CN104452108B - 一种复合极化纤维膜制造装置 - Google Patents

Abstract

一种复合极化纤维膜制造装置，涉及复合纤维的喷印制造装置。设有直流高压电源、空气加热系统、气罩、主高压电源、放电极、液体导管、分液装置、纺丝针头、辅助高压电源、收卷装置、机架、抽气装置、铜网、深层极化负电极基座、深层极化负电极、深层极化正电极、深层极化正电极基座、预极化负电极基座、预极化负电极、传送带、放卷装置、预极化正电极、预极化正电极基座。所制得的复合极化纤维膜是一种透气性和致密性好的立体薄膜，可在不增加空气阻力情况下显著提高空气过滤效率，促进静电纺丝技术在驻极体过滤膜生产中的应用。

Description

一种复合极化纤维膜制造装置

技术领域

本发明涉及复合纤维的喷印制造装置，特别是涉及一种复合极化纤维膜制造装置。

背景技术

静电纺丝技术能将大部分聚合物及其共聚物、嵌端共聚物、衍生物等成功地制备成3nm～5μm范围的电纺纤维，其原理是：在高压静电发生器作用下，纺丝液喷射装置和纳米纤维接收装置之间形成高压静电场；聚合物溶液在高压电场作用下充电而受电场力拉伸，变形产生Taylor锥；当电场力足够大时，带点液滴克服表面张力形成带电射流，朝收集器加速运动；伴随溶剂挥发发生弯曲和拉伸，带电射流被拉伸变细、固化形成纳米纤维结构。

近年来，科研机构和相关企业对纳米纤维制备技术进行了大量实验研究和产业化开发，而静电纺丝法以其原料适用性广、成本低的特点逐渐成为纳米纤维制备的主流技术；静电纺丝纳米纤维具有形貌可控、比表积大、透气性好等诸多优势，己在微纳过滤、高性能无纺布、锂电池隔膜、生物医药等领域获得了广泛应用(HuangZM,ZhangYZ,KotakiM,etal.Areviewonpolymernanofibersbyelectrospinningandtheirapplicationsinnanocomposites[J].Compositesscienceandtechnology,2003,63(15):2223-2253)。

随着时代的进步，人们对环境质量的要求越来越高，普通过滤材料对于细小微粒的去除不够彻底，而且过滤材料上容易滋生有害微生物，存在二次污染的可能，而驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、节能、抗菌等优点，为克服这一难题提供了良好的解决手段。驻极体纤维通常有几百至上千伏电压，而纤维的间隙非常小，从而形成了无数个无缘电极，电极间电场强度很高，使得驻极体空气过滤材料除具有机械阻挡作用外，还可依靠静电力直接吸引空气中的带电微粒并将其捕获，或诱导空气中的中性微粒产生极性再将其捕获，从而更有效地过滤空气中的亚微米粒子，在不增加空气阻力的情况下显著提高过滤效率(陈钢进,肖慧明,夏钟福.电晕充电多孔PTFE/PP复合驻极体过滤材料的电荷存储特性[J].物理学报,2006,55(5):2464-2469)。但现有的电晕技术一次充电，极化效率不高，极化后驻极体密度偏少，不利于纤维性能的大幅提升。

由静电纺丝纳米纤维构成的非织造布具有纤维细度极小的特点和良好的电荷保持能力，使其表面能和活性增大，有很强的阻隔性和静电吸附力，是一种优良的驻极体过滤材料。但是利用静电纺丝方法所制备的驻极体纤维膜强度较低，难以单独作为过滤材料使用。

发明内容

本发明旨在提供一种复合极化纤维膜制造装置。

本发明设有直流高压电源、空气加热系统、气罩、主高压电源、放电极、液体导管、分液装置、纺丝针头、辅助高压电源、收卷装置、机架、抽气装置、铜网、深层极化负电极基座、深层极化负电极、深层极化正电极、深层极化正电极基座、预极化负电极基座、预极化负电极、传送带、放卷装置、预极化正电极、预极化正电极基座；

