CN104480641B - 一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统 - Google Patents

一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统。本系统由静电纺丝部分、高温处理部分、溶剂蒸汽回收系统、恒温恒湿控制系统、产品输送系统和隔膜收卷部分组成构成。该系统可用来大规模连续化生产聚酰亚胺纳米纤维非织造布和其它聚合物纳米纤维非织造布。该制造系统每小时生产聚酰亚胺纳米纤维高达4385克、每平方米8.7克重的自支撑聚酰亚胺纳米纤维非织造布504平方米。

Description

一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统
技术领域
本发明涉及一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维及其非织造布的大规模制造系统
背景技术
随着静电纺聚合物纳米纤维的应用不断扩展，市场上出现了一系列静电纺丝制备聚合物纳米纤维的实验室用设备，这些设备主要关注于聚合物纳米纤维实验用品的制备，即实验室小用品的制备，但不能用来大规模连续化生产自支撑电纺聚合物纳米纤维非织造布，尤其是不能用来大规模连续化生产自支撑的聚酰亚胺纳米纤维非织造布。本发明针对聚酰亚胺纤维产品的生产过程进行系统设计，结合聚酰亚胺预聚体(聚酰胺酸PAA)纳米纤维或其非织造布制备、聚酰胺酸高温转化(亚胺化)和非织造布产品收卷为一体形成大规模连续化生产聚酰亚胺纳米纤维或其非织造布的制造系统。
发明内容
本发明提供一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统。该系统属于向下收集纳米纤维的静电纺丝方式。
该大规模连续化静电针纺系统解决了以下静电纺丝工业化方面的问题：(1)解决了自支撑电纺纳米纤维非织造布的大规模连续化制备问题，首次实现了聚合物纳米纤维非织造布的连续化大规模生产；(2)解决了纺丝液在形成射流之前与大气的隔绝问题，使纺丝液在长时间的纺丝过程中保持稳定；(3)使用耐高温金属(亚胺化工艺要求高温)传送带在喷头下方的导辊上运转作为纳米纤维的活动收集器，始终保持接收器的上表面在同一水平高度，始终保持接收器上表面的电场强度一致，避免了向上接收纳米纤维的设备中因长距离悬挂笨重接收器时形成的下垂弧状。这种弧形状态会导致接收器表面到喷丝头的距离不一致，结果会使接收器表面上的静电场强度不一致；(4)在导辊上的传送带可直接将所形成聚酰胺酸纳米纤维非织造布送入高温炉进行亚胺化。所形成的聚酰亚胺纳米纤维非织造布没有受到反转导辊碾压，表面形貌不会受到损伤，解决了纳米纤维非织造布表面因反转导辊碾压受损的问题。
本发明的技术方案如下：
一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，该系统包括纺丝部分、高温处理部分、溶剂蒸汽回收系统、恒温恒湿控制系统、产品输送系统和非织造布收卷系统；所述的纺丝部分包括针式静电纺丝系统；
所述的产品输送系统包括产品输送带、传动系统、胀紧系统和纠偏系统。其中，所述的产品输送带在垂直面内呈环形布置，并在所述的传动系统带动下呈连续、环绕式移动，其依次通过针式静电纺丝系统、高温处理部分和非织造布收卷系统，然后回头呈环形循环运转；
所述的针式静电纺丝系统位于在运转的所述产品输送带的上方，所述的产品输送带为所述的针式静电纺丝系统的纳米纤维接收器；所述的高温处理部分包括电热炉、温控系统和抽风送风系统；
所述的产品输送带从所述的针式静电纺丝系统下方接收纳米纤维，继续移动，穿过所述的高温处理部分，之后到达所述的非织造布收卷系统，向下再返回到所述的针式静电纺丝系统，形成一周循环，并连续循环下去。
所述的针式静电纺丝系统包括一个纺丝液物料供给系统、多组电纺模块、气吹系统、纤维接收系统；
所述的每个电纺模块上配置有20-40个针尖式静电纺丝喷头并呈直线排列；所述的多个电纺模块平行排列，且高度一致；
