CN102839431B - 熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔体静电纺丝批量化生产纳米纤维的装置及工艺，属于静电纺丝领域。它主要包括基布放卷装置、传送带装置、高压电极网、纺丝模头组件、熔体计量泵、去静电辊子、基布、基布收卷装置、热风回路、电极网绝缘支架、熔体输送装置、高压静电发生器和空气加热系统。其中纺丝模头组件中一级分流道的应用可以达到熔体一级分流和精确的分区控温；气流辅助内锥面喷嘴的创新通过高速热空气辅助实现了熔体层的二次分流减薄，整个装置系统和相应工艺解决了以往熔体静电纺丝装置及工艺制备纤维粗和产量低的问题，可以代替熔喷法而成为生产非织造材料的主要生产装置及工艺，为几百纳米纤维产品的生产提供新的途径。

Description

熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种熔体静电纺丝批量化生产纳米纤维的装置及工艺，属于静电纺丝领域。

背景技术

在各国纳米战略的引导下，科研机构和相关企业对纳米纤维制备技术进行了大量实验研究和产业化开发，目前主要的聚合物微纳米纤维制备技术包括模板聚合\相分离\自组装\和纺丝加工方法（包括熔喷法、静电纺丝法、拉伸法、双组分复合纺丝法）等，不同的制备技术具有自身优势和其相对局限性。其中被广泛工业化应用的方法主要有拉伸法\和熔喷法，其制备的纤维很难达到亚微米级的超细纤维，成纤质量差；熔喷法很难形成长纤，纤维表面质量差，强度不理想；自组装法、相分离法、模板聚合法虽然可以制备直径到几十纳米甚至几纳米的纤维，但是其制备效率很低，工业化道路受限；静电纺丝法，由于其原料适用性广、成本低、易产业化，被学术界和工业界广泛认为是一种产业化制备纳米纤维的简单高效的方法，并且逐渐成为当今实验研究和工业化应用的热点之一。由于静电纺丝纳米纤维在微纳过滤、高性能无纺布、锂电池隔膜、生物医药等方面的广泛应用，对其产业化开发更加具有前瞻价值。

静电纺丝过程就是在喷头和接收装置间施加高压静电场，使带电或被极化的流体在电场力的作用下克服表面张力和粘滞阻力，形成射流，在接收板上获得超细纤维的过程。

静电纺丝分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝技术。溶液静电纺丝的产业化经过近十年来的研究发展已经有所如破，并涌现了一些产业化方法。如捷克爱尔玛科开发了圆柱形电极的无针头电纺丝技术并投入产业化应用，每周可处理70L溶液；美国杜邦公司、Nanostatic公司、Donaldson（唐纳森）公司利用多个单喷头的组合建立了生产线用于过滤方面的应用，经换算处理能力最高可达180g/h。但是我们也看到溶液静电纺丝由于有毒溶剂的使用，存在工艺条件复杂苛刻、溶剂挥发、一些常用材料难找到常温溶剂电纺等问题，从长远来看，其工业化应用具有一定局限性。熔体静电纺丝法由于熔体的高粘度不易制备纳米纤维，近年来对其进行研究的较少，但熔体静电纺丝作为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，更有希望使静电纺丝技术走向本质安全的工业化道路。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百纳米级（亚微米级），并且进一步提高其生产效率使其工业化。

目前对于熔体静电纺丝批量化技术还没有彻底突破，日本的Naoki SHIMADA等人通过定制的线激光光源将薄膜加热到极低粘度，制备出一排纤维，在原有点光源基础上提高了纤维的产量，但是其高成本和相对的低产量仍然难以用于批量化生产。

捷克的利贝雷茨科技大学利用狭缝式设备，实现了无喷头多根纤维的制备，该方法也可以适用于低粘度聚合物，但是其稳定性仍需要继续探索。

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。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。

美国专利US20090121379A1提出了电辅助熔喷和热风辅助的电纺丝提出将热风的高速拉伸和电场力的不稳定细化作用结合起来，通过热风吹拉的作用提高了单根丝的射流速度，再附加电场力的作用，使得纤维细度达到了200nm左右，但是该专利中使用的喷头仍然是单根喷头，实施例只针对了溶液纺丝，熔体纺丝只提出了方法，低产量对于工业化应用仍有其局限性。

