CN102597341A - 纺丝区域温度湿度可调的、制造纳米纤维的电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造纳米纤维的电纺丝装置，包括：纺丝溶液供给部10；纺丝单元30，具有：多个纺丝喷头32和用于将所述多个纺丝喷头32以设定的间距予以设置并支撑的喷头基座31；纳米纤维收集部40，用于收集从纺丝单元30纺成的纳米纤维；电源装置50，用于在纺丝区域Z形成电场；工程气体供给部20，用于生成并且供应工程气体，其中所述工程气体用于将所述纺丝区域Z控制在适于电纺丝条件的温度和湿度范围内；以及工程气体层流分配机构100，用于在内部将由所述工程气体供给部20提供的工程气体筛分为层流，以将其从所述纺丝单元30上部朝纺丝区域Z予以分配。

Description

纺丝区域温度湿度可调的、制造纳米纤维的电纺丝装置
技术领域
本发明涉及用于制造纳米纤维的电纺丝装置，尤其涉及一种电纺丝装置，通过将层流状的工程气体提供给纺丝区域，从而将纺丝区域(spinning zone)的温度和湿度调节在适于通过电纺丝制造纳米纤维的一定的范围。
背景技术
一般而言，用于制造纳米纤维的电纺丝装置包括：纺丝溶液(聚合物溶液)储藏箱、纺丝溶液定量移送装置、喷头基座、设置在喷头基座的多个喷头、将通过喷头被纺丝出来的纳米纤维予以整合的采集器、以及用于给所述喷头基座和采集器施加电压的电源部。
当通过现有的电纺丝装置制造纳米纤维时，所使用的高分子和溶媒(solvent)的种类、高分子溶液的浓度、纺丝屋的温度和湿度会影响被纺丝出来的纳米纤维的纤维直径和可纺丝性。以下，“湿度”是指“相对湿度”。
一般而言，对于高分子溶液，高分子的分子量越大，高分子溶液的粘度越高，从而会增加被纺丝出来的纳米纤维的直径。并且，高分子溶液溶媒的沸点(挥发温度)会影响被纺丝的高分子溶液的固化速度，因此在通过射流(jet stream)形成纳米纤维的区间(即，纺丝区域)高分子溶液直接影响纳米纤维的直径。即，若溶媒的沸点低，则溶媒的挥发速度快，从而会形成纤维直径相对较粗的纤维。相反地，若溶媒的沸点高，则会形成纤维直径相对较细的纤维。
对于溶液的浓度而言，浓度越高，溶液的表面张力越大，并且使活性能量上升，从而会形成纤维直径相对较粗的纳米纤维。相反地，浓度越低，会形成纤维直径对较细的纤维。
对于电纺丝区域的温度和湿度而言，出现电纺丝的区域(以下称为“纺丝区域”)的温度会改变纺丝溶液的粘度，从而改变纺丝溶液的表面张力，因此会影响被纺丝出来的纤维直径。
即，若纺丝区域的温度相对较高，则溶液的粘度相对较低，从而会形成纤维直径相对较细的纳米纤维；若温度相对较低，则溶液的粘度相对较高，从而会形成纤维直径相对较粗的纳米纤维。
虽然为了制造纤维直径细的纳米纤维而使纺丝区域维持高湿度就可以制造出直径细的纳米纤维，但是由于溶媒的挥发速度缓慢而无法充分地实现溶媒的挥发，因此造不出干净的产品，并且容易产生膜层缺陷(film defect)。为了克服这种膜层缺陷，需要减少溶液的吐出量，但是这样会导致纳米纤维生产性的下降。相反地，降低纺丝区域的湿度，虽然可以提高纳米纤维的生产性，但是溶媒的挥发速度加快，导致纤维的固化速度也加快，从而会形成直径相对较粗的纳米纤维。
如上所述，为了在电纺丝中制造出品质均匀的纳米纤维，在产生电纺丝的空间，即纺丝区域将温度和湿度维持在一定的范围尤为重要。
另外，韩国专利号为10-549140的专利公开了电吹纺丝(eletro-blowing spinning)技术，其中，在高分子溶液被纺丝出来的纺丝喷头周围设置用于高速喷射气体的气体喷射口，以将压缩空气高速喷射至从纺丝喷头被纺丝出来的纳米纤维。
但是，对于上述现有的电吹纺丝装置(electro-blowing spinning)而言，虽然适于纳米纤维的大规模生产，但是由于空气的喷射流速位于紊流(turbulence flow)和迁移区域，因此在纺丝区域产生湍流气体(air turbulence)，从而使纤维的固化速度不均匀。结果，如图7和图8所示，存在所制造出的纳米纤维的纤维直径变化较大、使纤维直径变粗的缺陷。