所述的纺丝液物料供给系统包括物料供给泵、物料供给管道，所述的每个电纺模块中的多个针尖式静电纺丝喷头通过所述的物料供给管道连接呈直线排列；所述的多个电纺模块通过物料供给管道汇总后连接物料供给泵，所述的针尖式静电纺丝喷头连接高压电源；
气吹系统为所述的每个电纺模块两侧配有平行的两条吹气管道与所述喷头针尖在同一水平面上，吹气管道上配有吹气孔与喷头相近，吹气孔口径在1.5-3.0mm范围内，所述的多条吹气管道汇总后与气源连接；
纤维接收系统为所述的产品传送带，其与高压电源的负极或大地连接；高压电源两极间的电压在15-60kV之间。
所述的针尖式静电纺丝模块为30-60组；所述的；针尖式静电纺丝模块配置有独立的高压电源，电压在15-60kV之间。
所述的物料供给系统包括储液罐和流量控制系统和物料供给管道，其中储液罐容积在150-320L之间；流量控制系统包括齿轮流量泵和塑料管线，纺丝液供给总流量在50-500ml/min之间调节，物料供给管道为绝缘的塑料管线。
所述的溶剂蒸汽回收系统，包括水淋吸收塔和抽风送风系统。
所述的高温处理系统，包括高温电热炉和抽送风系统；所述的高温电热炉包括一组长15米，宽1.5米的电热炉，其炉腔宽度1.3米，炉腔高度0.2米，炉腔温度在50-500℃范围内；
所述的产品输送系统，包括宽度为1.0-2.0米的不锈钢网带或钢带材料的产品输送带、胀紧系统和纠偏系统。
所述的恒温恒湿系统，包括一组空气调节系统、空气压缩系统、抽送风系统和温度湿度探测系统。
所述的非织造布收卷系统，由一个没有自动力的气涨轴23及其固定支架组成。气涨轴通过两端可上下移动的轴承固定在安装板22上，安装板固定在高温炉后的支架上；安装板上的弹簧24压迫气涨轴紧贴在传送带1的表面上。
本发明的有益效果是：
1、高温处理部分由电热炉和温控系统组成，用来加热使聚酰胺酸(PAA)纳米纤维非织造布在300-400℃高温下转化为聚酰亚胺纳米纤维非织造布，也可以用来加热其它聚合物纳米纤维非织造布，在60-180℃下去除纤维中残留的溶剂。
2、溶剂蒸汽回收系统由水淋塔和抽送风系统组成，将纺丝部分和高温炉内的溶剂蒸汽通过抽风送入水淋塔，将水溶性的溶剂蒸汽吸收在水中；并通过送风系统给纺丝部分和高温炉补充洁净的新风或热风，循环再利用。
3、恒温恒湿系统由空调系统、空气压缩系统和温度湿度探测器组成，用来控制纺丝部分密闭操作间的温度和湿度。
4、产品传送系统由不锈钢网带或钢带、恒张力胀紧系统、传动系统(电动牵引辊)和纠偏系统组成。其中，不锈钢网带或钢带作为产品传送带呈环形布置，依次通过纺丝部分、高温处理部分和收卷部分，然后回头做环形运转；恒张力胀紧系统是由多个可上下或前后移动的引导辊构成，用来调节产品输送带的松紧程度或张力，以便传送带与牵引辊和引导辊之间有足够的摩擦力，使传送带能在牵引辊的带动下轮回运动；纠偏系统由电光感应器件和机械移动器件组成，用来对传送带在运行过程中的偏离轨道行为进行纠正。
5、收卷系统由一个没有自动力的气涨轴及其固定支架组成。气涨轴通过两端可上下移动的轴承固定在安装板上，安装板固定在高温炉后的支架上；安装板上的弹簧压迫气涨轴紧贴在传送带的表面上。由于摩擦作用，来自传送带上的动力驱动气动轴向上转动而卷起传送带送来纳米纤维非织造布产品。由于收卷系统的驱动力来自气涨轴表面或收起的非织造布表面与传送带上表面间的摩擦力，这使得收卷速度与传送速度同步，结果使收卷系统能运转简便、同步地从产品传送带上收集纳米纤维产品。
6、气吹系统既能为纺丝射流定向飞落到纳米纤维接收器上，更能高效地将纺丝过程中产生的大量溶剂蒸汽吹散，使所形成的纳米纤维及时得到干燥，而不至于在高密度的溶剂蒸汽中再次溶解成实膜或使所形成的纳米纤维膜或非织造布破孔穿洞。
7、本发明实现了短时间内大规模连续化生产聚酰亚胺纳米纤维非织造布和其它聚合物纳米纤维非织造布，该制造系统每小时生产聚酰亚胺纳米纤维高达4385克、每平方米8.7克重的自支撑聚酰亚胺纳米纤维非织造布504平方米。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为本发明针尖式静电纺丝模块示意图。
图3为图2中本发明纺丝喷头局部放大示意图。
