CN101298724A - 连续高效纳米纤维非织造布的制备方法和生产装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续高效纳米送纺丝溶液(15)；用本发明制备纳米纤维非织造布不仅生产效率高，而且形成的纤维非织造布的厚度纤维非织造布的制备方法和生产装置，生产装置包括有供液系统、进液管(8)、连接机构、金属滚筒(6)，金属滚筒(6)外依次装有和其轴心相同的金属筛网(10)与纤维接收网(11)，纤维接收网(11)上装有退绕滚筒(12)和卷绕滚筒(13)，空心金属滚筒(6)上开有毛细孔(7)。制备方法包括以下步骤1)配置聚合物纺丝溶液(15)；2)将金属滚筒(6)与金属筛网(10)间加电场；3)使金属滚筒(6)按一定速度旋转；4)计量泵(4)向金属滚筒(6)内部输均匀；5)接收纳米纤维。有利于静电纺丝的规模化生产。

Description

连续高效纳米纤维非织造布的制备方法和生产装置
技术领域
本发明属纳米纤维非织造布领域，特别是涉及一种纳米纤维非织造布的制备方法和生产装置。
背景技术
静电纺丝技术始于20世纪30年代，是一种直接生产纳米纤维常用方法。该方法工艺流程短，操作简单，其产品多用于高效的过滤材料、生物医学材料、化学传感器等高科技领域。
传统的静电纺丝方法为单喷头式静电纺丝装置，这种设备生产效率低，产量约为0.1-1.0g/h，远远不能满足工业化生产要求。近年来，为了提高静电纺丝生产效率，人们在纺丝装置和生产方法上作了较多的研究。美国专利(US6616435B2，US6689374B2，US6713011B2，US6743273B2)设计了多喷头连续静电纺丝装置。中国专利(申请号200310109222.9，公开号CN1546753A)制备了共轴复合连续纳/微米纤维的多喷头静电纺丝装置。但是，在多喷头静电纺丝系统中，周边喷头喷射出的纳米纤维因受到相邻喷头喷射的带有同种电荷的纳米纤维的静电排斥，导致周边喷头喷出的纳米纤维飞散，并且影响了溶剂的挥发，因此目前多喷针头静电纺丝装置喷针头排列都较稀疏，一般两相邻喷针头相距10-20厘米，大大制约了产量的提高，而且工艺复杂，难以控制。
欧洲专利(WO2005024101)设计了一种无喷头纳米纤维纺丝机：将带电金属棒部分浸没在其下方的聚合物溶液中的，通过金属棒的旋转汲取溶液并将溶液带出到金属棒的表面以形成Taylor锥，然后在静电场作用下拉伸成丝。但实验证明，当金属棒在聚合物溶液中旋转时，特别容易在在金属棒表面形成一层聚合物膜，随着实验的进行，聚合物膜的厚度会变厚，严重影响纺丝的进行。因此，此种静电纺丝方法，对金属棒浸入纺丝液的深度、金属棒的转速和溶液浓度等工艺参数设置的要求苛刻，一旦条件达不到，在金属棒表面就不能形成Taylor锥，从而使纺丝难以进行。
高效连续式静电纺纳米纤维非织造布的制备装置和方法(申请号200810032247.6)采用溅射方式供液方式，通过将聚合物溶液从均匀分配器上滴落在金属滚筒上，金属滚筒带有高压正电，并以一定的速度旋转，纺丝溶液在静电力，重力，以及离心力的综合作用下在金属滚筒表面产生Taylor锥，从而进行纺丝。这种方法改进了纺丝溶液的喂给方式，并且提高了纤维的接收面积，对提高纤维生产效率起到了积极的作用，但是实验发现，溅射式溶液供给方式会出现溶液滴落在金属滚筒时发生溶液飞溅的现象，特别在溶液粘度较小的情况下液滴会直接飞溅到纤维接收网上，不仅影响生产的进行，还会影响纤维非织造布的质量。另外溅射式供给装置难以控制溶液在金属滚筒表面的分布，会造成溶液分布不均匀，从而影响Taylor锥的分布，最终使得沉积在纤维接收网上的纤维分布不均匀。
针对以上静电纺丝装置所存在的问题，本发明提出了一种采用纺丝溶液挤出式静电纺丝装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续高效纳米纤维非织造布的制备方法和生产装置，以解决现有技术中纤维分布不均匀、生产效率低的缺陷。
技术方案
本发明提供一种连续纳米纤维非织造布的生产装置，包括有供液系统，所述的供液系统的出口接进液管(8)，进液管(8)通过连接机构通入空心金属滚筒(6)的内腔，金属滚筒(6)外依次装有和其轴心相同的金属筛网(10)与纤维接收网(11)，纤维接收网(11)上装有退绕滚筒(12)和卷绕滚筒(13)，所述的空心金属滚筒(6)和金属筛网(10)均为圆柱形，金属筛网(10)底部有缺口，空心金属滚筒(6)上开有毛细孔(7)。
所述的毛细孔(7)均布开在空心金属滚筒(6)上，分布成平纹型式、斜纹型式或缎纹型式。