并且，对于上述现有的电吹纺丝装置而言，为了获得纤维直径分布均匀的纳米纤维，需要控制纺丝屋(spinning room)整体温度和湿度维持在设定的条件范围内。为此，其还需要额外地设置纺丝屋的空调系统。这种空调系统存在导致高设备投入和高能耗的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于制造纳米纤维的电纺丝装置，通过将控制在设定温度和湿度的工程气体当作纺丝区域的层流状工程气体以控制纺丝区域的温度和湿度，从而以高生产性制造纤维直径均匀的纳米纤维。
并且，本发明的另一目的在于，提供一种用于制造纳米纤维的电纺丝装置，从而克服从纺丝喷头末端被纺丝出来的纳米纤维朝纺丝方向的反方向逆流并附着在纺丝喷头基座上的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于制造纳米纤维的电纺丝装置，包括：纺丝溶液供给部，用于供应将纳米纤维原料用溶媒溶解而成的纺丝溶液；纺丝单元具有：多个纺丝喷头，用于将由纺丝溶液供给部供应的纺丝溶液朝下侧的纺丝区域予以纺丝；以及喷头基座，用于将所述多个纺丝喷头以设定的间距予以设置并支撑；纳米纤维收集部，与所述纺丝单元的纺丝喷头相对地设置，并且用于收集从纺丝单元纺成的纳米纤维；电源装置，用于在位于所述纺丝单元和纳米纤维收集部之间的纺丝区域形成电场，以对从所述纺丝单元纺成的纤维施加电性张力；工程气体供给部，用于生成并且供应工程气体，其中所述工程气体用于将所述纺丝区域控制在适于电纺丝条件的温度和湿度范围内；以及工程气体层流分配机构，用于在内部将由所述工程气体供给部提供的工程气体筛分为层流，以将其从所述纺丝单元上部朝纺丝区域予以分配。
所述工程气体层流分配机构包括：壳体，在其内部下端设置所述纺丝单元的喷头基座以在所述纺丝喷头的上侧形成用于收纳由所述工程气体供给部供应的工程气体的腔室，并且其具有用于将所述工程气体供给部的供应气体导入至腔室内的导入口；层流分配板，设置在所述壳体的下部，并且形成有多个排出口，其中所述多个排出口用于将收纳于所述壳体的内部空间的工程气体筛分为层流并且将其从所述喷头基座的下端均匀地分配给朝下侧延伸的纺丝喷头。
本发明的层流分配机构还包括：中间筛分板，横向设置在所述壳体的内部；并且将所述工程气体分配腔室分割为与所述导入口连通的、上侧的第一分配腔室和下侧的第二分配腔室；并且形成有用于第一次筛分所述第一分配腔室的工程气体并分配给所述第二分配腔室的多个第一气体分配孔。
在所述壳体内部设置的纺丝单元的喷头基座附着在横向设置在所述壳体的下部内侧的支撑板体以固定在壳体的内部；所述支撑板体具有多个贯通孔以使所述腔室内的工程气体朝层流分配板侧通过。
优选地，所述层流分配板设置在离所述纺丝喷头末端具有2～20cm距离的底部。
优选地，控制从所述工程气体供给部供应的工程气体温度维持在40～70℃、相对湿度维持在20～50％。
优选地，所述层流分配板的排出口的长度与直径的比率为2～5。
所述壳体的下部末端垂直延伸至所述纺丝喷头的末端，从而使得通过所述层流分配板排出口排出的工程气体维持层流状态。
根据本发明，通过向电纺丝区域分配为层流状的工程气体，将纺丝区域的温度和湿度调节在最佳条件，从而可以获得直径均匀的、细的纳米纤维产品。并且，由于在工程气体的分配区域，即在纺丝区域气体的流动呈层流(Laminar flow)，因此使溶媒(solvent)均匀地挥发，结果可以获得直径均匀的纤维。通过被分配至纺丝区域的工程气体，可以使基于溶媒(solvent)挥发的排出更为容易，从而可以显著地提高生产性。由于纺丝单元位于把温度调节在设定范围的工程气体供给部内部，因此可以使供应溶液维持在一定温度。依此，由于使纺丝溶液维持一定的粘度，因此在工程中即使存在溶液粘度的变化也可以获得直径均匀的纤维。由于只需要控制纺丝屋中的一部分区域，即纺丝区域的环境温度和湿度，因此与现有技术中为了调节纺丝区域的温度和湿度而在整个纺丝屋(spinning room)运行空调系统相比，可以大幅减少空气调节所需的费用。由于将工程气体分配至纺丝区域的2次分配板的位置离纺丝喷头的末端有设定的间距，因此可以克服被纺丝出来的纤维朝逆方向漂流并附着在2次分配板上的缺陷。
