CN104178826A - 离心静电连续纺纳米纤维装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心静电连续纺纳米纤维装置，它包括由驱动机构驱动的旋转杯，盖盒在旋转杯上的盖环；所述的旋转杯包括中空柱状的溶料部，位于溶料部上端的溶料膜成型环面，外接于溶料膜成型环面外沿的环形纺丝部，所述纺丝部上设有发射状分布的复数组纺丝槽，每组纺丝槽包括若干含溶料入口和溶料出口的通道，每个通道在纺丝部的区域内分叉为两个或两个以上的宽度变窄的通道，通道的分叉处形成V形分切部。本发明具有的有益效果：溶料入口数量和溶料出口数量呈2ⁿ的关系，能够高效纺丝，同时能够纺制达到纳米级别的纤维丝。将离心纺丝与静电纺丝技术有机融合在一起，能够得到离心纺丝的效率高的好处，又能够得到有序度可控的收集纳米纤维的好处。

Description

离心静电连续纺纳米纤维装置

技术领域

本发明涉及一种离心静电连续纺纳米纤维装置。

背景技术

中国科学院长春应用化学研究所的发明专利申请（名称为“熔体和溶液离心纺丝制备非织造物的装置”，申请号为“200710306660.2”）中公开了环形隔片上的小孔及旋转盘壁上的喷丝口（类似于本申请文件所述的喷丝入口和喷槽出口），而小孔及喷丝口之间没有导液通道。对于小孔和喷丝口来说，从一个小孔出来的溶料有可能通过一个喷丝口喷出，也有可能从多个小孔出来的溶液仅通过一个喷丝口喷出，亦有可能从小孔出来的溶料甩在了相邻喷丝口之间的旋转盘壁体上，未能顺利快速的从喷丝口喷出，影响喷丝效率。

美国纳幕尔杜邦公司申请的发明专利（名称为“离心式溶纺纳米纤维方法”，专利号为“CN200880120862.0”）中有一个旋转的杯状体用于沉积进料，进料加热后形成的溶料在旋转杯状体的内园壁上形成膜，再过渡到环形的平面区域，使膜进一步变薄。由于旋转杯的内圆壁与环形的旋转平面相互垂直，受离心力的作用，膜在两个相互垂直面的交界处容易受力突变导致断裂，影响纳米纤维丝的连续形成。

青岛中科昊泰新材料科技有限公司与北京化工大学共同申请的发明专利申请（名称为“一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置”，申请号为“201310163308.3”）中有一个旋转的圆锥面，使溶液向膜的形态过渡，在圆锥面的外沿有沟槽，在沟槽处，溶液膜被撕裂成丝状。所述沟槽呈径向的放射状分布，每个沟槽仅有一个溶液进口和一个溶液出口，影响纺丝效率及难以实现纳米级的纺丝。

一美国的专利申请（名称为“Apparatuses and methods for the deposition of nanofibers on substrate”申请公开号为“US20120295021A1”），其技术方案存在的缺陷：喷针或喷嘴在纺丝旋转盘的径向上的内孔横截面尺寸相同，溶料进入到喷针或者喷嘴直至到达出口被甩出其内孔尺寸没有变化，仅仅是利用离心力将溶料从内圆向直径大的外圆挤出，没有使溶料从多于进口数量的出口挤出，纺丝溶料没有进一步被分丝，影响丝的粗细程度。

发明内容

    本发明的目的在于解决上述问题而提供一种离心静电连续纺纳米纤维和连续收集装置，纺丝部上每个溶料入口都分别对应多个溶料出口，对应的每一个溶料入口和一个溶料出口之间通过通道导料，V形分切部，用于分切溶料膜，用于分切在通道中被离心甩出的溶料膜，使溶料膜被分切成宽度变窄的纳米纤维丝，同时提高分丝效率，此溶料出口方向与旋转杯旋转轴线垂直，方便后续收集装置进行收集。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于包括由驱动机构驱动的旋转杯，盖盒在旋转杯上的盖环；所述的旋转杯包括中空柱状的溶料部，位于溶料部上端的溶料膜成型环面，外接于溶料膜成型环面外沿的环形纺丝部，所述纺丝部上设有发射状分布的复数组纺丝槽，每组纺丝槽包括若干含溶料入口和溶料出口的通道，每个通道在纺丝部的区域内分叉为两个或两个以上的宽度变窄的通道，通道的分叉处形成V形分切部，用于分切在通道中被离心甩出的溶料膜，使溶料膜被分切成宽度变窄的纳米纤维丝。

