CN104294383B - 一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，包括喂料系统、供气系统以及喷丝系统，所述喂料系统包括螺杆挤出机或纺丝液供给器、计量泵以及纺丝熔体或溶液分配流道；所述供气系统包括空气压缩机、储气罐、供气管道以及气体集流腔；所述喷丝系统包括喷丝转盘、电机和收集器；所述喷丝转盘的中轴为双层中空结构，最内层为芯轴，在电机作用下带动喷丝转盘旋转；所述喷丝转盘沿圆周方向均匀排列多个喷丝孔，每个喷丝孔外周均被环形气流喷嘴所包围。本发明的气流转盘纺丝装置能够制备纳米纤维，且产量显著高于静电纺丝。
Description
技术领域
本发明属于纺织领域，特别是涉及一种制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置。
背景技术
近年来，纳米纤维由于直径达到纳米尺度，比表面积很大，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应非常显著，其制品的应用领域相当广泛，如组织再生支架、高容量储氢材料、微传感器、生化防护服、吸音材料、可滤除SARS病毒和炭疽热等病菌的过滤材料等。
熔喷非织造技术是制备超细纤维的主要方法，它利用高速高温气流将聚合物熔体拉伸成超细纤维。但是，熔喷超细纤维的直径一般为1～5μm。只有采用熔融流动速率很大的原料、较小的聚合物流量和速度很高的气流及很小的喷丝孔，才有可能使纤维直径减小至纳米数量级。但是，熔融流动速率越高，原料的价格越贵，生产成本越高。而聚合物流量过小，非织造布的产量过低。气体初始速度过高，能耗会急剧增加，生产成本相应提高。减小喷丝孔直径会导致喷丝孔的加工难度增加，过小的喷丝孔直径也使熔喷技术的原料适应性变差。目前，熔喷法制备纳米纤维方面的研究还停留在实验室阶段，未见工业化推广的报道。
静电纺丝是目前制备纳米纤维的主要手段。但是，单喷头静电纺丝机的产量非常低，无法用于工业化生产，而多喷头静电纺丝机和蜘蛛式静电纺丝机价格过于昂贵，一般企业无法承受。另外，纺丝工艺和纤维直径等产品质量指标的控制也远未达到工业化要求。
因此，有必要找到一种产量较高的纳米纤维制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，利用惯性力和气流力的共同作用将聚合物熔体或溶液迅速拉伸变细成为纳米纤维，产量较静电纺丝装置可大幅提高。
一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述气流转盘纺丝装置包括喂料系统、供气系统以及喷丝系统，所述喂料系统与所述供气系统均连接至喷丝系统，所述喂料系统包括螺杆挤出机或纺丝液供给器、计量泵以及纺丝熔体或溶液分配流道，纺丝熔体或溶液从螺杆挤出机或纺丝液供给器出来，经计量泵和纺丝熔体或溶液分配流道进入纺丝熔体或溶液通道；所述供气系统包括空气压缩机、储气罐、供气管道以及气体集流腔，气体从空气压缩机出来，经储气罐和供气管道进入气体集流腔；所述喷丝系统包括喷丝转盘、电机和收集器；所述喷丝转盘的中轴为双层中空结构，最内层为芯轴，在电机作用下带动喷丝转盘旋转；所述喷丝转盘沿圆周方向均匀排列多个喷丝孔，每个喷丝孔外周均被环形气流喷嘴所包围，所述收集器围绕在喷丝转盘外周。
优选地，所述收集器围绕在喷丝转盘外周，与喷丝转盘的距离为0.05～0.30m。
优选地，所述芯轴外周包有内轴套，芯轴与内轴套之间有空隙，该空隙为纺丝熔体或溶液通道。
优选地，所述内轴套外周包有外轴套，内轴套与外轴套之间有空隙，该空隙为气流通道。
优选地，所述供气系统通过气流通道连接至喷丝系统。
优选地，所述供气系统中设有多个气体集流腔，从储气罐流出的气体分为多路分别通过供气管道流入多个气体集流腔中，再通过气流通道流至喷丝系统。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用具有多喷丝孔的喷丝转盘装置，利用其在高速旋转时所产生的惯性力使纺丝熔体或溶液从喷丝孔甩出形成丝条，单孔产量大大高于静电纺丝，从而克服了静电纺丝产量过低的缺点；