图4为本发明收卷系统示意图。
其中：1：产品输送带；2：针式静电纺丝系统；3：纺丝部分；4：物料储罐；5：溶剂蒸汽回收系统：纺丝车间及高温炉的溶剂蒸汽收集管；6：水淋吸收塔；7：经水淋塔处理后的外排气体；8：热交换器；9：恒温恒湿控制系统；10：经恒温恒湿控制系统处理后的气体；11：高温炉释出的溶剂蒸汽收集管；12：高温电热炉；13：从高温炉处理后的纳米纤维非织造布；14：非织造布收卷系统；15：传动系统；16：输送带恒张力胀紧系统和纠偏系统；17：高压电源；18：物料供给管道；19：吹气管道；20：针尖式静电纺丝喷头；21：喷气孔；22:安装板；23:气涨轴；24：弹簧；
具体实施方式
参见图1-4，本发明的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，该系统包括纺丝部分3、高温处理部分、溶剂蒸汽回收系统5、恒温恒湿控制系统9、产品输送系统和非织造布收卷系统14；所述的纺丝部分3包括针式静电纺丝系统2；
所述的产品输送系统包括产品输送带1、传动系统15、胀紧系统和纠偏系统16。其中，所述的产品输送带1在垂直面内呈环形布置，并在所述的传动系统15带动下呈连续、环绕式移动，其依次通过针式静电纺丝系统2、高温处理部分和非织造布收卷系统14，然后回头呈环形循环运转；
所述的针式静电纺丝系统2位于在运转的所述产品输送带1的上方，所述的产品输送带1为所述的针式静电纺丝系统的纳米纤维接收器；所述的高温处理部分包括电热炉12、温控系统和抽风送风系统；
所述的产品输送带从所述的针式静电纺丝系统2下方接收纳米纤维，继续移动，穿过所述的高温处理部分，之后到达所述的非织造布收卷系统14，向下再返回到所述的针式静电纺丝系统，形成一周循环，并连续循环下去。
所述的针式静电纺丝系统2包括一个纺丝液物料供给系统、30-60组电纺模块、气吹系统、纤维接收系统；
参见图2、3，所述的每个电纺模块上配置有20-40个针尖式静电纺丝喷头20并呈直线排列；所述的多个电纺模块平行排列，且高度一致；
所述的纺丝液物料供给系统包括物料供给泵、物料供给管道18，所述的每个电纺模块中的多个针尖式静电纺丝喷头20通过所述的物料供给管道18连接呈直线排列；所述的多个电纺模块通过物料供给管道汇总后连接物料供给泵，所述的针尖式静电纺丝喷头20连接高压电源；
气吹系统为所述的每个电纺模块两侧配有平行的两条吹气管道19与所述喷头针尖在同一水平面上，吹气管道19上配有向下的吹气孔21与喷头相近，吹气孔口径在1.5-3.0mm范围内，所述的多条吹气管道19汇总后与气源连接；
纤维接收系统为所述的产品输送带1，其与高压电源17的负极或大地连接；高压电源两极间的电压在15-60kV之间。
所述的针尖式静电纺丝模块为30-60组；所述的针尖式静电纺丝模块配置有独立的高压电源，电压在15-60kV之间。
所述的物料供给系统包括储液罐和流量控制系统和物料供给管道18，其中储液罐4容积在150-320L之间；流量控制系统包括齿轮流量泵和塑料管线，纺丝液供给总流量在50-500ml/min之间调节，物料供给管道为绝缘的塑料管线。
所述的溶剂蒸汽回收系统5，包括水淋吸收塔6和抽风送风系统。
所述的高温处理系统，包括高温电热炉12和抽送风系统；所述的高温电热炉12包括一组长15米，宽1.5米的电热炉，其炉腔宽度1.3米，炉腔高度0.2米，炉腔温度在50-500℃范围内；
所述的产品输送系统，包括宽度为1.0-2.0米的不锈钢网带或钢带材料的产品输送带1、胀紧系统和纠偏系统16。
所述的恒温恒湿控制系统9，包括一组空气调节系统、空气压缩系统、抽送风系统和温度湿度探测系统。
参见图4，所述的非织造布收卷系统14，由一个没有自动力的气涨轴23及其固定支架组成。气涨轴通过两端可上下移动的轴承固定在安装板22上，安装板固定在高温炉后的支架上；安装板上的弹簧24压迫气涨轴23紧贴在产品输送带1的表面上。由于摩擦作用，来自传送带上的动力驱动气动轴向上转动而卷起传送带送来纳米纤维非织造布产品。由于收卷系统的驱动力来自气涨轴表面或收起的非织造布表面与产品输送带上表面间的摩擦力，这使得收卷速度与传送速度同步，结果使收卷系统能运转简便、同步地从产品传送带上收集纳米纤维产品。
