CN101691683A

CN101691683A - 宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置

Info

Publication number: CN101691683A
Application number: CN200910235204A
Authority: CN
Inventors: 李从举
Original assignee: Beijing Institute Fashion Technology
Current assignee: Beijing Institute Fashion Technology
Priority date: 2009-09-27
Filing date: 2009-09-27
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2029-09-27
Also published as: CN101691683B

Abstract

本发明公开了一种宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，一组喷射发生装置由两个喷丝装置组成，喷丝装置为一可旋转滚筒，该滚筒浸泡于盛装有纺丝液的料槽中；两喷丝装置带有异向电荷并相对设置，该收集装置为绝缘材料制成，位于两喷丝装置之间形成的电场中；收集装置为缠丝滚筒或传送带装置或牵拉传送带装置。本设备生产纳米纤维无纺织物的效率可成倍提高，且可制成独特的纳米纤维织物。所形成的纳米纤维织物不仅柔韧性等性能优良，且制备方法较之现有技术简单，使成本大幅度降低。因此本发明具有很好的市场前景。

Description

宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种制备纳米纤维织物的静电纺丝的装置，具体涉及宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置。

背景技术

电纺丝装置一般包括高压电源、液体供给装置、喷射装置和收集装置等部分。高压电源向喷射装置提供几百到几万伏直流电压。在电场力作用下，喷射装置内的液体被拉出、分裂形成很细的射流“飞”向收集装置，射流在喷射过程中被固化、细化，最后成为纳米或微米尺度的纤维丝。收集装置一般为接地或者接负电压的金属制的平板或者滚筒。

现阶段，为了大规模生产纳米纤维丝，本领域技术人员研制出一种静电纺丝装置，该发生装置不同于常规的喷头，而是无喷头的滚筒体，该滚筒体接高压电源与接地的金属制收集装置形成电场，当该滚筒体上有高分子液体时，在适当的电场作用下，会进行静电纺丝并由收集装置接收而生产纳米纤维。此种静电纺丝设备纺出的纳米纤维丝，具有很好的商品价值。此装置存在诸多缺陷，(1)这些装置均是基于收集装置与发生装置之间形成高压电场来进行纳米纤维的纺丝和接收的，这就需要收集装置是金属的或与金属相联系的，而这就限制了对电纺纳米纤维进行多样性收集和后加工。(2)该装置还必须设置有真空源，该装置的接收表面为透气性表面，利用该真空源将纺丝发生装置和收集装置之间的部分空气抽走，以保证纺丝液喷出后至收集装置表面形成纤维。(3)此装置的另一个问题在于，其滚筒体表面为光滑材质或者是环形或斜形凸台，在旋转过程中，将纺丝液带起在电场作用下纺丝液向收集装置喷射，但是由于该滚筒表面是光滑，使得带起的纺丝液不均匀，造成收集装置收集的纤维丝不均匀，并不能完全形成均匀至密的纤维织物。该设备将发生装置表面进行了进一步处理，设置多种的凸起，如环状或横向设置的凸起和均匀分布的小凸起，但是此种改进只能实现纺丝液喷射量的增加，并不能根本改进纤维织物的均匀性问题，纤维织物不均匀会直接影响织物的强度等性能，严重的将影响其应用质量。(4)此装置虽然可以提升纺丝量，与原有技术相比，效率有所提高，但是提高度不够，仍不能满足现有市场对纺织物的需求。(5)此装置只可纺织单一品种的纳米纤维织物，对于目前市场流行的混纺或夹层织物的纺织则不能实现。

为此，寻求一种既能方便收集又能宏量制备纳米纤维织物且可以保证织物质量，又可以实现纺织品多样化的设备是一个迫待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的缺陷，提供一种方便且可宏量制备纳米织物的设备。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，所述一组喷射发生装置由两个喷丝装置组成，所述喷丝装置为一可旋转滚筒，该滚筒浸泡于盛装有纺丝液的料槽中；所述两喷丝装置带有异向电荷并相对设置，该收集装置为绝缘材料制成，位于两喷丝装置之间形成的电场中；所述收集装置为缠丝滚筒或传送带装置或牵拉传送带装置。

上述的制备纳米织物的静电纺丝装置，其中，所述喷丝装置为一可旋转滚筒，该滚筒表面光滑或带孔或带有凸起结构；所述滚筒表面为螺旋凸起结构、环形凸起结构或横向分布的凸起结构。

所述滚筒表面为螺旋凸起结构，该螺旋凸起结构的螺旋面距筒体表面的垂直高度大于1mm，发明人经过试验发现，只要是螺纹结构的滚筒，可以不具体限定螺距，即可实现均匀纺丝，因为螺纹是互通的，纺丝液在螺纹中可以连续运动，无间断，垂直高度最低不能低于1mm，低于1mm滚筒旋转时纺丝液很难形成喷射细流，致使纺丝效果降低。