(2)本发明所采用的喷丝转盘装置，每个喷丝孔孔外周均被环形气流喷嘴所包围，纺丝熔体或溶液从喷丝孔挤出后形成的丝条沿喷丝转盘圆周切线方向甩出的同时被高速气流所包裹；丝条各部位离转轴越远，所受到的惯性离心力就越大，同时由于丝条向外甩出过程中相对于旋转的喷丝转盘还存在相对速度，因而还要受到科氏惯性力的作用；另外，由于丝条速度低于气体速度，两者之间的速度差使得气流对丝条产生了很大的拉伸力；因此丝条在惯性离心力、科氏惯性力和气流力共同作用下拉伸变细，直径达到几百纳米，比熔喷超细纤维的直径低一个数量级，从而克服了熔喷纤维难于纳米化的缺点；
(3)本发明结合上述两个技术特点，既解决了静电纺丝产量过低的问题，又解决了熔喷纤维难于纳米化的问题。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置的一具体实施方式的平面结构示意图；
图2为本发明气流转盘纺丝装置中喷丝转盘的立体结构示意图；
图3为本发明气流转盘纺丝装置中喷丝转盘的喷丝孔和环形气流喷嘴的局部结构示意图。
其中：
1、螺杆挤出机或纺丝液供给器；2、计量泵；3、纺丝熔体或溶液分配流道；4、空气压缩机；5、储气罐；6、供气管道；7、气体集流腔；8、气流通道；9、喷丝转盘；10、电机；11、收集器；12、芯轴；13、内轴套；14、外轴套；15、纺丝熔体或溶液通道；16、喷丝孔；17、环形气流喷嘴。
具体实施方式
本发明公开了一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，利用惯性力和气流力的共同作用将聚合物熔体或溶液迅速拉伸变细成为纳米纤维，直径较熔喷纤维更细，产量较静电纺丝大幅提高。
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，包括喂料系统、供气系统以及喷丝系统。所述喂料系统与所述供气系统均连接至喷丝系统。其中，请参照图1所示，喂料系统包括螺杆挤出机或纺丝液供给器1、计量泵2以及纺丝熔体或溶液分配流道3，纺丝熔体或溶液从螺杆挤出机或纺丝液供给器1出来，经计量泵2和纺丝熔体或溶液分配流道3进入纺丝熔体或溶液通道15。所述供气系统包括空气压缩机4、储气罐5、供气管道6以及气体集流腔7，气体从空气压缩机4出来，经储气罐5和供气管道6进入气体集流腔7；优选地，所述供气系统中设有多个气体集流腔7，从储气罐5流出的气体分为多路分别通过供气管道6流入多个气体集流腔7中，再通过气流通道8流通至喷丝系统。所述喷丝系统包括喷丝转盘9、电机10和收集器11，喷丝转盘9在电机10带动下高速旋转。
请结合图1和图2，所述喷丝转盘9的中轴为双层中空结构，最内层为芯轴12，在电机10作用下带动喷丝转盘旋转；上述芯轴12外周包有内轴套13，芯轴12与内轴套13之间有一定空隙，该空隙为纺丝熔体或溶液通道15；内轴套13外周包有外轴套14，内轴套13与外轴套14之间有一定空隙，该空隙为气流通道8；所述喷丝转盘9沿圆周方向均匀排列多个喷丝孔16，每个喷丝孔16外周均被环形气流喷嘴17所包围，如图3所示。喷丝转盘9在电机10带动下高速旋转，纺丝熔体或溶液在高速旋转所产生的惯性力作用下从喷丝孔16甩出形成丝条；高速气体经气流通道8从环形气流喷嘴17中喷出；丝条在惯性力和气流力共同作用下迅速拉伸变细成为纳米纤维，在收集器11上形成纤维制品。
纺丝熔体或溶液从喷丝孔16挤出形成丝条后，一方面，在喷丝转盘9高速旋转所产生的惯性力作用下沿喷丝转盘9圆周切线方向甩出，同时高速气流包裹着丝条向前运行。另一方面，丝条各部位离转轴越远，所受到的惯性离心力就越大，同时由于丝条向外甩出过程中相对于旋转的喷丝转盘9还存在相对速度，因而还要受到科氏惯性力的作用；另外，由于丝条速度低于气体速度，两者之间的速度差使得气流对丝条产生了很大的拉伸力。因此，惯性离心力、科氏惯性力和气流力是丝条拉伸变细的主要动力。
下面结合本发明的气流转盘纺丝装置制备纳米纤维的实施例来进一步说明上述气流转盘纺丝装置的有益效果。
实施例1
