CN103510164A - 应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件及喷嘴装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件、及喷嘴装置，其中喷嘴装置包括第一喷嘴，所述第一喷嘴上开设有喷丝孔、以及位于所述喷丝孔两侧的气流通道，所述喷丝孔和气流通道的出口处设置有熔喷喷嘴部件，所述熔喷喷嘴部件包括左边块、及与所述左边块相对设置的右边块，所述左边块和右边块之间形成所述熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道，所述左边块和右边块之间的距离沿所述丝条拉伸方向先单调减小至最小，再单调增大。本发明的喷嘴装置能够显著减小熔喷非织造布的纤维直径，所制备纤维的直径比未安装所述熔喷喷嘴部件时能够减少60%以上，达到纳米级尺度。

Description

应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件及喷嘴装置
技术领域
本发明涉及熔喷非织造技术领域，特别是涉及一种应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件，以及应用该熔喷喷嘴部件的喷嘴装置。
背景技术
熔喷法是加工非织造布的一种重要方法。熔喷非织造布具有纤维细，结构蓬松，孔隙多而孔隙尺寸小等优点，过滤效率可达99.9%以上，不仅可用作一般的气固相和液固相过滤材料，广泛用于冶金、矿山、化工、医药、机械、电子、食品、核工业、环保、汽车等领域，还可用作环境净化和生物洁净的高级过滤材料。
纤维直径的进一步减小是目前熔喷法最重要的发展方向。如果纤维能细至纳米级，则可大大提高制品的过滤、吸油和保暖等性能，将在生物医用、国防工业和电子工业等领域具有很好的应用前景。例如可以利用其低密度、高孔隙率和大比表面积制作多功能防护服，用来抵御生物武器和化学武器。
纤维直径的进一步减小主要通过原料、工艺和设备上的调整和改进来实现。原料方面，主要是通过提高聚合物的熔融流动速率（MFR）来实现。但熔融流动速率越高，原料的价格越贵，生产成本越高。工艺方面，主要是通过减小聚合物流量和提高气体初始速度来实现。但聚合物流量过小，非织造布的产量过低。气体初始速度过高，能耗会急剧增加，生产成本相应提高。
关于熔喷法涉及到的设备，由于熔喷喷嘴是制备纤维的核心部件，因此许多改进都是围绕喷嘴展开的。例如，第US3825380号专利揭示了采用尖头喷嘴制备更细的熔喷纤维，尖头喷嘴大大减小了气体流场在喷丝孔出口附近的“回流区”，增大了气流对聚合物熔体的拉伸作用，从而制得了更细的纤维。但是，其缺点主要是尖头喷嘴的加工精度要求很高，喷丝孔的加工难度大，且不能改善聚合物熔体因挤出胀大而导致的最终纤维变粗的问题。同时，减小喷丝孔直径和增加喷丝孔长径比也可以减小纤维直径，但均会导致喷丝孔的加工难度增加，过小的喷丝孔直径也使熔喷技术的原料适应性变差。
因此，有必要提供一种克服上述问题的喷嘴装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种熔喷喷嘴部件、及喷嘴装置。
为了实现上述目的之一，本发明提供的技术方案如下：
一种应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件，其包括左边块、及与所述左边块相对设置的右边块，所述左边块和右边块之间形成所述熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道，所述左边块和右边块之间的距离沿丝条拉伸方向先单调减小至最小，再单调增大。
作为本发明的进一步改进，所述丝条拉伸通道呈一“瓶颈”形状。
为了实现上述另一目的，本发明提供的技术方案如下：
一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其包括第一喷嘴，所述第一喷嘴上开设有喷丝孔、以及位于所述喷丝孔两侧的气流通道，所述喷丝孔和气流通道的出口处设置有熔喷喷嘴部件，所述熔喷喷嘴部件包括左边块、及与所述左边块相对设置的右边块，所述左边块和右边块之间形成所述熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道，所述左边块和右边块之间的距离沿丝条拉伸方向先单调减小至最小，再单调增大。
作为本发明的进一步改进，所述丝条拉伸通道呈一“瓶颈”形状。
作为本发明的进一步改进，所述左边块和右边块滑动设置于所述第一喷嘴的一侧。
作为本发明的进一步改进，所述左边块、右边块顶面最大宽度为w1，所述w1的数值为137mm；所述左边块和右边块之间的距离具有最小值处，所述左边块、右边块的最大宽度为w2，所述w2的数值范围为120-122mm；所述左边块、右边块底面最大宽度为w3，所述w3的数值为139mm。
