CN103668488B - 纤维喷射装置 - Google Patents
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Abstract
纤维喷射装置，涉及一种纤维制造装置。设有转轮、甩绳、旋转轴、溶液槽、驱动电机、升降台、电刷、储液箱、供液管、计量泵、联轴器、纤维收集传送装置、高压电极网、高压电源和控制电路。采用甩绳进行静电纺丝喂液，可避免针头式静电纺丝技术中喷头容易堵塞、装置难清理、纺丝效率较低、纺丝质量差的弊端，同时避免多喷头静电纺丝过程中出现的边缘效应等电场干扰现象。通过改变甩绳的材料、直径、长度、截面积形状来控制纤维的形貌、排列和产量。还可控制甩绳的浸没长度、转轮的转速、转轮与纤维收集传送装置之间的距离、电场强度等电纺工艺参数，提高静电纺丝的效率和纤维质量，能快速均匀制备纳米纤维，有利于纳米纤维的大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维制造装置，尤其是涉及一种纤维喷射装置。
背景技术
静电纺丝技术是一种生产纳米纤维常用的技术，以其设备简单、操作容易等优良特性成为当前纳米纤维制造研究的热点。传统静电纺丝技术的工艺原理是，将聚合物溶液或熔体置于高压静电场中，带电的液滴或熔滴形成泰勒锥，当电场力足够大，液滴或熔体可克服表面张力的束缚形成射流并从泰勒锥锥尖喷射，射流受静电场力、粘滞阻力、表面张力等作用不断被拉伸细化，经溶剂挥发或熔体冷却而固化，最终落在纤维收集传送装置上形成无纺布形式的纳米纤维。
能否实现静电纺丝批量化已成为静电纺丝技术发展的重要影响因素之一。传统静电纺丝装置的喷丝头为针头，为了保持稳定的泰勒锥，供液速度不能太大，以每小时10μl～10ml不等；针头的直径也不能太大，一般为0.1～3mm。由于溶液推进速度缓慢、针头直径过小，采用单针头式静电纺丝技术的产量只有0.1～1g/h，无法满足静电纺丝技术工业化的要求。多针头式静电纺丝技术通过增加针头的数量、改变针头的排列来提高产量。与单针头式静电纺丝装置相比，多针头式静电纺丝装置在一定程度上是可行的，但是多针头式静电纺丝装置最大的问题是针头与针头不能相距太近，否则针头之间有强烈的电场干扰，将严重影响纤维的喷射，不利于生产效率的提高和规模化生产。此外，针头式静电纺丝装置由于针头直径小，在静电纺丝过程中针头容易堵塞，也会严重影响纺丝过程。
很多学者对无针头式静电纺丝技术进行了研究，如中国专利CN103114347A，相对于针头式静电纺丝技术，无针头式静电纺丝技术由于不存在针头直径小、溶液推进速度缓慢等问题，具有喷丝头表面容易清理、纺丝效率高、能够快速均匀地制备纳米纤维等特点，克服了传统静电纺丝技术中纺丝产量低、喷头容易堵塞等缺点，有利于纳米纤维的大规模工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供能够快速、均匀地制备纳米纤维，解决使用针头作为喷丝头所造成的纺丝效率低、喷丝头易堵塞等问题的一种纤维喷射装置。
本发明设有转轮、甩绳、旋转轴、溶液槽、驱动电机、升降台、电刷、储液箱、供液管、计量泵、联轴器、纤维收集传送装置、高压电极网、高压电源和控制电路；