中国发明专利CN201010556163.X中提到了伞形喷头，利用锥形结构外表面很好地将单股流均匀地分散成多股流，解决了批量化难题，但是熔体射流的平均速度仍然小于2m/s，远远小于熔喷纤维上百米每秒的速度，限制了熔体静电纺丝的产量。

发明内容

本发明提出了熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，目的是通过一级分流结构的设计以及气流辅助内锥面喷嘴的应用，解决熔体均匀细分和射流加速的难题。其中纺丝模头组件中一级分流道的设计可以达到熔体一级均匀分流；气流辅助内锥面喷嘴通过高速热风对熔体薄层均匀作用既达到了内锥面熔体层的二次减薄，又可以对纺丝射流进行加速和环境保温，增加了静电拉伸有效作用距离，解决了以往熔体静电纺丝装置及工艺制备纤维粗和产量低的问题。

实现上述目的的技术方案是：熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，包括基布放卷装置、传送带装置、高压电极网、纺丝模头组件、熔体计量泵、去静电辊子、基布、基布收卷装置、热风回路、电极网绝缘支架、熔体输送装置、高压静电发生器、空气加热系统，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纺丝模头组件的熔体入口连接，高压静电发生器高压电极与置于基布下方的高压电极网连接，纺丝模头组件接地，基布在纺丝模头组件正下方对纤维进行连续运输，传送带装置在基布下方为其提供支撑和输送动力，空气加热系统出口连接到纺丝模头组件的热风通道，热风回路安装在高压电极网下端，高压电极网安装在电极网绝缘支架上。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，纺丝模头组件包括一级分流道、气流辅助内锥面喷嘴、附属温控设备，纺丝模头组件接地，其中一级分流道采用细管焊接，按照2ⁿ的形式分配，经过n次分流后由进口处的一条流道分成流道长度相等的2ⁿ条分流道，分流道出口的截面面积相等，将均匀布置的分流道出口细管固定在底板上用于连接气流辅助内锥面喷嘴，细管周围填充加热装置及传热结构；其中气流辅助内锥面喷嘴包括内锥面喷嘴体、气喷头连接件、气流导柱、熔体流量调节螺母、固定螺钉、加热板、温度传感器、喷嘴体固定螺钉、气喷头，内锥面喷嘴体通过喷嘴体固定螺钉和一级分流道固定连接，接通纺丝介质入口和分流道，气流导柱和内锥面喷嘴体同心安装，在气流导柱下端通过气喷头连接件螺纹连接气喷头，气喷头是利用带螺纹的伞形喷头通过螺纹上开的槽，将气体引导到气流导柱内锥面和伞形喷头的伞形面之间，通过螺纹的旋深可以调节气流大小，起到对纺丝介质流体减薄和保温的作用，气流导柱上端螺纹结构通过和固定的调节螺母之间的相对运动，可以调节气流导柱的长度，从而调节气喷头连接件下端熔体流经微调锥和内锥面之间的间隙，达到对熔体流量的调节，在一级分流道、内锥面喷嘴体设置电加热装置和温度传感器，起到精确控温作用。一级分流道采用细管焊接分流组装简单易行，满足复杂流道均匀分流的目的，同时管路相对于切削加工更具有流线型，减小了流动阻力；气流辅助内锥面喷嘴气流的锥面缝隙式供风，起到了对风速及风向的调整，具有可调节性。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，熔体输送装置可以采用单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机或是其他类型的熔体连续供给设备，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，熔体输送装置可以安置在绝缘支架上，下部空间更加方便安装接收装置，也利于高压静电电极网的安置。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，熔体计量泵可以选用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，主要用来实现对供给纺丝模头组件熔体的计量，如果利用多个纺丝模头组件的组合生产线，可以使用行星齿轮泵一出多为多个纺丝模头组件提供精确的计量熔体。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，空气加热系统包括高压鼓风机、加热器、过滤器、分流系统，空气经过滤器后，高压鼓风机收集空气输送到加热器后，将空气加热到设定的温度，被加热的空气通过分流系统分别注入每个喷嘴的热气流入口，热气流通过气流导柱分散后，以一定的速度喷出，最后通过设置在高压电极下的热风回路回收再利用，回收回路的排风风机在排走热风的同时还形成负压使得纤维紧紧地贴在基布上，这样也对纤维的收集起到了促进作用。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，为了增加产量，可以对纺丝模头进行横向或纵向的叠加，此时熔体供料可以通过一出多的行星齿轮泵分别供料，也可以通过对一级分流道进行扩充；本装置还可以完全复制整个系统进行整个系统的叠加，特别的是纺丝模头组件如果由多个独立的纺丝模头组件组合而成，可以用不同的熔体输送装置对每个模头组件供给不同的聚合物熔体或者设定不同的纺丝条件，这样就可以实现多种材料的复合纺丝，而且可以实现多种纤维直径的控制，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。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，高压电极网采用较厚的铜板，在其上均匀分布打孔，用于热风气体的穿透进入热风回路，电极网周围去毛刺防止静电空气击穿。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，也可以采用注塑机中使用的热流道系统的一级分流道，根据尺寸要求按照X形式、H形式、Y形式的设计排成一列、两列或多列的形式，获得四点、八点或多点的交叉排列