作为本发明的进一步改进，所述丝条拉伸通道入口处左边块和右边块之间的距离为d1，所述d1的数值范围为12-16mm；所述左边块和右边块之间的距离的最小值为d2，所述d2的数值范围为6-10mm；所述丝条拉伸通道出口处左边块和右边块之间的距离为d3，所述d3的数值范围为8-12mm。
作为本发明的进一步改进，所述左边块和右边块之间的距离具有最小值处的截面平行于所述左边块、右边块的顶面和底面，所述左边块、右边块顶面距所述截面的距离为h1，所述h1的数值范围为10-11.1mm；所述左边块、右边块底面距所述截面的距离为h2，所述h2的数值为40mm。
作为本发明的进一步改进，所述丝条拉伸通道入口处与所述左边块和右边块之间的距离具有最小值处之间的壁面为圆弧面。
作为本发明的进一步改进，所述圆弧面与垂直于所述左边块、右边块顶面和底面方向的截面的交线的形状为一圆弧，所述圆弧的半径r1的数值范围为：18-20mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的喷嘴装置能够显著减小熔喷非织造布的纤维直径，所制备纤维的直径比未安装所述熔喷喷嘴部件时能够减少60%以上，达到纳米级尺度。同时，熔喷喷嘴部件可单独加工，直接安装在现有的熔喷设备上，设备原有部件不必做任何改变，有利于节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的应用于制备纳米纤维的喷嘴装置的一具体实施方式的平面示意图；
图2为本发明的熔喷喷嘴部件的平面示意图。
图中相关结构与其标号的对应关系如下：
第一喷嘴-10、喷丝孔-101、气流通道-102；
熔喷喷嘴部件-20、左边块-201、右边块-202；
丝条拉伸通道-30。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明的应用于制备纳米纤维的喷嘴装置平面示意图。该喷嘴装置100包括第一喷嘴10，该第一喷嘴10包括开设于其上的喷丝孔101、以及位于喷丝孔101两侧的气流通道102。空间方向上，气流通道102倾斜设置，并与喷丝孔101之间形成一夹角，且气流通道102的出口向喷丝孔101的出口方向聚拢。上述喷丝孔101用于挤出聚合物熔体形成的纤维，气流通道102用于供高速高温的气流通过。当上述气流通道102中有气流通过时，气流会对聚合物熔体提供一拉伸作用力，从而将从喷丝孔101中挤出的聚合物熔体拉伸成纤维。
本发明的喷嘴装置100还包括设置于上述第一喷嘴10一侧的熔喷喷嘴部件20，上述熔喷喷嘴部件20的入口与喷丝孔101、以及位两侧的气流通道102的出口相对应。从而，从喷丝孔101中挤出的聚合物熔体进入到熔喷喷嘴部件20中。具体地，上述熔喷喷嘴部件20包括左边块201、及与左边块201相对设置的右边块202。上述左边块201和右边块202之间具有一定距离，从而，左边块201和右边块202之间的空间形成丝条拉伸通道30。从喷丝孔101挤出的聚合物熔体即进入到丝条拉伸通道30中。
进一步地，上述左边块201和右边块202之间的距离是沿聚合物熔体，也即丝条的拉伸方向变化的，具体地，该距离沿拉伸方向先单调减小至最小，再单调增大，即在丝条拉伸通道30的入口和出口之间具有最小值。即上述距离沿丝条的拉伸方向呈函数变化，其最小值即为函数在特定区间内的极值。另一方面，丝条拉伸通道30的整体形状大致呈一“瓶颈”形，其两端较宽，中部相对较窄。如此设置，从第一喷嘴挤出的聚合物熔体、以及从气流通道中吹出的高速高温气体进入到丝条拉伸通道中，丝条拉伸通道相对喷丝孔是一个较大的半封闭的空间。从而，气流能够在较大区域内保持较高的速度和温度，聚合物熔体能够在较长时间内保持较低的粘度，从而能够被拉伸成更细的纤维，这样形成了聚合物拉伸的有利条件。具体地，气体速度越高，则聚合物熔体受到的气流拉伸力越大；气体温度越高，聚合物熔体的粘度越小，越容易被拉细。因此，这种设计是有助于将聚合物拉得更细的，制备的纤维达到了纳米级。
上述左边块201和右边块202滑动设置于第一喷嘴10的一侧，通过滑动调节上述左边块201和右边块202的位置，可改变左边块201和右边块202之间的距离，从而使本发明的喷嘴装置可满足不同条件下纳米纤维的生产加工。
如图2所示，为本发明的熔喷喷嘴部件的平面示意图。下面结合附图对熔喷喷嘴部件的尺寸进行说明。
上述左边块201、右边块202顶面的最大宽度为w1，优选地，w1的数值为137mm。左边块201和右边块202之间的距离具有最小值处相对应的左边块201、右边块202的最大宽度为w2，优选地，w2的数值范围为120-122mm。左边块201、右边块202底面最大宽度为w3，优选地，w3的数值为139mm。其中，如上所述的“顶面”、“底面”是以图2中熔喷喷嘴部件的位置为参考标准的。