液体导管连接外部供液装置和分液装置，分液装置下方阵列排布有多个出液口，多个出液口分别与纺丝针头连接；纺丝溶液经由液体导管流入分液装置后从各个纺丝针头均匀流出；直流高压电源输出端通过导线与各个纺丝针头连接，使纺丝针头与传送带之间形成高压静电场；气罩置于纺丝喷头外部，气罩上壁底面与分液装置上面相接触，气罩底面气孔位置分别对应于各个纺丝针头并与纺丝针头同轴布置，气罩两个进气口对称位于分液装置上方，气罩进气口与空气加热系统出气口相连接；抽气装置位于纺丝喷头正下方并与纺丝喷头同轴布置；铜网与机架固定连接；辅助压缩气体由空气加热系统进气口流入，加热混合均匀后流入气罩内，抽气装置提供拉伸力作用促使辅助气流由气罩气孔流出并穿过传送带和铜网排出；传送带连接收卷装置和放卷装置，机架对整个机构起支撑作用，收卷装置连接外部电机，收卷装置用于控制收卷放卷速度和时间，从而控制传送带的运动状态；预极化电极和深层极化电极结构相同，均由正电极和负电极构成，深层极化电极设有深层极化负电极和深层极化正电极，深层极化正电极与深层极化负电极相对传动带对称布置；每根深层极化正电极底部设有深层极化正电极基座,深层极化负电极底部设有深层极化负电极基座；辅助高压电源正极输出端连接深层极化正电极基座，辅助高压电源负极输出端连接深层极化负电极基座，接通辅助高压电源后极化电极间形成非均匀电场可对电纺纳米纤维薄膜进行充电，增强静电吸附能力，从而提高空气过滤效率；放电极由置于分液装置下方的排针组构成，每根纺丝针头两侧各有一组对称布置的电极板，电极板上均装有针状芒刺，每组电极板上的芒刺交错布置或对称布置，芒刺垂直于电极板或倾斜于电极板；主高压电源输出端与放电极相连，接通静电高压后放电，将纺丝针头附近区域的空气电离，气体流动形成离子风，将纺丝针头附近区域空气电离出的离子带到有静电积累的电纺纳米纤维薄膜表面，中和纺丝过程中造成的纳米纤维薄膜表面静电。

所述极化电极也可采用电子枪产生电子束对纳米纤维薄膜进行充电。

所述传送带可采用透气网状传送带。

所述深层极化电极可采用针形金属电极，所述针形金属电极可采用单针电极或线性阵列多针电极，针形金属电极的形状可为锥形、丝状或刀口形等；针形金属电极最好成对布置。

所述主高压电源4可为直流高压电源或交流高压电源。

本发明所制得的复合极化纤维膜是一种透气性和致密性好的立体薄膜，可提高空气过滤效率，促进静电纺丝技术在驻极体过滤膜生产中的应用。

本发明可实现复合纤维膜中驻极体的高效合成，本发明利用辅助气体加速纳米纤维沉积得到致密性良好的电纺基层纤维膜，并进行预极化处理，提高纳米纤维薄膜的通透性。然后利用针形放电极处发生电晕放电产生的离子风辅助完成第二步纳米纤维薄膜沉积，将纺丝针头附近区域的空气电离产生的离子带到有静电积累的纳米纤维薄膜表面，中和表面静电，得到疏松透气性好的纳米纤维薄膜。对所得纳米纤维薄膜进行注极，使其带有电荷，提高空气过滤能力。最后再覆有一层利用辅助气体加速沉积的纳米纤维薄膜，提高所得复合驻极体纤维膜致密性。三层薄膜复合得到透气性好且致密的立体薄膜，即复合驻极体纤维膜。复合驻极体纤维膜利用其所带电荷的静电吸引力可吸附空气中的细小微粒，可在不增加空气阻力情况下显著提高空气过滤效率，并以其良好的致密性和强度表现出优越性，是静电纺丝技术在过滤膜生产中的一种有效方法，有良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明实施例的结构组成示意图。