纺丝熔体从螺杆挤出机或纺丝液供给器1出来，经计量泵2和纺丝熔体或溶液分配流道3进入纺丝熔体或溶液通道15；气体从空气压缩机4出来，经储气罐5和供气管道6进入气体集流腔7；喷丝转盘9在电机带动10下高速旋转，纺丝熔体或溶液在高速旋转所产生的惯性力作用下从喷丝孔16甩出形成丝条；高速气体经气流通道8从环形气流喷嘴17中喷出；丝条在惯性力和气流力共同作用下迅速拉伸变细成为纳米纤维，在收集器11上形成纤维制品。其中，喷丝孔16直径为0.4mm，环形气流喷嘴17内径和外径分别为0.4mm和2.4mm，喷丝转盘9直径为0.3m，喷丝转盘9至收集器11距离为0.15m。提供原料聚丙烯，其熔融流动速率为100g/10min，流量为0.008g/s，初始温度为240℃，气体初始速度为100m/s，喷丝转盘9转速为5000r/min。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为635nm，产量为静电纺丝(一般为8.3×10- 5g/s)的96倍。
实施例2
纺丝溶液从螺杆挤出机或纺丝液供给器1出来，经计量泵2和纺丝熔体或溶液分配流道3进入纺丝熔体或溶液通道15；气体从空气压缩机4出来，经储气罐5和供气管道6进入气体集流腔7；喷丝转盘9在电机10带动下高速旋转，纺丝熔体或溶液在高速旋转所产生的惯性力作用下从喷丝孔16甩出形成丝条；高速气体经气流通道8从环形气流喷嘴17中喷出；丝条在惯性力和气流力共同作用下迅速拉伸变细成为纳米纤维，在收集器11上形成纤维制品。其中，喷丝孔16直径为0.4mm，环形气流喷嘴17内径和外径分别为0.4mm和2.4mm，喷丝转盘9直径为0.3m，喷丝转盘9至收集器11距离为0.15m。提供原料醋酯丙酮溶液，其溶剂初始质量分数为75％，流量为0.005g/s，初始温度为50℃，气体初始速度为190m/s，喷丝转盘9转速为6100r/min。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为249nm，产量为静电纺丝(一般为8.3×10- 5g/s)的60倍。
实施例3
纺丝溶液从螺杆挤出机或纺丝液供给器1出来，经计量泵2和纺丝熔体或溶液分配流道3进入纺丝熔体或溶液通道15；气体从空气压缩机4出来，经储气罐5和供气管道6进入气体集流腔7；喷丝转盘9在电机10带动下高速旋转，纺丝熔体或溶液在高速旋转所产生的惯性力作用下从喷丝孔16甩出形成丝条；高速气体经气流通道8从环形气流喷嘴17中喷出；丝条在惯性力和气流力共同作用下迅速拉伸变细成为纳米纤维，在收集器11上形成纤维制品。其中，喷丝孔16直径为0.3mm，环形气流喷嘴17内径和外径分别为0.3mm和2.1mm，喷丝转盘9直径为0.4m，喷丝转盘9至收集器11距离为0.1m。提供原料聚氨酯二甲基甲酰胺溶液，其溶剂初始质量分数为70％，流量为0.009g/s，初始温度为100℃，气体初始速度为80m/s，喷丝转盘9转速为3500r/min。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为917nm，产量为静电纺丝(一般为8.3×10- 5g/s)的120倍。
实施例4
纺丝熔体从螺杆挤出机或纺丝液供给器1出来，经计量泵2和纺丝熔体或溶液分配流道3进入纺丝熔体或溶液通道15；气体从空气压缩机2出来，经储气罐5和供气管道6进入气体集流腔7；喷丝转盘9在电机10带动下高速旋转，纺丝熔体或溶液在高速旋转所产生的惯性力作用下从喷丝孔16甩出形成丝条；高速气体经气流通道8从环形气流喷嘴17中喷出；丝条在惯性力和气流力共同作用下迅速拉伸变细成为纳米纤维，在收集器11上形成纤维制品。其中，喷丝孔16直径为0.3mm，环形气流喷嘴17内径和外径分别为0.3mm和2.1mm，喷丝转盘9直径为0.4m，喷丝转盘9至收集器11距离为0.12m。提供原料聚对苯二甲酸丁二酯，其熔融流动速率为115g/10min，流量为0.004g/s，初始温度为290℃，气体初始速度为150m/s，喷丝转盘9转速为7800r/min。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为452nm，产量为静电纺丝(一般为8.3×10- 5g/s)的48倍。
实施例5