对于现有技术来说，在纺丝旋转盘的平面或者斜面上的沿着径向分布的喷槽或者喷针的入口数为n₆ 。而处在纺丝旋转盘外沿的，也是径向分布的喷槽或者喷针的出口数为n₈ 。背景技术中例举的技术可以统一的归纳为：n₆= n₈。最典型的是喷针结构，其入口至出口之间的孔径尺寸未变，在离心力作用下的溶料在孔中有沿着圆周方向扩散或者铺展的势能被不变的孔径尺寸限制住，没有把离心力作用充分地发挥出来，离心力只是起到将溶料挤出形成纤维丝的作用，形成的纤维丝不能或者难以达到纳米级，即不能充分利用离心力扩散或者铺展溶料并分切溶料形成足够细度的纳米纤维丝。本发明专利申请技术的一个特点是采用n₆＜n₈ 的离心纺丝技术，n₆＜n₈自然就有径向通道的分叉概念，纺丝槽包括径向通道和裂变通道，径向通道是指“Y”的脚部的一字型部分，与径向通道连通的裂变通道是指“Y”的头部的“V” 字型部分。本发明专利申请正是基于径向通道的分叉的概念建立的，沿着径向分布的有多个“Y”字形平面拼接图样的连通的纺丝槽，并希望被甩出的纤维丝接近纳米尺寸，降低纳米纤维的形成对拉丝过程的依赖。而且，每一溶料入口都对应多个溶料出口的方式离心纺丝，效率高。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：为了方便加工，也为了从各个溶料出口出来的纳米纤维丝直径一致，所述通道具有对称分叉的通道。当然，没有对称分布，仅要求溶料出口尺寸一致，即可达到本专利申请解决问题的目的。

所述通道具有二级或二级以上分叉的通道。为二级时，每个所述溶料入口对应四个溶料出口。为三级时，每个所述溶料入口对应八个溶料出口。可以根据纺纤维丝细度及环形纺丝部的尺寸而定。

了使溶料仅从溶料入口进入、从溶料出口出来，避免从通道侧壁泄露，所述纺丝部与盖环的外缘接触面贴合。为了方便清理通道，避免堵塞，所述纺丝部与盖环在贴合处通过连接件连接。清理时，拆下盖环，使通道裸露进行清洗。

所述溶料膜成型环面为下端直径小于上端直径的锥台面（或称为倒伞状斜面）。采用锥台面，使与溶料部之间为钝角过渡，避免出现直角过渡割断溶料膜的问题，使溶料膜连续不断裂，也就有效的避免了纺丝阶段断丝的问题，提升了纺丝品质。

为了充分利用离心力，达到高效纺纳米纤维丝的效果，所述溶料出口方向与旋转杯旋转轴线垂直，且所述溶料出口方向与该位置的环形纺丝部的切线方向垂直。溶料出口方向与旋转杯旋转轴线垂直还有利于后续连续收集纤维丝时能够到达等厚的纤维丝布，避免纤维丝布两端薄、中间厚而引起浪费的问题的出现。

还包括静电库仑场力发生装置，所述的静电库仑场力发生装置使所述环形纺丝部外围存在静电场，每个所述溶料出口带电并处于高电势。

还包括设置在所述环形纺丝部外围的连续收集装置，所述的静电库仑场力发生装置使所述的连续收集装置上的收集带处于低电势，每个所述溶料出口与所述收集带之间存在电势差。

本发明具有的有益效果：溶料入口数量和溶料出口数量呈2ⁿ的关系，能够高效纺丝，同时能够纺制达到纳米级别的纤维丝。将离心纺丝与静电纺丝技术有机融合在一起，能够得到离心纺丝的效率高的好处，又能够得到有序度可控的收集纳米纤维的好处。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明实际应用的一种结构示意图。

图3是图1方向的俯视结构示意图。

图4是图1方向的旋转杯的俯视结构示意图。

图5是现有技术收集纤维丝的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例：离心静电连续纺纳米纤维装置，如图1所示，包括由驱动机构驱动的旋转杯21，盖盒并通过连接件连接在旋转杯21上的盖环5；所述的旋转杯21包括中空柱状的溶料部1，位于溶料部1上端的溶料膜成型环面2，外接于溶料膜成型环面2外沿的环形纺丝部7，所述纺丝部7上设有发射状分布的复数组纺丝槽19，每组纺丝槽19包括若干含溶料入口6和溶料出口8的通道，每个通道在纺丝部7的区域内分叉为两个或两个以上的宽度变窄的通道，通道的分叉处形成V形分切部，用于分切在通道中被离心甩出的溶料膜，使溶料膜被分切成宽度变窄的纳米纤维丝。每组纺丝槽19上的分叉通道是对称设置的。为了使每组纺丝槽19侧壁密封，仅具有溶料入口6和溶料出口8，纺丝部7与盖环5的外缘接触面贴合。为了方便清理通道，盖环5为可拆卸的，通过连接件固定在纺丝部7上。

