CN103774251A

CN103774251A - 一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置

Info

Publication number: CN103774251A
Application number: CN201410044706.8A
Authority: CN
Inventors: 常国庆
Original assignee: Meike Haze (suzhou) Co Nano Science And Technology
Current assignee: Meike Haze (suzhou) Co Nano Science And Technology
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明涉及一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，包括正高压电源、多针滚桶喷丝系统、传动装置、后处理器、卷绕装置，多针滚桶喷丝系统由电纺丝储液槽、表面植入金属针头的多针滚筒组成；多针滚筒固定连接在电纺丝储液槽的上方并部分浸渍在溶液内，喷丝桶一端与传动装置连接，实现喷丝棒的旋转；喷丝桶另一端与高压电源连接，喷丝桶上的金属针头蘸取下方的纺丝液后旋转到上方，朝上形成丝状的喷射流；卷绕装置在喷射流上方，由机械控制收集纺丝，卷绕装置接地。本发明的多针滚筒喷丝系统不仅可以提高纳米纤维的产量和成毡质量，降低工业生产成本；同时可生产单一聚合物或一次性生产不同聚合物的多层装复合纺丝纤维材料。

Description

一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置

技术领域

本发明属于纺织机械及纳米技术领域，更具体地，涉及一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置。

背景技术

静电纺丝是一个利用静电场和导电流体之间的相互作用使导电流体雾化的过程。当给导电流体（例如，一种半稀释聚合物溶液或聚合物熔体）施加外部静电场时，悬挂着的圆锥形液滴的表面张力会与电场相平衡。静电雾化时产生的静电场强度足以克服液滴的表面张力，液滴会变得不稳定，喷射流从一个微小的液滴表面上喷射而出。当它到达接收装置时该纤维就会被收集。根据不同的材料和工艺，这种纤维直径一般在数十纳米到数微米，这种纤维形成的基布具有非常大的比表面和小孔径的特性。然而，还没有任何实际的工业生产过程能生产出直径在纳米级的纤维，例如能过滤PM2.5颗粒物的纳米级纤维。这是因为在纳米纤维的生产过程中，纤维的直径越细，产率越低，维护基布性能的处理过程也很难实现。由于纳米级纤维的优异特性，目前大规模量产纳米纤维显得非常迫切。

有研究学者在CN101210352A报导了一种朝上喷的Taylor锥多喷头静电纺丝机，可以解决生产过程中纤维产率低、产品质量差的缺陷，但是这种技术设备复杂，产量依然不大，不易控制喷丝速度，设备操作复杂，实用价值不高,喷头在大量生产时也易堵塞，纺丝液通过输液装置运输也会造成一定的损耗和浪费。因此，大规模、连续化、均匀化生产纳米纤维无纺布成为研究重点。

发明内容

为了克服现有技术存在的至少一种缺陷，本发明的目的在于提供一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，多针滚桶喷丝系统使该装置不仅可以大规模生产纳米纤维，提高纳米纤维的产量和成毡质量；还可以去除溶液稳压等系统，降低工业生产成本；同时既可生产单一聚合物的纺丝纤维材料，也可以采用多个喷丝系统喷出不同材质的纤维材料，一次性生产不同种聚合物多层状复合电纺丝纤维材料，满足电纺丝纤维材料的多方面应用的需求。

技术方案：一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，其特征在于，包括正高压电源、多针滚桶喷丝系统、传动装置、后处理器、卷绕装置，多针滚桶喷丝系统由电纺丝储液槽、表面植入金属针头的多针滚筒组成；多针滚筒固定连接在电纺丝储液槽的上方并部分浸渍在溶液内，喷丝桶一端与传动装置连接，实现喷丝棒的旋转；喷丝桶另一端与高压电源连接，喷丝桶上的金属针头蘸取下方的纺丝液后旋转到上方，朝上形成丝状的喷射流；卷绕装置在喷射流上方，由机械控制收集纺丝，卷绕装置接地；后处理器包括烘干、软化无纺布的功能。

进一步，所述的多针滚桶喷丝系统的喷丝桶做可控的旋转运动。

进一步，所述的电纺丝储液槽呈中空的近似半圆柱体，储液槽两端封闭起来。

进一步，所述的多针滚桶喷丝系统的喷丝桶由金属针头组成，金属针头布满在喷丝桶表面。

进一步，所述的卷绕装置由基布、放卷辊、卷绕辊组成，基布一端位于放卷辊上，另一端位于卷绕辊上，整个装置由机械控制自动收集纺丝。

进一步，所述的金属针头浸没在电纺丝储液槽的液面中。

进一步，所述的金属针头，每个金属针头尖端有特定的几何轮廓，（或）且相邻金属针头间具有特定的空间关系，金属针头尖端还可以包括屏蔽装置，锥形的屏蔽装置为最佳。

进一步，所述的基布，带有一层普通无纺布、纸质材料、金属箔、聚合物膜或待加工的材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的纳米纤维滤布生产装置采用多针纺丝桶式设计，大大提高了纺丝的产量；多针纺丝桶上的金属针头朝上喷丝，使纤维的成毡质量高；同时，多针纺丝桶的旋转速率是可控的，生产的纳米纤维均匀程度高。电纺丝储液槽采用半圆柱体设计，可在提高纺丝产量的同时节约纺丝液用量，使工业生产成本降低；同时既可生产单一聚合物的纺丝纤维材料，也可以采用多个喷丝系统喷出不同材质的纤维材料，一次性生产不同种聚合物多层状复合电纺丝纤维材料，满足电纺丝纤维材料的多方面应用的需求。本发明生产的纳米纤维直径在0.05-5微米，产品具有很好的过滤性、吸附性、保暖性、柔韧性等特征。

