CN103451753B - 一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法，该装置主要由驱动部分、纺丝部分、接收部分和抽风部分四部分组成，驱动部分、纺丝部分、接收部分和抽风部分以从下到上的位置顺序放置，其中驱动部分由环形磁铁片、托盘、旋转电机、牙状下边缘和条形磁铁片构成，环形磁铁片粘在托盘上，托盘与旋转电机相连，回转纺丝杆的牙状下边缘斜边上贴有条形磁铁片，聚合物的粘度越高，回转纺丝杆旋转带来的包轴效应越明显，聚合物熔体越容易沿回转纺丝杆上升，回转纺丝杆上端边缘射流就会越多，纤维产量越高，本发明的装置及方法，装置简单，易于操作，回转纺丝杆可形成多股射流，增加产量，多个杆集成纺丝，可实现批量化生产聚合物纤维。

Description

一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物熔体静电纺丝的装置及方法，特别是涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

工业上常用的粘度较低的高聚物熔体，熔体静电纺丝法可以制备出质量良好的超细纤维，但对于粘度较高的高聚物熔体，纺丝过程中容易堵住喷丝头，不易形成射流，影响纺丝效率和质量。

高聚物熔体具有一种叫做包轴效应的弹性流变效应，其原因由于靠近转轴表面的流体的线速度较高，分子链被拉伸缠绕在轴上。取向了的分子又自发恢复到卷曲构象的倾向，但此弹性回复受到转轴的限制，使这部分弹性能表现为一种包轴的内裹力，把熔体分子沿轴向上挤，形成包轴层。

专利CN102191568A提到一种利用包轴效应的熔体静电纺丝的装置，其方法是利用单根毛细管，至从上而下纺丝。由于包轴效应是将熔体分子沿轴向上挤，此装置并未充分利用此原理，且单喷头只能形成单射流，效率较低。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法，利用磁场力驱使回转纺丝杆绕固定轴在聚合物熔池转动，使高粘度熔体沿转轴上升，同时在电场力作用下形成多射流，最终在接收装置上形成纤维。调节电场强度、纺丝距离、电机转速和聚合物熔池温度等参数，可以制备出不同粘度的高粘度聚合物纤维，简捷高效。

实现上述目的的技术方案是，一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，由驱动部分、纺丝部分、接收部分和抽风部分四部分组成，驱动部分、纺丝部分、接收部分和抽风部分以从下到上的位置顺序放置。其中驱动部分由环形磁铁片、托盘、旋转电机、牙状下边缘和条形磁铁片构成，环形磁铁片粘在托盘上与旋转电机相连，整体位于聚合物熔池隔热层下方，牙状下边缘位于回转纺丝杆下端，其斜边上贴有条形磁铁片，牙状下边缘的条形磁铁片的磁性与环形磁铁片的磁性相同。旋转电机转动时，托盘连同环形磁铁片一起转动，环形磁铁片与条形磁铁片之间的斥力推动回转纺丝杆转动，旋转电机转速越大，回转纺丝杆旋转越快。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，纺丝部分由回转纺丝杆、温控箱、聚合物熔池内壁层、聚合物熔池加热层、聚合物熔池隔热层、轴承、固定轴、紧固螺钉和密封圈构成。聚合物熔池池壁有三层，聚合物熔池内壁层、聚合物熔池加热层、聚合物熔池隔热层从内到外依次排列，聚合物熔池加热层接有温控箱，温控箱位于聚合物熔池隔热层以外，整体构成熔池的加热部分，使池内物料熔融并保温，回转纺丝杆、轴承、固定轴、紧固螺钉和密封圈均位于聚合物熔池内壁层以内。固定轴通过紧固螺钉固定在熔池底部，其下端与聚合物熔池内壁层的连接部分加有密封圈，避免高聚物熔体溢出，固定轴与回转纺丝杆通过轴承联接，轴承内圈与固定轴过盈配合，轴承外圈与回转纺丝杆过盈配合。回转纺丝杆为圆柱状空心杆，顶部为凹陷半球状，底部有一圈牙状下边缘，在环形磁铁片与条形磁铁片之间磁场斥力作用下，高聚物熔体因包轴效应在回转纺丝杆附近聚集并沿回转纺丝杆逐渐上升到顶端边缘处。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，接收部分由带孔电极板和静电发生器构成。带孔电极板置于回转纺丝杆上方，有多排垂直通孔，静电发生器给带孔电极板提供电势与回转纺丝杆形成电势差，聚集到回转纺丝杆上边缘的熔体在电场力的拉伸作用下形成多股射流，在带孔电极板得到纤维。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，抽风部分由抽风箱和抽风机构成。抽风机为抽风箱提供动力，抽风箱置于带孔电极板上方，沿回转杆纺丝的旋转方向垂直向上抽风，对纤维起到风力拉伸的作用，有助于纤维收集和降低纤维直径。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，尤其适用于熔体流动速率小于30g/min的高粘度聚合物熔体，纺丝原料可以是聚合物颗粒料、粉料、切片或熔体，内聚合物熔池加热层可以采用闭环的温度控制，接收装置可以采用导电平板、导电网、卷筒等，静电发生器的输出极可为正极或负极，抽风装置风压可调，旋转电机为无极变速。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，其使用方法为：先将聚合物粒料或粉末加入聚合物熔池中，启动温控箱将温度调至纺丝温度，启动旋转电机，以低转速驱动回转纺丝杆旋转，搅拌物料并使物料受热均匀。随着物料逐渐熔融，逐渐提高电机转速，当熔体可沿回转纺丝杆上升至上端边缘时，开启抽风机并给带孔电极板加载电压，此时回转纺丝杆上端边缘出现多射流，聚合物熔体在电场力和风力作用下，在带孔电极板处形成纤维。启动接收部分，将丝连续缠绕收集起来。聚合物的粘度越高，包轴效应越明显，聚合物熔体越容易沿回转纺丝杆上升，回转纺丝杆上端边缘射流就会越多，纤维产量越高。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法，主要优点和作用为：

