CN101476167B - 一种静电纺纳米纤维非织造布生产装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静电纺纳米纤维非织造布批量生产装置，该生产装置包括：熔融池1、金属滚筒2、接收网帘3、高压静电发生器4、主动导辊51和被动导辊52、滚筒同步电机61、网帘同步电机62、滚筒减速器71、滚筒皮带轮72、网帘减速器81、网帘皮带轮82、接地金属极板9等。本发明所设计的熔融池1的四壁和底面由陶瓷外壁13、中间加热层12和陶瓷内壁11所组成，该三明治设计结构具有良好的绝缘效果，解决了聚合物熔体的加热问题。与现有静电纺丝批量生产装置相比，该装置即可满足熔融静电纺丝需要，亦可用于溶液静电纺丝，实现一机多用。

Description

一种静电纺纳米纤维非织造布生产装置

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，具体为一种能同时适用于熔融和溶液静电纺纳米纤维非织造布批量生产装置。

背景技术

纳米纤维具有精细的结构、极高的孔隙度、极好的柔韧性、吸附性、过滤性、粘和性和保温性，这些优异的性能使纳米纤维广泛应用于国防、医药、化工和电子等诸多领域。静电纺丝是目前制备纳米纤维的最有效技术之一，其核心是使带电的纺丝溶液或熔体在电场中流动与变形，然后经溶剂的蒸发或熔体的冷却而固化，得到纤维状材料。

静电纺丝依纺丝液的制备方法可分为溶液法和熔融法两种。目前世界上已有近上百种聚合物采用溶液法静电纺丝技术成功制得了纳米纤维及其非织造布，所涉及的纤维包括常规纺丝用原料如涤纶和尼龙6等、导电高分子材料如聚苯胺等、生物高分子材料如多肽和胶原等、可降解高分子材料如聚ε-己内酯和聚乙交酯、弹性体、生物大分子和导电高分子等[Doshi J.，RenekerD.H.Electrospinning process and applications of electrospun fibers(静电纺丝工艺及电纺纤维的应用).Journal of Electrostatics，1995，35：151.]。溶液静电纺丝机或装置主要包括喷丝头及纺丝液供给系统、纤维收集板和高电压发生器三个主要部分。目前广泛使用的溶液静电纺丝装置为单喷头或多喷头针筒式纺丝装置，该类设备规模很小，仅能满足实验室使用需求，如中国专利200420020596.3，200410025622.6，200420107832.5等所公开的技术，美国专利US 6753454，US 6656394，US 6713011等所公开的技术。2004年，捷克利贝雷茨技术大学正式宣告该大学与爱勒马公司合作生产的纳米纤维纺丝机“纳米蜘蛛”问世，为纳米纤维工业化生产奠定基础。随后我国也先后开发了一些可批量或规模化生产的溶液静电纺丝装置，如中国专利200710036447.4、200610028790.X、200410025622.6、200610036635.2等文献所报道。相比之下，溶液法静电纺丝过程工艺简单、易于控制，因而受到极大关注，发展速度较快。但溶液法静电纺丝在制备的聚合物纳米纤维非织造布最大的不足在于需要采用毒性或低毒性的挥发性有机溶剂，有机溶剂的挥发及其在非织造布中的残余会造成人身健康和环境污染等问题。

熔融法静电纺丝技术不需使用有机溶剂，而是直接对聚合物熔融后进行纺丝，不存在有机溶剂污染问题。自1981年被Larrondo等首次用熔融法静电纺丝法来制备聚合物纤维以来[Larrondo L，John M.Electrostatic fiberspinning from polymer melts(聚合物熔体静电纺纤维).J Polym Sci：PolymPhys，1981，19：909-940.]，引起了人们的注意。但20多年来熔融法静电纺丝技术并没有取得显著进步，特别是在其设备上，基本是采用柱塞式单喷头纺丝设备，生产速率极低，迄今为止，国内外均未见适合于静电纺批量生产装备，主要是由于熔融静电纺储液容器须增加熔体加热装置，其绝缘性控制较难，特别是批量生产设备安全性未找到较好的解决方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种熔融法静电纺纳米纤维非织造布生产装置。该生产装置特别设计了三明治结构熔融池，很好的解决了设备绝缘性问题；同时设计了一个螺旋式金属滚筒，大大提高了聚合物熔体的熔融效果；该设备既能满足熔融法，同时也可适用于溶液法批量静电纺生产纳米纤维非织造布。

本发明解决所述生产装置技术问题的技术方案是：设计一种静电纺纳米纤维非织造布批量生产装置，该生产装置包括：熔融池1、金属滚筒2、接收网帘3、高压静电发生器4、主动导辊51和被动导辊52、滚筒同步电机61、网帘同步电机62、滚筒减速器71、网帘减速器72、滚筒皮带轮81、网帘皮带轮82、接地金属极板9。