每一次分叉都形成Y型通道，Y型通道的最小内径可以做到0.1毫米。若采用现有技术的喷针结构，由于喷针细长，要想做到内孔直径0.1 毫米是有难度的，即使做到了，一旦孔被堵塞，喷针就不能使用了。采用纺丝槽的好处是便于清洗（只需将盖环5拆下，通道便裸露，极易清洗，杜绝堵塞），提高纺丝槽的使用寿命。溶料膜成型环面和纺丝槽的光洁度适当降低，增加粗糙度，目的是增加熔料与它们之间的摩擦力，并通过离心力的增加使得溶料膜的厚度减小。V形分切部是在铣刀铣槽的工艺过程中自然形成的，最尖端处小于0.05 毫米。

一溶料出口、与其相差180°的位置上的溶料出口可以在一个旋转平面上，也可以不在一个旋转平面上。

离心静电连续纺纳米纤维装置还包括静电库仑场力发生装置和设置在所述环形纺丝部7外围的连续收集装置，所述的静电库仑场力发生装置使所述环形纺丝部7外围存在静电场，每个所述溶料出口8带电并处于高电势。所述的静电库仑场力发生装置使所述的连续收集装置上的收集带处于低电势，每个所述溶料出口8与所述收集带之间存在电势差。

为了方便实施，使收集带处于低电势，所述的静电库仑场力发生装置上高压极性板13设置在收集带的收集部的背面，所述静电库仑场力发生装置使溶料出口8处的带电极性与高压极性板13的带电极性相反。同时，为了加速冷却固化纤维丝并进一步控制被甩出的纤维丝到收集带的行走路径，所述高压极性板13上设有复数个通风孔，对应于所述高压极性板13处设有轴流式风扇26。

离心静电连续纺纳米纤维装置还包括对旋转杯21供料的供给机构，供给机构包括在盖环5的内沿与溶料部旋转轴之间的环形区域内布置的给料管17和绑在给料管上的液面探头信号线，给料管17可以多于一根，当给料管多于一根时，就可以实现复合材料的纺丝。

如图4所示，每个溶料入口都对应四个溶料出口，当然对应八个及以上溶料出口也是可行的，通常情况下对应四个溶料出口即已满足纺纳米纤维丝的条件。同样的，通道在第一次分叉时形成三个分支，然后每个分支再分叉出两个分支，这样的方案也是可行的，本专利申请并不排除。采用2ⁿ的方式分叉，是为了方便加工。

具体来说，所述溶料膜成型环面2为下端直径小于上端直径的锥台面。

为了不改变纤维丝移动方向，所述溶料出口8的方向10与旋转杯21旋转轴线垂直，同时，所述溶料出口8的溶料出丝方向与溶料出口8的切线方向9垂直

所述的收集装置包括若干组均匀分布在旋转杯21外围的连续收集装置（如图3所示为八组，但也不局限于八组，可以为六组、七组、九组、十组……）。如图1所示，每组连续收集装置包括主动辊25，被动辊24，一端系在主动辊上、另一端固定并缠绕在被动辊上的收集带12，其中，收集带12对应于溶料出口8的部位为收集部121，收集部121所在平面与旋转杯21的旋转轴线之间的夹角为ａ：0≤ａ≤45度。所述收集部121（移动方向为11）所在平面以与溶料出口8的切线方向平行的线为轴线旋转调整夹角ａ的角度。另外，主动辊25和被动辊24的位置可以互换。沿旋纺丝部周边布置的多个收集带组成多边形，该多边形的外接圆的直径大于纺丝部的外直径。多边形的每一个边的收集带的移动速度可以不同。设置的固定收集带运动轨迹的导向对辊23的轴线的连接线也呈多边形。

所述收集部的两端分别设有用于对收集部起导向并夹持作用的导向对辊23。

为了可以分别控制每组收集装置能够收集到不同厚度的纤维丝布，每组所述的收集装置分别由一动力驱动机构驱动。

为了方便分别控制加热程度，所述的溶料部1、溶料膜成型环面2和环形纺丝部7分别设置一加热机构当然，上述三部件由同一加热机构加热也是可行的；对应于所述的溶溶料膜成型环面2处还设置一液面探头。该加热机构用于控制丝被甩出后的固化温度。在熔纺时，用于维持溶料部和溶料膜成型环面的温度，保证熔料的流动性和适度的粘度。在放置液面探头时，尽量靠近液面膜厚度最薄的喷槽入口的位置。该探头的作用是，通过探头信号控制溶料给量，使得在连续纺丝过程中，无论何种材料被纺，在溶料膜成型环面的某一个位置上的液面膜的厚度是固定的。每一种材料随着温度的不同，其粘度不同，给料流速不同，但是在喷槽入口处的液面膜的厚度，希望是相近的，如此便于确定相关的工艺参数。

