CN103469319A

CN103469319A - 一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺

Info

Publication number: CN103469319A
Application number: CN2013104444628A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 李好义; 李小虎; 陈宏波; 焦志伟; 鉴冉冉; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Jiangsu new vision advanced functional fiber Innovation Center Co.,Ltd.
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103469319B

Abstract

本发明公开一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺，属于静电纺丝领域。装置主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、进料机头、红外加热器、气刀、气流调节阀、空压机、金属网带、带孔电极板、高压静电发生器、铺网带、抽风箱、抽风机、热轧装置、收卷装置。本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺，采用无喷头网带式设计，通过宽幅膜或者板机头直接涂覆均匀薄层熔体至金属网带表面，熔体在辅助气流的扰动下在每个细网孔上形成凸起，并在较低的高压电场力牵伸下形成射流，可制得500纳米以下的单层无纺布，也可在线同时制备出多种直径的多层无纺布。

Description

一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺，属静电纺丝领域。

背景技术

当前制备纳米纤维的方法很多，其中纺丝法主要有熔喷法、静电纺丝法、离心纺丝法、拉伸法和双组分复合纺丝法，各方法均有优缺点。熔喷法的主要原理是利用高速热气流对聚合物熔体细流进行牵伸，其作为纺丝最成熟的产业化技术之一，具有很高的纺丝效率，但其制备纤维直径较粗，一般为2-5μm，且不能纺制连续长纤维；静电纺丝作为制备纳米纤维最具前景的工艺方法，是利用高压静电力对聚合物溶液或熔体进行拉伸，虽然其溶液静电纺丝制备的纤维可达十几到几百纳米，但其溶剂挥发易造成环境污染且纺丝产量很低，而熔体静电纺丝方法克服了溶液静电纺丝方法溶剂挥发、某些材料找不到合适溶剂等问题。然而由于该法制备的纤维直径相对溶液静电纺丝制备的纤维较粗，研究进展及产业化发展缓慢。

无论是熔喷技术还是静电纺丝技术，研究人员从未停止过技术的研发和改进，但多数都是对原装置的不断改进，始终无法从根本上解决问题。捷克的“纳米蜘蛛”（PCT/CZ2004/000056）采用辊筒式喷丝，解决了针头式喷头堵塞及产量低等问题，一定程度上满足了部分产品产业化需求，但其纺丝装置结构比较复杂，对纺丝工艺要求很高，且无法避免有机溶剂挥发等根本性问题。为此科研工作者尝试很多新的思路，将不同工艺相结合，中国专利（专利号：201310147463.6）将离心纺丝装置与电场结合，但该装置只是电场与离心装置的简单附加。美国专利（专利号US2004/030901）将熔喷与溶液静电纺丝相结合，利用高速气流对溶液静电纺丝进行辅助，该装置可在熔喷纺丝和静电纺丝条件下单独工作，适应更多的工作条件，但它还是以单根针头为喷头主体，且只适用于溶液。

如何突破常规思路，将不同的工艺相结合以达到最佳的纺丝效果是一个难点，本发明将利用网带上的辅助气流实现自由表面熔体凸起的产生，从而通过静电纺丝原理应用，实现熔体静电纺丝的无喷针式纺丝，采用了更加简单的无喷头式设计，形成一种新型无喷头式熔体静电纺丝批量化生产装置，为技术的创新开辟了新思路。

发明内容

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺，通过宽幅膜或者板机头直接涂覆均匀薄层熔体至金属网带表面，熔体在辅助气流的扰动下在每个细网孔上形成凸起，并在较低的高压电场力牵伸下形成射流，并固化成丝沉积在接收装置上，该装置及方法避免了传统毛细管式纺丝法的难加工、易堵塞的难题，同时避免了无喷针滚筒式溶液静电纺丝超高电压的危险和局限，使得热塑性聚合物的超细纤维连续批量化熔体静电纺丝成为现实，为我国聚合物超细纤维工业提供发展动力。

