CN103409861A - 一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，主要由进料挤出装置、电机、电磁加热圈、轴承、锥环带孔电极、离心旋转伞形喷头、空气压缩机、旋风真空发生器、辊筒接收装置、高压静电发生器、同步齿形带和机架组成，电机带动离心旋转伞形喷头高速旋转，电磁加热圈与离心旋转伞形喷头为非接触式连接，通过辐射进行加热，进料挤出装置通过离心旋转伞形喷头中心的孔向离心旋转伞形喷头供料，锥环带孔电极固定于机架的中部的中间位置，本发明结合静电纺丝技术和离心纺丝技术，并由空气压缩机和旋风真空发生器联合使用在腔室内形成旋转气流，引导纤维形成捻线，实现了纳米纤维的取向可控性，为纳米纤维在水处理等特定行业的工业化应用创造了条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺，属于静电纺丝领域。
背景技术
静电纺丝从其出现至今有近100年的历史，在这几十年里，科研人员对静电纺丝的研究从未间断，相关文献数量也是成指数上升。然而从统计数据来看，到2012年溶液静电纺丝的文章共有3041篇，而有关熔体纺丝的文章只有200篇，这也可以说明对于熔体纺丝的研究还是略微缓慢一些，主要原因在于熔体静电纺丝的仪器相比溶液静电纺丝要复杂一些。
溶液和熔体电纺的基本原理都是溶液或熔体通过喷丝孔后在高压静电场的作用下逐渐发生形变，当电场力大于其表面张力时，喷丝孔末端的溶液或熔体就会争脱其表面张力形成高速的喷射流飞向接收板，最终形成超细纤维。目前纺丝过程中的改进都是在纺丝喷嘴或电极结构上进行的，至于纺丝过程中纺丝的形式和路径没有太大的变化，这也是导致熔体电纺这些年来没有实质性突破的原因所在。
离心纺丝和静电纺丝都是制取纳米纤维的有效方法，目前已经有研究者将这两种技术结合在一起，制得的纳米纤维结合了两种方法的优点。但是目前制得的纤维形式多为单一纳米纤维，具有强度差、取向可控性差、无法制得连续的纳米长纤维等不足之处，为此研究者们尝试采用对纳米纤维进行加捻以获得更好性能的纳米纤维，发明了制备取向纳米纤维和连续纳米纤维纱线的方法和装置。中国东南大学专利“纳米纤维长丝束的制备方法”（200510038571.5）发明了一种制备纳米纤维长丝束的方法，但是此方法无法进行加捻。最近东华大学发明了“一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法”（201310058070.8），提出了连续制备取向的纳米长纤维纱的方法，但是由于它只适用于溶液电纺，并且采用常规的喷丝头，生产效率不高，加捻工艺复杂，因此限制了其在工业上的应用。鉴于目前相关的发明来看，如何让纳米纤维在产生的过程中便取向性的缠绕以形成捻线结构是研究的重点。
发明内容
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，以制备超细纳米捻线为目标，突破传统拉伸成丝结合捻线并捻的工艺限制，采用高速离心旋转的伞形喷头，结合高压静电纺丝技术，一次成型纳米级纤维，然后直接通过旋风气流使纤维自然缠绕形成捻线结构，并利用滚筒进行快速接收。利用本装置制备的超细纳米纤维捻线和普通拉伸制备的数十微米粗的捻线相比，具有弹性好、吸湿性强和强度高等特点，且实现了纳米长纤维的取向可控性，可广泛应用于纳米织物、空气滤膜、水处理膜等方面，为纳米纤维的工业应用创造了条件。
实现上述目的的技术方案是：一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，主要包括进料装置、离心旋转伞形喷头和锥环带孔电极组成的纺丝主体以及产生捻线的装置三大部分，由进料挤出装置、电机、电磁加热圈、轴承、锥环带孔电极、离心旋转伞形喷头、空气压缩机、旋风真空发生器、辊筒接收装置、高压静电发生器、同步齿形带和机架组成。机架由上部、中部和底部三部分组成，进料挤出装置和电机固定在机架的底部，电机通过同步齿形带和轴承座带动离心旋转伞形喷头高速旋转，电磁加热圈位于离心旋转伞形喷头的下端，电磁加热圈与离心旋转伞形喷头为非接触式连接，通过辐射进行加热，进料挤出装置通过离心旋转伞形喷头中心的孔向离心旋转伞形喷头供料，机架的中部呈锥形，锥环带孔电极固定于机架的中部的中间位置，空气压缩机和旋风真空发生器置于机架的上部，在机架的顶端开有倾斜向下的圆形孔，空气压缩机和旋风真空发生器通过机架的顶端的圆形孔向机架内吹气或吸气，机架的外面安装辊筒接收装置，捻线穿过机架的上部的中心孔缠绕在辊筒接收装置上。