CN105040121A - 一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置和方法。首先配置聚合物溶液，设定交变射流的频率参数，在溶液储存腔中注入溶液，打开气流输入单元，再打开聚合物溶液输入单元，让溶液细流从喷丝孔被挤出，喷出的溶液细流在交变射流发生单元产生的交变射流冲击拉伸下，凝聚到纺丝接收成网装置上形成纤维网。与现有技术相比，本发明主要通过交变射流产生共振作用，达到进一步细化最终纤维的目的，纤维直径更细以及纤维网均匀度更好。本发明的另一个特点是更加节能环保，且操作方便。
Description
技术领域
本发明属于微纳米纤维的制作领域，尤其是涉及一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置和方法。
背景技术
液喷非织造纺丝成网技术是一种新型纺丝成网技术。该技术以聚合物溶液为原料，运用高速空气射流对从喷丝孔挤出的聚合物溶液细流进行冲击，使溶液细流直径迅速减小，同时溶剂快速挥发，成为微纳米纤维，凝聚在接收装置上形成纤维网。液喷非织造纺丝成网技术产生于2009年，是介于熔喷非织造纺丝成网技术和静电纺丝成网技术之间的技术。对于一些不能用熔喷技术纺丝的聚合物，如熔点较高或高温下容易降解的聚合物，液喷技术可以进行纺丝；液喷纺丝技术可以根据产量的要求增加纺丝头的数量，容易进行产业化推广。目前，液喷非织造纺丝成网技术所制得的最终纤维直径为微纳米级，介于熔喷技术纤维和静电纺丝技术纤维直径之间。在液喷非织造纺丝成网技术中，按照空气射流的特点，分为两种技术形式，环形射流作用形式和双槽气流作用形式。环形气流作用形式，是指高速空气射流只有一股，该股射流环绕着聚合物细流；双槽气流作用形式，是指高速空气射流分为两股，对称分布在聚合物细流的两边。在双槽气流的液喷非织造纺丝成网技术中，由于高速空气射流的非稳定特性，使得两股空气射流冲击聚合物溶液细流时不完全稳定，而使溶液细流产生一定的不稳定性鞭动。液喷技术实践表明，溶液细流的一定程度的不稳定性鞭动，有利于溶液细流的进一步细化。如果将两股空气射流形式设计成非连续交替变化形式，通过改变空气射流交替变化频率来控制溶液细流的鞭动程度，当空气射流的交变频率和溶液细流鞭动的固有频率相近或相同时，达到共振作用，空气射流冲击拉伸细化溶液细流的程度达到最大，从而得到符合设计要求的进一步细化的最终纤维。交变射流与连续稳定气流最大的区别是气流方向交替变化，这种变化气流具有节约空气动力能源、改变气流作用形式和提高气流作用效果的优点。目前，还没有交变射流的方法来细化液喷技术最终纤维的方法和装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，包括聚合物溶液输入单元、气流输入单元、交变射流发生单元和液喷非织造纺丝单元，所述液喷非织造纺丝单元分别与聚合物溶液输入单元和交变射流发生单元相连接，所述的交变射流发生单元还与气流输入单元相连接，所述的液喷非织造纺丝单元包括溶液压力推动装置、溶液储存腔、空气射流槽及纺丝接收成网装置，所述的溶液储存腔与聚合物溶液输入单元连接，所述的溶液储存腔下方开设喷丝孔，所述的溶液压力推动装置与溶液储存腔连接，推动溶液储存腔内溶液由喷丝孔喷出，所述的空气射流槽设置在喷丝孔周围，且与交变射流发生单元连接，所述的纺丝接收成网装置设置在喷丝孔下方，溶液细流从喷丝孔被挤出，喷出的溶液细流在交变射流冲击拉伸下，凝聚到纺丝接收成网装置上形成纤维网。
所述的交变射流发生单元包括交变射流发生器及与交变射流发生器连接并控制交变射流发生器的控制器。交变射流发生单元作用是将连续和常压的空气射流分成两股(也可以设计分成多股)输出，这输出的两股(或多股)呈一定的频率交替改变方向。
所述的交变射流发生器为电磁换向阀，通过电磁换向阀控制空气射流槽空气通道的规律性开启与闭合，实现空气射流的交替换向变化。
所述的交变射流发生器为管状组合件，包括空管和芯子，所述的空管上设有多个交变射流的输出口，所述的芯子套设在空管内，芯子的上部转动时堵住部分交变射流的输出口，所述的空管上端连接气流输入单元，多个交变射流的输出口分别连接空气射流槽；所述的芯子连接变频调速马达，变频调速马达与PC控制器连接，通过变频调速马达带动芯子转动，实现空气射流的交替换向变化。
所述的芯子，可以是实心的，也可以是空心的，其结构可以是上部半圆柱体、下部完整圆柱体的结构，也可以是整个的半圆柱体结构，还可以是斜面圆柱体结构。
所述的交变射流的输出口与空气射流槽的个数均为两个。
