他会产生含有超微细粒气体的机构置于主体箱中，即可实现对其释放的污染空气的过滤，实用性强。

附图说明

图1为本发明的基于静电纺丝技术的超微细粒过滤装置应用于3D打印的整体装置图。

图2为本发明的过滤挡板一种实施方案的结构示意图。

图3为本发明的实物图。

图4为过滤前PCL静电纺丝膜电镜图。

图5为过滤后PCL静电纺丝膜电镜图。

具体实施方式

结合图1～图3，以进一步说明本发明：

如图1～图3所示，一种基于静电纺丝技术的超微细粒过滤装置，用于含有超微细粒的空气的过滤，包括：带有密封腔的主体箱1、带有进气口和出气口的过滤箱4以及设置在过滤箱内的过滤挡板2和过滤挡板3。其中主体箱内的密封腔用于放置会产生含有超微细粒的空气的机构，本实施例中，该机构为现有桌面3D打印机；过滤箱4的进、出气口分别与密封腔密封导通；过滤挡板2和过滤挡板3通过覆设在其上的静电纺丝膜实现过滤功能。

过滤箱4为管道结构，可以为类似倒U型的结构，倒U型结构的两端分别对应进气口和出气口，靠近进气口的一端内设有风机5。过滤挡板2和过滤挡板3设置在倒U型结构的水平段，相互平行，间隔设置，保证含有超微细颗粒依次经过过滤挡板2和过滤挡板3实现过滤。

3D打印机一般为采用熔融沉积快速成型的方式进行打印的打印机，采用的打印材料可以是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或聚乳酸。

过滤箱4设置在主体箱1顶部，均采用亚克力板制作，主体箱1尺寸为500×500×500mm的立体结构，主要用来容纳桌面3D打印机，起到密封的作用，不让产生的超微细颗粒跑到环境中去；过滤箱4连接在主体箱上方，与其相通，过滤箱呈管道式，由小功率风扇5、两块过滤挡板、外壳三部分组成。

在3D打印过程中，环境中温度会升高，产生热胀冷缩的效果，使气体在主体箱内上升，经过风扇的驱动作用，这些携带超微细颗粒的空气在密闭空间内进行循环流动，通过过滤挡板过滤空气中的细小颗粒，实现无限内循环过滤，起到净化作用，而两次静电纺丝膜过滤，也能避免因一片过滤膜孔隙不均匀造成的通量过大而导致的过滤效果降低。

本发明中的过滤挡板2和过滤挡板3，均采用PCL静电纺丝膜6作为过滤薄膜，静电纺丝膜覆设在过滤挡板上，起到良好的干燥、过滤效果。其中静电纺丝膜可采用下述方法制备得到：

(1)溶液调制：采用12wt％(质量分数12％)的PCL溶液，溶剂为DMF和DCF溶液比例1:4(体积比)，在温度25℃的水浴加热下磁力搅拌溶解；

(2)静电纺丝过程：静电纺丝膜通过高压静电纺丝机制作，环境温度35℃，相对湿度50％，注射流速3.5ml/h，电压10kV，针尖与电极距离为15cm，纺丝成膜时间为1.5小时左右。

实际使用过程中，首先，将过滤挡板2、过滤挡板3拿出来，覆盖好已经成型的静电纺丝膜6，将过滤挡板2、过滤挡板3装回设置在过滤箱体上卡槽中，保证密封。在3D打印机打印过程中，开启小功率风扇5，以便将打印产生的微细颗粒在装置内循环过滤。打印结束后，关闭风扇5，取出过滤挡板2、过滤挡板3，更换过滤片静电纺丝膜6(过滤片不仅限静电纺丝膜)，装好过滤挡板2、过滤挡板3即可。

本实施例以采用聚乳酸为打印材料的熔融沉积快速成型的3D打印机为例。首先制作过滤膜，使用静电纺丝机将配置好的溶液进行纺丝，运行时间为1.5h；取下静电纺丝膜后，在真空干燥箱内进行1h的干燥，干燥时间为80℃的；随后将干燥后的过滤膜覆盖到装置中挡板上。启动3D打印机，进行实际运行，运行时间为0.5小时，此时装置内PM2.5浓度达到900μg/m³；图4为过滤前PCL静电纺丝膜电镜图；图5为过滤后PCL静电纺丝膜电镜图。由图4和图5可知，采用PCL静电纺丝膜能够有效吸附3D打印过程中的超微细颗粒。同时利用本发明的过滤装置过滤0.5小时后，对主体箱内的空气进行检测，结果显示，空气中超微细颗粒低于50μg/m³，显著的降低了对人体的伤害。