CN101985793A - 静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，属于静电纺丝领域，主要包括熔体输送装置、熔体计量泵、静电纺丝模头、模头温控装置、高压静电发生装置、收集装置和支架，熔体输送装置直接与熔体计量泵的进口连接，熔体计量泵的出口与静电纺丝模头连接，模头温控装置安装在静电纺丝模头上或分布于静电纺丝模头内，静电纺丝模头内有分配流道，分配流道将一股熔体均匀分配为多股流体，多股流体的末端的喷丝板连接有喷嘴，喷嘴不是单一的微小孔而是在微缝上开孔槽，热空气的流道安装在静电纺丝模头的外部，这种结构使得静电纺丝模头的加工难度大为降低，纤维直径比熔喷法生产的纤维直径更细，纤维质量更好，并且易于实现模块化生产。

Description

静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置

技术领域

本发明涉及一种利用静电纺丝法制备超细纤维的装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝又称电纺，早在1930年美国专利US1975504就已报道过静电纺丝法，于1993年这一技术才被定义为静电纺丝技术。近年来，随着纳米科技的升温，静电纺丝技术已经成为当今最热门的研究领域之一，目前已有50多种聚合物成功通过静电纺丝法制得超细纤维，制得的纤维直径一般在几十纳米至1μm之间，最小直径可达1nm。静电纺丝的原理可以简述为，在高压静电场中，聚合物溶液或熔体在电场力的作用下，从毛细管末端形成细流飞向接收装置，细流在达到接收装置前产生高度拉伸，溶液中的溶剂蒸发或熔体固化，最后在接收装置上形成超细纤维。静电纺丝法应用广泛，从工业用的合成聚合物到纤维素、骨胶原、蛋白质、DNA复合体等各种原料都能进行纺丝，还可以在纺丝过程中加入抗生物质、纳米粒子等制备出各种功能材料。

熔喷法是目前工业生产非织造材料的最常用的方法，是依靠高速、高温气流喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸而制备超细纤维的一种方法，熔喷装置中熔喷模头的设计和加工是决定产品质量优劣的主要因素，熔喷模头中的高压热空气流道设计复杂，而且熔喷模头的喷丝孔孔径小、孔数多、线性排列，模头的加工难度很大，且典型的纤维直径为2～5μm，而静电纺丝法在工业化规模化生产中虽然还比较少，但是静电纺丝法一直被公认为是制备超细纤维最简单有效的方法，生产装置相比熔喷法要简单，一次性投资的成本和长期运行的维护成本低，试验中可以获得的纤维直径为几十纳米到1μm之间，且纤维直径有进一步减小的可能性。所以静电纺丝法可以制备纤维直径更细、过滤性能更好的非织造材料。随着技术的发展熔体静电纺丝法很有可能会代替熔喷法用于非织造材料的批量生产。

目前关于静电纺丝的研究大多集中在溶液静电纺丝方面，对于熔体静电纺丝，由于其装置相对复杂，纺制的纤维相对较粗，因而对于它的研究相对较少。溶液静电纺丝虽然可以纺出小至几十纳米的纤维，但溶剂的使用使它出现了一系列的问题，如溶剂的回收问题、应用于生物医药领域的安全问题、聚合物和溶剂的搭配问题、溶剂蒸发引起纤维表面缺陷、使用溶剂的昂贵成本和产量低等问题。与溶液静电纺丝法相比，熔体静电纺丝是一种比溶液静电纺丝更加经济、环保、高效、安全的制备超细纤维的方法，因而熔体静电纺丝更有希望使静电纺丝技术走向工业化。目前关于熔体静电纺丝要解决的关键问题就是使微米级的纤维直径进一步减小至纳米级，并且进一步提高其生产效率及其工业化。

美国专利US6616435中提到了实现静电纺丝法工业化生产非织造超细纤维的装置。但是，在该专利中还存在一些不足。首先，该专利中描述的主要是溶液静电纺丝法，对熔体静电纺丝法只是粗略提及，并没有给出熔体静电纺丝法生产非织造材料的具体方案和装置，而且溶液静电纺丝法纤维表面缺陷引起的纤维质量问题、溶剂回收问题、环保问题、生产成本等众多问题成了阻碍静电纺丝法工业化发展的障碍；其次，由于溶液静电纺丝法中聚合物溶液的制备需要一定工序和较长的准备时间，所以使生产不连续、生产效率低，很难实现高效率、规模化生产。同时，该专利中所提到的装置产量低。