(1)装置简单，易于操作。

(2)利用熔体静电纺丝法制备纯净的高粘度聚合物纤维，粘度越高，效果越好。

(3)回转纺丝杆可形成多股射流，增加产量。

(4)利用此装置进行多个杆集成纺丝，可实现批量化生产高粘度聚合物纤维。

附图说明

图1是本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的总体示意图。

图2是本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的环形磁铁片示意图。

图3是本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的回转纺丝杆等轴侧示意图。

图4是本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的聚合物熔池池壁示意图。

图中：1-抽风箱，2抽风机，3-带孔电极板，4-静电发生器，5-回转纺丝杆，6-温控箱，7-聚合物熔池内壁层，8-聚合物熔池加热层，9-聚合物熔池隔热层，10-轴承，11-固定轴，12-紧固螺钉，13-密封圈，14-环形磁铁片，15-托盘16，旋转电机，17-牙状下边缘，18-条形磁铁片。

具体实施方式

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，如图1-4所示，由驱动部分、纺丝部分、接收部分、抽风部分四部分组成，以从下到上的位置顺序安放。驱动部分由环形磁铁片14、托盘15、旋转电机16、牙状下边缘17和条形磁铁片构成，环形磁铁片14粘在托盘15上，与旋转电机16相连，整体位于聚合物熔池隔热层9下方，牙状下边缘17位于回转纺丝杆5下端，其斜边上贴有条形磁铁片18，条形磁铁片18与环形磁铁片14的磁性相同。旋转电机16转动时，托盘15连同环形磁铁片14一起转动，环形磁铁片14与条形磁铁片18之间的斥力推动回转纺丝杆5转动，旋转电机16转速越大，回转纺丝杆5旋转越快。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，纺丝部分由回转纺丝杆5、温控箱6、聚合物熔池内壁层7、聚合物熔池加热层8、聚合物熔池隔热层9、轴承10、固定轴11、紧固螺钉12和密封圈13构成。聚合物熔池池壁有三层，从内到外依次为聚合物熔池内壁层7、聚合物熔池加热层8、聚合物熔池隔热层9，聚合物熔池加热层8接有温控箱6，温控箱6位于聚合物熔池隔热层9以外，整体构成聚合物熔池的加热部分，使池内物料熔融并保温，回转纺丝杆5、轴承10、固定轴11、紧固螺钉12和密封圈13均位于聚合物熔池内壁层以内。固定轴11通过紧固螺钉12固定在熔池底部，固定轴11下端与聚合物熔池内壁层7的连接部分加有密封圈13，避免高聚物熔体溢出，固定轴11与回转纺丝杆5通过轴承10联接，轴承10内圈与固定轴11过盈配合，轴承10外圈与回转纺丝杆5过盈配合。回转纺丝杆5为圆柱状空心杆，顶部为凹陷半球状，底部有一圈牙状下边缘17，在环形磁铁片14与条形磁铁片18之间磁场斥力作用下，高聚物熔体因包轴效应在回转纺丝杆5附近聚集并沿回转纺丝杆5逐渐上升到顶端边缘处。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，接收部分由带孔电极板3和静电发生器4构成。带孔电极板3置于回转纺丝杆5上方，有多排垂直通孔，静电发生器4给带孔电极板3提供电势与回转纺丝杆5形成电势差，聚集到回转纺丝杆5上边缘的熔体在电场力的拉伸作用下形成多股射流，在带孔电极板3得到纤维。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，抽风部分由抽风箱1和抽风机2构成。抽风机2为抽风箱1提供动力，抽风箱1置于带孔电极板3上方，沿回转杆纺丝的旋转方向垂直向上抽风(图中箭头所指为抽风方向)，对纤维起到风力拉伸的作用，有助于纤维收集和降低纤维直径。

