CN103757722B - 超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超离心‑旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置及方法，其装置包括储料缸、纤维接收器、旋转驱动机构和送料机构，纤维接收器设于储料缸下方，旋转驱动机构设于储料缸外周，送料机构设于储料缸外侧；储料缸内设有柱塞杆，储料缸底部设有挡板，挡板上方设有进料板，进料板与挡板之间设有喷嘴板，喷嘴板上的喷射口位于纤维接收器内。其方法是利用强制挤压作用将物料输送至喷嘴板处；在强挤压力和超离心力的耦合作用下，物料克服毛细管压力后从喷射口喷射而出，初步形成纤维；超离心力和旋流空气压力进一步作用于纤维，迫使纤维直径不断衰减，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。本发明可制得性能优良、直径均匀的纳米纤维。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料纺丝技术领域，特别涉及一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置及方法。
背景技术
纳米纤维与其它纤维相比较，由于具有超大比表面积、超细孔隙度和良好的机械特性等独特优势而广泛用于过滤介质、伤口敷料、纳米传感器、血管工程及组织工程等领域。制备纳米纤维的方法有许多种，如熔体吹丝、模板合成、自组装、拉伸法、静电纺丝等。目前，静电纺丝是应用最为广泛的纳米纤维制备方法。但是在实际生产中，静电纺丝由于存在以下固有缺陷而被限制商业使用：（1）需要高压电场；（2）聚合物溶液需要具有一定导电率；（3）成本高、环境污染；（4）生产效率低。为了减少静电纺丝过程的缺陷限制，国内外研究人员在改进静电纺丝过程方面开展了相当多的工作。
为了克服静电纺丝制备纳米纤维的种种缺陷，开发不需要施加高压电场，能够无污染、高效率制备纳米纤维的方法，已成为研究重点。目前也有采用离心装置进行纺丝的，但都还存在以下三方面的问题：（1）连续供料的问题，尤其是对于高粘度的聚合物熔体，他们都是采用聚合物颗粒在离心机中直接熔融，这种形式一方面是塑化效率低，降低生产速率，另一方面是塑化效果不好，容易阻塞流道；（2）喷射问题，对于一些聚合物含量比较大的溶液或者熔体，由于粘度很大，导致需要超高的离心力迫使物料从喷嘴中喷射而出，而且离心力会随着物料的不断挤出而逐渐减少，这就会导致挤出纤维直径不均匀；（3）纤维直径衰减问题，由于物料粘度比较大，单纯依靠离心力，难以形成纳米纤维，或者纳米纤维含量较低。因此，利用离心力进行纺丝还有待进一步开发。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，该装置可实现利用高粘度聚合物高效高速制备直径均匀的纳米纤维。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的方法。
本发明的技术方案为：一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，包括储料缸、纤维接收器、旋转驱动机构和送料机构，纤维接收器设于储料缸下方，旋转驱动机构设于储料缸外周，送料机构设于储料缸外侧，储料缸的侧壁上设有进料口，进料口处与送料机构连接；储料缸内设有柱塞杆，柱塞杆沿着储料缸的内壁上下运动；储料缸底部设有挡板，挡板上方设有进料板，进料板与挡板之间设有喷嘴板，喷嘴板上的喷射口位于纤维接收器内；纤维接收器上方设有空气旋流板，空气旋流板固定于储料缸外周。其中，当送料机构向储料缸中输送物料时，柱塞杆位于进料口上方；当储料缸高速旋转喷射物料时，柱塞杆在储料缸内逐渐向下运动，挤压物料喷射；储料缸的旋转带动空气旋流板旋转，可加速空气旋流，增大旋流空气压力。
所述旋转驱动机构包括超高速电机、第一带轮、传送带和第二带轮，超高速电机的输出端与第一带轮连接，第一带轮通过传送带与第二带轮连接，第二带轮与储料缸外周连接。超高速电机转动时，带动第一带轮转动，第一带轮通过传送带带动第二带轮转动，从而驱动储料缸高速旋转。
所述送料机构可采用以下结构形式：