附图说明
图1为本发明用于制造纳米纤维的电纺丝装置的简要结构示意图。
图2为本发明一实施例的工程气体层流分配装置的、去掉了一个侧壁的立体示意图。
图3为本发明一实施例的工程气体层流分配装置组装截面示意图。
图4为本发明一实施例的工程气体层流分配装置组装侧面示意图。
图5为用电子显微镜拍摄通过本发明的电纺丝装置制造的纳米纤维织物截面的照片。
图6为用电子显微镜拍摄通过本发明的电纺丝装置制造的纳米纤维织物产品表面的照片。
图7为用电子显微镜拍摄通过现有的电吹纺丝装置制造的纳米纤维织物截面的照片。
图8为用电子显微镜拍摄通过现有的电吹纺丝装置制造的纳米纤维织物产品表面的照片。
具体实施方式
以下，通过附图详细说明本发明优选实施例。
如图1所示，根据本发明的用于制造纳米纤维的电纺丝装置包括：纺丝溶液供给部10，由用于储存将纳米纤维原料用溶媒溶解而成的纺丝溶液的纺丝溶液储藏箱11和用于定量供应在所述纺丝溶液储藏箱11内储存的纺丝溶液的定量供应泵12构成；纺丝单元30，用于通过设置在喷头基座31上的多个纺丝喷头32纺丝出由所述定量供应泵12供应的纺丝溶液；纳米纤维收集部40，用于整合通过所述多个纺丝喷头32纺丝出来的纳米纤维；电源部50，用于给所述纺丝单元30和纳米纤维收集部40之间施加电压，以在位于纺丝单元30和纳米纤维收集部40之间的纺丝区域Z形成电场；以及溶媒气体排出装置60，用于朝外部排出从被纺丝出来的纳米纤维上挥发的溶媒气体。
如图1所示，本发明的电纺丝装置包括：工程气体供给部20，用于生成作为纺丝区域Z的环境气体的工程气体并控制在设定的温度和湿度后予以供应。其中，“工程气体”是指：为了调节位于纺丝单元30和纳米纤维收集部40之间的纳米纤维纺丝区域Z的温度及湿度而提供给纺丝区域的气体，以下作为相同的意思予以使用。作为该工程气体优选为空气，但并不限于此，其还可以包括其它种类的气体、以及该气体与空气的混合气体。
所述工程气体供给部20由工程气体产生装置21和空气调和部22构成。其中该空气调和部22将在所述工程气体产生装置21生成的工程气体控制在适于纳米纤维电纺丝的温度和湿度，并且将其提供给所述纺丝单元30和纳米纤维收集部40之间的纺丝区域Z。
根据所使用的纺丝溶液种类，所述空气调和部22将工程气体的温度控制在20～100℃的范围内，优选为40～70℃；其将相对湿度控制在10～90％RH，优选为20～50％的范围内。
并且，当工程气体为空气时，工程气体产生装置21是指：如吹风扇或者压缩机(compressor)等、将工程气体供应至将要后述的工程气体层流分配装置的分配腔室的装置。这种工程气体产生装置21，一方面产生工程气体并供应至纺丝区域Z，另一方面也将其供应至纺丝溶液储藏箱11内部以排出在纺丝溶液储藏箱11内填充的纺丝溶液。
并且，本发明的纺丝单元30由喷头基座31以及以设定的间距设置在喷头基座31上的多个纺丝喷头32构成。这种纺丝单元30通过供应管33接收由定量供应泵12供应的纺丝溶液，并且通过喷头基座31将其排出至纺丝喷头32。
另外，如图1所述，本发明包括：工程气体层流分配机构100，用于在内部将由所述工程气体供给部20提供的工程气体筛分为层流，以将其从所述纺丝单元30的上部朝纺丝区域Z予以分配。
如图2至图4所示，所述工程气体层流分配机构100包括：形成有导入口103的壳体101。其中，该导入口103用于将所述工程气体供给部20的供应气体导入至内部。在所述壳体101的内部下端设置所述纺丝单元30的喷头基座31，以在所述纺丝喷头32的上侧形成用于收纳由所述工程气体供给部20供应的工程气体的腔室130。并且所述层流分配机构100具有设置在所述壳体101下部以构成所述腔室130底部的层流分配板131；所述层流分配板131包括多个排出口132，以将收纳于所述腔室130的工程气体筛分(fractionating)成层流并且将其从所述喷头基座31的下端均匀地分配给朝下侧延伸的纺丝喷头32。