图2是放电极的放大图。

图3是极化电极的放大图。

图中各标记为：1.直流高压电源，2.空气加热系统，3.气罩，4.高压电源，5.放电极，6.液体导管，7.分液装置，8.纺丝针头，9.辅助高压电源，10.收卷装置，11.机架，12.抽气装置，13.铜网，14.深层极化负电极基座，15.深层极化负电极，16.深层极化正电极，17.深层极化正电极基座，18.预极化负电极基座，19.预极化负电极，20.传送带，21.放卷装置，22.预极化正电极，23.预极化正电极基座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1～3，本发明实施例设有直流高压电源1、空气加热系统2、气罩3、主高压电源4、放电极5、液体导管6、分液装置7、纺丝针头8、辅助高压电源9、收卷装置10、机架11、抽气装置12、铜网13、深层极化负电极基座14、深层极化负电极15、深层极化正电极16、深层极化正电极基座17、预极化负电极基座18、预极化负电极19、传送带20、放卷装置21、预极化正电极22、预极化正电极基座23。

液体导管6连接外部供液装置和分液装置7，分液装置7下方阵列排布有多个出液口，多个出液口分别与纺丝针头8连接；纺丝溶液经由液体导管6流入分液装置7后从各个纺丝针头8均匀流出；直流高压电源1输出端通过导线与各个纺丝针头8连接，使纺丝针头8与传送带20之间形成高压静电场；气罩3置于纺丝喷头外部，气罩3上壁底面与分液装置7上面相接触，气罩3底面气孔位置分别对应于各个纺丝针头8并与纺丝针头8同轴布置，气罩3两个进气口对称位于分液装置7上方，气罩3进气口与空气加热系统2出气口相连接；抽气装置12位于纺丝喷头正下方并与纺丝喷头同轴布置；铜网13与机架11固定连接；辅助压缩气体由空气加热系统2进气口流入，加热混合均匀后流入气罩3内，抽气装置12提供拉伸力作用促使辅助气流由气罩3气孔流出并穿过传送带20和铜网13排出；传送带20连接收卷装置10和放卷装置21，机架11对整个机构起支撑作用，收卷装置10连接外部电机，收卷装置10用于控制收卷放卷速度和时间，从而控制传送带20的运动状态；预极化电极和深层极化电极结构相同，均由正电极和负电极构成，深层极化电极设有深层极化负电极15和深层极化正电极16，深层极化正电极16与深层极化负电极15相对传动带20对称布置；每根深层极化正电极16底部设有深层极化正电极基座17,深层极化负电极15底部设有深层极化负电极基座14；辅助高压电源9正极输出端连接深层极化正电极基座17，辅助高压电源9负极输出端连接深层极化负电极基座14，接通辅助高压电源9后极化电极间形成非均匀电场可对电纺纳米纤维薄膜进行充电，增强静电吸附能力，从而提高空气过滤效率；放电极5由置于分液装置7下方的排针组构成，每根纺丝针头8两侧各有一组对称布置的电极板，电极板上均装有针状芒刺，每组电极板上的芒刺交错布置或对称布置，芒刺垂直于电极板或倾斜于电极板；主高压电源4输出端与放电极5相连，接通静电高压后放电，将纺丝针头附近区域的空气电离，气体流动形成离子风，将纺丝针头附近区域空气电离出的离子带到有静电积累的电纺纳米纤维薄膜表面，中和纺丝过程中造成的纳米纤维薄膜表面静电。

所述极化电极也可采用电子枪产生电子束对纳米纤维薄膜进行充电。

所述传送带20可采用透气网状传送带。

所述深层极化电极可采用针形金属电极，所述针形金属电极可采用单针电极或线性阵列多针电极，针形金属电极的形状可为锥形、丝状或刀口形等；针形金属电极最好成对布置。

所述主高压电源4可为直流高压电源或交流高压电源。

本发明首先利用辅助气体加速纳米纤维沉积得到致密性良好的电纺基层纤维膜，并进行预极化处理，提高纳米纤维薄膜的通透性。然后利用针形放电极处发生电晕放电产生的离子风辅助完成第二步纳米纤维薄膜沉积，将纺丝针头附近区域的空气电离产生的离子带到有静电积累的纳米纤维薄膜表面，中和表面静电，得到疏松透气性好的纳米纤维薄膜。对所得纳米纤维薄膜进行注极，使其带有电荷，提高空气过滤能力。最后再覆有一层利用辅助气体加速沉积的纳米纤维薄膜，提高所得复合驻极体纤维膜致密性。三层薄膜复合得到透气性好且致密的立体薄膜，提高空气过滤效率。