所述转轮和旋转轴位于溶液槽的正上方，转轮所在的平面与溶液所在的平面垂直；转轮边缘均匀分布条甩绳，相邻甩绳在圆周上的间隔角度为60度，其中转轮和甩绳组成喷丝头；转轮安装于旋转轴上并以旋转轴为旋转中心；旋转轴与驱动电机、联轴器传动连接且由升降台固定，利用升降台可以调节转轮与溶液槽的相对位置，从而改变甩绳浸没在溶液中的长度，可获得不同形貌、取向、直径的纤维；驱动电机与控制电路相连，通过设定控制电路可以控制驱动电机的转速，从而改变甩绳绕旋转轴的旋转速度；旋转轴上设有电刷，甩绳通过转轮、旋转轴与电刷电连接，电刷接地；储液箱通过供液管与计量泵的进口连接，计量泵的出口通过供液管与溶液槽相通，通过计量泵对溶液槽供料，使溶液槽中的溶液液面保持不变，保证甩绳在溶液中的浸没长度在电纺过程中保持不变；纤维收集传送装置位于转轮的正上方，纤维收集传送装置上方设有高压电极网，纤维收集传送装置与转轮的距离可以微调，从而能够改变纺丝间距，并能够将形成的纤维毡输送出纤维沉积区域，实现纳米纤维的连续收集；高压电极网与高压电源输出端连接，高压电源可输出高压直流电压或高压交流电压。
所述纤维收集传送装置与高压电源输出端连接，甩绳通过电刷接地，旋转轴与驱动电机采用绝缘连接，采用此方式可以避免高压电场对驱动电机以及相关电路的电干扰。
所述喷丝头可设复数组喷丝头，所述复数组喷丝头沿旋转轴平行排布。
所述转轮可由导电性较好的材料制成，最好由金属材料制成。
所述甩绳由导电性较好的材料制成，根据不同的静电纺丝要求选择不同的材料、直径、长度、截面积形状的甩绳，最好具有柔韧性。
所述甩绳可设复数根甩绳，所述复数根甩绳设于转轮边缘。
所述驱动电机的转速范围最好为20～2000rpm。
所述升降台，起到固定旋转轴、调节旋转轴与溶液槽相对距离的作用，从而改变甩绳在溶液中的浸没长度。
所述储液槽，用于储存纺丝溶液，最好由透明、耐腐蚀和与有机溶剂不反应的材料制成。
所述溶液输送装置，最好选用能够实现精确供液的计量泵或注射泵。
所述电刷由导电性较好的材料制成，电刷依次通过旋转轴、转轮与甩绳电性连接。
所述纤维收集传送装置可采用平板收集器或滚筒收集器等。纤维收集传送装置有高度调节组件，可以调节与转轮的纵向距离，以改变纺丝间距。
所述高压电源，其工作范围最好为＞0，＜100kV。高压电源可输出高压直流电压或高压交流电压。
本发明具有以下技术效果：
本发明采用甩绳进行静电纺丝喂液，可以避免针头式静电纺丝技术中喷头容易堵塞、装置难清理、纺丝效率较低、纺丝质量差的弊端，同时避免多喷头静电纺丝过程中出现的边缘效应等电场干扰现象。通过改变甩绳的材料、直径、长度、截面积形状来控制纤维的形貌、排列和产量。还可以控制甩绳的浸没长度、转轮的转速、转轮与纤维收集传送装置之间的距离、电场强度等电纺工艺参数，进一步提高静电纺丝的效率和纤维质量，能够快速、均匀地制备纳米纤维，克服传统静电纺丝技术中纺丝产量低、喷丝头容易堵塞等缺点，有利于纳米纤维的大规模工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图。
图2为本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例采用一组喷丝头，装配关系如下：
转轮4、旋转轴12位于溶液槽1的正上方，转轮4所在的平面与溶液所在的平面垂直；转轮4边缘均匀分布6条甩绳5，相邻甩绳5在圆周上的间隔角度为60°，其中转轮4和甩绳5组成喷丝头；转轮4安装于旋转轴12上，并以旋转轴12为旋转中心；旋转轴12与驱动电机14、联轴器13传动连接且由升降台2固定，利用升降台2可以调节转轮4与溶液槽1的相对位置，从而改变甩绳5浸没在溶液中的长度，可获得不同形貌、取向、直径的纤维；驱动电机14与控制电路相连，通过设定控制电路可以控制驱动电机14的转速，从而改变甩绳5绕旋转轴12的旋转速度；旋转轴12上设有电刷3，甩绳5通过转轮4、旋转轴12与电刷3电连接，电刷3接地；储液箱9通过供液管10与计量泵11的进口连接，计量泵11的出口通过供液管10与溶液槽1相通，通过计量泵11对溶液槽1精密供料，使溶液槽1中的溶液液面保持不变，保证甩绳5在溶液中的浸没长度在电纺过程中保持不变；纤维收集传送装置8位于转轮4的正上方，纤维收集传送装置8上方设有高压电极网6，纤维收集传送装置8与转轮4的距离可以微调，从而能够改变纺丝间距，并能够将形成的纤维毡输送出纤维沉积区域，实现纳米纤维的连续收集；高压电极网6与高压电源7输出端连接，高压电源7可输出高压直流电压或高压交流电压。