优选地，将自所述层流分配板131至所述纺丝喷头32末端的距离维持在2～20cm范围内。
所述壳体101的下部末端垂直延伸至所述纺丝喷头32的末端，从而使得通过所述层流分配板131排出口132排出的工程气体维持层流状态。并且，所述壳体101的下部末端部朝外侧展开，以引导工程气体按照辐射状吹出。
根据上述的工程气体层流分配机构100，经由导入口103导入至腔室130内部的工程气体在经由底面的层流分配板131的排出口132时被筛分成多个层流，并且经由喷头基座31下侧的纺丝喷头32后，作为层流分配至纺丝区域Z。通过该层流状工程气体的流动，使纺丝区域Z维持适于纺丝工程的预定温度和湿度。
对于所述层流分配板131的各个排出口132而言，相对于直径D的长度L比例(L/D)优选为2～5。根据该所述各个排出口中相对于直径的长度比例，可按照每个纺丝喷头调节工程气体分配流量维持在0.1～1.0m3/min范围。
根据横向设置在所述壳体101内部的中间筛分板111，所述腔室130被分割为位于上侧的第一分配腔室110和位于下侧的第二分配腔室120。所述第一分配腔室110与所述导入口103连通，以收纳由工程气体供给部20提供的工程气体。在所述中间筛分板111整个面上以设定间距排列有多个第一气体分配孔112，并且通过第一气体分配孔112将导入至第一分配腔室110工程气体予以筛分并且将其分配至第二分配腔室120。依此，在壳体101内部经由第一分配腔室110和第二分配腔室120时，工程气体变成稳定的层流。
另外，所述纺丝单元30的喷头基座31与横向设置在所述壳体101内侧下部的支撑板体121相结合并固定在壳体101的内部。所述支撑板体121具有多个贯通孔122，以使所述第二分配腔室120内的工程气体朝层流分配板131侧通过。当所述第二分配腔室120的工程气体在经由支撑板体121的贯通孔122时再次被筛分为层流。
作为本发明一优选实施例，在下述的工程条件下实施了电纺丝。
A.纺丝溶液
将分子量为35,000Mw的尼龙66(Nylon 66)溶解在蚁酸(formicacid)中，以制作浓度为25％的纺丝溶液。
B.纺丝单元
在具有长度为500mm、宽度为120mm的直六面体形状的喷头基座31上，沿着长度方向、以20mm的间隔，设置有喷头直径Dt为0.52mm、长度Lt为12.5mm的多个纺丝喷头32。并且将该纺丝喷头和收集部之间的距离设置成250mm，以在纺丝喷头和收集部之间形成纺丝区域。
C.工程条件
在纺丝单元和收集部之间施加50KV的电压，以在纺丝区域形成电场；将所述纺丝溶液以6.0Kg/cm2单位供应给纺丝单元以进行纺丝；并且，通过工程气体层流分配机构，将温度控制在70℃、相对湿度控制在20％RH的工程气体供应给纺丝区域。
在如上所述的条件下进行实验的结果，获得了纤维直径为400～600nm、有效宽度为300mm的纳米纤维织物。如图5和图6所示，根据如上所述的本发明的纳米纤维制造装置可以获得直径均匀的纳米纤维。
其原因在于，根据层流状工程气体的流动，纺丝区域Z维持了适于纳米纤维电纺丝的温度和湿度，因此当纺丝溶液从纺丝喷头32的末端朝纺丝区域Z被纺丝出来时，纺丝区域Z维持了最佳的溶媒挥发和粘度。

Claims (9)

1.一种用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，包括：
纺丝溶液供给部(10)，用于供应将纳米纤维原料用溶媒溶解而成的纺丝溶液；
纺丝单元(30)，具有：多个纺丝喷头(32)，用于将由纺丝溶液供给部(10)供应的纺丝溶液朝下侧的纺丝区域(Z)予以纺丝；以及喷头基座(31)，用于将所述多个纺丝喷头(32)以设定的间距予以设置并支撑；