所述的溶剂蒸汽回收系统有水淋吸收塔6、抽送风系统中纺丝车间及高温炉的溶剂蒸汽收集管5、11；将纺丝部分3、高温处理系统的电热炉内的溶剂蒸汽通过抽风管道送入水淋吸收塔6，将水溶性的溶剂蒸汽吸收在水中，之后一路通过热交换器8，并经恒温恒湿系统处理后的气体10给纺丝部分3补充，另一路通过送风系统给电热炉内补充经水淋塔处理后的洁净的新风或热风7。电热炉内的溶剂蒸汽通过热交换器8进行热交换处理，实现能源再利用。
实施例一：聚酰亚胺纳米纤维非织造布大规模连续化织造
本实例中纺丝部分配置纺丝模块的空间长度20m,宽度1.5m；纺丝部分装配纺丝模块40个，每个模块宽度0.15m，长度1.0m，模块之间的间隔0.25m；每个模块配置5针喷头30个；40个纺丝模块共享一个250升的纺丝液储罐和一套流量控制系统；产品输送系统中的环形传送带周长92m，宽度1.2m；高温电热炉长15m,宽度1.5m；收卷部分长度(含传动部分)4.0m。整个织造系统全长45.0米。纺丝部分配置纺丝模块的空间长度18m,宽度1.5m。具体实施步骤如下：
1.开启恒温恒湿系统及水淋吸收塔，将纺丝车间温度设置在20-22℃，湿度设置在70-75％；
2.开启高温炉，将温度设置为350-360℃，打开高温炉通风装置，通风量在60L/min；
3.开启自动注料装置，将储液罐加满纺丝液(质量浓度为18％PAA的N,N-二甲基乙酰胺溶液220L)；通过流量控制系统将纺丝液经管道输送到纺丝针尖口；开启高压电源，电压设置在50kV；开启压缩空气系统，将干燥的压缩空气经管道和喷丝头上的气孔导出，导出气流一方面为静电纺丝射流导向，使射流向下落集在产品传送带上，另一方面是吹散纺丝过程中产生的大量溶剂蒸汽。
4.开启产品输送装置，设定传送带速度为2.5m/min，将形成在传送带上的PAA纳米纤维非织造布送入高温炉。PAA纳米纤维在350-360℃的高温下脱水还化转变为聚酰亚胺纳米纤维。
5.将形成的聚酰亚胺纳米纤维非织造布卷上收集辊上，传送带通过收集辊与传送带表面之间的摩擦力牵引收集辊同步滚动卷收聚酰亚胺纳米纤维非织造布。24小时连续收集每平方米8.62克的聚酰亚胺纳米纤维非织造布4320m2,称重37.23kg。
实施例二：尼龙66纳米纤维非织造布大规模连续化织造
本实例中纺丝部分配置纺丝模块的空间长度20m,宽度1.5m；纺丝部分装配纺丝模块40个，每个模块宽度0.15m，长度1.0m，模块之间的间隔0.25m；每个模块配置5针喷头30个；40个纺丝模块共享一个250升的纺丝液储罐和一套流量控制系统；产品输送系统中的环形传送带周长92m，宽度1.2m；高温电热炉长15m,宽度1.5m；收卷部分长度(含传动部分)4.0m。整个织造系统全长45.0米。纺丝部分配置纺丝模块的空间长度18m,宽度1.5m。具体实施步骤如下：
1.开启恒温恒湿系统及水淋吸收塔，将纺丝车间温度设置在18-20℃，湿度设置在50-55％；
2.开启高温炉，将温度设置为120-130℃，打开高温炉通风装置，通风量在80L/min；
3.开启自动注料装置，将储液罐加满纺丝液(质量浓度为14％尼龙66的甲酸与N-甲基吡咯烷酮(6/4)混合溶剂的溶液220L)；通过流量控制系统将纺丝液经管道输送到纺丝针尖口；开启高压电源，电压设置在55kV；开启压缩空气系统，将干燥的压缩空气经管道和喷丝头上的气孔导出，导出气流一方面为静电纺丝射流导向，使射流向下落集在产品传送带上，另一方面是吹散纺丝过程中产生的大量溶剂蒸汽。
4.开启产品输送装置，设定传送带速度为2.0m/min，将形成在传送带上的尼龙66纳米纤维非织造布送入高温炉。尼龙66纳米纤维中残留的大约8％甲酸和N-甲基吡咯烷酮在120-130℃的温度下被烘干去除。
5.将形成的尼龙66纳米纤维非织造布卷上收集辊上，传送带通过收集辊与传送带表面之间的摩擦力牵引收集辊同步滚动卷收尼龙66纳米纤维非织造布。24小时连续收集每平方米8.78克的尼龙66纳米纤维非织造布3456m2,称重30.34kg。

Claims (9)