所述的供液系统包括溶解釜(1)、过滤器(2)、储液桶(3)和计量泵(4)，所述的溶解釜(1)通过过滤器(2)顺次连接储液桶(3)和计量泵(4)，计量泵(4)的出口接进液管(8)。
所述的连接机构为由绝缘材料制成的空心轴(9)固定连接空心金属滚筒(6)的入口处，进液管(8)由滚珠轴承(5)支撑穿过空心轴(9)通入空心金属滚筒(6)中。
底部还装有一个纺丝溶液回收槽(14)。
一种连续高效纳米纤维毡的制备方法，包括以下步骤：
1)在溶解釜(1)中配制聚合物纺丝溶液(15)，经过过滤器(2)过滤后暂存于储液桶(3)中；
2)将金属滚筒(6)与高压静电发生器的正极相连并施加合适的电压，将金属筛网(10)接地；
3)使金属滚筒(6)以2～5r/min旋转；
4)计量泵(4)以11～13L/h体积流量向金属滚筒(6)内部输送纺丝溶液(15)；
5)使卷绕滚筒(13)回转，驱动纤维接收网(11)运动，连续接收纳米纤维；
还包括一个回收从金属滚筒(6)上滴落下来的纺丝溶液(15)到进入纺丝溶液回收槽(14)以重复利用的步骤。
金属滚筒(6)为空心结构，且在金属滚筒表面有按一定规律分布的毛细孔(7)，可使进入金属滚筒内部的纺丝液从按一定规律分布的毛细孔流出后能够均匀地分布于金属滚筒表面。纺丝时，金属滚筒接高压静电发生器正极，并以一定的速度旋转，从而使聚合物溶液在离心力的作用下，形成Taylor锥；进液管(8)由安装在空心轴(9)内的滚珠轴承(5)支撑，保证纺丝液正常喂入的同时金属滚筒可自由旋转。金属筛网(10)接地，在金属滚筒和金属筛网之间形成高压电场；由于金属滚筒和金属筛网呈共轴配置，从而保证产生的电场较为均匀。纺丝溶液回收槽(14)用来对金属滚筒上滴落的纺丝溶液进行回收，达到循环使用的目的。
有益效果
1.纺丝溶液(15)通过计量泵经连接机构输送至金属滚筒(6)的内腔，并通过毛细孔(7)挤出，从而避免了溅射式纺丝溶液供给纺丝所产生的溶液飞溅现象。
2.分布于金属滚筒(6)表面的毛细孔(7)按照一定的规律配置，从而使得纺丝溶液均匀的分布于金属滚筒(6)表面，避免了聚合物射流(16)在金属滚筒表面分布不均匀的现象。
3、旋转金属滚筒上的毛细孔的分布采用平纹、斜纹、缎纹分布型式，减小了毛细孔排列密度，在提高纺丝生产效率的同时减小了Taylor锥间的静电排斥作用，克服了多喷头静电纺丝装置由于静电排斥而采用稀疏喷头排列，最终造成产量低和产品疏松的缺点。
4.金属滚筒(6)与空心轴(9)固定连接，空心轴(9)通过滚珠轴承(5)与计量泵(4)相连接，从而实现溶液的喂入与金属滚筒的旋转同步进行。
5.金属滚筒(6)与金属筛网(10)均为圆柱形，金属筛网(10)在底部留有缺口以供纺丝溶液进入废液回收装置(14)，且呈共轴配置，从而产生较为均匀的电场，优化了连续高效纳米纤维非织造布的生产装置的电场分布；
6.纺丝溶液均匀分布于金属滚筒(6)表面，在离心力、重力以及电场力的作用下产生Taylor锥。与传统静电纺丝手段相比，增加了离心力的作用，有利于Taylor锥的形成；
本发明通过从旋转金属滚筒内部挤出纺丝溶液，避免了原有的高速静电纺丝所采用的溅射式供给方式所带来的溶液飞溅所造成的浪费，以及对纤维毡的质量所造成的影响。另外纺丝溶液在整个金属电极表面均匀分布，因而整个金属电极表面都可以随机产生泰勒锥，极大地提高了纺丝效率。正负电极都呈圆柱形，所形成的电场更加均匀，从而有利于提高纤维毡的质量并且还可以对纺丝溶液进行回收利用；通过退绕滚筒(12)和卷绕滚筒(13)的作用可实现纳米纤维非织造布的连续接收。用本发明制备纳米纤维非织造布不仅生产效率高，而且形成的非织造布的厚度均匀，有利于静电纺丝的规模化生产。
附图说明
图1为供液系统与纺丝装置；
图2为本发明装置总体结构示意图；
图3为平纹型式毛细孔分布型式示意图；
图4为斜纹型式毛细孔分布型式示意图；
图5为缎纹型式毛细孔分布型式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取52.6g聚乙烯醇1750溶解于1000ml去离子水中，加入适量氯化钠和柠檬酸，制成质量浓度为5％透明无沉淀的聚合物纺丝溶液15。计量泵4以11L/h向金属滚筒6推进纺丝溶液15，金属滚筒6长度为50cm，外径为5cm，内径为3.5cm，转速为2r/min，金属滚筒6上毛细孔7直径为1.5mm，如图4所示，毛细孔7分布型式为斜纹型式，孔数为48个。正负电极间的距离为40cm，施加电压为40KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维非织造布，纤维直径分布在390-670nm之间，平均产量为21g/h。
