CN104894664A

CN104894664A - 一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置及工艺

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Publication number: CN104894664A
Application number: CN201510267946.9A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 陈明钟; 陈承涛; 秦柳; 虞华春
Original assignee: NINGBO GMF TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NINGBO GMF TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-05-23
Filing date: 2015-05-23
Publication date: 2015-09-09

Abstract

本发明涉及一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置及工艺。该装置包括动力装置，挤出装置，超临界气体发生器和熔体静电纺丝装置。其工艺为：先将聚合物加入料筒中加热至熔融状态，并与超临界气体发生器输送的超临界气体混合；然后输送到静态混合器，聚合物通过静态混合器和超临界气体形成气体/聚合物均相体系；然后送入到熔体静电纺丝装置中，然后在喷嘴和接收装置间电场以及气流通道中通入的高速热气流的作用下，将聚合物吹拉和减薄，最后沉积在接收装置上得到纤维。本发明将挤出装置和熔体静电纺丝装置相结合，能够连续、稳定制备均匀性好的纳米纤维。

Description

一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种熔体静电纺丝装置及工艺，特别是一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置及工艺，属于静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，纤维细丝的直径可以达到纳米级。

静电纺丝技术作为获得纳米纤维材料的最主要的方法之一，凭借较高的孔隙率和比表面积，在过滤材料、吸油等方面有很大的应用前景。特别是熔体静电纺丝，相比于溶液静电纺丝产业高、环境友好，但纤维直径较粗，制约其进一步发展。现有技术中，美国专利(公开号：US20090121379A1)利用热风辅助，通过热风吹拉作用，降低纤维直径，但是作用于单根纤维，效率较低。现有技术中还有的是通过在纺丝过程中添加磁场辅助，但总体而言，熔体静电纺丝尚不能大批量制备纳米纤维。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种将挤出装置和熔体静电纺丝装置相结合，能够连续、稳定制备均匀性好的纳米纤维的混合超临界气体的熔体静电纺丝装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，包括：

动力装置，动力装置输出连接到联轴器；

挤出装置，挤出装置包括料筒、料斗和安装在料筒内的螺杆，动力装置设置在料筒一端并且通过联轴器连接至螺杆，料筒上安装有料斗；

超临界气体发生器，超临界气体发生器由管道连通至料筒；

熔体静电纺丝装置，熔体静电纺丝装置上设有喷嘴，熔体静电纺丝装置连通至料筒，料筒中由料斗提供的聚合物和超临界气体发生器输送的超临界气体混合后经熔体静电纺丝装置从喷嘴中喷出。

本发明一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置将挤出装置和熔体静电纺丝装置相结合，挤出装置上还连接有动力装置和超临界气体发生器。不仅可以降低聚合物的黏度，还能通过挤出设备的连续、稳定的供料，制备出均匀性较好的纳米纤维，提高纺丝效率，可以大批量制备纳米纤维，从而促进纺丝产业化发展。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置中，挤出装置还包括温控装置、静态混合器和机头，温控装置安装在料筒侧壁，静态混合器设置在料筒的另一端，机头一端与静态混合器相连通。通过控制温控装置控制料筒中的温度将不同的聚合物加热至熔融状态，然后与超临界气体发生器输送的超临界气体混合均匀后通过螺杆输送到静态混合器中，在静态混合器中熔融聚合物和超临界气体形成气体/聚合物均相体系，从而能够降低聚合物的黏度，最终可以降低纤维的直径。而且，在纺丝过程中，由于气体容易溢出，从而还可以提高纤维表面的粗糙度和纤维的孔隙率。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置中，熔体静电纺丝装置上还设置有进料口，所述机头的另一端与进料口相连通。静态混合器中形成的气体/聚合物均相体系经与其连通的机头经与机头连通的进料口输送到熔体静电纺丝装置中，实现基础装置与熔体静电纺丝装置的连通。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置中，超临界气体发生器连接到料筒的管道上还设置有气阀和压力传感器，压力传感器安装在料筒上，气阀设置在管道上。气阀和压力传感器能够控制超临界气体发生器输送超临界气体的流量和压力，保证超临界气体与熔融聚合物在料筒中充分、均匀地混合。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置中，熔体静电纺丝装置还包括喷嘴固定架和加热丝，喷嘴安装在喷嘴固定架内，在喷嘴固定架上设置有加热丝，喷嘴内嵌有气管，在气管内开设有气流通道，喷嘴与喷嘴固定架之间设有熔体输送缝，料筒连通至熔体输送缝，喷嘴的出口端突出喷嘴固定架的端部。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置中，熔体静电纺丝装置还包括接收装置和高压发生器，接收装置位于喷嘴正下方且连接高压发生器，用于在接收装置与喷嘴之间形成电场。通过喷嘴嵌入喷嘴固定架，接收装置与高压发生器相连，在喷嘴和接收装置之间形成稳定电场，在稳定的电场的拉伸作用下，有利于制备直径均匀的纳米纤维。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置中，喷嘴固定架的端部设有内锥面，喷嘴的出口端与内锥面的锥顶平齐。