所述的聚合物溶液输入单元为容纳聚合物溶液的溶液容器，其作用是提供液喷纺丝的溶液原料，所述的气流输入单元包括空气源和压力表，作用是提供持续一定压力的空气射流源。
本发明装置实际操作过程如下(交变射流发生单元以交变射流发生器为管状组合件为例)：
(1)溶液配置和参数设定
根据设计要求将聚合物材料溶于一定溶剂中，制成一定浓度的溶液，注入纺纱装置中，然后，根据交变频率需要设计变频调速马达的转速，将速度值输入PC控制机。
(2)开机纺纱
打开气流输入单元，让空气射流从两个空气射流槽射出，再打开溶液输出单元，让溶液细流以一定速度从喷丝孔被挤出。此时，溶液细流被两个空气射流槽的射流冲击，被快速拉伸细化，同时溶剂挥发，细流很快成为纤维，凝聚到纺丝接收成网装置上成为纤维网。然后，开启PC控制机和相应的微型变频调速马达，带动交变射流发生器的芯子以一定的速度旋转，使得交变射流发生器流出的两股空气发生交替通断变化，导致空气射流对溶液细流的冲击作用发生周期性鞭动，达到空气射流对细流拉伸作用的最大化，得到进一步细化的最终纤维和纤维网。
(3)关机
待纺丝量达到要求时，先停止溶液的挤出，一段时间后，纤维形成，然后关闭交变射流发生单元和空气输入单元。
一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的方法，包括以下步骤：配置聚合物溶液，设定交变射流的频率参数，在溶液储存腔中注入溶液，打开气流输入单元，再打开聚合物溶液输入单元，让溶液细流从喷丝孔被挤出，喷出的溶液细流在交变射流发生单元产生的交变射流冲击拉伸下，凝聚到纺丝接收成网装置上形成纤维网。
交变射流产生的压力为0.11Mpa～0.51Mpa，优选的，该压力为0.3MPa。
交变射流的频率为1-100Hz，优选的，该频率为25Hz。
控制交变射流为非连续交替变化的空气射流，射流交替变化频率可以人为控制，改变空气射流对聚合物溶液细流的拉伸细化方式，得到进一步细化的最终纤维。
所述的聚合物材料可以是聚氧化乙烯(PEO)，还可以是酚酞改性聚醚酮(PEK-C)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、热塑性聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、酚酞改性聚醚砜(PES-C)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺(PA)等。聚合物溶液的溶剂可以是蒸馏水，还可以是四氢呋喃、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基吡硌烷酮等。
与现有技术相比，本发明主要通过交变射流产生共振作用，达到进一步细化最终纤维的目的，纤维直径更细以及纤维网均匀度更好。本发明的另一个特点是更加节能环保，且操作方便。
附图说明
图1为本发明生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置结构示意图；
图2为交变射流发生单元的一种结构示意图；
图3为交变射流发生单元的另一种结构示意图；
图4为交变射流发生器为管状组合件时主视结构示意图；
图5为交变射流发生器为管状组合件时侧视结构示意图；
图6为交变射流发生器为管状组合件时俯视结构示意图；
图7为空管的主视结构示意图；
图8为空管的左视结构示意图；
图9为空管的右视结构示意图；
图10为空管的俯视结构示意图；
图11为芯子的主视结构示意图；
图12为芯子的侧视结构示意图；
图13为芯子的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，如图1所示，包括聚合物溶液输入单元1、气流输入单元2、交变射流发生单元3和液喷非织造纺丝单元4。聚合物溶液输入单元1为容纳聚合物溶液12的溶液容器11，其作用是提供液喷纺丝的溶液原料，气流输入单元2包括空气源21和压力表22，作用是提供持续一定压力的空气射流源。所述液喷非织造纺丝单元4分别与聚合物溶液输入单元1和交变射流发生单元3相连接，交变射流发生单元3还与气流输入单元2相连接，液喷非织造纺丝单元4包括溶液压力推动装置41、溶液储存腔42、空气射流槽43及纺丝接收成网装置44，溶液储存腔42与聚合物溶液输入单元1连接，溶液储存腔42下方开设喷丝孔45，溶液压力推动装置41与溶液储存腔42连接，推动溶液储存腔42内溶液由喷丝孔45喷出，空气射流槽43设置在喷丝孔45周围，且与交变射流发生单元3连接，纺丝接收成网装置44设置在喷丝孔45下方，溶液细流从喷丝孔45被挤出，喷出的溶液细流在交变射流冲击拉伸下，凝聚到纺丝接收成网装置44上形成纤维网。交变射流发生单元3包括交变射流发生器31及与交变射流发生器31连接并控制交变射流发生器31的控制器32。交变射流发生单元3作用是将连续和常压的空气射流分成两股输出，这输出的两股呈一定的频率交替改变方向。
