CN105133054A - 一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，装置主要包括纺丝箱体、高压静电发生器、锥环形收集板、离心碟形喷头、喷头固定螺钉、热电偶、轴承、机头、供料装置、电机支架、联轴器、电机、气动管接头、导流管、轴、机头固定螺钉、加热圈、隔热圈和收集板绝缘支架等，导流管与机头内孔表面存在间隙，聚合物熔体/溶液通过机头斜流道进入间隙内并沿导流槽流下至离心碟形喷头锥面上，流体在离心伞形喷头下端面形成泰勒锥，泰勒锥破裂后形成多股射流，最终在离心力、静电力、重力以及气流作用下被拉伸细化成纤维沉积在收集装置上，该装置结合离心纺丝与静电纺丝两者技术优势进行纤维制备，并引入气流辅助纺丝，纺丝效率高，纤维性能优异。

Description

一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。

背景技术

通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，传统静电纺丝技术虽然可制备纳米级纤维，但还难以开发出具有柔韧性好、强度及取向度高的纤维，且静电纺丝电压存在极值点，超过该点后会发生射流击穿的问题，严重影响了该法制备纤维直径进一步细化的可能，这也使静电纺丝技术研究渐渐进入瓶颈期，极大限制了它的发展。

超重力纺丝，也称离心纺丝技术，是一种将聚合物溶液/熔体借助旋转装置中的超重力克服表面张力甩出，在溶剂挥发或熔体固化后形成纤维的方法。同现有的静电纺丝相比，超重力纺丝所制成的纤网不但均匀性好且纤网的面密度也远高于低面密度的静电纺纤网，且其依靠超重力纺丝，纤维制备效率极高，所制备纤维取向度高和强度好，但其制备纤维直径较粗，对转速要求高，还难以适应当前纺织工业对纤维直径的需求。

超重力纺丝和静电纺丝法各有优点，如何结合两者优势进行纺丝已引起研究者们的注意，目前已有相关专利提及将两者结合进行纺丝的方法。中国专利201410050160.7，201010184068.1等提出溶液离心静电纺丝法制备纳米纤维的方法，采用将毛细管置于旋转盘上进行离心的方式，这些方法均存在装置复杂、毛细管易堵塞以及旋转喷头加电较为困难的问题，且无法对聚合物熔体进行加工，局限性明显。如何通过结合超重力纺丝和静电纺丝实现高质量纳米纤维制备仍需人们进一步探索。

发明内容

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，将旋转喷头与机头分开设计，利用导流管与机头间隙作为流道，并将高压静电直接加在机头与接收装置之间，装置简单，且解决了毛细管堵塞以及旋转喷头加电较为困难的问题。本发明结合超重力技术特点与静电纺丝优势，突破静电纺丝电压极值点的限制，引入超重力场实现对纤维的进一步细化，制备纤维效率及取向度极高，性能优异。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，主要包括纺丝箱体、高压静电发生器、锥环形收集板、离心碟形喷头、喷头固定螺钉、热电偶、轴承、机头、供料装置、电机支架、联轴器、电机、气动管接头、导流管、轴、机头固定螺钉、加热圈、隔热圈和收集板绝缘支架等，其中离心碟形喷头通过喷头固定螺钉与轴连接固定，轴穿过导流管中心孔通过联轴器与电机连接，并通过两对轴承保持喷头轴中心位置固定，轴承外表面有隔热圈与喷头隔开，避免轴承过热，且可防止熔体流入轴承，电机固定在电机支架上，电机支架通过螺纹与箱体连接，导流管与机头间隙配合，导流管上气孔通过气动管接头进气，导流管通过螺纹连接固定在箱体上，机头通过机头固定螺钉与箱体相连接固定，锥环型收集板连接高压静电发生器正极，机头下边缘接地。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，碟形喷头通过其轴结构与电机连接；碟形喷头上半部为半球形结构，一方面可以节省材料，适应狭小的空间并减少多次旋转造成的磨损，另一方面当所用材料为高粘度材料时，可有效防止熔体由于爬杆效应向上爬升流进轴承孔，影响机器运转，碟形喷头下半部锥形表面采用镀石墨层处理，方便热量可以快速从机头传导到喷头上，锥型纺丝面倾角α可取10°～80°，当纺丝过程中纤维线速度要求较高时，倾角α可选较小角度来增大喷头半径以实现线速度的提高；喷头沿锥面方向设计有一圈沟槽微分结构，聚合物溶液或熔体由导流管流至喷头上后，在喷头沟槽上被微分成若干股流体，并在喷头末端面形成泰勒锥，在电压增大导致泰勒锥破裂后形成多股螺旋线型射流，并在超重力、静电力及气流作用下被拉伸成纤，最终沉积在收集装置上。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，导流管外表面与机头中心孔内表面间隙配合，形成一定间隙，聚合物熔体或溶液由机头斜流道流至导流管表面后，在导流管与机头内孔表面形成的间隙流道内流动，导流管表面可设置螺旋线型槽或直线型槽进行导流，这样的设计避免了传统静电纺丝毛细管易堵塞的问题。导流管上有四组进气通孔，气流从气动管接头进入通孔内，气流一方面可以起到冷却作用，带走热量防止轴承受热变形，且可防止高粘度熔体向上爬升，另一方面气流可对熔体流进行吹薄细化，且可通过气流大小改变气流力，使纤维在接收板上形成的纤维环宽度更大，增大一次纤维成形面积。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，接收装置为锥环型接收板或接收网，其倾角β可随喷头倾角α变化在5°～75°之间选取，当射流刚从喷头飞出时，其受离心力、重力以及相互溶滴或熔体的粘附力作用，若静电力与三者合力在一条直线上则对射流拉伸细化作用最强，三者合力与水平方向夹角约为α-5°内，故选取锥环型接收板或接收网的倾角β在5°～75°，更有利于纤维的细化拉伸。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，该装置使用方法一般步骤为：第一步，通过供料装置对聚合物流体进行计量，并将其输送到导流管与机头之间的间隙流道中；第二步，当聚合物流体通过流道流至碟形喷头上并在其上均布时，打开高压静电发生器，聚合物流体在喷头上形成泰勒锥；第三步，继续增大高压静电发生器的电压，泰勒锥发生破裂，形成多股射流后，打开电机，射流在超重力场内形成多股旋转射流，开启空压机使气流通过导流管上进气通孔均匀吹向碟形喷头，使射流进一步吹薄细化；第四步，射流在超重力场中受离心力、静电力、气流及自身重力作用被拉伸细化，形成纤维，并沉积收集在锥环形收集板上。以上步骤为本装置的一般使用方法，本装置纺丝原料可为聚合物熔体或溶液。当原料为熔体时，需通过熔融供料装置对聚合物进行熔融，并由加热圈对机头进行加热保温；当原料为溶液时，则无需上述加热过程。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，引入超重力场实现对纤维的进一步细化，制备纤维效率及取向度极高，性能优异；锥环型收集板连接高压静电发生器正极，机头下边缘接地，容易形成稳定的静电场；射流在超重力场中受离心力、静电力、气流及自身重力作用被拉伸细化，获得的纤维直径更小。

