CN104480640A - 一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法和装置 - Google Patents
一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种气吹平行环绕刚丝线静电纺丝制备聚合物纳米纤维的方法和装置，在高压静电场中，将钢丝线以环绕的方式连续运转，经多段封闭式连续供液，同时高压静电作用在细钢丝上，该细钢丝上的薄层纺丝液产生密集的纳米纤维射流，射流向另一极高速运动；配合高速气吹风干，将聚合物溶液电纺形成纳米纤维，实现连续规模化制备一定厚度的纳米纤维非织造布，并避免了所形成的纳米纤维在高密度溶剂蒸汽中的二次溶解成膜，有效地提高聚合物纳米纤维非织造布的品质；一般可溶性高分子均能采用该装置制备纳米纤维。
Description
技术领域
本发明提供一种规模化制备聚合物纳米纤维非织造布的方法和装置，特别是一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法和装置。
背景技术
众所周知，电纺聚合物纳米纤维生产过程中有大量的溶剂蒸汽产生并散发在纳米纤维收集器的周围环境中，这种溶剂蒸汽会被收集器上所收集的纳米纤维吸收而导致纤维溶胀甚至重新溶解，结果破坏了纤维的结构或非织造布的织构。尤其是在大规模化生产时，所产生的溶剂蒸汽量很大，生成的纳米纤维所在环境中的溶剂蒸汽密度很高。如不能快速地将收集器上所形成的纳米纤维及时移开，这种纳米纤维将会被溶剂蒸汽溶解(“潮解”)或部分溶解(“潮解”)而遭到结构性破坏。如果快速移开收集器上的纳米纤维，则又很难形成有一定厚度(如18-60微米厚度)的纳米纤维非织造布。目前市场上的电纺丝设备大多数都是小型纺丝装置，或者是将收集器上纳米纤维快速地从喷丝头附近环境中移开的大型纳米纤维制造设备，这些设备都不适合用来大规模化制造聚合物纳米纤维非织造布。因此，发明一种既能连续化快速生产聚合物纳米纤维，同时，又能将溶剂蒸汽及时散发开的静电纺丝设备是非常必要的，以便能快速生产聚合物纳米纤维非织造布，满足医疗卫生、军事防护、气体和液体的高精度过滤以及电池隔膜市场的迫切需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法和装置，将该单台装置模块化，可根据需求选择模块的数量。通过调节设备参数，进一步的提供一种规模化制备聚合物纳米纤维非织造布的设备。
本发明将溶液通过平行环绕连续运行的钢丝在高压静电场中，并采用多段封闭式供液方式(保证纺丝头钢丝上的纺丝液稳定供给)进行溶液电纺形成聚合物纳米纤维；细钢丝上所生产的密集的纳米纤维射流在高速气吹风干的作用下，干燥蓬松地富集在收集器上形成聚合物纳米纤维非织造布。
解决了规模化制备一定厚度的纳米纤维非织造布及纺丝液稳定供给的问题，并在此基础上配合高速气吹风干，有效地降低聚合物纳米纤维中的溶剂含量，解决了所形成的纳米纤维在高密度溶剂蒸汽中的二次溶解成膜问题，有效地提高聚合物纳米纤维非织造布的品质；加大了本发明纺丝装置制作纳米纤维的高分子材料可选范围。
本发明的技术方案如下：
一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法，在高压静电场中，将钢丝线以环绕的方式连续运转，经多段封闭式连续供液，保证所述钢丝线上的纺丝液稳定供给；同时高压静电作用在钢丝上，该钢丝上的薄层纺丝液急剧极化并产生密集的纳米纤维射流，射流向另一极高速运动；在此基础上配合高速气吹风干，调节吹气温度和湿度，溶剂挥发有效地降低聚合物纳米纤维中的溶剂含量，将聚合物溶液电纺形成纳米纤维，实现连续规模化制备一定厚度的纳米纤维非织造布，钢丝上所生产的密集的纳米纤维射流在高速气吹风干的作用下，干燥蓬松地富集在接收器上形成聚合物纳米纤维非织造布。
