CN103572389A - 一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，装置主要包括两台挤出机、挤出机头、模内扭转层叠器单元、熔体一字型喷头、接收装置、高压静电发生器、加热装置、温度传感器和温控装置，挤出机头出口与模内扭转层叠单元进口相连接，熔体一字型喷头在模内扭转层叠器和接受装置之间，且熔体一字型喷头的进口与模内扭转层叠器单元的出口相连接，接收装置正对着熔体一字型喷头。通过多节模内层叠器单元进行多次分割和叠合后形成多层较薄的两种物料相互交替熔体层，由于两种熔体不相容，熔体层之间的摩擦较小，不仅能够缩小熔体静电纺丝的纤维直径范围，并且可以提高熔体静电纺丝的效率，使熔体静电纺丝的工业化和规模化生产又向前迈一步。

Description

一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝技术与传统的纺丝技术有着明显的不同，静电纺丝工艺是在溶液或熔体的供料端和接收装置间施加高压电场，使带有静电荷的溶液或熔体受到电场力的作用形成泰勒锥，继而电场力克服液体或熔体的表面张力而形成射流，并在运动过程中急剧细化，最终在接收装置上获得超细纤维的工艺，即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。

熔体静电纺丝工艺过程不需要使用挥发性溶剂，与溶液静电纺丝相比，具有无溶剂回收问题、安全、纺丝效率高、纤维力学性能好等优势，因此实现熔体静电纺丝的批量化和规模化生产具有重要的意义并成为一个重要的研究方向。

现有的熔体静电纺丝技术绝大部分为利用一种熔体进行纺丝，由于熔体粘度较大，其纤维直径还很难达到溶液静电纺丝得到的纤维直径范围；另外，专利CN200910237622.5公开了一种纳米叠层复合材料制备装置，其中即包含叠层复合发生器，层叠器是将汇流器挤出的n层高分子熔体沿宽度方向平均分割成m等份，每一等份的熔体在叠成复合发生器中继续向前流动时旋转90度并且逐渐展宽m倍，在出口端与相邻熔体层相互汇流成n×m层的叠层结构；依次类推，如果串联k个同样的叠层复合发生器，则可得到n×m^k层的多层结构复合材料。该发明所用装置中具有复合层叠器通过将熔体分割扭转90度后然后叠合的办法来最终实现材料的纳米叠层，即熔体的微积分层叠技术，微积分层叠技术是利用微积分思想通过将两种不同种类和性能的高分子材料共同挤出后，经过特殊的层叠器单元不断地进行分割和叠合，最终制备具有交替层叠结构的符合材料，层厚可达微米级甚至是纳米级。该发明属于先进材料加工技术领域，而本发明将复合层叠器用于两种不相容的熔体静电纺丝。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可以同时用于两种不相容的熔体a和熔体b进行纺丝，产生微纳级纤维的高效率的熔体静电纺丝方法和装置，利用微积分的思想将由两台挤出机共同挤出的两种不相容熔体a和熔体b，通过一定数目的模内层叠器单元进行多次分割和叠合后形成多层较薄的熔体a和熔体b相互交替熔体层，由于两种熔体不相容，具有相互润滑的作用，熔体层之间的摩擦较小，相当于减小熔体的粘度，在出口处连接上静电场，熔体a和熔体b相互交替使得各层很薄，在经过熔体喷头时形成的丝分叉成多根，能够形成比单一熔体较细的纤维；该装置可以减小熔体喷头和接收装置之间的电压，能够同时进行两种不同熔体的静电纺丝，提高纺丝的效率，并有望得到纳米级熔体纤维。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，主要包括挤出机头、模内扭转层叠器单元、熔体一字型喷头、接收装置、高压静电发生器、加热装置、温度传感器和温控装置，挤出机头出口与模内扭转层器叠单元进口相连接，熔体一字型喷头在模内扭转层叠器单元和接收装置之间，且熔体一字型喷头的进口与模内扭转层叠器单元的出口相连接，接收装置正对着熔体一字型喷头。从挤出机头挤出的两层不相容的熔体a和熔体b，经过不少于2节模内扭转层叠器单元后形成多层熔体a和熔体b相互交替的复合层，然后从熔体一字型喷头在高电压的静电力作用下通过气体流道的热气体的带动引导下喷出，形成两种超细纤维的混合纤维，由接收装置收卷起来。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，模内扭转层叠器单元使熔体在入口处将熔体均等分割为4份并在模内扭转层叠器单元内流道内运动过程中扭转90度，其长度可以根据不同熔体进行最优化选取，模内扭转层叠器单元的数目不少于2个，每节模内扭转层叠器外围有加热装置和温度传感器，加热装置在温控装置的控制下进行加热到一定温度，便于熔体保持一定温度和流速，加热方式为恒温油加热、热空气加热、电加热、红外加热中的一种或几种。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，挤出机头为用于两台挤出机同时挤出的鱼尾式机头、L型机头或者是L型机头的组合形式。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，熔体一字型喷头出口设置有一排引导槽或引导锥，使经过不少于2节模内扭转层叠器单元后形成多层熔体a和熔体b相互交替的复合层过渡为薄膜，熔体复合层在沿着引导槽或引导锥流动后流出，在一级电场或多级电场的电场力作用下形成泰勒锥，进而形成复合纤维。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，模内扭转层叠器装置和熔体一字型喷头接地，接收装置接收板连接高压静电发生器的高压极板，接收板和接收装置的其他部分绝缘连接。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，其相对应的静电纺丝步骤为：第一步，通过设定两台挤出机的挤出速度和调解挤出机头的出口处熔体的厚度，让两种不相容的熔体a和熔体b以一定的速度比从挤出机头共同挤出，形成两种熔体的复合熔体层；第二步，熔体a和熔体b层两层相互交替的熔体层在模内扭转层叠器单元入口处在垂直于挤出方向上被等分为N份（N代表熔体层在模内扭转层叠器单元入口处等分数目），经过分叠流道过程中逐渐扭转一定角度（通常设计为90°）后汇合形成2×Ｎ层熔体a和熔体b层相互交替的熔体结构，熔体在扭转的过程中熔体的宽度不断增加，而厚度不断减小，出口宽度和入口宽度相同，从而保证熔体流动的一致性和稳定性；第三步，依次经过M个模内扭转层叠器单元，经过N次分割、扭转，最终形成2×N^M层熔体a和熔体b薄层相互交替的熔体复合层，其中N和M为大于等于2的整数，M代表连接的模内扭转层叠器的节数；第四步，熔体a和熔体b两种熔体薄层相互交替的复合层进入熔体喷头后，沿着引导槽或者引导锥流动成为带静电的滴状熔体，在熔体喷头和高压电极板之间静电场的作用下形成泰勒锥并有气体引导，进而形成射流，在运动中拉伸为纤维并由接收装置接收；第五步，通过改变引导槽或者引导锥的锥度、熔体一字型喷头和接收板之间的距离来改变形成的熔体层的厚度，从而改变形成的纤维直径的大小；第六步，按照所需的布料厚度进行移动接收板装置，收卷并按照要求进行后处理。