本发明另一个目的在于提供上述一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺，所述工艺主要包括以下步骤：

S1、将聚合物加入料筒中加热至熔融状态，并与超临界气体发生器输送的超临界气体混合；

S2、将上述和超临界气体混合后的熔融聚合物输送到静态混合器，聚合物通过静态混合器和超临界气体形成气体/聚合物均相体系；

S3、将上述形成的均相体系送入到熔体静电纺丝装置中，然后在喷嘴和接收装置间电场以及气流通道中通入的高速热气流的作用下，将聚合物吹拉和减薄，最后沉积在接收装置上得到纤维。

本发明熔融聚合物和超临界气体形成的气体/聚合物均相体系在电场的拉伸和高速热气流的吹送的作用下，最后沉积在接收装置上得到纤维的直径均为纳米级。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺中，超临界气体为超临界惰性气体。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺中，超临界惰性气体为超临界CO₂和超临界N₂中的一种。

在上述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺中，聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、聚烯烃共聚物、聚砜、聚苯醚中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明将挤出装置和熔体静电纺丝装置结合，保证连续、稳定供料，制备出均匀性较好的纳米纤维，提高纺丝效率，可以大批量制备纳米纤维。

2.本发明聚合物与当超临界气体混合后，能够降低聚合物的黏度，有利于制备纳米级纤维。

3.本发明在纺丝过程中，超临界气体容易溢出，从而可以提高纤维表面的粗糙度和纤维的孔隙率。

4.本发明通过喷嘴嵌入喷嘴固定架，接收装置连接高压发生器，在喷嘴和接收装置之间形成稳定电场，有利于制备直径均匀的纳米纤维。

附图说明

图1是本发明一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置的结构示意图。

图2是本发明熔体静电纺丝装置的主视图。

图中：1.动力装置，2.联轴器，3.料筒，4.料斗，5.螺杆，6.温控装置，7.压力传感器，8.气阀，9.超临界气体发生器，10.静态混合器，11.机头，12.喷嘴固定架，13.定位孔，14.接收装置，15.气流通道，16.气管，17.喷嘴，18.进料口，19.熔体输送缝隙，20.内锥面。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示，本发明一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，包括：动力装置1，挤出装置，超临界气体发生器9和熔体静电纺丝装置。

其中，挤出装置包括料筒3和安装在料筒3内的螺杆5，动力装置1通过联轴器2连接至螺杆5，料筒3上安装有料斗4。超临界气体发生器9连通至料筒3。熔体静电纺丝装置上设有喷嘴17，熔体静电纺丝装置连通至料筒3，料筒3中由料斗4提供的聚合物和超临界气体发生器9输送的超临界气体混合后经熔体静电纺丝装置从喷嘴17中喷出。

进一步地，动力装置1可以为电机、马达中的一种。

进一步地，挤出装置还包括温控装置6、静态混合器10和机头11，温控装置6安装在料筒3侧壁，静态混合器10设置在挤出装置的背离动力装置1的一端，机头11一端与静态混合器10连通。