本发明的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，包括:纤维制备系统；气吹系统；纤维接收系统；所述的纤维制备系统包括溶液供给系统、细钢丝及其传动系统和细钢丝清洗装置；所述的溶液供给系统包括物料供给泵、物料供给管道及浸润管；多个绝缘材料制成的浸润管呈等距、直线排列成浸润管排；所述的细钢丝呈直线穿过所述的浸润管排，所述的细钢丝上设置所述的钢丝清洗系统；所述的细钢丝在传动系统带动下呈连续环绕移动状态且所述的不同方向的细钢丝位于同一水平面内，所述的物料供给管道分布在所述的浸润管排底部，其上连通多个支管从底部朝上穿入所述的浸润管并接近细钢丝，所述支管在顶部设置出液口；所述的物料供给管道连接物料供给泵，使所述出液口不断渗出纺丝液，使所述细钢丝在经过浸润管后其表面上能够均匀涂覆一薄层纺丝液；所述的细钢丝为各类不锈钢导电材质；所述的细钢丝连接高压静电发生器；
所述的气吹系统包括气源、气体管道和气吹管道；所述的气吹管道位于浸润管排两侧分布平行于所述的细钢丝设置，其上均布朝上的喷气孔；所述的气吹管道连接气体管道和气源；
所述的纤维接收系统为设置在所述细钢丝上方的金属网带，其与高压静电发生器连接。
所述的气源为干燥空气或其它惰性气体；供气压力在1.0KPa-1.0MPa，流量在1-20m3/min；气体温度在20-60℃；气吹管道与细钢丝间的水平距离在1-4cm之间；所述喷气孔直径在0.5-4mm。
所述细钢丝直径在0.3-3mm范围；所述细钢丝为单根钢丝或双股或多股钢丝加捻后的钢丝束，所述的钢丝束直径在0.3-3mm范围。
所述的传动系统由主动轮、从动轮和电机组成；所述的细钢丝的运行速度在0.1-5m/min之间；所述的接触细钢丝的主动轮和从动轮均由高绝缘性材料构成。
所述的细钢丝清洗装置由一块浸润了配制物料溶液的溶剂的耐磨织物和一块干燥的耐磨织物及其紧固夹具组成，浸润了溶剂的织物位于清洗装置的细钢丝进入端，干燥织物位于清洗装置中的细钢丝输出端，确保从该两块织物中输出的细钢丝清洁干燥。
所述的浸润管内所述的支管的出液口距离细钢丝的间距a为0.5-2mm；所述的支管远离所述出液口的一端安装有流量调节阀。
所述的浸润管是由绝缘材料制成的直径为3cm的封闭管，其下端有开口且上部两侧壁上设有对称于所述浸润管中心线的对开孔且所述的开口竖直向上连通所述的对开孔，所述细钢丝经所述的对开孔并从所述的浸润管的中心穿过，所述的支管从底部朝上穿入所述的浸润管的开口并接近细钢丝；所述的浸润管间距为10-20cm，所述的浸润管排为多排、平行设置，所述的穿过各浸润管排的细钢丝相互平行。
所述的细钢丝在同一水平面上作矩形环绕运动，所述的做矩形环绕运动的细钢丝穿过平行配置的两排浸润管排，所述的两排浸润管布置在所述矩形的长边方向上,为对立的两排；对应多排浸润管排设有多组作矩形环绕运动的细钢丝。
本发明的优点及技术效果：
1.本发明采用连续运转环绕钢丝线的方式在高压静电场中制备纳米纤维，实现连续规模化制备一定厚度的纳米纤维非织造布；
2.采用多段封闭式供液方式，保证纺丝头钢丝上的纺丝液稳定供给，且封闭状态的纺丝溶液的溶剂不会挥发，保证纺丝液浓度性能的稳定；
3.在此基础上配合高速气吹风干，有效地降低聚合物纳米纤维中的溶剂含量，避免了所形成的纳米纤维在高密度溶剂蒸汽中的二次溶解成膜，有效地提高聚合物纳米纤维非织造布的品质；
4.适合于该纺丝装置制作纳米纤维的高分子材料可选范围大：一般可溶性高分子均能采用该装置制备纳米纤维。
附图说明
图1为本发明生产纳米纤维的装置示意图；
图2为浸润管A局部剖面示意图；