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其采用的离心旋转伞形喷头内表面和锥环带孔电极内表面均为圆弧过渡形式，锥环带孔电极上端圆弧和下端圆弧倾角α为120-160度，伞形喷头倾角β为110-145度，这样使得锥环电极圆弧的最下端和喷头的边缘处形成的电场线最密，利于纤维的细化和定向收集；且采用圆弧形式，对旋风流场的阻力最小，保证纤维被顺利吸走。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，锥环带孔电极与静电发生器正极相连，电压范围为5-80kv，伞形喷头和机架接地，产生静电拉伸力，对纤维进行拉伸。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其捻线发生装置由空气压缩机和旋风真空发生器联合使用，在气流产生的上部分空腔壁厚内采用两个环形流道，环形流道周围开有风孔，一个流道用空气压缩机送风，另一个流道接旋风真空发生器进行抽风，这样便会在腔室内形成旋转气流，引导纤维形成捻线。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，为了在不妨碍离心旋转伞形喷头的正常运动情况下实现对熔体的连续加热，采用电磁加热器围绕喷头旋转体安置的方式进行加热,也可采用红外间接加热的方式对离心旋转伞形喷头进行加热。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，旋转伞形喷头的轴端与物料输送管采用旋转接头连接，保证物料能顺利输送到伞形喷头表面。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，物料在挤出机的压力下通过输送管道进入到喷头表面，固定输送管道部分用加热圈辅助加热，确保熔体温度恒定。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其工艺如下：首先，打开进料挤出装置和电磁加热装置，待熔体到达离心旋转伞形喷头内表面时，打开电机，调节电机转速使离心旋转伞形喷头进行高速旋转，当离心旋转伞形喷头边缘处熔体形成泰勒锥时，打开静电发生器和旋风发生装置，熔体便会在离心力作用和静电拉伸作用下形成喷射流，进而在旋风流的作用下形成捻线。继续调节电机转速直到离心旋转伞形喷头形成稳定的泰勒锥，然后调节高压静电电压大小，使得纤维细度到达所需的要求，最后打开辊筒接收装置，让其旋转，对制得的捻线进行接收。在操作过程中先进行试调，电压从0开始往上调节，待纺丝稳定后可记录下各项参数。
本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺，结合静电纺丝技术和离心纺丝技术，并由空气压缩机和旋风真空发生器联合使用在腔室内形成旋转气流，引导纤维形成捻线，最终制得纳米捻线结构，使得纤维的弹性、耐磨性、强力均有所提高，且实现了纳米纤维的取向可控性，为纳米纤维在水处理等特定行业的工业化应用创造了条件。
附图说明
图1为本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置的剖面示意图
图2为本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置伞形喷头和锥形电极的等轴示意图
图中：1-进料挤出装置，2-电机，3-电磁加热器，4-轴承座，5-锥环带孔电极，6-离心旋转伞形喷头，7-空气压缩机，8-旋风真空发生器，9-辊筒接收装置，10-高压静电发生器，11-机架，12-同步齿形带。
具体实施方式
本发明一种离心静电纺捻线高速制备装置。装置示意图如图1所示，它主要包括进料装置1、离心旋转伞形喷头6和锥环带孔电极5组成的纺丝主体以及产生捻线的装置三大部分，由进料挤出装置1、电机2、电磁加热圈3、轴承4、锥环带孔电极5、离心旋转伞形喷头6、空气压缩机7、旋风真空发生器8、辊筒接收装置9、高压静电发生器10和机架11组成。电机2固定在箱体的底部，通过同步齿形带12和轴承4带动离心旋转伞形喷头高速旋转，电磁加热器3位于喷头旋转体的周围，空气压缩机7和旋风真空发生器8置于装置上端，在装置的顶端开有圆形孔，外面安装辊筒接收装置9。