本发明的有益效果是：本发明通过将两种不相容的熔体a和熔体b进行微分叠层形成薄层厚度为微纳级别的的复合层熔体，为制造纳米级的熔体纤维提供了一定的物理条件，再加上不相容的熔体相互交替和挤压，分别对对方具有一定的润滑作用，射流的速度更快，效率更高，最后由一级或者更多级高压电场的静电力作用的牵引和拉伸，更容易形成更细的纳米级纤维；适用于两种不相容的熔体a和熔体b同时进行静电纺丝，形成一种具有特殊用途的复合材料布料。

附图说明

图1是本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置的示意图。

图2是本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置中模内扭转层叠器单元流道结构示意图。

图3是本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置中熔体在模内扭转层叠器内的层叠示意图。

图4是本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置中熔体a和熔体b两种熔体从熔体一字型喷头喷出纺丝示意图。

图5是本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置中交替多层熔体结构在熔体一字型喷头内的局部放大图。

图中：1、挤出机头；2、模内扭转层叠器单元；3、加热装置；4、温度传感器；5、温控装置；6、熔体一字型喷头；6-1、气体流道；7、接收装置；8、高压静电发生器；9模内扭转层叠器内流道；9-1两层a、b层相互交替的熔体层；9-2分叠流道；9-32×Ｎ层熔体a和熔体b层相互交替的熔体结构；A熔体a;B熔体b

具体实施方式：

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，如图1所示，主要包括挤出机头1、模内扭转层叠器单元2、熔体一字型喷头6、接收装置7、高压静电发生器8、加热装置3、温度传感器4和温控装置5，挤出机头1出口与模内扭转层叠器单元2进口相连接，熔体一字型喷头6在模内扭转层叠器单元2和接收装置7之间，且熔体一字型喷头6的进口与模内扭转层叠器单元2的出口相连接，接收装置7正对着熔体一字型6喷头。从挤出机头1挤出的两层不相容的熔体a、b，经过不少于2节模内扭转层叠器单元2后形成多层a、b相互交替的熔体层，然后从熔体一字型喷头6在高电压作用下和通过气体流道6-1的热气体的带动引导下喷出，形成两种超细纤维，由接收装置7收卷起来。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，模内扭转层叠器单元2使熔体在入口处均等分割为4份并在扭转层叠器单元内流道9内运动过程中扭转90度，模内扭转层叠器单元2的使用数目不少于2个，每个单元外围有加热装置3和温度传感器4，加热装置3在温控装置的控制下进行加热到一定温度，便于熔体保持一定温度和流速，加热方式可以为恒温油加热、热空气加热、电加热、红外加热中的一种或几种。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，挤出机头1为可用于两台挤出机同时挤出的鱼尾式机头、L型机头或者是L型机头的组合形式。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，熔体一字型喷头6有一排引导槽或引导锥，便于两种不同的熔体在沿着引导槽或引导锥流动并成滴状，在电场力作用下形成泰勒锥，进而形成纤维。