（1）所述送料机构包括送料筒和往复式螺杆，往复式螺杆设于送料筒内，送料筒与储料缸上的进料口相接。该送料机构适用于高粘度的聚合物熔体纺丝，通过往复式螺杆输送熔体，其输送力较大，塑化效果也较好。
（2）所述送料机构包括送料筒和送料柱塞，送料柱塞设于送料筒内，送料筒与储料缸上的进料口相接。该送料机构适用于粘度较低的溶液纺丝。
所述储料缸外周设有红外加热器。通过红外加热器对储料缸内的熔体进行保温，可使储料缸高速旋转时，旋流空气压力辅助超离心力克服纤维的表面张力，使得纤维直径不断衰减，制备出性能优良、直径更均匀的纳米纤维。
所述喷嘴板中部设置喷射口，喷射口呈“十”字形，喷射口中心为圆形通孔。
所述进料板中部设有进料通孔，进料通孔的直径小于储料缸的直径；进料通孔由上至下带有锥度。
本发明根据上述装置实现一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的方法，利用强制挤压作用将物料输送至喷嘴板处；在强挤压力和超离心力的耦合作用下，物料克服毛细管压力后从喷射口喷射而出，初步形成纤维；超离心力和旋流空气压力进一步作用于纤维，迫使纤维直径不断衰减，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
其中，所述强挤压力由柱塞杆在储料缸内的运动产生；超离心力由储料缸的旋转运动产生；旋流空气压力由空气旋流板的旋转运动产生。
超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的具体过程为：
（1）送料机构可往复运动，当需要送料时，储料缸停止旋转，柱塞杆向上运动至进料口上方，送料筒向靠近储料缸的方向水平移动，作为送料杆的往复式螺杆或送料柱塞挤压物料，使物料进入储料缸；
（2）当送料筒内的物料全部进入储料缸后，送料筒往远离储料缸的方向水平移动，直至送料筒不会干涉储料缸旋转即可；
（3）柱塞杆开始向下运动，挤压储料缸内的物料；同时，旋转机构带动储料缸进行高速旋转，在柱塞杆运动产生的强挤压力和储料缸旋转产生的超离心力的共同作用下，物料从喷嘴板上的喷射口喷射而出，初步形成纤维；
（4）超离心力和旋流空气压力进一步作用于纤维，迫使纤维直径不断衰减，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明采用高挤压力辅助超离心力，实现克服毛细管压力将物料从喷射口喷射而出，可通过控制挤压力，使得各喷射口处的物料所受的压力相同，从而制得直径均匀、尺寸均一的纳米纤维；克服了现有技术中纤维直径不均匀和难以形成纳米纤维的问题。
2、本发明中，通过在储料缸外侧设置送料机构，结合物料的特性，可选择相应结构形式的送料机构，使用灵活，也可适用于高粘度的聚合物熔体，提高塑化效果和生产效率，克服了现有技术中塑化效果差、容易阻塞流道的问题。
3、本发明中，采用可控温度的旋流空气压力辅助超离心力，从而克服纤维的表面张力，使得纤维直径不断衰减，制备出性能优良、直径较为均匀的纳米纤维。
附图说明
图1为实施例1超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置结构示意图。
图2为实施例2超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置结构示意图。
图3为喷嘴板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，用于熔体纺丝，其结构如图1所示，包括储料缸1、纤维接收器2、旋转驱动机构和送料机构，纤维接收器设于储料缸下方，旋转驱动机构设于储料缸外周，送料机构设于储料缸外侧，储料缸的侧壁上设有进料口，进料口处与送料机构连接；储料缸内设有柱塞杆3，柱塞杆沿着储料缸的内壁上下运动；储料缸底部设有挡板4，挡板上方设有进料板5，进料板与挡板之间设有喷嘴板6，喷嘴板上的喷射口位于纤维接收器内；纤维接收器上方设有空气旋流板14，空气旋流板固定于储料缸外周。其中，当送料机构向储料缸中输送物料时，柱塞杆位于进料口上方；当储料缸高速旋转喷射物料时，柱塞杆在储料缸内逐渐向下运动，挤压物料喷射；储料缸的旋转带动空气旋流板旋转，可加速空气旋流，增大旋流空气压力。
旋转驱动机构包括超高速电机7、第一带轮8、传送带9和第二带轮10，超高速电机的输出端与第一带轮连接，第一带轮通过传送带与第二带轮连接，第二带轮与储料缸外周连接。超高速电机转动时，带动第一带轮转动，第一带轮通过传送带带动第二带轮转动，从而驱动储料缸高速旋转。