本发明涉及一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，其使用方法为：先将聚合物粒料或粉末加入聚合物熔池中，启动温控箱6将温度调至纺丝温度，启动旋转电机16，以低转速驱动回转纺丝杆5旋转，搅拌物料并使物料受热均匀。随着物料逐渐熔融，逐渐提高旋转电机16转速，当熔体可沿回转纺丝杆5上升至上端边缘时，打开抽风机2进行抽风，并给带孔电极板3加载电压，此时回转纺丝杆5上端边缘出现多射流，射流以螺旋线的方式运动，在电场力和风力作用下，在带孔电极板3处形成纤维。聚合物的粘度越高，包轴效应越明显，聚合物熔体越容易沿回转纺丝杆5上升，回转纺丝杆5上端边缘射流就会越多，纤维产量越高。

本发明的一个实施例：PCL颗粒料，材料平均分子量为40000，熔点为59-64℃，玻璃化温度为-60℃，软化温度为60-70℃，分解温度为200℃，熔指为2g/10min。设定聚合物熔池内壁层温度180℃，纺丝电压为60KV。接收方式为带孔电极板，目数为10，带孔电极板与回转纺丝杆上端边缘距离15cm，与抽风箱距离5cm，回转纺丝杆直径为10mm。根据上述工艺过程，所得纤维的直径为微米或纳米级，产量为8g/h。

Claims (4)

1.一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，其特征在于：主要由驱动部分、纺丝部分、接收部分和抽风部分四部分组成，驱动部分、纺丝部分、接收部分和抽风部分以从下到上的位置顺序放置，其中驱动部分由环形磁铁片、托盘、旋转电机、牙状下边缘和条形磁铁片构成，环形磁铁片粘在托盘上，托盘与旋转电机相连，托盘与旋转电机整体位于聚合物熔池隔热层下方；纺丝部分由回转纺丝杆、温控箱、聚合物熔池内壁层、聚合物熔池加热层、聚合物熔池隔热层、轴承、固定轴、紧固螺钉和密封圈构成，聚合物熔池内壁层、聚合物熔池加热层、聚合物熔池隔热层从内到外依次排列，聚合物熔池加热层接有温控箱，回转纺丝杆、轴承、固定轴、紧固螺钉和密封圈均位于聚合物熔池内壁层以内，固定轴通过紧固螺钉固定在熔池底部，其下端与聚合物熔池内壁层的连接部分加有密封圈，固定轴与回转纺丝杆通过轴承联接，轴承内圈与固定轴过盈配合，轴承外圈与回转纺丝杆过盈配合，回转纺丝杆为圆柱状空心杆，底部有一圈牙状下边缘，牙状下边缘斜边上贴有条形磁铁片，牙状下边缘的条形磁铁片的磁性与环形磁铁片的磁性相同；接收部分由带孔电极板和静电发生器构成,带孔电极板置于回转纺丝杆上方；抽风部分由抽风箱和抽风机构成,抽风机为抽风箱提供动力，抽风箱置于带孔电极板上方，沿回转杆纺丝的旋转方向垂直向上抽风。

2.根据权利要求1所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，其特征在于：回转纺丝杆为圆柱状空心杆,顶部为凹陷半球状。

3.根据权利要求1所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置，其特征在于：在带孔电极板与回转纺丝杆之间放置绝缘的收集网。

4.采用权利要求1所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置进行纺丝的方法，其特征在于：先将聚合物加入聚合物熔池中，启动温控箱将温度调至纺丝温度，启动旋转电机，托盘连同环形磁铁片一起转动，环形磁铁片与条形磁铁片之间的斥力推动回转纺丝杆转动，先以低转速驱动回转纺丝杆旋转，搅拌物料并使物料受热均匀；随着物料逐渐熔融，逐渐提高电机转速，当熔体可沿回转纺丝杆上升至回转纺丝杆上端边缘时，开启抽风机并给带孔电极板加载电压，此时回转纺丝杆上端边缘出现多射流，聚合物熔体在电场力和风力作用下，在带孔电极板处形成纤维。