所述滚筒表面为带孔结构，孔径最佳为500μm～1.5mm。发明人发现，在孔径小于500μm时，其纺丝效果与现有光滑筒面及带有环形凸台的筒面效果相比较略好，但效果不甚明显，当孔径大于等于500μm时，纺丝效率明显提高，与现有技术相比，提高至少30％，且纺丝质量也比现有技术高，纺织无纺布几乎无不均匀点出现。发明人进一步发现，孔径在500μm～1.5mm时，纺丝效率和纺丝质量均最佳，当孔径大于1.5mm，纺丝液过多被带起，到达接收装置时不能完全变成纺丝纤维，会对最终纺丝质量带来负面影响。

所述两喷丝装置聚收集装置接收面之间的距离最佳是5～25cm。当距离低于5c m时，纺丝液到达接收装置之前不能完全挥发行程丝状结构，对纺丝效果有影响，当距离大于25cm时，其纺丝液喷射受距离影响未到达接收装置即以行程丝状，接收到的纺织物韧性和柔软性均会受到影响。且若要保证织物质量就得加大转速等，浪费能源。

所述两喷丝装置所带电压范围是最佳是大于零小于50kv。当喷丝装置所带电压在0～±50kV范围内最佳，配合上述参数进行纺丝，效率最高。

所述喷丝装置各自旋转速度最佳是1-10r/min。当转速过低，低于1r/min时，纺丝液难以形成喷射细流，致使纺丝效果降低；当转速过快，大于10r/min时，对提高效率影响不大反而浪费能源，因此在该范围内纺丝效率和纺织物质量最佳。

所述喷丝装置浸泡于盛装有喷丝液的料槽中，喷丝装置表面接触喷丝液即可。

所述收集装置相对于喷丝装置做相对运动。

所述收集装置为多组，层叠设置于收集装置两侧。

所述料槽中的纺丝液为不同聚合物溶液。还包括单向吹风装置设置于喷丝装置一侧，向收集装置方向吹风。本发明技术方案可以另外设置吹风装置，该吹风装置的设置结合上述各参数，不仅可以增加效率，还可另聚合物溶液尽快蒸发，到达接收装置时立刻形成纺织物。发明人对风速无具体限定，但风速不宜过大，本领域常规功率的风扇都可实现。

使用时，在相对的两组发生装置的滚筒上带有极性相反的高电压，在料槽中盛有聚合物溶液，滚筒体以一定的速度转动，转动到料液液面之上的滚筒体表面附着的料液在电场作用下向收集装置运动，实现静电纺丝，形成的纳米或微米级的纺丝落在收集装置的收集表面上，可形成无纺材料。

本发明的优点与效益：

(1)本发明所述的宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，收集装置位于喷丝装置之间。这种装置一改现有技术的喷丝装置与收集装置对应构成纺丝电场的惯用结构，通过设在收集装置两侧带有不同极性的发生装置形成纺丝电场，此种结构与原有单一电极与收集装置之间形成电场相比较，纺丝效率大幅提高。且本发明可以设置多组喷丝装置，层叠摆放，进一步增加纺丝效率。

(2)另外，本发明的改进使得收集装置突破现有技术中只能用金属材料制作的束缚，而既可以采用金属材质，也可以采用非金属材质制作，由此扩大了收集装置的种类，而不同种类的收集装置可以得到不同的纺丝收集类型，为对收集的纺丝后加工的多样化提供了可能。经过试验可知，使用本发明提供的纺丝装置不仅不会影响纺丝状态，而且收集到的产物还可以是纳米纤维无纺布。

(3)所用的发生装置改喷头为滚筒，滚筒的轴线方向的长度构成喷丝的范围，由此，可以大大增加喷丝面积，而且，筒体表面改为螺旋状凸起结构，纺丝液在螺旋状沟槽内连续流动，使得纺丝液在飞射至收集装置的过程连续不间断，收集到的纺织物厚度结构均匀，大幅提高了纺织物的质量。

(4)两个喷丝装置的设置，可以喷射不同聚合物溶液，可以实现混纺或者夹层织物的纺织，适应了市场的需要。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图，其中的收集装置为一传送带装置；

图2为本发明实施例2结构示意图，其中的收集装置为一滚筒装置；

图3为本发明实施例2结构示意图，其中的收集装置为另一种结构的传送带装置；

图4、图5及图6为上述静电纺丝装置中所使用的喷丝装置滚筒筒体结构示意图。

图7为实施例1制备电纺纤维无纺布成品形貌图及纤维结构图；

图8为实施例3电纺纤维无纺布成品及其形貌结构图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置1和至少一组喷射发生装置，所述一组喷射发生装置由两个喷丝装置2组成，所述喷丝装置2为一可旋转滚筒21，该滚筒21浸泡于盛装有纺丝液3的料槽4中；所述两喷丝装置21带有异向电荷并相对设置，该收集装置1为绝缘材料制成，位于两喷丝装置21之间形成的电场中；所述收集装置1为缠丝滚筒11结构。