本发明一种离心静电纺捻线高速制备装置的纺丝工艺步骤：首先，打开进料挤出装置1和电磁加热装置3，待熔体到达伞形喷头6内表面时，打开电机2，调节电机2转速使伞形喷头6进行高速旋转，当喷头边缘处熔体形成泰勒锥时，打开静电发生器10和旋风发生装置，熔体便会在离心力作用和静电拉伸作用下形成喷射流，进而在旋风流的作用下形成捻线。继续调节电机转速直到伞形喷头形成稳定的泰勒锥，然后调节高压静电电压大小，使得纤维细度到达所需的要求，最后打开辊筒接收装置9，让其旋转，对产品进行接收。在操作过程中先进行试调，电压从0开始往上调节，待纺丝稳定后可记录下各项参数。
本发明一种离心静电纺捻线高速制备装置及工艺的一个具体实施例如图1、2所示，向挤出机中加入PP6820颗粒，材料平均分子量为16000，熔点为164～170℃，降解温度为分解温度为260℃。聚丙烯熔体流动指数为2000g/10min，喷头末端定额温度240℃，锥环带孔电极上端圆弧和下端圆弧倾角α为150度，伞形喷头倾角β为135度，锥环电极电压为60kv，辊筒接收，喷头的上边缘和电极的下边缘距离为12cm，纺丝1min后可制得15g的纳米捻线，捻线直径为30-80微米，每股捻线截面大概有100根纤维组成。
Claims (8)
1.一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，主要由进料挤出装置、电机、电磁加热圈、轴承、锥环带孔电极、离心旋转伞形喷头、空气压缩机、旋风真空发生器、辊筒接收装置、高压静电发生器、同步齿形带和机架组成，机架由上部、中部和底部三部分组成，进料挤出装置和电机固定在机架的底部，电机通过同步齿形带和轴承座带动离心旋转伞形喷头高速旋转，电磁加热圈位于离心旋转伞形喷头的下端，电磁加热圈与离心旋转伞形喷头为非接触式连接，通过辐射进行加热，进料挤出装置通过离心旋转伞形喷头中心的孔向离心旋转伞形喷头供料，机架的中部呈锥形，锥环带孔电极固定于机架的中部的中间位置，空气压缩机和旋风真空发生器置于机架的上部，在机架的顶端开有倾斜向下的圆形孔，空气压缩机和旋风真空发生器通过机架的顶端的圆形孔向机架内吹气或吸气，机架的外面安装辊筒接收装置，捻线穿过机架的上部的中心孔缠绕在辊筒接收装置上。
2.根据权利要求1所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，离心旋转伞形喷头内表面和锥环带孔电极内表面均为圆弧过渡形式。
3.根据权利要求2所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，锥环带孔电极上端圆弧和下端圆弧倾角α为120-160度，伞形喷头倾角β为110-145度。
4.根据权利要求1所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，物料在挤出机的压力下通过输送管道进入到喷头表面，固定输送管道部分用加热圈辅助加热。
5.根据权利要求1所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，在气流产生的上部分空腔壁厚内采用两个环形流道，环形流道周围开有风孔，一个流道用空气压缩机送风，另一个流道接旋风真空发生器进行抽风。
6.根据权利要求1所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，采用红外间接加热的方式对离心旋转伞形喷头进行加热。
7.根据权利要求1所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其特征在于，旋转伞形喷头的轴端与物料输送管采用旋转接头连接。
8.采用权利要求1所述的一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置的制备工艺，其特征在于：首先，打开进料挤出装置和电磁加热装置，待熔体到达离心旋转伞形喷头内表面时，打开电机，调节电机转速使离心旋转伞形喷头进行高速旋转，当离心旋转伞形喷头边缘处熔体形成泰勒锥时，打开静电发生器和旋风发生装置，熔体便会在离心力作用和静电拉伸作用下形成喷射流，进而在旋风流的作用下形成捻线；继续调节电机转速直到离心旋转伞形喷头形成稳定的泰勒锥，然后调节高压静电电压大小，使得纤维细度到达所需的要求，最后打开辊筒接收装置，让其旋转，对制得的捻线进行接收。
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