本发明所设计的熔融池1的四壁和底面由陶瓷外壁13、中间加热层12和陶瓷内壁11所组成，该三明治设计结构具有良好的绝缘效果，解决了聚合物熔体的加热问题；金属滚筒2的圆周上设有锥形螺纹21，有利于聚合物熔融、混合均匀。

与现有静电纺丝批量生产装置相比，该装置即可满足熔融静电纺丝需要，亦可用于溶液静电纺丝，实现一机多用。

附图说明

图1是本发明静电纺纳米纤维非织造布生产装置一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明静电纺纳米纤维非织造布生产装置一种实施例的熔融池和金属滚筒剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本发明的权利要求范围不受具体实施例的限制。

本发明设计的熔融法静电纺纳米纤维非织造布生产装置(简称装置，参见图1、2)包括熔融池1，熔融池1上装有金属滚筒2，金属滚筒2的正上方安装有接收网帘3；所述熔融池1的四壁和底面由陶瓷外壁层13、中间加热层12和陶瓷内壁层11所组成；所述金属滚筒2的圆周外表铸有锥形螺纹21；所述金属滚筒2的中心传动轴22由工程塑料制成；所述金属滚筒2内壁与金属铜棒23焊接相连；所述接收网帘3套装在主动导辊51和被动导辊52之间滚筒；所述的金属滚筒2依次通过中心传动轴24、滚筒皮带轮81、滚筒减速器71与滚筒同步电机61机械连接。所述接收网帘依次通过主动导辊51、网帘皮带轮82、网帘减速器72与网帘同步电机62机械连接；所述高压静电发生器4的正极41与依次通过轴承24、金属铜棒23和金属滚筒2的内腔壁连接，接地电极41与介于接收网帘上下帘间的接地金属极板9相连，与金属滚筒2之间构成高压静电场。

所述熔融池1的四壁和底面由陶瓷外壁层13、中间加热层12和陶瓷内壁层11所组成。陶瓷内壁11和陶瓷外壁13具有良好的绝缘作用。实施例的陶瓷内外壁厚均为1～3cm，优先壁厚为2cm。实施例的中间加热层为铸铝加热板，表面热负荷为2.5～4.5w/cm²，最高工作温度500℃。熔融池1作用主要是储放纺丝液，用于熔融静电纺丝时，使聚合物受热熔融。

所述金属滚筒2的圆周外表铸有锥形螺纹21，其内部为空腔，金属滚筒2内壁依次通过金属铜棒23、轴承24与高压静电发生器4的正极41连接。

所述金属滚筒2安装在所述熔融池1上后，应当使所述的锥形螺纹21部分浸没在熔融池1内的聚合物熔体中。这需要所述熔融池1和金属滚筒2配套或一并设计。滚筒同步电机61经滚筒减速器71减速后以滚筒皮带81轮驱动金属滚筒2转动。本发明金属滚筒2圆周外表设计的锥形螺纹21作用有两个方面：一是搅拌器作用，即通过金属滚筒2的锥形螺纹21在熔融池1内转动，有助于提高熔融池1内聚合物的混合均匀及熔融效果；二是喷丝头作用，即在纺丝过程中锥形螺纹21的齿形表面(顶端及侧面)带有的熔体在高压静电作用下高速牵伸或射流纺制出纳米纤维。

所述高压静电发生器4的正极41与依次通过轴承24、金属铜棒23和金属滚筒2的内腔壁连接，接地电极41与介于接收网帘上下帘间的接地金属极板9相连，通过接地金属极板9与金属滚筒2之间构成高压静电场。高压静电发生器4可输出0～60kV的直流高压静电，使金属滚筒2上的锥形螺纹21的表面熔体产生大量射流。所述接收网帘3设置在金属滚筒2的正上方，主要作用是收集聚合物纳米纤维。所述金属滚筒2与接收网帘3两者之间的距离为可调节结构，实施例设计可调节距离为10～40cm，用以改变高压静电场强的大小，进而改变射流运动距离的远近。

所述的滚筒同步电机61、网帘同步电机62的转速范围为60转/min～1200转/min，优选600转/min，所述的滚筒减速器71、网帘的减速器72减速比设计为1/5～1/120。

本发明装置可适用于聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸及其共混物原料来制造熔融静电纺纳米纤维非织造布，同时还可满足各种聚合物溶液静电纺丝需要。

本发明装置的基本工作原理是：位于熔融池1上的金属滚筒2在滚筒同步电机61的驱动下旋转，使其上的锥形螺纹21顶端及侧表面布满聚合物熔体或溶液。熔体或溶液在一定的直流高压电场的作用下会形成大量的带电射流。带电射流在高压静电场中经历了加速、鞭动不稳定性和劈裂等过程，不断变细，并在空气中冷却或溶剂挥发成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接地的金属接收网帘3上，形成纳米纤维非织造布。