如图2所示，在实际应用中，还包括箱体35，驱动机构18上的旋转轴16穿过箱体35驱动旋转杯，旋转杯的底部有与之摩擦接触的碳刷29，碳刷29设置在碳刷座28上，碳刷座的底部是绝缘座27，在溶料部的周围和溶料膜成型环面的下部有环形的红外加热管31和环形加热管的固定装置30。收集带在倒杯状箱体35的开口缝隙中穿入与穿出，在离心力，切向力和高压静电场的库仑力的作用下，有序地被收集到收集带12上。

工作时，适当的进料流量的溶料在离心力作用下使其在溶料部内壁上端3处开始经过溶料膜成型环面2逐渐变变薄形成溶料膜4。溶料膜4经过纺丝部7，逐步地使溶料膜4在圆周方向上被分切、以及离心力的逐步加大的作用，使得分切成的纤维丝的横截面不断地减小。纤维丝在溶料出口8被甩出后，因溶料出口带有直流高压电，被甩出的纤维丝带上静电电荷，又被静电库仑场力的作用，被吸引到收集带上，使得溶料出口与收集带之间的丝被连续拉伸。

当收集部相对纺丝旋转轴的轴线的角度倾斜45 度，那么收集到收集带12上的纤维与收集带12的长度方向的角度也会发生45 度的偏转。再将收集过纤维的收集带相对纺丝旋转轴的轴线的倾斜角度朝另外一个方向倾斜45 度，那么经过两次收集，收集带12上的纤维就有两层，这两层纤维的走向大致相差90 度，从而形成常见的成90 度交叉的经纬线结构。

     如图5所示，现有技术中，收集带平铺设置在旋转杯的下方。收集时，随着时间的推移，a点和b点位置从中线以左逐步移动到中线以右。T=t₀时刻时，a和b点均获得一次收集纤维丝的机会。当T= t₀+ t₁时刻时，a点被移动到旋转杯的右边，又获得一次收集纤维丝的机会，共两次，而边缘的b点已经走远，没有获得收丝的机会。现有技术这种收集纤维丝导致结果是中间厚两边薄，厚度不均。而本专利申请中采用收集带的收集部竖向设置，能够收集到厚度均匀的纤维布。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。在上述实施例中，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于包括由驱动机构驱动的旋转杯（21），盖盒在旋转杯（21）上的盖环（5）；所述的旋转杯（21）包括中空柱状的溶料部（1），位于溶料部（1）上端的溶料膜成型环面（2），外接于溶料膜成型环面（2）外沿的环形纺丝部（7），所述纺丝部（7）上设有发射状分布的复数组纺丝槽（19），每组纺丝槽（19）包括若干含溶料入口（6）和溶料出口（8）的通道，每个通道在纺丝部（7）的区域内分叉为两个或两个以上的宽度变窄的通道，通道的分叉处形成V形分切部，用于分切在通道中被离心甩出的溶料膜，使溶料膜被分切成宽度变窄的纳米纤维丝。

2.根据权利要求1所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于所述通道具有对称分叉的通道。

3.根据权利要求2所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于所述通道具有二级或二级以上分叉的通道。

4.根据权利要求1所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于所述纺丝部（7）与盖环（5）的外缘接触面贴合。

5.根据权利要求4所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于所述纺丝部（7）与盖环（5）在贴合处通过连接件连接。

6.根据权利要求1所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于所述溶料膜成型环面（2）为下端直径小于上端直径的锥台面。

7.根据权利要求1或4或6所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于所述溶料出口（8）方向与旋转杯（21）旋转轴线垂直，且所述溶料出口（8）方向与该位置的环形纺丝部（7）的切线方向垂直。

8.根据权利要求7所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于还包括静电库仑场力发生装置，所述的静电库仑场力发生装置使所述环形纺丝部（7）外围存在静电场，每个所述溶料出口（8）带电并处于高电势。

9.根据权利要求8所述的离心静电连续纺纳米纤维装置，其特征在于还包括设置在所述环形纺丝部（7）外围的连续收集装置，所述的静电库仑场力发生装置使所述的连续收集装置上的收集带处于低电势，每个所述溶料出口（8）与所述收集带之间存在电势差。