CN104532368A - 一种装卸式可调长梭型溶液喷射纺丝喷嘴及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴,包括气流入口支管A、气流入口支管B、橡胶塞套、针头、长梭型气流管道和喷嘴出口调节装置,所述的气流入口支管A和气流入口支管B按一定角度与长梭型气流管道相连通;所述的橡胶塞套固定在气流入口支管A和气流入口支管B之间且可调节针头探出出口距离;所述的长梭型气流管道按一定长径比收缩;所述的喷嘴出口调节装置可调节出口处截面积。与其它液喷喷嘴相比,本发明专利可方便装卸,有效调节液喷纺丝中气流场的变化及液喷纺丝中的相关工艺参数,利于改善纤维所处的牵伸气流场,从而方便获取微纳米纤维。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米纺丝技术领域,尤其涉及一种微纳米纤维的溶液喷射纺丝模头。
背景技术
亚微米至纳米级的超细纤维具有尺寸小、比表面积高、纤维膜孔径小、孔隙率高等特性,其制成的材料,可广泛应用于医用材料、精细过滤材料、吸油材料、保暖材料、电池隔板以及空气净化等各个领域。由于微纳米纤维制成的材料具有良好而广阔的应用前景,其制备技术成为国内外的研究热点。
目前,大多数微纳米纤维是通过静电纺丝及熔喷纺丝等技术制备的。早在1934年,美国发明专利(US1975504)指出电场力进行纺丝,其核心是在电场力的高速拉伸作用下进行。静电纺丝工艺工程中大多采用单针头或多针头设备,通常每一个针头产生一个泰勒锥,喷射一股射流,导致微纳米纤维产量低,从而成为制约静电纺丝的瓶颈。虽然美国专利(US6616435B2, US6713011B2)设计了多喷头连续静电纺丝装置,其喷嘴的排列型式有单排直线式,也有多排矩阵式。但是在多喷头静电纺丝系统中,周边喷头喷射出的射流因受到相邻喷头带有同种电荷射流的静电排斥,导致周边喷头喷出的纳米纤维飞散,使电场纺丝过程变得难以控制。
熔喷法是目前已商业化制备微纳米纤维技术方法,其相关技术文献主要包括美国专利(US3959421,US5075068),该方法是将聚合物熔体经喷丝板挤出后,经两股高速高温的热空气进行牵伸而细化成超细纤维。在该纺丝过程中需要熔融的聚合物流体,对其流动性能要求较高,而所需的高速高温的热空气,其耗能较大,且纺出的纤维直径在1μm以上。基于静电纺丝和熔喷技术,聚合物溶液喷射纺丝(液喷)新技术逐渐发展起来。液喷纺丝工艺是将聚合物溶解在一种溶剂中制成纺丝溶液,再经挤出装置输送到喷丝板,使纺丝溶液从喷丝板的喷丝孔中挤出,形成喷丝溶液细流;然后再有高速喷射气流拉伸细化,使纺丝溶液中的溶剂挥发,从而形成微纳米纤维。中国专利ZL201110041792.3指出该方法是利用多股收敛的高速气流对成纤聚合物溶液射流进行超细拉伸并使之脱溶剂化生成纳米纤维。中国专利ZL201410150476.3采用多级气流腔进行气流分配,以期获得规模化生产的液喷纺丝模头。该模头设计复杂,模头固定,工艺参数调节困难,同时由于该模头为每个溶液挤出细流提供单独的环形牵伸气流,气流与喷丝孔平行排列,如果气流之间发生了干扰,难以改进参数工艺或调节各个气流喷嘴,从而造成纺丝不均匀或并丝现象。液喷喷嘴的研究文献较少,已有的文献报道主要《Solution blow spinning: A new method to produce micro- and nanofibers from polymer solutions》(Medeiros E S, Glenn G M, Klamczynski A P, et al, Journal of Applied Polymer Science[J]. 2009, 113(4): 2322-2330.)和《Nanofibers from Scalable Gas Jet Process》(Benavides R E, Jana S C, Reneker D H,ACS Macro Letters[J],2012, 1(8): 1032-1036.)等有所涉及。这些已有的文献研究表明液喷纺丝中气流场与针头探出距离和喷嘴形状密切相关,但报道的溶液喷丝喷嘴主要是环形喷嘴、圆盘形喷嘴等,普遍采用固定式喷嘴,其喷嘴结构参数不易调节。不利于改善纤维牵伸的气流场及相关的纺丝工艺参数,弱化了纤维拉伸细化所受到的牵伸力,最终影响纤维的制备。
发明内容
一种基于以上技术的不足,本发明专利提出了一种装卸式可调长梭型溶液喷射纺丝喷嘴,该装置不仅可以调节液喷纺丝中气流场的变化和相关工艺参数,而且能方便装卸,利于改善纤维所处的牵伸气流场,从而可方便获取微纳米纤维。