1.一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，该系统包括纺丝部分、高温处理部分、溶剂蒸汽回收系统、恒温恒湿控制系统、产品输送系统和非织造布收卷系统；所述的纺丝部分包括针式静电纺丝系统；
所述的产品输送系统包括产品输送带、传动系统、胀紧系统和纠偏系统；其中，所述的产品输送带在垂直面内呈环形布置，并在所述的传动系统带动下呈连续、环绕式移动，其依次通过针式静电纺丝系统、高温处理部分和非织造布收卷系统，然后回头呈环形循环运转；
所述的针式静电纺丝系统位于在运转的所述产品输送带的上方，所述的产品输送带为所述的针式静电纺丝系统的纳米纤维接收器；所述的高温处理部分包括电热炉、温控系统和抽风送风系统；
所述的产品输送带从所述的针式静电纺丝系统下方接收纳米纤维，继续移动，穿过所述的高温处理部分，之后到达所述的非织造布收卷系统，向下再返回到所述的针式静电纺丝系统，形成一周循环，并连续循环下去；
所述的针式静电纺丝系统包括一个纺丝液物料供给系统、多组电纺模块、气吹系统、纤维接收系统；
所述的每个电纺模块上配置有20-40个针尖式静电纺丝喷头并呈直线排列；所述的多组电纺模块平行排列，且高度一致；
所述的纺丝液物料供给系统包括物料供给泵、物料供给管道，所述的每个电纺模块中的多个针尖式静电纺丝喷头通过所述的物料供给管道连接呈直线排列；所述的多组电纺模块通过物料供给管道汇总后连接物料供给泵，所述的针尖式静电纺丝喷头连接高压电源；
气吹系统为所述的每个电纺模块两侧配有平行的两条吹气管道与所述喷头针尖在同一水平面上，吹气管道上配有向下的吹气孔与喷头相近，吹气孔口径在1.5-3.0mm范围内，多条所述的吹气管道汇总后与气源连接；
纤维接收系统为所述的产品输送带，其与高压电源的负极或大地连接；高压电源两极间的电压在15-60kV之间。
2.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的电纺模块为30-60组；所述的电纺模块配置有独立的高压电源，电压在15-60kV之间。
3.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的纺丝液物料供给系统包括储液罐和流量控制系统和物料供给管道，其中储液罐容积在150-320L之间；流量控制系统包括齿轮流量泵和塑料管线，纺丝液供给总流量在50-500ml/min之间调节，物料供给管道为绝缘的塑料管线。
4.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的溶剂蒸汽回收系统，包括水淋吸收塔和抽风送风系统。
5.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的高温处理部分，包括高温电热炉、温控系统和抽风送风系统；所述的高温电热炉包括一组长15米，宽1.5米的电热炉，其炉腔宽度1.3米，炉腔高度0.2米，炉腔温度在50-500℃范围内；
6.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的产品输送系统，包括宽度为1.0-2.0米的钢带材料的产品输送带、胀紧系统和纠偏系统。
7.如权利要求6所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的产品输送带为不锈钢网带。
8.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的恒温恒湿控制系统，包括一组空气调节系统、空气压缩系统、抽送风系统和温度湿度探测系统。
9.如权利要求1所述的一种高压静电针纺聚酰亚胺纳米纤维的大规模连续化织造系统，其特征在于，所述的非织造布收卷系统，由一个没有自动力的气涨轴23及其固定支架组成；气涨轴通过两端可上下移动的轴承固定在安装板22上，安装板固定在高温炉后的支架上；安装板上的弹簧24压迫气涨轴紧贴在产品输送带1的表面上。
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