纺丝熔体从螺杆挤出机或纺丝液供给器1出来，经计量泵2和纺丝熔体或溶液分配流道3进入纺丝熔体或溶液通道15；气体从空气压缩机2出来，经储气罐3和供气管道6进入气体集流腔7；喷丝转盘9在电机10带动下高速旋转，纺丝熔体或溶液在高速旋转所产生的惯性力作用下从喷丝孔16甩出形成丝条；高速气体经气流通道8从环形气流喷嘴17中喷出；丝条在惯性力和气流力共同作用下迅速拉伸变细成为纳米纤维，在收集器11上形成纤维制品。其中，喷丝孔16直径为0.2mm，环形气流喷嘴17内径和外径分别为0.2mm和2.2mm，喷丝转盘9直径为0.6m，喷丝转盘9至收集器11距离为0.15m。提供原料聚丙烯，其熔融流动速率为1000g/10min，流量为0.003g/s，初始温度为260℃，气体初始速度为300m/s，喷丝转盘9转速为9000r/min。
上述条件下制得的纤维的直径平均值为103nm，产量为静电纺丝(一般为8.3×10- 5g/s)的36倍。
由以上实施例说明，本发明能够制备纳米纤维，且产量显著高于静电纺丝。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用具有多喷丝孔的喷丝转盘装置，利用其在高速旋转时所产生的惯性力使纺丝熔体或溶液从喷丝孔甩出形成丝条，单孔产量大大高于静电纺丝，从而克服了静电纺丝产量过低的缺点；
(2)本发明所采用的喷丝转盘装置，每个喷丝孔孔外周均被环形气流喷嘴所包围，纺丝熔体或溶液从喷丝孔挤出后形成的丝条沿喷丝转盘圆周切线方向甩出的同时被高速气流所包裹；丝条各部位离转轴越远，所受到的惯性离心力就越大，同时由于丝条向外甩出过程中相对于旋转的喷丝转盘还存在相对速度，因而还要受到科氏惯性力的作用；另外，由于丝条速度低于气体速度，两者之间的速度差使得气流对丝条产生了很大的拉伸力；因此丝条在惯性离心力、科氏惯性力和气流力共同作用下拉伸变细，直径达到几百纳米，比熔喷超细纤维的直径低一个数量级，从而克服了熔喷纤维难于纳米化的缺点；
(3)本发明结合上述两个技术特点，既解决了静电纺丝产量过低的问题，又解决了熔喷纤维难于纳米化的问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述气流转盘纺丝装置包括喂料系统、供气系统以及喷丝系统，所述喂料系统与所述供气系统均连接至喷丝系统，所述喂料系统包括螺杆挤出机或纺丝液供给器、计量泵以及纺丝熔体或溶液分配流道，纺丝熔体或溶液从螺杆挤出机或纺丝液供给器出来，经计量泵和纺丝熔体或溶液分配流道进入纺丝熔体或溶液通道；所述供气系统包括空气压缩机、储气罐、供气管道以及气体集流腔，气体从空气压缩机出来，经储气罐和供气管道进入气体集流腔；所述喷丝系统包括喷丝转盘、电机和收集器；所述喷丝转盘的中轴为双层中空结构，最内层为芯轴，在电机作用下带动喷丝转盘旋转；所述喷丝转盘沿圆周方向均匀排列多个喷丝孔，每个喷丝孔外周均被环形气流喷嘴所包围，所述收集器围绕在喷丝转盘外周。
2.根据权利要求1所述的一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述收集器围绕在喷丝转盘外周，与喷丝转盘的距离为0.05～0.30m。
3.根据权利要求1所述的一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述芯轴外周包有内轴套，芯轴与内轴套之间有空隙，该空隙为纺丝熔体或溶液通道。
4.根据权利要求3所述的一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述内轴套外周包有外轴套，内轴套与外轴套之间有空隙，该空隙为气流通道。
5.根据权利要求4所述的一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述供气系统通过气流通道连接至喷丝系统。
6.根据权利要求5所述的一种应用于制备纳米纤维的气流转盘纺丝装置，其特征在于：所述供气系统中设有多个气体集流腔，从储气罐流出的气体分为多路分别通过供气管道流入多个气体集流腔中，再通过气流通道流至喷丝系统。
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| CN104294383A (zh) | 2015-01-21 |
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