实现上述目的的技术方案是：一种金属网带式熔体静电纺丝装置，主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、进料机头、红外加热器、气刀、气流调节阀、空压机、金属网带、带孔电极板、高压静电发生器、铺网带、抽风箱、抽风机、热轧装置、收卷装置，挤出机与熔体计量泵之间安置过滤网，熔体计量泵与进料机头相连，金属网带置于进料机头下方，其左端与进料机头位置对应，红外加热器和气刀均安置于金属网带内部并紧贴上层金属网带，多个气刀在金属网带后半段平行均布排列，并分别通过气流调节阀与空压机气流出口相连，铺网带在金属网带上方并正对于气刀，带孔电极板在铺网带内部并紧贴其下表面，带孔电极板与高压静电发生器高压输出端子相连，抽风箱紧挨电极板上部，通过调节阀与抽风机连接。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其中金属网带采用网格结构，其目数一般在10-300目，材质为金属材质，金属网带接大地，可以是铜、铁、银等良导体，当气流吹送到网格结构的空隙处，利于覆盖在其上的熔体形成熔体凸起，从而降低了纺丝电压阈值。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其中气刀由一个或多个独立气刀平行排列组成，气刀在金属网带后半段均布排列，每个气刀平行间距50-400mm，气刀同进料机头水平间距大于100-200mm，防止进料机头对电场的干扰，通过气流调节阀分别调节各气刀气流大小，气流速度在1-100m/s可调。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，进料机头可以通过连接挤出机、滤网、熔体泵连续挤出聚合物熔体层至金属网带，这种情况下，进料机头可以是衣架型或其他用于宽幅板材或宽幅膜挤出机头的形式。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，挤出机、滤网、熔体泵、进料机头可以全部用盛有聚合物粉料的进料机头替代，进料机头上自带一粉末均布刷，进料机头连续均布铺设一层薄厚可控的聚合物粉末于金属网上，利用红外加热器对粉末进行加热熔融，使粉末在经过风刀之前成为熔体层。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其中所使用的聚合物粉末颗粒细度的目数应该大于金属网带的网孔目数，以防止聚合物粉末熔融之前透过金属网带网孔。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其中电极板采用20-300目均布网眼，以保证抽风系统的抽吸气流顺利通过电极板，电极板距离金属网带40-250mm，电压为10-150Kv。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其中抽风系统的抽风箱有单个或多个均布小室，小室吸风缝隙与气刀吹风缝隙一一对应，可通过抽风系统通道上的气流调节阀对抽吸气量进行调节。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，纺丝过程中随着金属网带的运转，当经过第一个气刀作用后，仍然有残留的熔体，此时继续利用气刀作用纺丝，由于熔体流量减小，可制备更细的纤维，纤维细度可通过残留熔体及气刀气流速度实现控制，因此当装置使用一个气刀工作时，可以制备同一直径的单层无纺布，纤维细度受到纺丝材料、熔体层厚度、气刀气流速度、电场工艺参数决定；当使用多个平行排列的气刀工作时，越往右随着金属网带的运行方向气刀所辅助的熔体层越薄，获得越细的纤维，这种设置可以在线同时制备多种直径的多层无纺布。

采用本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置进行纺丝工艺步骤如下：对挤出机、进料机头、热轧装置进行加热，开启红外加热器对上部金属网带预热；当上述设备均达到设定温度后，开启挤出机按照设定供给速度进行供料，同时开启金属网带运转；当金属网带均匀敷设一层熔体薄层时，开启空压机、抽风机、风刀气流调节阀，并打开静电发生器开始纺丝，通过气流调节阀调节气流大小，达到产品要求时，铺网带连续运行，纺丝纤维通过热轧装置处理后由收卷装置接收。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置及工艺，组成简单、扩展方便、容易操作，可长时间连续生产，不存在喷头堵塞或电极击穿的问题，对环境湿度要求不高，易于实现低粘度聚合物熔体的亚微米级纤批量维制备，用网格状金属网带代替常规纺丝喷头，为工业化应用提供了新的理念。