如图2所示，交变射流发生器31为电磁换向阀，通过电磁换向阀控制空气射流槽43空气通道的规律性开启与闭合，实现空气射流的交替换向变化。
如图3～图10所示，交变射流发生器31为管状组合件，包括空管311和芯子312，空管311上设有两个交变射流的输出口3111，芯子312套设在空管311内，芯子312的上部转动时堵住部分交变射流的输出口3111，空管311上端连接气流输入单元2，两个交变射流的输出口3111分别连接空气射流槽43；芯子312连接变频调速马达321，变频调速马达321与PC控制器322连接，通过变频调速马达321带动芯子312转动，实现空气射流的交替换向变化。
芯子，可以是实心的，也可以是空心的，其结构可以是上部半圆柱体、下部完整圆柱体的结构(如图11～13所示)，也可以是整个的半圆柱体结构，还可以是斜面圆柱体结构。
本装置实际操作过程如下(交变射流发生单元以交变射流发生器为管状组合件为例)：
(1)溶液配置和参数设定
先将聚氧化乙烯(PEO)溶于蒸馏水中，通过搅拌、加热等方法制成7％浓度的溶液。注入纺纱装置中，然后，根据交变频率需要设计变频调速马达的转速，将速度值输入PC控制机。调节空气压力阀，让压力值为0.26Mpa，喷丝孔的内径为0.4毫米。
(2)开机纺纱
打开气流输入单元，让空气射流从两个空气射流槽射出，再打开溶液输出单元，让溶液细流以一定速度从喷丝孔被挤出。此时，溶液细流被两个空气射流槽的射流冲击，被快速拉伸细化，同时溶剂挥发，细流很快成为纤维，凝聚到纺丝接收成网装置上成为纤维网。然后，开启PC控制机和相应的微型变频调速马达，带动交变射流发生器的芯子以一定的速度旋转，使得交变射流发生器流出的两股空气发生交替通断变化，导致空气射流对溶液细流的冲击作用发生周期性鞭动，达到空气射流对细流拉伸作用的最大化，得到进一步细化的最终纤维和纤维网。
(3)关机
待纺丝量达到要求时，先停止溶液的挤出，一段时间后，纤维形成，然后关闭交变射流发生单元和空气输入单元。
实施例2
将聚氧化乙烯(PEO)溶于蒸馏水中，通过搅拌、加热等方法制成7％浓度的溶液。调节空气压力阀，让压力值为0.26Mpa，喷丝孔的内径为0.4毫米，开机纺丝，喷出的纺丝在未使用本发明装置(连续气流)的情况下形成的最终纤维直径为0.5微米。
实施例3
交变射流频率为1Hz的液喷非织造纺丝(采用如图4所示交变射流发生器)。
按照实施例2的溶液浓度，压力和喷丝孔直径设定，将60转/分钟的速度值输入PC控制机，则可从气流输出部分得到1Hz频率的交变射流，然后分别打开管气流输入部分、交变射流发生部分和变频马达，开机纺丝，接收纤维，并进行纤维直径测定，得到最终纤维直径为0.46微米。
实施例4
交变射流频率为10Hz的液喷非织造纺丝示交变射流发生器)。
按照实施例2的溶液浓度，压力和喷丝孔直径设定，将600转/分钟的速度值输入PC控制机，则可从气流输出部分得到10Hz频率的交变射流，然后分别打开管气流输入部分、交变射流发生部分和变频马达，开机纺丝，接收纤维，并进行纤维直径测定，得到最终纤维直径为0.50微米。
实施例5
交变射流频率为20Hz的液喷非织造纺丝(采用电磁换向阀交变射流发生器)。
按照实施例2的溶液浓度，压力和喷丝孔直径设定，先将20Hz频率值输入PC控制机，则可从气流输出部分得到20Hz频率的交变射流，然后如上述操作，分别打开管气流输入部分、交变射流发生部分，开机纺丝，接收纤维，并进行纤维直径测定，得到最终纤维直径为0.51微米。
实施例6
交变射流频率为50Hz的液喷非织造纺丝(采用电磁换向阀交变射流发生器)。
按照实施例2的溶液浓度，压力和喷丝孔直径设定，先将50Hz频率值输入PC控制机，则可从气流输出部分得到50Hz频率的交变射流，然后如上述操作，分别打开管气流输入部分、交变射流发生部分，开机纺丝，接收纤维，并进行纤维直径测定，得到最终纤维直径为0.45微米。
实施例7
交变射流频率为50Hz的液喷非织造纺丝(采用电磁换向阀交变射流发生器)。
用聚丙烯腈(PAN)原料进行纺丝实验。先将聚丙烯腈(PAN)溶于二甲基己酰胺(DMAC)溶剂中，制成4％浓度的溶液。调节空气压力阀，让压力值为0.26Mpa，喷丝孔的内径为0.4毫米，开机纺丝，喷出的纺丝在未使用本发明装置(连续气流)的情况下形成的最终纤维直径为0.4微米。