进一步地，温控装置6可以为一个也可以为多个组成的阵列。

进一步地，熔体静电纺丝装置上还设置有进料口18，机头11的另一端与进料口18相连通。

进一步地，超临界气体发生器9连接到料筒3的管道上还设置有气阀8，气阀8连接至压力传感器7，压力传感器7安装在料筒3上。

进一步地，熔体静电纺丝装置还包括喷嘴固定架12，喷嘴17安装在喷嘴固定架12内，在喷嘴固定架12外表面嵌有加热丝，喷嘴17内嵌有气管16，气管16从上往下嵌入喷嘴17并通过定位孔13定位和固定，在气管16内开设有气流通道15，喷嘴17与喷嘴固定架12之间设有熔体输送缝19，料筒3连通至熔体输送缝19，喷嘴17的出口端突出喷嘴固定架12的端部。

进一步地，熔体静电纺丝装置还包括接收装置14，接收装置位于喷嘴17正下方且连接高压发生器，喷嘴固定架12接地，用于在接收装置14与喷嘴17之间形成电场。

进一步地，喷嘴固定架12的端部设有内锥面20，喷嘴17的出口端与内锥面20的锥顶平齐。

本发明应用上述一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置的纺丝工艺的具体过程如下：

S1、将聚合物通过料斗4加入料筒3中，料筒3中的聚合物通过温控装置6加热至熔融状态，并与超临界气体发生器9输送的超临界气体混合；

S2、然后动力装置1通过联轴器2驱动螺杆5，螺杆5将上述和超临界气体混合后的熔融聚合物输送到静态混合器10中，聚合物通过静态混合器10和超临界气体形成气体/聚合物均相体系；

S3、然后，将上述形成的均相体系通过机头11经进料口18送入到熔体静电纺丝装置中，通过熔体输送缝隙19到达内锥面20，然后在喷嘴17和接收装置14间电场以及气流通道15中通入的高速热气流的作用下，聚合物得到吹拉和减薄，最后沉积在接收装置14上得到纤维。

进一步地，超临界气体为超临界惰性气体。

进一步地，超临界惰性气体为超临界CO₂和超临界N₂中的一种。

进一步地，聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、聚烯烃共聚物、聚砜、聚苯醚中的一种。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims

1.一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，包括：

动力装置，所述动力装置输出连接到联轴器；

挤出装置，所述挤出装置包括料筒、料斗和安装在料筒内的螺杆，所述动力装置设置在料筒一端并且通过联轴器连接至螺杆，所述料筒上安装有料斗；

超临界气体发生器，所述超临界气体发生器由管道连通至料筒；

熔体静电纺丝装置，所述熔体静电纺丝装置上设有喷嘴，所述熔体静电纺丝装置连通至料筒，所述料筒中由料斗提供的聚合物和超临界气体发生器输送的超临界气体混合后经熔体静电纺丝装置从喷嘴中喷出。

2.根据权利要求1所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述挤出装置还包括温控装置、静态混合器和机头，所述温控装置安装在料筒侧壁，所述静态混合器设置在料筒的另一端，所述机头一端与静态混合器相连通。

3.根据权利要求2所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述熔体静电纺丝装置上还设置有进料口，所述机头的另一端与进料口相连通。

4.根据权利要求1所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述超临界气体发生器连接到料筒的管道上还设置有气阀和压力传感器，所述压力传感器安装在料筒上，所述气阀设置在管道上。

5.根据权利要求1所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述熔体静电纺丝装置还包括喷嘴固定架和加热丝，所述喷嘴安装在喷嘴固定架内，在喷嘴固定架上设置有加热丝，所述喷嘴内嵌有气管，在气管内开设有气流通道，所述喷嘴与喷嘴固定架之间设有熔体输送缝，所述料筒连通至熔体输送缝，所述喷嘴的出口端突出喷嘴固定架的端部。

6.根据权利要求5所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述熔体静电纺丝装置还包括接收装置和高压发生器，所述接收装置位于喷嘴正下方且连接高压发生器，用于在接收装置与喷嘴之间形成电场。

7.根据权利要求5或6所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述喷嘴固定架的端部设有内锥面，喷嘴的出口端与内锥面的锥顶平齐。

8.一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺，其特征在于，所述工艺主要包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺，其特征在于，所述超临界气体为超临界惰性气体，所述超临界惰性气体为超临界CO₂和超临界N₂中的一种。

10.根据权利要求8所述的一种混合超临界气体的熔体静电纺丝工艺，其特征在于，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、聚烯烃共聚物、聚砜、聚苯醚中的一种。