附图说明

图1：本发明提供的一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置示意图。其中有：1-正高压电源、2-电纺丝储液槽、3-传动装置、4-多针滚桶喷丝系统的喷丝桶、5-基布、6-后处理器、7-收布辊、8-放布辊。

图2：多针滚桶喷丝系统示意图。其中：2-电纺丝储液槽、3-传动装置、4-多针滚桶喷丝系统的喷丝桶、9-纳米纤维。

图3：实施例1中纳米纤维无纺布扫描电镜（SEM）图。其中a为PVDF纳米纤维无纺布的电镜图（放大1千倍），b为PVDF纳米纤维无纺布的电镜图（放大1万倍），c为PVDF纳米纤维无纺布的电镜图（放大5万倍）。

图4：实施例2中纳米纤维无纺布扫描电镜（SEM）图。

具体实施方式

通过以下实施方式进一步说明本发明。

实施例1：根据本发明PVDF纳米纤维的制备方法如下：在室温下，将PVDF共聚物小球慢慢溶解在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中制备成一个10％（重量百分比）PVDF共聚物/ PVDF溶液。然后将溶液装入电纺丝储液槽2中，启动高压电源1，开动传动装置3使喷丝桶4（美克霾公司定制）旋转，转速约0.1-2周每秒，多针滚桶喷丝系统的金属针头尖部喷出纤维。对多针滚桶喷丝系统施加一个25kV正高电压（格拉斯曼高电压公司）。从多针滚桶喷丝系统的金属针头尖端到由收布辊7和放布辊8组成的卷绕装置之间的距离为15cm。在这些条件下， 30秒内将形成一个稳定的微小的静电喷射流并达到基布5。多针滚桶喷丝系统是以1毫米/秒的速度移动的，并由机械控制。多针滚桶喷丝系统不断地转动，直到得到的膜具有相对均匀的约100微米的厚度。最终形成的PVDF纳米纤维9经过后处理器6的烘干、软化等处理，得到性能良好的PVDF纳米纤维无纺布。图3显示了该纳米纤维的SEM（扫描电子显微镜）图，平均纤维直径为200-300纳米。其中a为PVDF纳米纤维无纺布的电镜图（放大1千倍），b为PVDF纳米纤维无纺布的电镜图（放大1万倍），c为PVDF纳米纤维无纺布的电镜图（放大5万倍）。

实施例2：根据本发明制备的PAN纤维膜，其制备过程如下：12％（重量百分比）聚丙烯腈（PAN）（国药化学公司）/ DMF溶液的制备是在室温下将聚合物粉末慢慢加入和溶解到DMF（N，N-二甲基甲酰胺）有机溶剂中。该溶液完全混合后装入电纺丝储液槽2中，启动高压电源1，开动马达使喷丝桶4（美克霾公司定制）旋转，转速约0.1-2周每秒，多针滚桶喷丝系统的金属针头尖部喷出纤维。对多针滚桶喷丝系统施加一个25kV正高电压（格拉斯曼高电压公司）。从多针滚桶喷丝系统的金属针头尖端到收布辊7和放布辊8装置之间的距离为15cm。在这些条件下， 30秒内将形成一个微小的静电喷射流并达到稳定。多针滚桶喷丝系统是以1毫米/秒的速度移动的，并由机械控制。多针滚桶喷丝系统不断地转动，直到得到的膜具有相对均匀的约100微米的厚度。图4显示了该纳米纤维膜的SEM（扫描电子显微镜）图，平均纤维直径为200-300纳米。

最后说明的是，上述实施例是为了解释本发明的技术方案而非限制，对于本领域技术人员将会很容易理解，可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下作出其他和进一步的变化和修改，并且其他所有的改变和修改都包括在所附权利要求书中所描述的本发明的范围内。

Claims

1.一种通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，其特征在于，包括正高压电源、多针滚桶喷丝系统、传动装置、后处理器、卷绕装置，多针滚桶喷丝系统由电纺丝储液槽、表面植入金属针头的多针滚筒组成；多针滚筒固定连接在电纺丝储液槽的上方并部分浸渍在溶液内，喷丝桶一端与传动装置连接，实现喷丝桶的旋转；喷丝桶另一端与高压电源连接，喷丝桶上的金属针头蘸取下方的纺丝液后旋转到上方，朝上形成丝状的喷射流；卷绕装置在喷射流上方，由机械控制收集纺丝，卷绕装置接地；后处理器包括烘干、软化无纺布的功能。

2.根据权利要求1所述的通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，其特征在于，多针滚桶喷丝系统的喷丝桶由金属针头组成，金属针头布满在喷丝桶表面。

3.根据权利要求1所述的通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，其特征在于，多针滚桶喷丝系统的喷丝桶做可控的旋转运动。

4.根据权利要求1所述的通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，其特征在于，多针滚桶喷丝系统的电纺丝储液槽呈中空的近似半圆柱体，储液槽两端封闭起来。

5.根据权利要求1所述的通过多针滚筒高压静电喷丝生产纳米纤维无纺布的装置，其特征在于，卷绕装置由基布、放卷辊、卷绕辊组成，基布一端位于放卷辊上，另一端位于卷绕辊上，整个装置由机械控制自动收集纺丝。

6.根据权利要求2所述的金属针头，其特征在于，金属针头的尖端浸没在电纺丝储液槽的液面中。

7.根据权利要求2所述的金属针头，每个金属针头尖端有特定的几何轮廓，（或）且相邻金属针头间具有特定的空间关系，金属针头尖端还可以包括屏蔽装置，锥形的屏蔽装置为最佳。

8.根据权利要求5所述的基布，其特征在于，带有一层普通无纺布、纸质材料、金属箔、聚合物膜材料。