发明内容

本发明提出一种熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，以解决溶液静电纺丝中溶剂的使用而带来的诸多问题，同时欲克服熔喷法生产非织造材料的装置中纤维直径粗、装置制造难度大、维护成本高等缺点。熔体静电纺丝法装置制备的纤维直径细、产量大、生产效率高、生产过程安全环保，必将成为今后制备超细纤维的主导装置。

为实现上述目的技术方案是，一种静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，主要包括：熔体输送装置、熔体计量泵、静电纺丝模头、模头温控装置、高压静电发生装置、收集装置和支架。熔体输送装置直接与熔体计量泵的进口连接，熔体计量泵的出口与静电纺丝模头连接，模头温控装置安装在静电纺丝模头上或分布于静电纺丝模头内，用于控制静电纺丝模头的温度，静电纺丝模头内有分配流道，所述的分配流道将一股熔体均匀分配为多股流体，多股流体的末端连接喷丝板，喷丝板有细孔，高压静电发生装置的两个电极中一个电极与静电纺丝模头连接，另一电极与置于收集装置中基布下方的电极网连接，收集装置置于静电纺丝模头正下方实现对纺制纤维的收集，支架支撑于静电纺丝模头处，用于熔体计量泵或静电纺丝模头或高压静电发生装置的支撑。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其中熔体输送装置的主要设备是挤出机，物料经挤出机加热熔融、塑化、均化后输送给熔体计量泵，熔体计量泵用于对熔体进行均分和连续高精度向静电纺丝模头提供适当流量的熔体，熔融的物料经过熔体计量泵控制流量后输送到静电纺丝模头。静电纺丝模头是该生产装置的核心部分，直接影响着静电纺丝能否进行，也对制备的纤维的直径大小起着重要作用。静电纺丝模头采用两板式结构，分配流道为在紧密配合的两块板上分别加工出的热流道槽，热流道槽采用2ⁿ的形式分配，经过n次分流后由进口处的一条热流道分成2ⁿ条热流道，垂直直流道分流道的任一剖面上热流道的截面面积之和彼此相等。在流道的分配过程中，每一级的热流道的直径相同且流道长度相等，这就保证了熔体经热流道分流后在最后的各个出口处流体的流动状态和参数相同，消除了热流道对纺丝过程中对均匀性的影响。多股流体的末端连接的喷丝板上与多股流体对应的每个熔体通道分别连接一个喷嘴，喷丝板和喷嘴通过螺纹连接，并通过圆柱面定位，喷嘴的上端面在螺纹配合作用下和喷丝板顶紧密封，防止漏流，喷嘴的配合柱面和喷丝板的对应面通过紧配合贴紧，防止流体回流，配合柱面的下端垂直于柱面均匀分布多个分流孔，实现流体一定程度的周向均布，喷嘴的缓冲面锥角稍大于分流锥面，以使得和喷丝板形成一楔形面，起到对流体的压缩和进一步均布作用，在分流锥面上环形均布多个分流槽，实现流体的多股细分，与喷嘴的分流锥面相对应的喷丝板上的锥面相互平行，喷嘴下端设置一内六角螺钉孔或一字孔以方便安装，同时在下端面设置浅的凹面，目的在于纺丝时电荷在流体处积聚，优化纺丝效果。喷嘴结构采用了伞形结构，将每个流道出口经过伞形结构分成了多个微细细孔，这样既实现了减小喷嘴的尺寸也降低了加工难度和成本，伞形喷嘴能够实现熔体的均匀分配和在喷嘴出口处形成液滴以便于静电纺丝的顺利进行。高压静电发生装置是该设备的重要组成部分，只有高压静电发生装置调定的电压高于液滴喷流的临界电压时才能喷丝，高压静电发生装置的正极与电极网连接，电极网处于基布下方位置，静电发生器的负极与静电纺丝模头连接同时接地，这样在静电纺丝模头的喷嘴和电极网之间形成了电场，场强大小通过静电发生器的电压值进行调节。