CN104963006A - 一种基于发泡的熔体电纺纤维 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于发泡的熔体电纺纤维，属于静电纺丝领域。该熔体电纺纤维的制备工艺主要包括：先在聚合物中溶入超临界气体形成过饱和状态，后经发泡为微孔聚合物；然后将经过发泡后的微孔聚合物经过纺丝装置制备得到熔体电纺纤维。本发明将聚合物和超临界状态下的惰性气体混合后，能够降低聚合物的黏度，从而降低制备得到的纤维的直径。而在纺丝过程中，气体容易溢出，从而还能够提高纤维表面的粗糙度和纤维的孔隙率。

Description

一种基于发泡的熔体电纺纤维

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝纤维，尤其涉及一种基于发泡的熔体电纺纤维，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因其环境友好、无需溶剂等优点更是受到广泛的关注，但是纤维直径过粗、孔隙率不够高制约其进一步的发展。

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，提出了一种能降低纤维的直径、制备出高孔隙率的纤维膜的基于发泡的熔体电纺纤维。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于发泡的熔体电纺纤维，该熔体电纺纤维的制备工艺主要包括以下步骤：

S1、在聚合物中溶入超临界气体形成过饱和状态，后经发泡为微孔聚合物；

S2、将上述经过发泡后的微孔聚合物经过纺丝装置制备得到熔体电纺纤维。

本发明先在聚合物中溶入超临界气体形成过饱和状态，后经发泡得到微孔聚合物，降低了聚合物的黏度，从而可以降低制备得到的纤维的直径，提高纤维表面的粗糙度和纤维的孔隙率。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，步骤S1中微孔聚合物通过间歇成型法或连续挤出成型法中的一种成型得到。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，间歇成型法在间歇成型装置中进行，歇成型装置包括用于浸置聚合物的密封容器、连通密封容器的超临界气体发生器Ⅰ和设置有温控装置Ⅰ的发泡装置。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，应用间歇成型装置的间歇成型法的具体工艺为：将聚合物浸置密封容器中溶入超临界气体发生器Ⅰ输送到密封容器中的超临界气体形成过饱和状态，然后将过饱和状态的聚合物经发泡装置发泡后得到微孔聚合物。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，过饱和状态的聚合物在发泡装置中的发泡方式为采用热甘油浴加热、水浴加热或烘箱加热中的一种进行加热发泡。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，连续挤出成型法在挤出装置中进行，挤出装置包括设置有料筒Ⅱ的挤出机、超临界气体发生器和静态混合器，静态混合器设置在挤出机的一端与料筒Ⅱ连通，超临界气体发生器连通至料筒Ⅱ。

本发明连续挤出成型法在挤出装置中进行，将挤出装置和熔体静电纺丝装置结合，挤出装置可以连续、稳定的给熔体静电纺丝装置供料，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。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，应用挤出装置的连续挤出成型法的具体工艺为：将聚合物加入料筒Ⅱ中溶入超临界气体发生器输送到料筒Ⅱ中的超临界气体形成过饱和状态，然后将过饱和状态的聚合物输送到静态混合器中经发泡得到微孔聚合物。

本发明挤出装置通过控制温控装置控制料筒Ⅱ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Ⅱ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发泡后的微孔聚合物，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。

此外，本发明挤出装置中与超临界气体发生器Ⅱ连接的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。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，步骤S2中纺丝装置为熔体静电纺丝装置，熔体静电纺丝装置包括料筒Ⅰ和喷嘴，喷嘴设置在料筒Ⅰ的下端，喷嘴中还设有毛细管且毛细管的出口端延伸到喷嘴外。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，熔体静电纺丝装置还包括接收装置和高压发生器，接收装置位于毛细管正下方，高压发生器连接在接收装置上用于在接收装置与毛细管之间形成电场。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，应用熔体静电纺丝装置制备熔体电纺纤维的具体工艺为：将步骤S1中经过发泡后的微孔聚合物输送至料筒Ⅰ中，然后经过喷嘴，在高压发生器产生的电场作用下，在毛细管下端经过电场拉伸，最后沉积在接收装置上得到纤维。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，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。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，超临界气体为超临界惰性气体。

在上述的一种基于发泡的熔体电纺纤维中，超临界惰性气体为超临界CO₂和超临界N₂中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明将聚合物和超临界状态下的惰性气体混合后，能够降低聚合物的黏度，从而降低制备得到的纤维的直径。