实施例2
称取87g将聚乙烯醇1750溶解于1000ml去离子水中，加入适量氯化钠和柠檬酸，制成质量浓度为8％透明无沉淀的聚合物纺丝溶液15。计量泵4以12L/h向金属滚筒6推进纺丝溶液15，金属滚筒6长度为50cm，外径为5cm，内径为3.5cm，转速为4r/min，金属滚筒6上毛细孔7直径为1.5mm，如图3所示，毛细孔7分布型式为平纹型式，孔数为69个。正负电极间的距离为30cm，施加电压为54KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维非织造布，纤维直径分布在320-610nm之间，平均产量为28g/h。
实施例3
将聚环氧乙烷(分子量100万)63.8g溶解于1000ml去离子水中，在常温水域中搅拌配制成质量浓度为6％透明无沉淀的聚合物纺丝溶液15。计量泵4以12L/h向金属滚筒6推进纺丝溶液15，金属滚筒6长度为50cm，外径为5cm，内径为3.5cm，转速为3r/min，金属滚筒6上毛细孔7直径为1.5mm，如图5所示，毛细孔7分布型式为缎纹型式，孔数为32个。正负电极间的距离为30cm，施加电压为50KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维非织造布，纤维直径分布在230-580nm之间，平均产量为18g/h。
实施例4
将聚环氧乙烷(分子量100万)87g溶解于1000ml去离子水中，在常温水域中搅拌配制成质量浓度为8％透明无沉淀的聚合物纺丝溶液15。计量泵4以13L/h向金属滚筒6推进纺丝溶液15，金属滚筒6长度为50cm，外径为5cm，内径为3.5cm，转速为5r/min，金属滚筒6上毛细孔7直径为1.5mm，如图4所示，毛细孔7分布型式为斜纹型式，孔数为48个。正负电极间的距离为35cm，施加电压为55KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维非织造布，纤维直径分布在280-610nm之间，平均产量为24g/h。

Claims (7)

1.一种连续高效纳米纤维非织造布的生产装置，包括有供液系统，喷丝装置，供液系统与金属滚筒的连接机构、接收装置，其特征是：所述的供液系统的出口接进液管(8)，进液管(8)通过连接机构通入空心金属滚筒(6)的内腔，金属滚筒(6)外依次装有和其轴心相同的金属筛网(10)与纤维接收网(11)，纤维接收网(11)上装有退绕滚筒(12)和卷绕滚筒(13)，所述的空心金属滚筒(6)和金属筛网(10)均为圆柱形，金属筛网(10)底部有缺口，空心金属滚筒(6)上开有毛细孔(7)。
2.如权利要求1所述的连续高效纳米纤维非织造布的生产装置，其特征是：所述的毛细孔(7)均布开在空心金属滚筒(6)上，分布成平纹型式、斜纹型式或缎纹型式。
3.如权利要求1所述的连续纳米纤维非织造布的生产装置，其特征是：所述的供液系统包括溶解釜(1)、过滤器(2)、储液桶(3)和计量泵(4)，所述的溶解釜(1)通过过滤器(2)顺次连接储液桶(3)和计量泵(4)，计量泵(4)的出口接进液管(8)。
4.如权利要求1所述的连续高效纳米纤维非织造布的生产装置，其特征是：所述的连接机构为由绝缘材料制成的空心轴(9)固定连接空心金属滚筒(6)的入口处，进液管(8)由滚珠轴承(5)支撑穿过空心轴(9)通入空心金属滚筒(6)中。
5.如权利要求1～4中任意一权利要求所述的连续高效纳米纤维非织造布的生产装置，其特征是：底部还装有一个纺丝溶液回收槽(14)。
6.一种连续高效纳米纤维非织造布的制备方法，其特征是：包括以下步骤
1)在溶解釜(1)中配置聚合物纺丝溶液(15)，经过过滤器(2)过滤后暂存于储液桶(3)中；
2)将金属滚筒(6)与高压静电发生器的正极相连并施加合适的电压，将金属筛网(10)接地；
3)使金属滚筒(6)以2～5r/min旋转；
4)计量泵(4)以11～13L/h体积流量向金属滚筒(6)内部输送纺丝溶液(15)；
5)使卷绕滚筒(13)回转，驱动纤维接收网(11)运动，连续接收纳米纤维。
7.如权利要求6所述的连续高效纳米纤维非织造布的制备方法，其特征是：还包括一个回收从金属滚筒(6)上滴落下来的纺丝溶液(15)到进入纺丝溶液回收槽(14)以重复利用的步骤。
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