进一步地，丝条拉伸通道30入口处左边块201和右边块202之间的距离为d1，优选地，d1的数值范围为12-16mm。左边块201和右边块202之间的距离最小值为d2，优选地，d2的数值范围为6-10mm。丝条拉伸通道30出口处左边块201和右边块202之间的距离为d3，优选地，d3的数值范围为8-12mm。
此外，在上述左边块201和右边块202之间的距离最小值处作一平行于左边块201、右边块202的顶面和底面的截面，左边块201、右边块202的顶面距该截面的距离为h1，优选地，h1的数值范围为10-11.1mm。该截面距左边块201、右边块202的底面的距离为h2，优选地，h2的数值为40mm。
上述丝条通道30的入口处与左边块201和右边块202之间的距离最小值处之间的壁面为圆弧面，沿垂直于左边块201、右边块202的顶面和底面的方向作一截面，该截面与圆弧面的交线的形状为一圆弧，该圆弧的半径为r1，优选地，r1的数值范围为：18-20mm。
下面结合本发明的喷嘴装置制备纳米纤维的实施例来进一步说明上述喷嘴装置的有益效果。
实施例1
高速高温气流从气流通道进入第一喷嘴，聚合物熔体经喷丝孔从第一喷嘴中挤出。聚合物熔体和高速高温气流流出第一喷嘴后，进入了熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道中。其中，第一喷嘴中的气流夹角为60°，槽口宽度为0.6mm，头端宽度为0.5mm，喷丝孔直径为0.3mm。熔喷喷嘴部件的w1=137mm，w2=122mm，w3=139mm，d1=16mm，d2=10mm，d3=12mm，h1=10mm，h2=40mm，r1=18mm。提供原料聚丙烯，其熔融流动速率为800g/10min，初始温度为280℃，气流初始温度为300℃，流量为0.036g/s，气流压力为350kPa。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为572nm，而同等条件下未加装熔喷喷嘴部件的设备所制备的非织造布的纤维直径平均值为1.53μm，加装熔喷喷嘴部件后纤维直径比原来减少了62.6%。
实施例2
高速高温气流从气流通道进入第一喷嘴，聚合物熔体经喷丝孔从第一喷嘴中挤出。聚合物熔体和高速高温气流流出第一喷嘴后，进入了熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道中。其中，第一喷嘴中的气流夹角为60°，槽口宽度为1.43mm，头端宽度为0.5mm，喷丝孔直径为0.35mm。熔喷喷嘴部件的w1=137mm，w2=122mm，w3=139mm，d1=14mm，d2=8mm，d3=10mm，h1=10mm，h2=40mm，r1=18mm。提供原料聚丙烯，其熔融流动速率为1000g/10min，初始温度为282℃，气流初始温度为307℃，流量为0.021g/s，气流压力为400kPa。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为449nm，而同等条件下未加装熔喷喷嘴部件的设备所制备的非织造布的纤维直径平均值为1.28μm，加装熔喷喷嘴部件后纤维直径比原来减少了64.9%。
实施例3
高速高温气流从气流通道进入第一喷嘴，聚合物熔体经喷丝孔从第一喷嘴中挤出。聚合物熔体和高速高温气流流出第一喷嘴后，进入了熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道中。其中，第一喷嘴中的气流夹角为60°，槽口宽度为0.2mm，头端宽度为0.5mm，喷丝孔直径为0.3mm。熔喷喷嘴部件的w1=137mm，w2=120mm，w3=139mm，d1=16mm，d2=6mm，d3=12mm，h1=11.1mm，h2=40mm，r1=20mm。提供原料聚对苯二甲酸丁二酯，其熔融流动速率为62g/10min，初始温度为280℃，气体初始温度为320℃，流量为0.019g/s，气体压力为500kPa。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为785nm，而同等条件下未加装熔喷喷嘴部件的设备所制备的非织造布的纤维直径平均值为2.14μm，加装熔喷喷嘴部件后纤维直径比原来减少了63.3%。
实施例4
高速高温气流从气流通道进入第一喷嘴，聚合物熔体经喷丝孔从第一喷嘴中挤出。聚合物熔体和高速高温气流流出第一喷嘴后，进入了熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道中。其中，第一喷嘴中的气流夹角为60°，槽口宽度为0.5mm，头端宽度为1mm，喷丝孔直径为0.3mm。熔喷喷嘴部件的w1=137mm，w2=122mm，w3=139mm，d1=14mm，d2=8mm，d3=10mm，h1=10mm，h2=40mm，r1=18mm。提供原料聚丙烯，其熔融流动速率为37g/10min，初始温度为350℃，气体初始温度为400℃，流量为0.008g/s，气体压力为550kPa。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为893nm，而同等条件下未加装熔喷喷嘴部件的设备所制备的非织造布的纤维直径平均值为2.52μm，加装熔喷喷嘴部件后纤维直径比原来减少了64.6%。