2.本发明经过发泡后的微孔聚合物在纺丝过程中，气体容易溢出，从而能够提高纤维表面的粗糙度和纤维的孔隙率。

3.本发明将挤出装置和熔体静电纺丝装置结合，挤出装置可以连续、稳定的给熔体静电纺丝装置供料，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。

4.本发明通过将接收装置连接高压发生器，使接收装置与毛细管之间形成稳定电场，有利于制备直径均匀的纳米纤维。

附图说明

图1是本发明的熔体电纺装置的结构示意图；

图2是本发明的间歇成型装置示意图；

图3是本发明挤出装置的结构示意图。

图中：1.柱塞，2.料筒Ⅰ，3.控温装置，4.喷嘴，5.毛细管，6.接收装置，7.高压发生器，8.密封容器，9.聚合物，10.发泡装置，11.动力装置，12.联轴器，13.料筒Ⅱ，14.料斗，15.螺杆，16.温控装置Ⅱ，17.压力传感器，18.气阀，19.超临界气体发生器Ⅱ，20.静态混合器，21.机头，22.超临界气体发生器Ⅰ，23.温控装置Ⅰ。

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所示，本发明熔体静电纺丝装置包括料筒Ⅰ2和喷嘴4，喷嘴4设置在料筒Ⅰ2的下端，喷嘴4中还设有毛细管5且毛细管5的出口端延伸到喷嘴4外。

进一步地，本发明熔体静电纺丝装置还包括接收装置6和高压发生器7，接收装置6位于毛细管5正下方，高压发生器7连接在接收装置6上用于在接收装置6与毛细管5之间形成电场。

进一步地，本发明熔体静电纺丝装置还包括控温装置3和柱塞1。柱塞1和料筒Ⅰ2滑动配合，毛细管5与料筒Ⅰ2中供柱塞1滑动配合的腔体连通。控温装置3安装在料筒Ⅰ2侧壁。

进一步地，控温装置3为一个或多个组成的阵列。

如图2所示，本发明间歇成型装置包括用于浸置聚合物9的密封容器8和连通密封容器8的超临界气体发生器22，还包括设置有温控装置23的发泡装置10。

进一步地，温控装置23为一个或多个组成的阵列。

如图3所示，本发明挤出装置包括料筒Ⅱ13、超临界气体发生器19和静态混合器20，静态混合器20设置在挤出装置的一端与料筒Ⅱ13连通，超临界气体发生器19连通至料筒Ⅱ13。

进一步地，本发明挤出装置还包括动力装置11、联轴器12、料斗14、螺杆15、温控装置16、压力传感器17、气阀18和机头21。螺杆15安装在料筒Ⅱ13内，动力装置11通过联轴器12连接至螺杆15，动力装置11和静态混合器20分别设置在基础装置的两端，料斗14安装在料筒Ⅱ13上，温控装置16安装在料筒Ⅱ13侧壁，超临界气体发生器19连通至料筒Ⅱ13的管道上还设置有气阀18，气阀18连接至压力传感器17，压力传感器17安装在料筒Ⅱ13上。

进一步地，温控装置16为一个或多个组成的阵列。

进一步地，动力装置11可以为电机、马达中的一种。

实施例1：

聚合物为聚丙烯，微孔聚合物通过间歇成型法成型得到。

如图1和图2所示，将聚合物9浸置密封容器8中，通过超临界气体发生器Ⅰ22向密封容器8中输送超临界气体，溶入聚合物中使聚合物形成过饱和状态，然后将过饱和状态的聚合物从密封容器8取出，输送到发泡装置10中经发泡后得到微孔聚合物。其中，发泡装置10中的发泡方式采用热甘油浴加热，浴池的温度由温控装置Ⅰ23控制。

然后将上述经过发泡后的微孔聚合物输送至料筒Ⅰ2中，柱塞1置于微孔聚合物上端，通过位移驱动器使柱塞1在料筒Ⅰ2中运动，同时通过控温装置3控制料筒Ⅰ2的温度，使料筒Ⅰ2中的微孔聚合物熔化，熔化后的微孔聚合物在自身重力和柱塞1的作用下，经过喷嘴4，受到高压发生器产生的电场作用下，在毛细管5下端产生泰勒锥，通过电场拉伸，最后沉积在接收装置6上得到纤维。