本发明未述及之处适用于现有技术。

实施例1

如图1所示的一种可批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，包括熔融池1、金属滚筒2、接收网帘3、高压静电发生器4、主动导辊51和被动导辊52、滚筒同步电机61、网帘同步电机62、滚筒减速器71、网帘减速器72、滚筒皮带轮81、网帘皮带轮82、接地金属极板9。工作时，聚合物切片盛放在熔融池1中，接通熔融池中间加热板12，根据不同聚合物原料设定不同加热温度，同时打开滚筒同步电机61及滚筒减速器71，滚筒同步电机61转速为600转/min，滚筒减速器71减速比设为1/5～1/120，使金属滚筒2转动，金属滚筒2外表刻有锥形螺纹21，内部为空腔；待聚合物熔融完全且混合均匀后，打开高压静电发生器4，其正极41依次通过轴承24、金属铜棒23与金属滚筒2内腔相连，输出0～60kV的直流高压静电，此时，在金属滚筒螺纹21表面熔体产生大量射流；在金属滚筒2正上方设有金属接收网帘3，接地电极42与金属接地极板9相连，在金属滚筒2与金属接地极板9之间高压静电场，通过调节两者之间距离(10～40cm)改变场强大小和射流运动距离，射流静电场中经历了加速、鞭动不稳定性和劈裂等过程不断变细，并在空气中冷却成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收网帘3上，接收网帘3在网帘同步电机62、网帘减速器72和网帘皮带轮82作用下连续运转，网帘同步电机62转速为600转/min，减速器72减速比设为1/5～1/120，形成批量的纳米纤维非织造布。不同聚合物熔融静电纺丝具体实施工艺如表1所示。

实施例2

如图1所示的一种可批量生产纳米纤维的静电纺丝装置，包括熔融池1、金属滚筒2、接收网帘3、高压静电发生器4、主动导辊51和被动导辊52、滚筒同步电机61、网帘同步电机62、滚筒减速器71、网帘减速器72、滚筒皮带轮81、网帘皮带轮82、接地金属极板9。工作时，聚合物切片盛放在熔融池1中，按一定比例加入溶剂，接通熔融池中间加热板12，根据不同聚合物原料设定不同溶解温度，同时打开滚筒同步电机61及滚筒减速器71，滚筒同步电机61转速为600转/min，滚筒减速器71减速比设为1/5～1/120，使金属滚筒2转动，金属滚筒2外表刻有锥形螺纹21，内部为空腔；待聚合物溶解完全且混合均匀后，打开高压静电发生器4，其正极41依次通过轴承24、金属铜棒23与金属滚筒2内腔相连，输出0～60kV的直流高压静电，此时，在金属滚筒螺纹21表面溶体产生大量射流；在金属滚筒2正上方设有接收网帘3，接地电极42与金属接地极板9相连，在金属滚筒2与金属接地极板9之间高压静电场，通过调节两者之间距离(10～40cm)改变场强大小和射流运动距离，射流静电场中经历了加速、鞭动不稳定性和劈裂等过程不断变细，通过溶剂挥发成型，最终以纳米纤维的形式沉积在接收网帘3上，接收网帘3在网帘同步电机62、网帘减速器72和网帘皮带轮82作用下连续运转，网帘同步电机62转速为600转/min，网帘减速器72减速比设为1/5～1/120，形成批量的纳米纤维非织造布。不同聚合物溶液静电纺丝具体实施工艺如表2所示。

Claims (2)

1.一种静电纺纳米纤维非织造布批量生产装置，其特征在于包括：熔融池、金属滚筒、接收网帘、高压静电发生器、主动导辊和被动导辊、滚筒同步电机、网帘同步电机、滚筒减速器、网帘减速器、滚筒皮带轮、网帘皮带轮、接地金属极板；

所述熔融池的四壁和底面由陶瓷外壁层、中间加热层和陶瓷内壁层所组成；所述金属滚筒的圆周外表铸有锥形螺纹；所述金属滚筒的中心传动轴由工程塑料制成；所述金属滚筒内壁与金属铜棒焊接相连；所述接收网帘套装在主动导辊和被动导辊之间滚筒；

所述的金属滚筒依次通过中心传动轴、滚筒皮带轮、滚筒减速器与滚筒同步电机机械连接；所述接收网帘依次通过主动导辊、网帘皮带轮、网帘减速器与网帘同步电机机械连接；所述高压静电发生器的正极与依次通过轴承、金属铜棒和金属滚筒的内腔壁连接，接地电极与介于接收网帘上下帘间的接地金属极板相连，与金属滚筒之间构成高压静电场。

2.根据权利要求1所述的静电纺纳米纤维非织造布批量生产装置，可适用于聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸及其共混物原料来制造熔融静电纺纳米纤维非织造布，同时还可满足各种聚合物溶液静电纺丝纳米纤维非织造布制备需要。