附图说明

图1 本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置的总体装配示意图。

图2 本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置的粉末进料机头示意图。

图3 是图1所示的金属网带示意图。

图4 是图1所示的抽风系统中抽风箱内部结构示意图。

图中：1-挤出机；2-滤网；3-熔体计量泵；4-进料机头；5-红外加热器；6-气刀；7-气流调节阀；8-空压机；9-金属网带；10-带孔电极板；11-高压静电发生器；12-铺网带；13-抽风箱；14-抽风机；15-热轧装置；16-收卷装置；17-粉末均布刷。

具体实施方式

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝装置，装置示意图如图1-4所示，它主要包括挤出机1、滤网2、熔体计量泵3、进料机头4、红外加热器5、气刀6、气流调节阀7、空压机8、金属网带9、带孔电极板10、高压静电发生器11、铺网带12、抽风箱13、抽风机14、热轧装置15、收卷装置16及粉末均布刷17，挤出机1与熔体计量泵3之间安置过滤网2，熔体计量泵3与进料机头4相连，金属网带9置于进料机头4下方，其左端与进料机头位置对应，红外加热器5和气刀6均安置于金属网带9内部并紧贴上层金属网带，气刀6在金属网带9后半段平行均布排列，并分别通过气流调节阀7与空压机8气流出口相连，铺网带12在金属网带9上方并正对于气刀6，带孔电极板10在铺网带12内部紧贴下表面，带孔电极板与高压静电发生器11高压输出端子相连，抽风箱13紧挨电极板上部，通过调节阀与抽风机14连接。进料机头4也可直接供给粉末物料，通过自带的粉末均布刷17对粉末进行均布，气刀6由一个或多个气刀平行排列组成，与进料机头4保持一段距离，使电场不受到干扰，抽风箱13有3个同等小室，与气刀形成一一对应，通过调节阀7进行控制调节。

本发明一种金属网带式熔体静电纺丝工艺步骤：对挤出机1、进料机头4及热轧装置15进行加热，达到设定温度后，开启挤出机进行供料，当进料机头4出料均匀时，开启红外加热器5、空压机8和抽风机14，转动金属网带9并打开静电发生器10开始纺丝，金属网带的图例见图3所示，通过气流调节阀7调节气流大小，达到产品要求时，铺网运行，纺丝纤维通过热轧装置15处理后由收卷装置16接收。

Claims

1.一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、进料机头、红外加热器、气刀、气流调节阀、空压机、金属网带、带孔电极板、高压静电发生器、铺网带、抽风箱、抽风机、热轧装置和收卷装置，挤出机与熔体计量泵之间安置过滤网，熔体计量泵与进料机头相连，金属网带置于进料机头下方，其左端与进料机头位置对应，红外加热器和气刀均安置于金属网带内部并紧贴上层金属网带，铺网带在金属网带上方，带孔电极板在铺网带内部并紧贴其下表面，带孔电极板与高压静电发生器高压输出端子相连，抽风箱紧挨电极板上部，通过调节阀与抽风机连接。

2.根据权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：气刀有多个，多个气刀在金属网带后半段平行均布排列，并分别通过气流调节阀与空压机气流出口相连。

3.根据权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：金属网带采用网格结构，其目数在10-300目，材质为铜、铁或银。

4.根据权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：进料机头是衣架型宽幅板材或宽幅膜挤出机头的形式。

5.根据权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：挤出机、滤网、熔体泵、进料机头用聚合物粉料的进料机头替代，进料机头上自带一粉末均布刷。

6.根据权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：抽风系统的抽风箱有单个或多个均布小室，小室吸风缝隙与气刀吹风缝隙一一对应。

7.根据权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置，其特征在于：电极板采用20-300目均布网眼，电极板距离金属网带40-250mm，电压为10-150Kv。

8.采用权利要求1所述的一种金属网带式熔体静电纺丝装置进行纺丝的工艺，其特征在于：先对挤出机、进料机头、热轧装置进行加热，然后开启红外加热器对上部金属网带预热；当上述设备均达到设定温度后，开启挤出机按照设定供给速度进行供料，同时开启金属网带运转；当金属网带均匀敷设一层熔体薄层时，开启空压机、抽风机、风刀气流调节阀，并打开静电发生器开始纺丝，通过气流调节阀调节气流大小，达到产品要求时，铺网带连续运行，纺丝纤维通过热轧装置处理后由收卷装置接收。