图中：1.高压静电发生器；2.主动轮及从动轮(任意一个为主动轮)；3.细钢丝清洗装置；4.浸润管；5.干燥空气喷气孔；6.干燥空气入口进入气体管道；7.细钢丝；8.溶液物料供给管道；9.接收器及纳米纤维；10.支管；11.流量调节阀；12.从管道出液口中渗出的纺丝液；13.包裹了一层纺丝溶液的细钢丝；“a”为供给管道溶液出液口与细钢丝之间的距离。
具体实施方式
参照附图，本发明的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法，在高压静电场中，将钢丝线以环绕的方式连续运转，经多段封闭式连续供液，保证所述钢丝线上的纺丝液稳定供给；同时高压静电作用在钢丝上，该钢丝上的薄层纺丝液急剧极化并产生密集的纳米纤维射流，射流向另一极高速运动；在此基础上配合高速气吹风干，调节吹气温度和湿度，溶剂挥发有效地降低聚合物纳米纤维中的溶剂含量，将聚合物溶液电纺形成纳米纤维，实现连续规模化制备一定厚度的纳米纤维非织造布，钢丝上所生产的密集的纳米纤维射流在高速气吹风干的作用下，干燥蓬松地富集在接收器上形成聚合物纳米纤维非织造布。
本发明的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置参见图1、2，包括:纤维制备系统；气吹系统；纤维接收系统；
见图1，所述的纤维制备系统包括溶液供给系统、细钢丝7及其传动系统和细钢丝清洗装置3；所述的溶液供给系统包括物料供给泵、物料供给管道(绝缘材料)8及浸润管4；多个绝缘材料制成的浸润管4呈等距、直线排列成浸润管排；所述的细钢丝7呈直线穿过所述的浸润管排，所述的细钢丝上设置所述的钢丝清洗装置3；所述的细钢丝7在传动系统带动下呈连续环绕移动状态,且所述的不同方向的细钢丝位于同一水平面内，所述的物料供给管道8分布在所述的浸润管排底部，其上连通多个支管10从底部朝上穿入所述的浸润管并接近细钢丝，所述支管10在顶部设置出液口12；所述的物料供给管道8连接物料供给泵，使所述出液口12不断渗出纺丝液，使所述细钢丝在经过浸润管后其表面上能够均匀涂覆一薄层纺丝液13；所述的细钢丝为各类不锈钢导电材质；所述的细钢丝连接高压静电发生器1；
所述的气吹系统包括气源、气体管道6和喷气孔5；所述的气吹管道位于浸润管排两侧分布平行于所述的细钢丝7设置，其上均布朝上的喷气孔5；所述的气吹管道连接气体管道6和气源；
所述的纤维接收系统为设置在所述细钢丝上方平行设置的金属网带9，其与高压静电发生器连接1。
所述的气源为干燥空气或其它惰性气体；供气压力在1.0KPa-1.0MPa，流量在1-20m3/min；气体温度在20-60℃；气吹管道与细钢丝间的水平距离为1-4cm之间；所述喷气孔口径在0.5-4mm。
所述细钢丝直径在0.3-3mm范围；所述细钢丝为单根钢丝或双股或多股钢丝加捻后的钢丝束，其直径在0.3-3mm范围。
所述的传动系统由主动轮2、从动轮和电机组成；所述的细钢丝7的运行速度在0.1-5m/min之间；所述的接触钢丝的主动轮和从动轮均由高绝缘性材料构成。
所述的细钢丝清洗装置3由一块浸润了配制物料溶液的溶剂的耐磨织物和一块干燥的耐磨织物及其紧固夹具组成，浸润了溶剂的织物位于清洗装置的细钢丝进入端，干燥织物位于清洗装置中的细钢丝输出端，确保从该两块织物中输出的细钢丝清洁干燥。
所述的浸润管内所述的支管10的出液口12距离细钢丝7的间距a为0.5-2mm；所述的支管10远离所述出液口的一端安装有流量调节阀11。
所述的浸润管4是由绝缘材料制成的直径为3cm的封闭管，其下端有开口且上部两侧壁上设有对称于所述浸润管中心线的对开孔14,且所述的开口竖直向上连通所述的对开孔14，所述细钢丝经所述的对开孔并从所述的浸润管的中心穿过，所述的支管从底部朝上穿入所述的浸润管的开口并接近细钢丝；所述的浸润管间距10-20cm；所述的浸润管排为多排、平行设置,所述的穿过各浸润管排的细钢丝相互平行。