制备的纤维沉积在模头下方的基布上，由基布放卷装置和基布收卷装置控制基布的供给速度和预紧力，传送带和基布放卷装置、基布收卷装置的联合使用实现了静电纺丝法非织造布的连续化生产。在传送带把制备的纤维向收卷装置输送的过程中对纤维进行去静电处理和压实处理，得到厚度更加均匀密实的制品。收集装置实现制备的非织造布的收集和存放工作。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其中静电纺丝过程中存在喷流不稳定现象，本装置中增设了空气加热系统，空气加热系统的作用是：1、为喷射出的纤维提供一定的环境温度，利于超细纤维的获得；2、对纤维的沉积起到一定的导向作用，限定沉积位置和面积；3、对纤维起到一定程度的拉伸作用，使得纤维的直径进一步的缩小。空气加热系统主要包括高压鼓风机、空气加热器、空气过滤器、风箱、耐高温排风风机、耐高温软管，空气过滤器与高压鼓风机的入口相连，高压鼓风机的出口与空气加热器入口相连，空气流经空气加热器后被加热到设定的温度，由空气加热器出口排出的高温热空气通过耐高温软管和气流分配器分配输送到风箱中，空气加热器出口经耐高温软管与气流分配器连接，气流分配器经耐高温软管与风箱连接，风箱对称地安装在静电纺丝模头两侧，风箱中的流道存在一定的压缩比，气流通入风箱后则开始逐步均匀分布，最终在风箱喷嘴缝喷出均匀的热空气气流。在热空气气流发挥完其作用后由安装在传送带下方的耐高温排风风机将热空气排出，耐高温排风风机位于收集装置的传送带装置的传送带下方，它的作用是排走热空气的同时还形成负压使得纤维紧紧的贴在基布上，这样也对纤维的收集起到了促进作用。空气加热系统的其他各部分装置安装于机架上，保证该空气加热系统的稳定和空间的合理安排。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其中熔体输送装置可以采用单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机，或是其他类型的挤出机，选用时主要是根据所加工的物料和静电纺丝部分对物料的各种熔融参数要求来确定的。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，装置中的熔体计量泵根据需要可以有多种选择，可以选用普通熔体齿轮泵或是行星齿轮泵，可以使用一个进口一个出口的计量泵也可以选用一个进口多个出口的计量泵，具体的计量泵型号和种类根据生产线的要求来选择。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，静电纺丝模头根据制品性能和生产效率的要求，分配流道采用衣架型结构的分配方式，在喷丝板上将连续的熔体均匀分成多个细丝出口。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，本生产装置可以作为一个单独的生产模块，当需要生产多层制品或是宽幅制品时可以根据实际需求把多个单独的静电纺丝法连续生产无纺布制品的装置模块进行叠加，如叠加方式为横向叠加时可以生产宽幅制品，叠加方式为纵向叠加时可以生产多种不同材料的复合制品，通过不同的模块叠加满足不同的生产需求，实现该装置的规模化、模块化生产。例如在熔体计量泵之后接流道分配装置，流道分配装置将来自熔体计量泵的一股熔体均匀分配为多股熔体，即流道分配装置有一个熔体入口和多个熔体出口，流道分配装置的每个熔体出口与一静电纺丝模头连接，然后再接一套或多套高压静电发生装置、收集装置，静电纺丝模头的排列可以是横向或纵向，沿着传送带的运动方向的排列为纵向排列，横向排列使纺丝制品的宽度增加，纵向排列使纺丝制品的层厚增加。