送料机构包括送料筒11和往复式螺杆12，往复式螺杆设于送料筒内，送料筒与储料缸上的进料口相接。该送料机构适用于高粘度的聚合物熔体纺丝，通过往复式螺杆输送熔体，其输送力较大，塑化效果也较好。
储料缸外周设有红外加热器13。通过红外加热器对储料缸内的熔体进行保温，可使储料缸高速旋转时，旋流空气压力辅助超离心力克服纤维的表面张力，使得纤维直径不断衰减，制备出性能优良、直径更均匀的纳米纤维。
如图3所示，喷嘴板6中部设置喷射口6-1，喷射口呈“十”字形，喷射口中心为圆形通孔。
进料板5中部设有进料通孔，进料通孔的直径小于储料缸的直径；进料通孔由上至下带有锥度。
本实施例根据上述装置实现一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的方法，利用强制挤压作用将物料输送至喷嘴板处；在强挤压力和超离心力的耦合作用下，物料克服毛细管压力后从喷射口喷射而出，初步形成纤维16；超离心力和旋流空气压力进一步作用于纤维，迫使纤维直径不断衰减，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
其中，强挤压力由柱塞杆在储料缸内的运动产生，超离心力由储料缸的旋转运动产生，旋流空气压力由空气旋流板的旋转运动产生。
超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的具体过程为：
往复式螺杆边塑化输运聚合物颗粒边后抽，在送料筒前段存储物料，当存储的物料（此时为熔体）达到一定量时，送料筒往靠近储料缸的方向移动，并与储料缸上的进料口配合，往复式螺杆往前注射物料，将物料全部注入储料缸内，注料完成之后，送料筒向远离储料缸的方向水平运动，避免与储料缸发生干涉，红外加热器对物料进行保温，随后柱塞杆强制挤压物料进入由进料板、喷嘴板和挡板组成的流道中，超高速电机通过第一带轮、传送带和第二带轮驱动储料缸进行高速旋转，在储料缸产生的超离心力和柱塞杆产生的强挤压力作用下，熔体从喷射口喷射而出，物料在储料缸产生的超离心力和和空气旋流板产生的旋流空气压力的进一步作用下，纤维直径不断减少，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
实施例2
本实施例一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，用于溶液纺丝，其结构如图2所示，包括储料缸1、纤维接收器2、旋转驱动机构和送料机构，纤维接收器设于储料缸下方，旋转驱动机构设于储料缸外周，送料机构设于储料缸外侧，储料缸的侧壁上设有进料口，进料口处与送料机构连接；储料缸内设有柱塞杆3，柱塞杆沿着储料缸的内壁上下运动；储料缸底部设有挡板4，挡板上方设有进料板5，进料板与挡板之间设有喷嘴板6，喷嘴板上的喷射口位于纤维接收器内；纤维接收器上方设有空气旋流板14，空气旋流板固定于储料缸外周。其中，当送料机构向储料缸中输送物料时，柱塞杆位于进料口上方；当储料缸高速旋转喷射物料时，柱塞杆在储料缸内逐渐向下运动，挤压物料喷射；储料缸的旋转带动空气旋流板旋转，可加速空气旋流，增大旋流空气压力。
旋转驱动机构包括超高速电机7、第一带轮8、传送带9和第二带轮10，超高速电机的输出端与第一带轮连接，第一带轮通过传送带与第二带轮连接，第二带轮与储料缸外周连接。超高速电机转动时，带动第一带轮转动，第一带轮通过传送带带动第二带轮转动，从而驱动储料缸高速旋转。
送料机构包括送料筒11和送料柱塞15，送料柱塞设于送料筒内，送料筒与储料缸上的进料口相接。该送料机构适用于较低粘度的聚合物熔体纺丝或溶液纺丝。
储料缸外周设有红外加热器13。通过红外加热器对储料缸内的熔体进行保温，可使储料缸高速旋转时，旋流空气压力辅助超离心力克服纤维的表面张力，使得纤维直径不断衰减，制备出性能优良、直径更均匀的纳米纤维。
如图3所示，喷嘴板6中部设置喷射口6-1，喷射口呈“十”字形，喷射口中心为圆形通孔。
进料板5中部设有进料通孔，进料通孔的直径小于储料缸的直径；进料通孔由上至下带有锥度。