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其中热风发生及收集装置可以使用空气，也可以使用氮气或其他非易燃气体，氮气等惰性气体的使用可以减少熔体氧化和空气电离作用。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其中传送带装置、基布、热风回路中的热风回收装置、电极网绝缘支架均采用绝缘材料，以防止对静电场的干扰和高压电极网的击穿。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其中在热风回路上部的基布、传送带装置及高压电极网都采用耐热的网格材料，以满足带有热量的气流穿过。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，当各元件使用防腐金属材料或非金属材料时，也可用于溶液静电纺丝。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维的工艺步骤包括：1）装置及材料的准备阶段：首先进行各装置安装、密封、电器方面的检查，确保不漏料、不漏电、无热风泄漏等问题，对纺丝材料进行干燥处理或共混处理；2）参数设定阶段：根据积累的纺丝参数设定熔体输送装置各段温度，设定熔体计量泵流量、纺丝模头组件各点温度及风速和热风温度，确定该纺丝材料纺丝电压，设定纺丝距离，根据射流速度和目标布厚调节接收装置卷绕速度；3）预热阶段：开启熔体输送装置、熔体计量泵、纺丝模头组件、空气加热器等的温控装置，升温到调定温度；4）试纺丝阶段：观察各设定温度达到后，开启熔体输送装置并加入纺丝材料，直到喷嘴末端有均一熔体出现时，同时开启热风及高压静电发生器并给电，微调热风速度及熔体供给速度，直到纤维均一稳定；5）稳定运行阶段：去除调整阶段制备的纤维，开启接收装置到调定速度，进入纤维制备的稳定运行阶段，在熔体输送装置加料口不断加入纺丝材料连续纺丝。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置及工艺，首先一级分流道采用细管焊接的均分流道可以简易实现熔体均分到每个喷嘴；其次纺丝模头组件使用了气流辅助内锥面喷嘴，独特的内锥面结构自然地实现熔体的再分流过程，同时内锥面外部加热使得锥面熔体得以保持在设定温度；再次本装置使用了热气流辅助结构，通过气流辅助内锥面喷嘴中设置的气流导柱将热风高速均一射向内锥面及纺丝路径，起到了内锥面熔体减薄、射流加速细化以及提高射流环境温度增加静电拉伸过程的作用；本装置还可以对每个热气流辅助内锥面喷嘴进行独立控温，实现对每一个喷嘴点的精确分流和独立控温，使得喷嘴的扩展和灵活排布成为可能，也满足了多种材料不同温度条件同时纺丝的条件，可轻易实现混纺和多层纺丝。本装置较目前熔喷法可以制备出更细、直径更一致的纤维，而且提高了生产效率，可以代替熔喷法而成为生产非织造材料的主要生产装置及工艺，为几百纳米纤维产品的生产提供新的途径。