本发明是通过以下技术方案来实现的:一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴,包括气流入口支管A、气流入口支管B、橡胶塞套、针头、长梭型气流管道和喷嘴出口调节装置,其特征在于,所述橡胶塞套同轴固定在长梭型气流管道的入口端上,所述的气流入口支管A和气流入口支管B均与长梭型气流管道相贯通,且分布在橡胶塞套两侧,所述的气流入口支管A和气流入口支管B的长径比可根据针头的长径比改变,所述针头插入橡胶塞套,橡胶塞套可插入不同直径的针头并可调节针头在出口处的位置,所述的长梭型气流管道出口端设置喷嘴出口调节装置。
所述气流入口支管A和气流入口支管B对称分布在橡胶塞套两侧,并与橡胶塞套形成角度,为防止角度太小气流难以汇聚,不利于纤维牵伸;同时角度也不可太大,防止气流在通道中衰减,不利于纤维的牵伸,所以该角度在15°-60°之间。
所述的橡胶塞套直径为可变参数,针头可以在橡胶塞套中来回收缩且能确保气密性。
所述的长梭状气流管道的直径为中部最大,并逐渐缩小至出口处,便于对进入的气流进行汇聚,且防止带有夹角的气流速度在空腔中出现环流的现象。
本发明的使用方法包括下列步骤:
步骤一:将一定量的高分子聚合物溶解于溶液或去离子水中,得到高分子聚合物溶液;
步骤二:将针头贯穿喷嘴出口调节装置,并插入橡胶塞套,其针头探出喷嘴出口调节装置的位置可调;
步骤三:经微型注射器将高分子聚合物挤入针头中;
步骤四:将空压机的气流管道与气流入口支管A和气流入口支管B相连接,并通过空压机的气流调节阀调节气流大小及出口处面积,开始液喷纺丝;
步骤五:最后采用接收装置接受生成的微纳米纤维。
所述的步骤一中,所述高分子聚合物为聚氧化乙烯或聚环氧乙烷或聚乳酸或聚羟基丁酸戊酸共聚酯,分子量为10万-100万。
所述的步骤二中,所述针头探出喷嘴出口调节装置的长度为2-5mm。
所述的步骤三中,气流调节阀将气流压强调节为1.2-1.6Mpa。
与现有液喷纺丝喷嘴设备相比,本发明专利的有益效果是该喷嘴装置方便装卸,安装调试方便,可提高液喷纺丝效率;利于便捷调节纺丝针头的长径比、针头的探出距离、喷嘴面积等重要纺丝工艺参数,可改变喷嘴结构参数,调整纤维所处的牵伸气流场,便于液喷微纳米纤维的制备。
附图说明
下列结合附图和实施例对本发明专利进一步说明:
图1 液喷纺丝工艺流程示意图;
图2 本发明专利的液喷纺丝喷嘴结构图;
图3喷嘴出口调节装置处纵剖面结构图;
图4 PEO纤维SEM图片;
图5 PAN纤维SEM图片;
其中1-空压机,2-微型注射器,3-气流阀,4-装卸式可调长梭型溶液喷射纺丝喷嘴,5-接收装置,6-气流入口支管A,7-橡胶塞套,8-气流入口支管B,9-长梭型气流管道,10-喷嘴出口调节装置,11-针头。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示,本发明的一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴,包括气流入口支管A6、气流入口支管B8、橡胶塞套7、针头11、长梭型气流管道9和喷嘴出口调节装置10,其特征在于,所述橡胶塞套7同轴固定在长梭型气流管道9的入口端上,所述的气流入口支管A6和气流入口支管B8均与长梭型气流管道10相贯通,且分布在橡胶塞套7两侧,所述的气流入口支管A6和气流入口支管B8的长径比可根据针头11的长径比改变,所述针头11插入橡胶塞套7,橡胶塞套7可插入不同直径的针头11并可调节针头11在出口处的位置,所述的长梭型气流管道8出口端设置喷嘴出口调节装置10。
所述气流入口支管A6和气流入口支管B8对称分布在橡胶塞套7两侧,并与橡胶塞套7形成角度,为防止角度太小气流难以汇聚,不利于纤维牵伸;同时角度也不可太大,防止气流在通道中衰减,不利于纤维的牵伸,所以该角度在15°-60°之间。
所述的橡胶塞套7直径为可变参数,针头11可以在橡胶塞套7中来回收缩且能确保气密性。
所述的长梭状气流管道9的直径为中部最大,并逐渐缩小至出口处,便于对进入的气流进行汇聚,且防止带有夹角的气流速度在空腔中出现环流的现象。
实施例1
将聚环氧乙烷(PEO,分子量50万)8g溶解于92mL去离子水中,在常温水浴中搅拌配制成质量浓度为8%透明无沉淀的聚合物纺丝液,并将其放进微型注射器2中,将针头11插入橡胶塞套7,经微型注射器2将聚合物纺丝液挤入针头11,打开空压机1,设置气流入口支管A6和气流入口支管B8夹角为45°,针头11半径为0.8cm,装卸式喷嘴出口面积为3.14cm2,调节气流阀3到1.3 Mpa,针头11探出出口处距离为0.4cm,制得微纳米纤维,纤维直径分布在800nm~3000nm之间,见图4。
实施例2