实施例5
高速高温气流从气流通道进入第一喷嘴，聚合物熔体经喷丝孔从第一喷嘴中挤出。聚合物熔体和高速高温气流流出第一喷嘴后，进入了熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道中。其中，第一喷嘴中的气流夹角为60°，槽口宽度为0.25mm，头端宽度为0.5mm，喷丝孔直径为0.3mm。熔喷喷嘴部件的w1=137mm，w2=122mm，w3=139mm，d1=12mm，d2=6mm，d3=8mm，h1=10mm，h2=40mm，r1=18mm。提供原料聚丙烯，其熔融流动速率为1000g/10min，初始温度为240℃，气体初始温度为290℃，流量为0.063g/s，气体压力为450kPa。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为821nm，而同等条件下未加装熔喷喷嘴部件的设备所制备的非织造布的纤维直径平均值为2.35μm，加装熔喷喷嘴部件后纤维直径比原来减少了65%。
由以上实施例说明，本发明能够显著减小熔喷非织造布的纤维直径，所制备纤维的直径比未安装所述熔喷喷嘴部件时能够减少60%以上，达到纳米级尺度。同时，熔喷喷嘴部件可单独加工，直接安装在现有的熔喷设备上，设备原有部件不必做任何改变，有利于节约成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件，其特征在于，所述熔喷喷嘴部件包括左边块、及与所述左边块相对设置的右边块，所述左边块和右边块之间形成所述熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道，所述左边块和右边块之间的距离沿所述丝条拉伸方向先单调减小至最小，再单调增大。
2.根据权利要求1所述的应用于制备纳米纤维的熔喷喷嘴部件，其特征在于，所述丝条拉伸通道呈一“瓶颈”形状。
3.一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其包括第一喷嘴，所述第一喷嘴上开设有喷丝孔、以及位于所述喷丝孔两侧的气流通道，其特征在于，所述喷丝孔和气流通道的出口处设置有熔喷喷嘴部件，所述熔喷喷嘴部件包括左边块、及与所述左边块相对设置的右边块，所述左边块和右边块之间形成所述熔喷喷嘴部件的丝条拉伸通道，所述左边块和右边块之间的距离沿所述丝条拉伸方向先单调减小至最小，再单调增大。
4.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述丝条拉伸通道呈一“瓶颈”形状。
5.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述左边块和右边块滑动设置于所述第一喷嘴的一侧。
6.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述左边块、右边块顶面最大宽度为w1，所述w1的数值为137mm；所述左边块和右边块之间的距离具有最小值处，所述左边块、右边块的最大宽度为w2，所述w1的数值范围为120-122mm；所述左边块、右边块底面最大宽度为w3，所述w3的数值为139mm。
7.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述丝条拉伸通道入口处左边块和右边块之间的距离为d1，所述d1的数值范围为12-16mm；所述左边块和右边块之间的距离的最小值为d2，所述d2的数值范围为6-10mm；所述丝条拉伸通道出口处左边块和右边块之间的距离为d3，所述d3的数值范围为8-12mm。
8.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述左边块和右边块之间的距离具有最小值处的截面平行于所述左边块、右边块的顶面和底面，所述左边块、右边块顶面距所述截面的距离为h1，所述h1的数值范围为10-11.1mm；所述左边块、右边块底面距所述截面的距离为h2，所述h2的数值为40mm。
9.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述丝条拉伸通道入口处与所述左边块和右边块之间的距离具有最小值处之间的壁面为圆弧面。
10.根据权利要求9所述的一种应用于制备纳米纤维的喷嘴装置，其特征在于，所述圆弧面与垂直于所述左边块、右边块顶面和底面方向的截面的交线的形状为一圆弧，所述圆弧的半径r1的数值范围为：18-20mm。
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