纳米纤维收集部(40)，与所述纺丝单元(30)的纺丝喷头(32)相对地设置，并且用于收集从纺丝单元(30)纺成的纳米纤维；
电源装置(50)，用于在位于所述纺丝单元(30)和纳米纤维收集部(40)之间的纺丝区域(Z)形成电场，以对从所述纺丝单元(30)纺成的纤维施加电性张力；
工程气体供给部(20)，用于生成并且供应工程气体，其中所述工程气体用于将所述纺丝区域(Z)控制在适于电纺丝条件的温度和湿度范围内；以及
工程气体层流分配机构(100)，用于在内部将由所述工程气体供给部(20)提供的工程气体筛分为层流，以将其从所述纺丝单元(30)上部朝纺丝区域(Z)予以分配。
2.根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，所述工程气体层流分配机构(100)包括：
壳体(101)，在其内部下端设置所述纺丝单元(30)的喷头基座(31)以在所述纺丝喷头(32)的上侧形成用于收纳由所述工程气体供给部(20)供应的工程气体的腔室(130)，并且其具有用于将所述工程气体供给部(20)的供应气体导入至腔室(130)内的导入口(103)；
层流分配板(131)，设置在所述壳体(101)的下部，并且形成有多个排出口(132)，其中所述多个排出口(132)用于将收纳于所述腔室(130)的工程气体筛分为层流并且将其从所述喷头基座(31)的下端均匀地分配给朝下侧延伸的纺丝喷头(32)。
3.根据权利要求2所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，还包括：
中间筛分板(111)，横向设置在所述壳体(101)的内部；并且所述中间筛分板(111)将所述工程气体分配腔室(130)分割为下侧的第二分配腔室(120)和与所述导入口(103)连通的、上侧的第一分配腔室(110)；并且所述中间筛分板(111)形成有用于第一次筛分所述第一分配腔室(110)的工程气体并分配给所述第二分配腔室(120)的多个第一气体分配孔(112)。
4.根据权利要求3所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，
在所述壳体(101)内部设置的纺丝单元(30)的喷头基座(31)附着在横向设置于所述壳体(101)的下部内侧的支撑板体(121)以固定在壳体(101)的内部；
所述支撑板体(121)具有多个贯通孔(122)以使所述腔室(130)内的工程气体朝层流分配板(131)侧通过。
5.根据权利要求2所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，
所述层流分配板(131)设置在离所述纺纱喷头(32)末端具有2～20cm距离的底部。
6.根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，
控制由所述工程气体供给部(20)供应的工程气体的温度维持在20～100℃、相对湿度维持在10～90％；优选地控制温度维持在40～70℃、相对湿度维持在20～50％。
7.根据权利要求2所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，
所述层流分配板(131)的排出口(132)的长度(L)与直径(D)的比率(L/D)为2～5。
8.根据权利要求2所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，
所述壳体(101)的下部末端垂直延伸至所述纺丝喷头(32)的末端，从而使得通过所述层流分配板(131)排出口(132)排出的工程气体维持层流状态。
9.根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的电纺丝装置，其特征在于，
所述工程气体为空气。
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