本实施例根据上述装置实现一种超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的方法，利用强制挤压作用将物料输送至喷嘴板处；在强挤压力和超离心力的耦合作用下，物料克服毛细管压力后从喷射口喷射而出，初步形成纤维16；超离心力和旋流空气压力进一步作用于纤维，迫使纤维直径不断衰减，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
其中，强挤压力由柱塞杆在储料缸内的运动产生；超离心力由储料缸的旋转运动产生，旋流空气压力由空气旋流板的旋转运动产生。
超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的具体过程为：
当送料筒内存储的物料（此时为溶液）达到一定量时，送料筒往靠近储料缸的方向移动，并与储料缸上的进料口配合，送料柱塞往前注射物料，将物料全部注入储料缸内，注料完成之后，送料筒向远离储料缸的方向水平运动，避免与储料缸发生干涉，红外加热器对物料进行保温，随后柱塞杆强制挤压物料进入由进料板、喷嘴板和挡板组成的流道中，超高速电机通过第一带轮、传送带和第二带轮驱动储料缸进行高速旋转，在储料缸产生的超离心力和柱塞杆产生的强挤压力作用下，熔体从喷射口喷射而出，物料在储料缸产生的超离心力和空气旋流板产生的旋流空气压力的进一步作用下，纤维直径不断减少，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1.超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，包括储料缸、纤维接收器、旋转驱动机构和送料机构，纤维接收器设于储料缸下方，旋转驱动机构设于储料缸外周，送料机构设于储料缸外侧，储料缸的侧壁上设有进料口，进料口处与送料机构连接；储料缸内设有柱塞杆，柱塞杆沿着储料缸的内壁上下运动；储料缸底部设有挡板，挡板上方设有进料板，进料板与挡板之间设有喷嘴板，喷嘴板上的喷射口位于纤维接收器内；纤维接收器上方设有空气旋流板，空气旋流板固定于储料缸外周。
2.根据权利要求1所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，所述旋转驱动机构包括超高速电机、第一带轮、传送带和第二带轮，超高速电机的输出端与第一带轮连接，第一带轮通过传送带与第二带轮连接，第二带轮与储料缸外周连接。
3.根据权利要求1所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，所述送料机构包括送料筒和往复式螺杆，往复式螺杆设于送料筒内，送料筒与储料缸上的进料口相接。
4.根据权利要求1所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，所述送料机构包括送料筒和送料柱塞，送料柱塞设于送料筒内，送料筒与储料缸上的进料口相接。
5.根据权利要求1所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，所述储料缸外周设有红外加热器。
6.根据权利要求1所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，所述喷嘴板中部设置喷射口，喷射口呈“十”字形，喷射口中心为圆形通孔。
7.根据权利要求1所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于，所述进料板中部设有进料通孔，进料通孔的直径小于储料缸的直径；进料通孔由上至下带有锥度。
8.根据权利要求1～7任一项所述装置实现的超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的方法，其特征在于，利用强制挤压作用将物料输送至喷嘴板处；在强挤压力和超离心力的耦合作用下，物料克服毛细管压力后从喷射口喷射而出，初步形成纤维；超离心力和旋流空气压力进一步作用于纤维，迫使纤维直径不断衰减，直至抵达纤维接收器时，形成纳米纤维。
9.根据权利要求8所述超离心-旋流高粘度纺丝制备纳米纤维的方法，其特征在于，所述强挤压力由柱塞杆在储料缸内的运动产生；超离心力由储料缸的旋转运动产生，旋流空气压力由空气旋流板的旋转运动产生。
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