本实施例中纤维收集传送装置8与高压电源7输出端连接，甩绳5通过电刷3接地，旋转轴12与驱动电机14采用绝缘连接，采用此方式可以避免高压电场对驱动电机14以及相关电路的电干扰。
本实施例用于制备纳米纤维的方法，包括下列步骤：
1）将配制好的纺丝溶液存入储液箱9；
2）设定计量泵11的供液速度，溶液注入溶液槽1；
3）设定驱动电机14的转速，带动甩绳5以旋转轴12为中心进行旋转；
4）调节升降台2，确保甩绳5旋转到转轮4正下方时，能够以设定的长度浸入溶液中；
5）再次设定计量泵11的供液速度，使喷射所消耗原液的速度与原液的供给速度保持相等，以保证甩绳5与溶液的浸没长度不会随着电纺进行而减少，确保纺丝喷射过程的稳定性；
6）设定纤维收集传送装置8与转轮4的相对距离；
7）设定高压电源7的输出电压，甩绳5上的溶液形成射流，射流在电场力作用下将被拉伸细化，最终在纤维收集传送装置8上生成纳米纤维。
实施例2
本实施例如图2所示，沿旋转轴12平行阵列排布的复数组喷丝头，同时设有复数根并排的旋转轴12，可实现多根旋转轴12批量化纳米纤维生产。在驱动电机14和多根旋转轴12之间设有多轴输出箱15，以满足同一动力驱动多根旋转轴12同时工作的需要。
其余机械结构及连接关系与实施例1相同。
本实施例可以进一步提高静电纺丝的效率，实现纳米纤维的规模化生产。
Claims (7)
1.纤维喷射装置，其特征在于设有转轮、甩绳、旋转轴、溶液槽、驱动电机、升降台、电刷、储液箱、供液管、计量泵、联轴器、纤维收集传送装置、高压电极网、高压电源和控制电路；
所述转轮和旋转轴位于溶液槽的正上方，转轮所在的平面与溶液所在的平面垂直；转轮边缘均匀分布条甩绳，相邻甩绳在圆周上的间隔角度为60度，其中转轮和甩绳组成喷丝头；转轮安装于旋转轴上并以旋转轴为旋转中心；旋转轴与驱动电机、联轴器传动连接且由升降台固定；驱动电机与控制电路相连；旋转轴上设有电刷，甩绳通过转轮、旋转轴与电刷电连接，电刷接地；储液箱通过供液管与计量泵的进口连接，计量泵的出口通过供液管与溶液槽相通，通过计量泵对溶液槽供料；纤维收集传送装置位于转轮的正上方，纤维收集传送装置上方设有高压电极网，高压电极网与高压电源输出端连接，所述纤维收集传送装置与高压电源输出端连接，甩绳通过电刷接地，旋转轴与驱动电机采用绝缘连接；所述喷丝头设复数组喷丝头，所述复数组喷丝头沿旋转轴平行排布；所述甩绳由良导电材料制成；所述甩绳设复数根甩绳，所述复数根甩绳设于转轮边缘。
2.如权利要求1所述纤维喷射装置，其特征在于所述转轮由金属材料制成。
3.如权利要求1所述纤维喷射装置，其特征在于所述驱动电机的转速范围为20～2000rpm。
4.如权利要求1所述纤维喷射装置，其特征在于所述储液槽由透明、耐腐蚀和与有机溶剂不反应的材料制成。
5.如权利要求1所述纤维喷射装置，其特征在于所述溶液输送装置采用计量泵或注射泵。
6.如权利要求1所述纤维喷射装置，其特征在于所述电刷由良导电材料制成，电刷依次通过旋转轴、转轮与甩绳电连接。
7.如权利要求1所述纤维喷射装置，其特征在于所述纤维收集传送装置采用平板收集器或滚筒收集器；所述高压电源，其工作范围为＞0，＜100kV。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20151014 |