本发明的纳米纤维喷射沉积结构由三部分组成，分别得到基层纤维膜、驻极纤维膜和致密层纤维膜。

为保证基层纤维膜的致密性，基层纤维膜的沉积过程通过加载辅助气流促进完成。压缩空气通过管道流入空气加热系统，空气升温混合均匀后由置于纺丝喷头上方的辅助气体进气口流入气罩内，加热后的辅助气流围绕于纺丝喷头周围。气罩底面布分布有气孔，分别对应于各个纺丝针头下方，与纺丝针头同轴布置。辅助气流经在气罩内缓冲作用后由气罩底面气孔流出。传送带为透气网状材料，抽气装置向下的拉力进一步促进辅助气体穿过传送带和铜网结构向外界排出。辅助气流在向下运动过程中可促进纺丝射流喷射和纳米纤维沉积，有助于得到致密性好的纳米纤维薄膜，作为复合驻极体纤维膜基层。

本发明通过外部电机控制收卷装置收卷速度及时间。当基层纤维膜沉积达到一定厚度后，传送带将沉积好的基层纤维膜向前传送至预极化电极处。预极化电极包括预极化正电极和预极化负电极两部分。预极化电极为针形金属电极，可为单针电极或线性阵列多针电极，形状可为锥形、丝状或刀口形等。针形金属电极成对布置。每根针形电极底部设有基座方便针形电极拆卸，可根据实际情况设定针形电极数量。

本发明的辅助高压电源正极输出端连接预极化正电极，负极输出端连接预极化负电极。针形电极尖端位置和纳米纤维薄膜之间形成高压非均匀电场引起气隙内空气局部击穿引起电晕放电，产生的离子束轰击纳米纤维薄膜对纳米纤维薄膜进行充电，使其带有电荷，利用其静电吸附力提高空气过滤能力。

预极化过程也可采用电子枪产生电子束对纳米纤维薄膜进行充电，改善纳米纤维薄膜的通透性和过滤能力。

基层纤维膜预极化过程完成后，传送带开始运动，将预极化好的纤维薄膜传送至驻极纤维膜沉积区域。驻极纤维膜的沉积过程通过放电极处电晕放电产生的离子风加速辅助完成。放电极由置于分液装置下方的排针组构成。每根纺丝针头两侧各有一组对称布置的电极板，电极板上均装有针状芒刺，每组电极板上的芒刺可交错布置，也可对称布置，芒刺可垂直于电极板，也可倾斜于电极板。

高压电源可为直流高压电源，也可为交流高压电源，高压电源输出端与放电极相连，接通静电高压后放电，将纺丝针头附近区域的空气电离，气体流动形成离子风，辅助加速纺丝射流的喷射沉积，并将纺丝针头附近区域空气电离出的离子带到有静电积累的电纺纳米纤维薄膜表面，中和纺丝过程中造成的纳米纤维薄膜表面静电，以免纳米纤维的表面静电荷向下传输与预极化过程中产生的负电荷发生能量中和而影响所得纳米纤维薄膜质量，并可降低单位面积上的电荷和径向电场，提高电纺纳米纤维间的结合度，得到疏松透气性好的纳米纤维薄膜。

电纺纳米纤维薄膜沉积完成后，传送带继续向前运动，对所得复合纤维膜进行深层极化。深层极化电极结构与预极化电极结构相同。通过对纳米纤维薄膜进行充电注极，使其带有电荷，进一步提高纳米纤维薄膜的空气过滤能力，得到驻极纤维膜。

驻极过程完成后，传送带运动将所得纳米纤维薄膜传送至致密层纤维膜沉积区域。该部分纺丝装置结构与基层纤维膜纺丝装置结构相同。加热后的辅助气体流入气罩内从气罩底面气孔处流出，环绕于纺丝射流周围，抽气装置进一步加速辅助气流向下运动，从传送带和铜网穿过，向外排出。辅助气流在向下运动过程中可促进纺丝射流喷射和纳米纤维沉积，有助于得到致密性好的纳米纤维薄膜。