附图说明

图1是本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置示意图的主视图。

图2是本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置示意图的俯视图。

图3是图1中纺丝模头组件A向视图的放大图。

图4图3中B-B剖面视图放大图。

图中：1-基布放卷装置，2-传送带装置，3-高压电极网，4-纺丝模头组件，5-熔体计量泵，6-去静电辊子，7-基布，8-基布收卷装置，9-热风回路，10-电极网绝缘支架，11-熔体输送装置，12-高压静电发生器，13-空气加热系统， 4-1-内锥面，4-2-内锥面喷嘴体，4-3-气喷头连接件，4-4-一级分流道，4-5-气流导柱，4-6-调节螺母，4-7-固定螺钉，4-8-电加热装置，4-9-温度传感器，4-10-喷嘴体调节螺母，4-11-气喷头，4-12-熔体流量微调锥。

具体实施方式

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，如图1-4所示，包括基布放卷装置1、传送带装置2、高压电极网3、纺丝模头组件4、熔体计量泵5、去静电辊子6、基布7、基布收卷装置8、热风回路9、电极网绝缘支架10、熔体输送装置11、高压静电发生器12和空气加热系统13，熔体输送装置11直接与熔体计量泵5的进口连接，熔体计量泵5的出口与纺丝模头组件4的熔体入口连接，高压静电发生器12高压电极与置于基布下方的高压电极网3连接，纺丝模头组件4接地，基布7在纺丝模头组件4正下方对纤维进行连续运输，传送带装置2在基布7下方为其提供支撑和输送动力，空气加热系统13出口连接到纺丝模头组件4的热风通道，热风回路9安装在高压电极网3下端，高压电极网3安装在电极网绝缘支架10上。

本发明熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维工艺，如图1-4所示，首先检查各装置安装、密封、电器接线，确保不漏料、不漏电、无热风泄漏等问题，并对纺丝材料进行干燥处理或共混处理；然后根据积累的纺丝参数设定熔体输送装置11各段温度，设定熔体计量泵5流量、纺丝模头组件4各点温度及热风流速和温度，确定该纺丝材料纺丝电压，设定纺丝距离，根据目标布厚调节接收装置卷绕速度等；接着开启熔体输送装置11、熔体计量泵5、纺丝模头组件4、空气加热系统13等的温控装置，升温到调定温度；当各达到设定温度后，开启熔体输送装置11并加入纺丝材料，直到内锥面4-1末端有均一熔体出现，开启热风及高压静电发生器12给电，微调调节螺母4-6及气喷头4-11往气喷头连接件4-3的旋深，改变熔体供给速度及热风速度，直到纤维均一稳定；最后去除调整阶段制备的纤维，开启接收装置到调定速度，进入纤维制备的稳定运行阶段，在熔体输送装置11加料口不断加入纺丝材料连续纺丝。

一个实施例如图1～图4所示，螺杆直径为20mm的单螺杆挤出机为聚合物熔体输送装置11，单进单出的熔体计量泵4进行熔体计量，通过熔体通道将熔体均分到纺丝模头组件4各气流辅助内锥面喷嘴4-1，接收基布7为尼龙网，各参数如下：使用的纺丝材料为熔喷专用料聚丙烯PP6315，其熔融指数为1500g/10min，单螺杆挤出机螺杆转速为80r/min，螺杆挤出机末端温度为200℃，螺杆熔体计量泵计量速度约为2000ml/h，纺丝模头组件幅宽0.5m，喷嘴交叉分布四排，共32个喷嘴，内锥面喷嘴体4-2下端内锥面4-1半锥角为37°，气流导柱4-5内径为8mm，一级分流道4-4流道直径为6mm，内锥面喷嘴体4-2与气流导柱4-5外表面之间的间隙0.5-1mm，气流导柱4-5上端使用DN15的接口，纺丝模头组件4一级分流道4-4温度调定为220℃，内锥面喷嘴体4-2温度调定为240℃，熔体通过内锥面喷嘴体4-2与气流导柱4-5外表面之间的间隙在内锥面4-1上形成1mm厚的熔体层，在气喷头4-11喷出的100m/s的250℃的热风气流作用下，熔体层被减薄到了0.3-0.5mm，此时将内锥面喷嘴体4-1下端和高压电极网3间距调整为13cm，高压电极网3加电50kv，在电场力及热风气流作用下，每个喷嘴形成60-80根射流沿着内锥面4-1切线方向喷出，此时纺丝射流平均速度可达10-20m/s，纤维直径在500nm左右，最终纤维在基布7上获得沉积。收集装置的接收速度调定为5m/min，纺丝效率约为1000g/h，以每天连续工作20小时计算，纳米纤维无纺布产量约为每天3000㎡。