所述的细钢丝在同一水平面上作矩形环绕运动，所述的矩形长度为0.5-1.5m、宽度为0.2-0.8m，所述的做矩形环绕运动的细钢丝穿过平行配置的两排浸润管排，所述的两排浸润管布置在所述矩形的长边方向上,为对立的两排，本发明设有多组作矩形环绕运动的细钢丝对应设置的多排浸润管排。
实例1：聚酰胺酸(PAA)纳米纤维非织造布的制备
取自合成的质量浓度为20％,特性粘度为1.2dl/g的PAA溶液5000g，加入560g N,N-二甲基甲酰胺稀释，使溶液的质量浓度为15％，并加入0.2％的三甲基十二烷基氯化铵，在0℃下机械搅拌2hr后形成均一透明的溶液，经500目尼龙滤网过滤待用。
按图1所示，将纺丝设备水平装配；采用连续接收方式，接收器接地。钢丝为双股钢丝加捻成的钢丝束。设定细钢丝运行速度为2m/min，调节气吹压力为0.2MPa,流量为3m3/min，喷气孔直径为2.5mm。物料供给的流量为80ml/min，压力为0.1MPa。调节浸润管4中的物料供给支管11管口距离细钢丝的高度“a”为0.6mm，启动钢丝运行和开启高压电源，同时开启物料供给泵，调节每个浸润管4中物料供给支管的流量控制阀门，确保从管道里流出的纺丝液与钢丝走速相配，都能均匀地附着在细钢丝上形成溶液薄层。高压电源电压设置为﹢40KV，接收器与细钢丝间的距离为20cm。接收器宽度0.6m,运行速度0.8m/min，收集厚度为28微米的PAA纳米纤维非织造布。
实例2：聚丙烯腈(PAN)纳米纤维非织造布的制备
取商业PAN粉末(特性粘度为2.4dl/g)粉末500g，加入4500g N,N-二甲基甲酰胺溶解，使溶液的质量浓度为10％，并加入0.2％的三甲基十二烷基氯化铵，在20℃下机械搅拌1hr后形成均一透明的溶液，经500目尼龙滤网过滤待用。
按图1所示，将纺丝设备水平装配；采用连续接收方式，接收器接地。钢丝为双股钢丝加捻成的钢丝束。设定钢丝运行速度为2m/min，调节气吹压力为0.2MPa,流量为3m3/min，喷气孔直径为2.5mm。物料供给的流量为80ml/min，压力为0.1MPa。调节浸润管中的物料供给支管管口距离细钢丝的高度“a”为0.6mm，启动钢丝运行和开启高压电源，同时开启物料供给泵，调节每个浸润管中物料供给支管的流量控制阀门，确保从管道里流出的纺丝液与细钢丝走速相配，都能均匀地附着在钢丝上形成溶液薄层。高压电源电压设置为﹢45KV，接收器与细钢丝间的距离为20cm。接收器宽度0.6m,运行速度0.5m/min，收集厚度为25微米的PAN纳米纤维非织造布。
Claims (9)
1.一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的方法，其特征在于，在高压静电场中，将钢丝线以环绕的方式连续运转，经多段封闭式连续供液，保证所述钢丝线上的纺丝液稳定供给；同时高压静电作用在钢丝上，该钢丝上的薄层纺丝液急剧极化并产生密集的纳米纤维射流，射流向另一极高速运动；在此基础上配合高速气吹风干，调节吹气温度和湿度，溶剂挥发有效地降低聚合物纳米纤维中的溶剂含量，将聚合物溶液电纺形成纳米纤维，实现连续规模化制备一定厚度的纳米纤维非织造布，钢丝上所生产的密集的纳米纤维射流在高速气吹风干的作用下，干燥蓬松地富集在接收器上形成聚合物纳米纤维非织造布。
2.一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，包括:纤维制备系统；气吹系统；纤维接收系统；其特征在于：