喷丝装置21为一可旋转滚筒211，表面为螺旋凸起结构。如图4所示，该螺旋凸起结构的螺旋面距筒体表面的垂直高度为1mm。两喷丝装置与收集装置接收面之间的距离分别是15cm。两喷丝装置所带电压范围分别是±20kV。喷丝装置各自旋转速度为2r/min。喷丝装置浸泡于盛装有喷丝液的料槽中，喷丝装置表面接触喷丝液即可。收集装置相对于喷丝装置做相对运动。

还包括单向吹风装置设置于喷丝装置21一侧，向收集装置方向吹风。

使用时，两喷丝装置带上异向电荷，喷丝装置浸泡于料槽中，喷丝装置表面接触喷丝液即可。在旋转过程中带起纺丝液，纺丝液带异向电荷，在电场作用下向收集装置运动，纺丝液抵达收集装置时已为纳米级纤维无纺布。

把质量分数为13％的PET溶于三氟乙酸和二氯甲烷混合溶剂中，其体积比为3∶2，用磁力搅拌器搅拌6小时后，分别在两料槽中加入适量，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米级纤维无纺布。生产量为3.2克/分钟以上，纤维直径为100～1000nm。

图7为本实施例制备的PET纳米级纤维无纺布的数码照片和扫描电镜照片。可以看出，本发明制备的纤维无纺布均匀至密。

实施例2

收集装置为一滚筒装置；喷丝装置21为一可旋转滚筒211，表面为环状凸起结构，如图5所示，其他结构同实施例1。两喷丝装置与收集装置接收面之间的距离分别是5cm。两喷丝装置所带电压范围分别是±50kV。喷丝装置各自旋转速度为6r/min。

将适量的平均分子量为2.5×10⁴的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)加热至240℃左右，搅拌均匀，使喷丝装置浸泡于熔体中，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米纤维无纺布。生产量为3.5克/分钟以上，纤维直径为100-1000nm。

实施例3

收集装置为一传送带装置；喷丝装置21为一可旋转滚筒211，表面为带孔结构，孔径为1mm；两喷丝装置与收集装置接收面之间的距离分别是25cm。两喷丝装置所带电压范围分别是±5kV。喷丝装置各自旋转速度为10r/min。

其他结构同实施例1。

把质量分数为7％的聚乳酸(PLA)溶于二氯甲烷和N，N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，其体积比为4∶1，用磁力搅拌器搅拌5小时后，分别在两料槽中加入适量，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米纤维无纺布。生产量为3.5克/分钟以上，纤维直径为100～1000nm。

图8为本实施例制备的纳米级纤维无纺布的数码照片。可以看出，本发明制备的纤维无纺布均匀至密。

Claims

1.一种宏量制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，其特征在于：所述一组喷射发生装置由两个喷丝装置组成，所述喷丝装置为一可旋转滚筒，该滚筒浸泡于盛装有纺丝液的料槽中；所述两喷丝装置带有异向电荷并相对设置，该收集装置为绝缘材料制成，位于两喷丝装置之间形成的电场中；所述收集装置为缠丝滚筒或传送带装置或牵拉传送带装置。

2.根据权利要求1所述的制备纳米织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述喷丝装置为一可旋转滚筒，该滚筒表面光滑或带孔结构或带有凸起结构；所述滚筒表面为螺旋凸起结构、环形凸起结构或横向分布的凸起结构。

3.根据权利要求2所述的制备纳米织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述滚筒表面为螺旋凸起结构，该螺旋凸起结构的螺旋面距筒体表面的垂直高度大于1mm。

4.根据权利要求2所述的制备纳米织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述滚筒表面为带孔结构，孔径为500μm～1.5mm。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述两喷丝装置距收集装置接收面之间的距离分别是5～25cm。

6.根据权利要求5所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述两喷丝装置带异向电压，电压范围是大于零小于50kV。

7.根据权利要求6所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述两喷丝装置各自旋转速度为1～10r/min。

8.根据权利要求7所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述喷丝装置浸泡于盛装有喷丝液的料槽中，喷丝装置表面接触喷丝液即可。

9.根据权利要求8所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述收集装置相对于喷丝装置做相对运动。

10.根据权利要求9所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述收集装置为多组，层叠设置于收集装置两侧。

11.根据权利要求9所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述各料槽中的纺丝液为不同聚合物溶液或熔体。

12.根据权利要求11所述的制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，还包括单向吹风装置设置于喷丝装置一侧。