Claims (5)

1.熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其特征在于：主要包括基布放卷装置、传送带装置、高压电极网、纺丝模头组件、熔体计量泵、去静电辊子、基布、基布收卷装置、热风回路、电极网绝缘支架、熔体输送装置、高压静电发生器、空气加热系统，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纺丝模头组件的熔体入口连接，高压静电发生器高压电极与置于基布下方的高压电极网连接，纺丝模头组件接地，基布在纺丝模头组件正下方对纤维进行连续运输，传送带装置在基布下方为其提供支撑和输送动力，空气加热系统出口连接到纺丝模头组件的热风通道，热风回路安装在高压电极网下端，高压电极网安装在电极网绝缘支架上，纺丝模头组件包括一级分流道、气流辅助内锥面喷嘴、附属温控设备，纺丝模头组件接地，所述的一级分流道采用细管焊接，按照2n的形式分配，经过n次分流后由进口处的一条流道分成流道长度相等的2n条分流道，分流道出口的截面面积相等，将均匀布置的分流道出口细管固定在底板上用于连接气流辅助内锥面喷嘴，细管周围填充加热装置及传热结构；气流辅助内锥面喷嘴包括内锥面喷嘴体、气喷头连接件、气流导柱、熔体流量调节螺母、固定螺钉、加热板、温度传感器、喷嘴体固定螺钉、气喷头，内锥面喷嘴体通过喷嘴体固定螺钉和一级分流道固定连接，接通纺丝介质入口和分流道，气流导柱和内锥面喷嘴体同心安装，在气流导柱下端通过气喷头连接件螺纹连接气喷头，气喷头是利用带螺纹的伞形喷头通过螺纹上开的槽，将气体引导到气流导柱内锥面和伞形喷头的伞形面之间，通过螺纹的旋深调节气流大小，起到对纺丝介质流体减薄和保温的作用，气流导柱上端螺纹结构通过和固定的调节螺母之间的相对运动调节气流导柱的长度，从而调节气喷头连接件下端熔体流经微调锥和内锥面之间的间隙，达到对熔体流量的调节，在一级分流道、内锥面喷嘴体设置电加热装置和温度传感器，起到精确控温作用。

2.根据权利要求1所述的熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其特征在于：熔体计量泵选用齿轮泵。

3.根据权利要求1所述的熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其特征在于：高压电极网采用较厚的铜板，在其上均匀分布打孔，电极网周围倒圆去毛刺处理。

4.根据权利要求1所述的熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置，其特征在于：空气由氮气代替。

5.采用权利要求1所述的熔体静电纺丝法批量生产纳米纤维装置进行纺丝的工艺，其特征在于：第一步，装置及材料的准备阶段：首先进行各装置安装、密封、电器方面的检查，确保不漏料、不漏电、无热风泄漏问题，对纺丝材料进行干燥处理或共混处理；第二步，参数设定阶段：根据积累的纺丝参数设定熔体输送装置各段温度，设定熔体计量泵流量、纺丝模头组件各点温度及风速和热风温度，确定该纺丝材料纺丝电压，设定纺丝距离，根据射流速度和目标布厚调节接收装置卷绕速度；第三步，预热阶段：开启熔体输送装置、熔体计量泵、纺丝模头组件、空气加热系统的温控装置，升温到调定温度；第四步，试纺丝阶段：观察各设定温度达到后，开启熔体输送装置并加入纺丝材料，直到喷嘴末端有均一熔体出现时，同时开启热风及高压静电发生器并给电，微调热风速度及熔体供给速度，直到纤维均一稳定；第五步，稳定运行阶段：去除调整阶段制备的纤维，开启接收装置到调定速度，进入纤维制备的稳定运行阶段，在熔体输送装置加料口不断加入纺丝材料连续纺丝。