本发明熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，较目前熔喷法具有更加出色的性能，在将来的工业化生产非织造材料方面有可能代替熔喷法而成为生产非织造材料的主要生产装置。首先，本装置中所使用的模头的喷嘴孔径比熔喷的喷丝孔径大，而且喷嘴不是单一的微小孔而是在微缝上开孔槽，这使得模头更加容易加工且加工成本低。此外，本装置中的模头不需在模头内部设计热空气流道，而是把热空气的流道安装在模头的外部，这也使得模头的加工难度大为降低。其次，本装置利用静电纺丝法生产超细纤维，静电纺丝法生产的超细纤维直径比熔喷法生产的纤维直径更细，纤维质量更好，纤维直径更为均一，生产的非织造布空隙率更大，更加柔软。而且，本装置中设计易于实现模块化生产，当需要的产量较低时，使用一个喷丝模头进行生产即可；如果需要生产宽幅的非织造布可以把两个或是多个相同模头并排使用；当要生产多层不同纤维进行复合时，可以将几个相同的静电纺丝模块按先后顺序排列在基布的上方。这样就可以根据各种不同的要求对本装置进行模块化组合。

附图说明

图1是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置示意图的主视图。

图2是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置示意图的俯视图。

图3是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的静电纺丝模头的流道示意图。

图4是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的静电纺丝模头示意图的A向视图。

图5是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的静电纺丝模头示意图的B向视图。

图6是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的静电纺丝模头的喷嘴结构图。

图7是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的空气加热系统中风箱的截面结构示意图。

图8是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的静电纺丝模头的喷丝板的剖视图。

图9是本发明静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置提出的静电纺丝模头的喷嘴全剖视图。

图10是图9的C-C向剖视图。

图中：1-基布放卷装置，2-传送带装置，3-电极网，4-风箱，5-静电纺丝模头，6-去静电辊子，7-基布，8-基布收卷装置，9-排风风机装置，10-电极网调节装置，11-挤出机，12-熔体计量泵，13-高压静电发生装置，14-空气加热系统，15-左流道板，16-右流道板，17-喷丝板，18-喷嘴，19-温度传感器，20-加热棒，21-热流道入口，22-热流道出口，23-喷丝板流道孔，24-喷嘴轴向流道孔，25-喷嘴径向流道孔，26-半圆槽，27-风箱喷嘴缝。

具体实施方式

本发明提出了一种熔体静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，如图1和图2所示，该装置主要包括：熔体输送装置、熔体计量泵12、静电纺丝模头5、模头温控装置、高压静电发生装置13、收集装置和支架。图中熔体输送装置为挤出机11，模头温控装置由加热棒20、温度传感器19及控制元件组成。物料加入挤出机11后经挤出机11塑化均化为均一的熔融态，并输送到熔体计量泵12中，熔融物料的流量及流速由熔体计量泵12控制，这样保证了纤维直径和产量的稳定。熔融物料经过熔体计量泵12控制输送到静电纺丝模头5的热流道入口21内，本例中静电纺丝模头5主要包括：左流道板15、右流道板16、喷丝板17、喷嘴18，温度传感器19及加热棒20分别安装在左流道板15、右流道板16、喷丝板17上。如图3所示，熔融物料经过热流道21分配，分配方式以2的倍数递增，即流道数从2到2²、2³、2⁴、2⁵，且直流道各位置处的流道截面面积之和相等，最终熔融物料均匀地分配到热流道出口22处，在各个出口处的流体的各种参数都相同。左流道板15和右流道板16之间通过螺栓连接来保证两流道板之间紧密配合。熔融物料经过静电纺丝模头5上流道的分流后均匀地分配到喷嘴18上，喷嘴18安装在喷丝板17上，喷丝板17和喷嘴18的结构如图6、图8、图9、图10所示，喷丝板17和喷嘴18之间通过螺纹连接，相互间有定位孔定位，喷丝板17上的每一个喷丝板流道孔23与静电纺丝模头5上的热流道出口22对应，二者直径相等且同轴，熔融流体流经热流道出口22后通过喷嘴18上的喷嘴轴向流道孔24输送给在截面上周向均匀分布的喷嘴径向流道孔25，喷嘴18的伞形面与喷丝板17之间有一定的间隙，且在喷嘴18的锥面上临近出口位置开有分流槽，本实施例中分流槽为半圆槽26，在喷嘴18的周向均匀分布了多个这样的半圆槽26，这些半圆槽26有利于流体在出口处形成液滴而便于静电纺丝的顺利进行。喷丝板17与左流道板15和右流道板16之间通过螺纹连接，喷丝板17与左流道板15、右流道板16和喷嘴18之间的装配关系如图4、图5和图6所示。在静电纺丝模头5的左流道板15、右流道板16和喷丝板17上安装了加热棒20和温度传感器19，通过相应的电控系统来控制静电纺丝模头5的温度使其保持在设定的温度值。在静电纺丝模头5的正下方安装了电极网3，电极网3与高压静电发生装置13的正极连接，静电纺丝模头5与高压静电发生装置13的负极连接同时与地极连接，这样在静电纺丝模头5和电极网3之间形成电场，静电纺丝模头5上喷嘴18处形成的熔融物料液滴在高压静电场中形成泰勒锥，当电场强度满足要求时就会发生喷射而形成纤维。本实施例中在静电纺丝模头5上有32个喷嘴18，分布方式如图4所示，喷嘴18的结构见图9和图10所示，而且每个喷嘴18上有40个半圆槽26，这样在静电纺丝模头5上就会形成1280个液滴，在静电纺丝过程中就会同时形成1280根纤维，根据生产效率的要求，静电纺丝模头5上喷嘴18的数量可以增多，且静电纺丝模头5可以模块化使用，这样就能达到很高的产量和效率。