实施例2与实施例1的区别仅在于发泡装置10中的发泡方式采用水浴加热。

实施例3与实施例1的区别仅在于发泡装置10中的发泡方式采用烘箱加热。

实施例4：

聚合物为聚丙烯，微孔聚合物通过连续挤出成型法成型得到。

如图1和图3所示，将聚合物通过料斗14加入料筒Ⅱ13中，通过温控装置Ⅱ16加热至熔融状态，并与超临界气体发生器Ⅱ19输送的超临界气体混合形成过饱和状态，超临界气体的流量和压力通过气阀18和压力传感器17控制。然后动力装置11通过联轴器12驱动螺杆15，螺杆15将和过饱和状态的熔融聚合物输送到静态混合器20中，经发泡后得到微孔聚合物。

然后将上述经过发泡后的微孔聚合物从机头21输送到熔体静电纺丝装置的料筒Ⅰ2中，柱塞1置于微孔聚合物上端，通过位移驱动器使柱塞1在料筒Ⅰ2中运动，同时通过控温装置3控制料筒Ⅰ2的温度，使料筒Ⅰ2中的微孔聚合物保持熔融状态，熔融状态的微孔聚合物在自身重力和柱塞1的作用下，经过喷嘴4，受到高压发生器产生的电场作用下，在毛细管5下端产生泰勒锥，通过电场拉伸，最后沉积在接收装置6上得到纤维。

实施例5-8与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚乙烯。

实施例9-12与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚乙烯醇。

实施例13-16与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚氯乙烯。

实施例17-20与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚苯乙烯。

实施例21-24与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚甲醛。

实施例25-28与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚碳酸酯。

实施例29-32与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚酰胺。

实施例33-36与实施例1-4的区别仅在于聚合物为丙烯酸类塑料。

实施例37-40与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚烯烃共聚物。

实施例41-44与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚砜。

实施例45-48与实施例1-4的区别仅在于聚合物为聚苯醚。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。

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 (10)

1.一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，所述熔体电纺纤维的制备工艺主要包括以下步骤：

S1、在聚合物中溶入超临界气体形成过饱和状态，后经发泡为微孔聚合物；

S2、将上述经过发泡后的微孔聚合物经过纺丝装置制备得到熔体电纺纤维。

2.根据权利要求1所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，步骤S1中所述微孔聚合物通过间歇成型法或连续挤出成型法中的一种成型得到。

3.根据权利要求2所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，所述间歇成型法在间歇成型装置中进行，所述间歇成型装置包括用于浸置聚合物的密封容器、连通密封容器的超临界气体发生器Ⅰ和设置有温控装置Ⅰ的发泡装置。

4.根据权利要求3所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，所述应用间歇成型装置的间歇成型法的具体工艺为：将聚合物浸置密封容器中溶入超临界气体发生器Ⅰ输送到密封容器中的超临界气体形成过饱和状态，然后将过饱和状态的聚合物经发泡装置发泡后得到微孔聚合物。

5.根据权利要求2所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，所述连续挤出成型法在挤出装置中进行，所述挤出装置包括设置有料筒Ⅱ的挤出机、超临界气体发生器Ⅱ和静态混合器，所述静态混合器设置在挤出机的一端与料筒Ⅱ连通，所述超临界气体发生器连通至料筒Ⅱ。

6.根据权利要求5所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，所述应用挤出装置的连续挤出成型法的具体工艺为：将聚合物加入料筒Ⅱ中溶入超临界气体发生器Ⅱ输送到料筒Ⅱ中的超临界气体形成过饱和状态，然后将过饱和状态的聚合物输送到静态混合器中经发泡得到微孔聚合物。

7.根据权利要求1所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，步骤S2中所述纺丝装置为熔体静电纺丝装置，所述熔体静电纺丝装置包括料筒Ⅰ和喷嘴，所述喷嘴设置在料筒Ⅰ的下端，所述喷嘴中还设有毛细管且毛细管的出口端延伸到喷嘴外。

8.根据权利要求7所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，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，所述接收装置位于毛细管正下方，所述高压发生器连接在接收装置上用于在接收装置与毛细管之间形成电场。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，其特征在于，所述应用熔体静电纺丝装置制备熔体电纺纤维的具体工艺为：将步骤S1中经过发泡后的微孔聚合物输送至料筒Ⅰ中，然后经过喷嘴，在高压发生器产生的电场作用下，在毛细管下端经过电场拉伸，最后沉积在接收装置上得到纤维。

10.根据权利要求1所述的一种基于发泡的熔体电纺纤维，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。