本实施例在使用时，先利用辅助气体加速纳米纤维沉积得到致密性良好的电纺基层纤维膜，并进行预极化处理，提高纳米纤维薄膜的通透性。然后利用针形放电极处发生电晕放电产生的离子风辅助完成第二步纳米纤维薄膜沉积，将纺丝针头附近区域的空气电离产生的离子带到有静电积累的纳米纤维薄膜表面，中和表面静电，得到疏松透气性好的纳米纤维薄膜。对所得纳米纤维薄膜进行注极，使其带有电荷，提高空气过滤能力。最后再覆有一层利用辅助气体加速沉积的纳米纤维薄膜，提高所得复合驻极体纤维膜致密性。三层薄膜复合得到透气性好且致密的立体薄膜，提高空气过滤效率。

Claims (8)

1.一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于设有直流高压电源、空气加热系统、气罩、主高压电源、放电极、液体导管、分液装置、纺丝针头、辅助高压电源、收卷装置、机架、抽气装置、铜网、深层极化负电极基座、深层极化负电极、深层极化正电极、深层极化正电极基座、预极化负电极基座、预极化负电极、传送带、放卷装置、预极化正电极、预极化正电极基座；

液体导管连接外部供液装置和分液装置，分液装置下方阵列排布有多个出液口，多个出液口分别与纺丝针头连接；纺丝溶液经由液体导管流入分液装置后从各个纺丝针头均匀流出；直流高压电源输出端通过导线与各个纺丝针头连接，使纺丝针头与传送带之间形成高压静电场；气罩置于纺丝喷头外部，气罩上壁底面与分液装置上面相接触，气罩底面气孔位置分别对应于各个纺丝针头并与纺丝针头同轴布置，气罩两个进气口对称位于分液装置上方，气罩进气口与空气加热系统出气口相连接；抽气装置位于纺丝喷头正下方并与纺丝喷头同轴布置；铜网与机架固定连接；辅助压缩气体由空气加热系统进气口流入，加热混合均匀后流入气罩内，抽气装置提供拉伸力作用促使辅助气流由气罩气孔流出并穿过传送带和铜网排出；传送带连接收卷装置和放卷装置，机架对整个机构起支撑作用，收卷装置连接外部电机，收卷装置用于控制收卷放卷速度和时间，从而控制传送带的运动状态；预极化电极和深层极化电极结构相同，均由正电极和负电极构成，深层极化电极设有深层极化负电极和深层极化正电极，深层极化正电极与深层极化负电极相对传送带对称布置；每根深层极化正电极底部设有深层极化正电极基座,深层极化负电极底部设有深层极化负电极基座；辅助高压电源正极输出端连接深层极化正电极基座，辅助高压电源负极输出端连接深层极化负电极基座，接通辅助高压电源后极化电极间形成非均匀电场对电纺纳米纤维薄膜进行充电，增强静电吸附能力，从而提高空气过滤效率；放电极由置于分液装置下方的排针组构成，每根纺丝针头两侧各有一组对称布置的电极板，电极板上均装有针状芒刺，每组电极板上的芒刺交错布置或对称布置，芒刺垂直于电极板或倾斜于电极板；主高压电源输出端与放电极相连，接通静电高压后放电，将纺丝针头附近区域的空气电离，气体流动形成离子风，将纺丝针头附近区域空气电离出的离子带到有静电积累的电纺纳米纤维薄膜表面，中和纺丝过程中造成的纳米纤维薄膜表面静电。

2.如权利要求1所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述极化电极采用电子枪产生电子束对纳米纤维薄膜进行充电。

3.如权利要求1所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述传送带采用透气网状传送带。

4.如权利要求1所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述深层极化电极采用针形金属电极。

5.如权利要求4所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述针形金属电极采用单针电极或线性阵列多针电极。

6.如权利要求4所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述针形金属电极的形状为锥形、丝状或刀口形。

7.如权利要求4所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述针形金属电极成对布置。

8.如权利要求1所述一种复合极化纤维膜制造装置，其特征在于所述主高压电源为直流高压电源或交流高压电源。