本装置为静电纺丝法连续生产非织造布制品的生产装置，利用静电纺丝法纺制纤维且连续进行，收集装置也连续收集，收集装置主要包括基布放卷装置1、传送带装置2、基布7、基布收卷装置8，传送带装置2位于静电纺丝模头5正下方，传送带装置2的传送带位于静电纺丝模头5和电极网3之间，基布7平铺在传送带装置2的传送带上并随传送带一起连续运动，在传送带装置2的传送带上靠近基布收卷装置8一侧安装了一个与地极连接的去静电辊子6，去静电辊子6与传送带装置2的一个辊子对顶安装，纤维沉积在基布7上，与基布7一起被收集和使用，基布7由安装在装置两端的基布放卷装置1和基布收卷装置8来控制实现基布7的连续供给和收集。在纤维的收集过程中，由于纺制的超细纤维带有极性，因此在纤维的收集之前要对纤维进行去静电处理，去静电辊子6与基布7上的纤维接触消除纤维极性，同时纤维在输送的过程中受到去静电辊子6和传送带装置2上辊子的挤压作用而被压实，这样也有利于纤维的收集。静电纺丝的过程中，由于静电纺丝模头5和电极网3之间的电场强度对纤维的质量有重要的影响，所以装置中电极网调节装置10的设计满足了电极网3的高度可调要求。

Claims (10)

1.静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：主要包括熔体输送装置、熔体计量泵、静电纺丝模头、模头温控装置、高压静电发生装置、收集装置和支架，熔体输送装置直接与熔体计量泵的进口连接，熔体计量泵的出口与静电纺丝模头连接，模头温控装置安装在静电纺丝模头上或分布于静电纺丝模头内，静电纺丝模头内有分配流道，分配流道将一股熔体均匀分配为多股流体，多股流体的末端连接喷丝板，喷丝板有细孔，高压静电发生装置的两个电极中一个电极与静电纺丝模头连接，另一电极与置于收集装置中基布下方的电极网连接，收集装置置于静电纺丝模头正下方，支架支撑于静电纺丝模头处。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：在静电纺丝模头两侧安装空气加热系统的风箱，空气加热系统的其他各部分装置安装于机架上。

3.根据权利要求1或2所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：静电纺丝模头采用两板式结构，分配流道为在紧密配合的两块板上分别加工出的热流道槽，热流道槽采用2ⁿ的形式分配，经过n次分流后由进口处的一条热流道分成2ⁿ条热流道，垂直直流道分流道的任一剖面上热流道的截面面积之和彼此相等。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：多股流体的末端连接的喷丝板上与多股流体对应的每个熔体通道分别连接一个喷嘴，喷丝板和喷嘴通过螺纹连接，并通过圆柱面定位，喷嘴的上端面在螺纹配合作用下和喷丝板顶紧密封，喷嘴的配合柱面和喷丝板的对应面通过紧配合贴紧，配合柱面的下端垂直于柱面均匀分布多个分流孔，喷嘴的缓冲面锥角稍大于分流锥面，在分流锥面上环形均布多个分流槽，与喷嘴的分流锥面相对应的喷丝板上的锥面相互平行，喷嘴下端设置一内六角螺钉孔或一字孔，在下端面设置浅的凹面。

5.根据权利要求4所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：熔融输送装置为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机或多螺杆挤出机。

6.根据权利要求4所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：熔体计量泵为普通熔体齿轮泵或行星齿轮泵。

7.根据权利要求1或2所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：分配流道采用衣架型结构的分配方式，在喷丝板上将连续的熔体均匀分成多个细丝出口。

8.根据权利要求3所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：熔体计量泵之后接流道分配装置，流道分配装置有一个熔体入口和多个熔体出口，分配装置的每个熔体出口与一静电纺丝模头连接，然后再接一套或多套高压静电发生装置、收集装置，静电纺丝模头的排列方式为横向或纵向。

9.根据权利要求3所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：收集装置主要包括基布放卷装置、传送带装置、基布、基布收卷装置，传送带装置位于静电纺丝模头正下方，传送带装置的传送带位于静电纺丝模头和电极网之间，基布平铺在传送带装置的传送带上并随传送带一起连续运动，在传送带上靠近基布收卷装置一侧安装了一个与地极连接的去静电辊子，静电辊子与传送带装置的一个辊子对顶安装。

10.根据权利要求2所述的静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置，其特征在于：空气加热系统主要包括高压鼓风机、空气加热器、空气过滤器、风箱、耐高温排风风机、耐高温软管，空气过滤器与高压鼓风机的入口相连，高压鼓风机的出口与空气加热器入口相连，空气流经空气加热器后被加热到设定的温度，空气加热器出口经耐高温软管与气流分配器连接，气流分配器经耐高温软管与风箱连接，风箱对称地安装在静电纺丝模头两侧，耐高温排风风机位于收集装置的传送带装置的传送带下方。

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