实施例8
交变射流频率为50Hz的液喷非织造纺丝(采用电磁换向阀交变射流发生器)。
按照实施例7的溶液浓度，压力和喷丝孔直径设定，再将50Hz频率值输入PC控制机，则可从气流输出部分得到50Hz频率的交变射流，然后如上述操作，分别打开管气流输入部分、交变射流发生部分，开机纺丝，接收纤维，并进行纤维直径测定，得到最终纤维直径为0.35微米。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，包括聚合物溶液输入单元(1)、气流输入单元(2)、交变射流发生单元(3)和液喷非织造纺丝单元(4)，所述液喷非织造纺丝单元(4)分别与聚合物溶液输入单元(1)和交变射流发生单元(3)相连接，所述的交变射流发生单元(3)还与气流输入单元(2)相连接，
其特征在于，所述的液喷非织造纺丝单元(4)包括溶液压力推动装置(41)、溶液储存腔(42)、空气射流槽(43)及纺丝接收成网装置(44)，所述的溶液储存腔(42)与聚合物溶液输入单元(1)连接，所述的溶液储存腔(42)下方开设喷丝孔(45)，所述的溶液压力推动装置(41)与溶液储存腔(42)连接，推动溶液储存腔(42)内溶液由喷丝孔(45)喷出，所述的空气射流槽(43)设置在喷丝孔(45)周围，且与交变射流发生单元(3)连接，所述的纺丝接收成网装置(44)设置在喷丝孔(45)下方，溶液细流从喷丝孔(45)被挤出，喷出的溶液细流在交变射流冲击拉伸下，凝聚到纺丝接收成网装置(44)上形成纤维网。
2.根据权利要求1所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，其特征在于，所述的交变射流发生单元(3)包括交变射流发生器(31)及与交变射流发生器(31)连接并控制交变射流发生器(31)的控制器(32)。
3.根据权利要求2所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，其特征在于，所述的交变射流发生器(31)为电磁换向阀。
4.根据权利要求2所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，其特征在于，所述的交变射流发生器(31)为管状组合件，包括空管(311)和芯子(312)，所述的空管(311)上设有多个交变射流的输出口(3111)，所述的芯子(312)套设在空管(311)内，芯子(312)的上部转动时堵住部分交变射流的输出口(3111)，所述的空管(311)上端连接气流输入单元(2)，多个交变射流的输出口(3111)分别连接空气射流槽(43)；所述的芯子(312)连接变频调速马达(321)。
5.根据权利要求4所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，其特征在于，所述的交变射流的输出口(3111)与空气射流槽(43)的个数均为两个。
6.根据权利要求1所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的装置，其特征在于，所述的聚合物溶液输入单元(1)为容纳聚合物溶液的溶液容器(11)，所述的气流输入单元(2)包括空气源(21)和压力表(22)。
7.一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：配置聚合物溶液，设定交变射流的频率参数，在溶液储存腔(42)中注入溶液，打开气流输入单元(2)，再打开聚合物溶液输入单元(1)，让溶液细流从喷丝孔(45)被挤出，喷出的溶液细流在交变射流发生单元(3)产生的交变射流冲击拉伸下，凝聚到纺丝接收成网装置(44)上形成纤维网。
8.根据权利要求7所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的方法，其特征在于，交变射流产生的压力为0.11Mpa～0.51MPa。
9.根据权利要求7所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的方法，其特征在于，交变射流的频率为1-100Hz。
10.根据权利要求7所述的一种生产微纳米纤维的液喷非织造纺丝的方法，其特征在于，控制交变射流为非连续交替变化的空气射流。
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