所述的纤维制备系统包括溶液供给系统、细钢丝及其传动系统和细钢丝清洗装置；所述的溶液供给系统包括物料供给泵、物料供给管道及浸润管；多个绝缘材料制成的浸润管呈等距、直线排列成浸润管排；所述的细钢丝呈直线穿过所述的浸润管排，所述的细钢丝上设置所述的钢丝清洗系统；所述的细钢丝在传动系统带动下呈连续环绕移动状态且所述的不同方向的细钢丝位于同一水平面内，所述的物料供给管道分布在所述的浸润管排底部，其上连通多个支管从底部朝上穿入所述的浸润管并接近细钢丝，所述支管在顶部设置出液口；所述的物料供给管道连接物料供给泵，使所述出液口不断渗出纺丝液，使所述细钢丝在经过浸润管后其表面上能够均匀涂覆一薄层纺丝液；所述的细钢丝为各类不锈钢导电材质；所述的细钢丝连接高压静电发生器；
所述的气吹系统包括气源、气体管道和气吹管道；所述的气吹管道位于浸润管排两侧分布平行于所述的细钢丝设置，其上均布朝上的喷气孔；所述的气吹管道连接气体管道和气源；
所述的纤维接收系统为设置在所述细钢丝上方的金属网带，其与高压静电发生器连接。
3.如权利要求书2所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述的气源为干燥空气或其它惰性气体；供气压力在1.0KPa-1.0MPa，流量在1-20m3/min；气体温度在20-60℃；气吹管道与细钢丝间的水平距离在1-4cm之间；所述喷气孔直径在0.5-4mm。
4.如权利要求书2所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述细钢丝直径在0.3-3mm范围；所述细钢丝为单根钢丝或双股或多股钢丝加捻后的钢丝束，所述的钢丝束直径在0.3-3mm范围。
5.如权利要求书2所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述的传动系统由主动轮、从动轮和电机组成；所述的细钢丝的运行速度在0.1-5m/min之间；所述的接触细钢丝的主动轮和从动轮均由高绝缘性材料构成。
6.如权利要求书2所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述的细钢丝清洗装置由一块浸润了配制物料溶液的溶剂的耐磨织物和一块干燥的耐磨织物及其紧固夹具组成，浸润了溶剂的织物位于清洗装置的细钢丝进入端，干燥织物位于清洗装置中的细钢丝输出端，确保从该两块织物中输出的细钢丝清洁干燥。
7.如权利要求书2所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述的浸润管内所述的支管的出液口距离细钢丝的间距a为0.5-2mm；所述的支管远离所述出液口的一端安装有流量调节阀。
8.如权利要求书2所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述的浸润管是由绝缘材料制成的直径为3cm的封闭管，其下端有开口且上部两侧壁上设有对称于所述浸润管中心线的对开孔且所述的开口竖直向上连通所述的对开孔，所述细钢丝经所述的对开孔并从所述的浸润管的中心穿过，所述的支管从底部朝上穿入所述的浸润管的开口并接近细钢丝；所述的浸润管间距为10-20cm，所述的浸润管排为多排、平行设置，所述的穿过各浸润管排的细钢丝相互平行。
9.如权利要求书8所述的一种气吹平行环绕钢丝静电纺丝制备纳米纤维的装置，其特征在于：所述的细钢丝在同一水平面上作矩形环绕运动，所述的做矩形环绕运动的细钢丝穿过平行配置的两排浸润管排，所述的两排浸润管布置在所述矩形的长边方向上,为对立的两排；对应多排浸润管排设有多组作矩形环绕运动的细钢丝。
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