将聚丙烯腈(PAN,分子量7万)15g溶解于85g二甲基乙酰胺中,在60度水浴中搅拌配制成质量浓度为15%透明无沉淀的聚合物纺丝液,并将其放进微型注射器2中,将针头11插入橡胶塞套7,经微型注射器2将聚合物纺丝液挤入针头11,打开空压机1,设置气流入口支管A6和气流入口支管B8夹角为15°,针头11半径为0.6cm,调节装卸式喷嘴出口面积为3.0 cm2,调节气流阀3至1.2-1.4 Mpa,针头探出出口处距离为0.5cm,制得PAN微纳米纤维,纤维直径分布在400nm~1200nm之间,见图5。
实施例3
将聚乳酸(PLLA,相对分子质量为1.0×105)19.7g溶解于200mL去离子水中,在常温水域中搅拌配制成质量浓度为9%透明无沉淀的聚合物纺丝液,并将其放进微型注射器2中,将针头11插入橡胶塞套7,经微型注射器2将聚合物纺丝液挤入针头11,打开空压机1,设置气流入口支管A6和气流入口支管B8夹角为30°,针头半径为0.6cm,调节装卸式喷嘴出口面积为3.14 cm2,调节气流阀3至1.5 Mpa,针头11探出出口处距离为0.6cm,制得PLLA微纳米纤维,纤维直径分布在300nm~1500nm之间。
实施例4
将聚羟基丁酸戊酸共聚酯PHBV溶解于体积比为2:1~8:1的三氯甲烷/丙酮溶液中,搅拌均匀,得到PHBV质量百分比为5~15%的PHBV/三氯甲烷/丙酮混合溶液,并将其放进微型注射器2中,将针头11插入橡胶塞套7,经微型注射器2将聚合物纺丝液挤入针头11,打开空压机1,设置气流入口支管A6和气流入口支管B8夹角为30°,针头11半径为0.6cm,调节装卸式喷嘴出口面积为3cm2,针头11探出出口处距离为0.4cm,调节气流阀3至1.2-1.4 Mpa,制得PHBV微纳米纤维,纤维直径分布在300nm~1500nm之间。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何不经过创造性劳动想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴,包括气流入口支管A、气流入口支管B、橡胶塞套、针头、长梭型气流管道和喷嘴出口调节装置,其特征在于,所述橡胶塞套同轴固定在长梭型气流管道的入口端上,所述的气流入口支管A和气流入口支管B均与长梭型气流管道相贯通,且分布在橡胶塞套两侧,所述针头插入橡胶塞套,所述的长梭型气流管道出口端设置喷嘴出口调节装置。
2.根据权利要求1所述的一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴,其特征在于:所述气流入口支管A和气流入口支管B对称分布在橡胶塞套两侧,并与橡胶塞套形成角度,其角度在15°-60°之间。
3.根据权利要求1所述的一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴,其特征在于:所述的长梭状气流管道的直径为中部最大,并逐渐缩小至出口处。
4.一种应用权利要求1所述的装卸式可调长梭型液喷喷嘴的使用方法,其特征在于:包括下列步骤:
步骤一:将一定量的高分子聚合物溶解于溶液或去离子水中,得到高分子聚合物溶液;
步骤二:将针头贯穿喷嘴出口调节装置,并插入橡胶塞套,其针头探出喷嘴出口调节装置的位置可调;
步骤三:经微型注射器将高分子聚合物挤入针头中;
步骤四:将空压机的气流管道与气流入口支管A和气流入口支管B相连接,并通过空压机的气流调节阀调节气流大小及出口处面积,开始液喷纺丝;
步骤五:最后采用接收装置接受生成的微纳米纤维。
5.根据权利要求4所述的一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴使用方法,其特征在于:所述的步骤一中,所述高分子聚合物为聚氧化乙烯或聚环氧乙烷或聚乳酸或聚羟基丁酸戊酸共聚酯,分子量为10万-100万。
6.根据权利要求4所述的一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴使用方法,其特征在于:所述的步骤二中,所述针头探出喷嘴出口调节装置的长度为2-5mm。
7.根据权利要求4所述的一种装卸式可调长梭型液喷喷嘴使用方法,其特征在于:所述的步骤三中,气流调节阀将气流压强调节为1.2-1.6Mpa。
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Legal Events
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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CB02 | Change of applicant information | ||
GR01 | Patent grant | ||
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