本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，模内扭转层叠器单元2和熔体一字型喷头6接地，接收装置6接收板连接高压静电发生器8的高压极板，接收板和接收装置7的其他部分绝缘连接。本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，其相对应的静电纺丝步骤为：第一步，通过设定两台挤出机的挤出速度和调解挤出机头的出口处熔体的厚度，让两种不相容的熔体a和熔体b以一定的速度比从挤出机头共同挤出，形成两种熔体的复合熔体层；第二步，两层熔体a和熔体b层相互交替的熔体层9－1在模内扭转层叠器单元2入口处在垂直于挤出方向上被等分为N份，经过分叠流道9－2过程中逐渐扭转一定角度后汇合形成2×Ｎ层熔体a和熔体b层相互交替的熔体结构9－3，熔体在扭转的过程中熔体的宽度不断增加，而厚度不断减小，出口宽度和入口宽度相同，从而保证熔体流动的一致性和稳定性；第三步，然后依次经过M个模内扭转层叠器单元2，经过M次分割、扭转，最终形成2×N^M层熔体a和熔体b薄层相互交替的熔体复合层；第四步，熔体a和熔体b两种熔体薄层相互交替的复合层进入熔体一字型喷头6后，沿着引导槽或者引导锥流动成为带静电的滴状熔体，在熔体一字型喷头6和高压电极板之间静电场的作用下形成泰勒锥，进而形成射流，在运动中拉伸为纤维并由接收装置接收；第五步，通过改变引导槽或者引导锥的锥度、熔体一字型喷头6和接收板之间的距离来改变形成的熔体滴的大小，从而改变形成的纤维直径的大小；第六步，按照所需的布料厚度进行移动接收装置7，收卷并按照要求进行后处理。本发明中所述的微积分层叠是借用数学的微分和积分的概念，将来自挤出机机头的两种熔体的复合熔体层经层叠器分割再汇合，经多个层叠器分割再汇合最终形成2×N^M层的复合层，复合层再经纺丝得到很细的丝，这种分分合合的过程称作微积分层叠。

通过本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置和方法，可以同时用于两种不同熔体的静电纺丝，不仅能够缩小熔体静电纺丝的纤维直径范围，并且可以提高熔体静电纺丝的效率，使熔体静电纺丝的工业化和规模化生产又向前迈一步。

Claims (4)

1.一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，其特征在于：主要包括两台挤出机、挤出机头、模内扭转层叠器单元、熔体一字型喷头、接收装置、高压静电发生器、加热装置、温度传感器和温控装置，挤出机头出口与模内扭转层器叠单元进口相连接，熔体一字型喷头在模内扭转层叠器单元和接收装置之间，且熔体一字型喷头的进口与模内扭转层叠器单元的出口相连接，接收装置正对着熔体一字型喷头，从挤出机头挤出的两层不相容的熔体a和熔体b经过多节模内扭转层叠器单元后形成多层熔体a和熔体b相互交替的复合层，每节模内扭转层叠器外围有加热装置和温度传感器，模内扭转层叠器装置和熔体一字型喷头接地，接收装置接收板连接高压静电发生器的高压极板，接收板和接收装置的其他部分绝缘连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，其特征在于：熔体一字型喷头出口设置有一排引导槽或引导锥。

3.采用权利要求1所述的一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置进行纺丝的方法，其特征在于：第一步，通过设定两台挤出机的挤出速度和调解挤出机头的出口处熔体的厚度，形成两种熔体的复合熔体层；第二步，熔体a和熔体b层两层相互交替的熔体层在模内扭转层叠器单元入口处在垂直于挤出方向上被等分为N份，经过分叠流道过程中逐渐扭转一定度后汇合形成2×Ｎ层熔体a和熔体b层相互交替的熔体结构，熔体在扭转的过程中熔体的宽度不断增加，而厚度不断减小，出口宽度和入口宽度相同，从而保证熔体流动的一致性和稳定性；第三步，依次经过M个模内扭转层叠器单元，经过N次分割、扭转，最终形成2×N^M层熔体a和熔体b薄层相互交替的熔体复合层；第四步，熔体a和熔体b两种熔体薄层相互交替的复合层进入熔体喷头后，在熔体喷头和高压电极板之间静电场的作用下形成泰勒锥并有气体引导，进而形成射流，在运动中拉伸为纤维并由接收装置接收；第五步，通过改变熔体一字型喷头和接收板之间的距离来改变形成的复合纤维直径的大小；第六步，按照所需的布料厚度进行移动接收板装置，收卷并按照要求进行后处理。

4.根据权利要求3所述的一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝方法，其特征在于：熔体一字型喷头有一排引导槽或引导锥，熔体a和熔体b两种熔体薄层相互交替的复合层进入熔体喷头后，沿着引导槽或者引导锥流动，通过改变引导槽或者引导锥的锥度来改变形成的熔体层厚度，从而改变形成的纤维直径的大小。

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