附图说明

图1是本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置的剖视图。

图2是本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置的纺丝部件放大视图。

图中：1-纺丝箱体、2-高压静电发生器、3-锥环形收集板、4-热电偶、5-机头、6-供料装置、7-电机支架、8-联轴器、9-电机、10-气动管接头、11-导流管、12-轴、13-机头固定螺钉、14-加热圈、15-收集板绝缘支架、16-轴承、17-隔热圈、18-喷头固定螺钉、19-离心碟形喷头。

具体实施方式

本发明提出了一种超重力聚合物微分静电纺丝装置及方法，装置如图1和图2所示，主要包括：纺丝箱体1、高压静电发生器2、锥环形收集板3、热电偶4、机头5、供料装置6、电机支架7、联轴器8、电机9、气动管接头10、导流管11、轴12、机头固定螺钉13、加热圈14、收集板绝缘支架15、轴承16、隔热圈17、喷头固定螺钉18和离心碟形喷头19，碟形喷头19通过螺钉18与轴12连接，轴12穿过导流管11中心孔通过联轴器8与电机9连接，并通过两对轴承16保持离心蝶形喷头19轴中心位置固定，电机9固定在电机支架7上，并通过螺纹与纺丝箱体1连接，导流管11与机头5间隙配合，并通过螺纹固定在纺丝箱体1上，机头5由螺钉13与箱体1相连接固定，锥环形收集板3连接高压静电发生器2正极，机头5下边缘接地，纺丝时，聚合物熔体或溶液进入机头5流道内，在机头5内孔表面与导流管11间隙形成的流道内流动，流至离心碟形喷头19均匀分布在其锥面表面后并在末端形成泰勒锥，在高压静电作用下泰勒锥破裂形成射流，最终在超重力、静电力以及气流作用下被拉伸为纤维沉积在锥环形收集板3上。

本发明一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，该装置使用方法一般步骤为：第一步，通过供料装置6对聚合物流体进行计量，并将其输送到导流管11与机头5之间的间隙流道中；第二步，当聚合物流体通过流道流至碟形喷头上并在其上均布时，打开高压静电发生器2，聚合物流体在离心蝶形喷头19上形成泰勒锥；第三步，继续增大高压静电发生器2的电压，泰勒锥发生破裂，形成多股射流后，打开电机9，射流在超重力场内形成多股旋转射流，开启空压机使气流通过导流管11上进气通孔均匀吹向碟形喷头19，使射流进一步吹薄细化；第四步，射流在超重力场中受离心力、静电力、气流及自身重力作用被拉伸细化，形成纤维，并沉积收集在锥环形收集板3上。以上步骤为本装置的一般使用方法，本装置纺丝原料可为聚合物熔体或溶液。当原料为熔体时，需通过熔融供料装置对聚合物进行熔融，并由加热圈对机头进行加热保温；当原料为溶液时，则无需上述加热过程。

本发明一个实施例如图1和图2所示，对聚合物熔体进行超重力静电纺丝，供料装置6为小型挤出机，碟形喷头19倾角α取20°，喷头下端面直径为70mm，锥环型接收板的倾角β取15°，其与机头5距离为20mm，导流管11设置直线型导流槽，纺丝原料为PP6820料。纺丝时，由挤出机对聚合物进行熔融挤出，加热圈14加热机头5温度设定为220℃，待聚合物熔体流至离心碟形喷头19锥面并均匀流出时，启动电机5转速为1000r/min，高压静电发生器2施以50KV电压，进气通孔通以5m/s气流，机头5接地，数十股射流沿喷头下端面呈螺旋线形飞出，并在接收板上沉积为纤维环，通过改变气流速度使纤维环宽度达到10mm，所收集纤维取向度极高，直径到达纳米级，纺丝效率约为100g/h。

Claims (8)

1.一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：主要包括纺丝箱体、高压静电发生器、锥环形收集板、离心碟形喷头、喷头固定螺钉、热电偶、轴承、机头、供料装置、电机支架、联轴器、电机、气动管接头、导流管、轴、机头固定螺钉、加热圈、隔热圈和收集板绝缘支架等，其中离心碟形喷头通过喷头固定螺钉与轴连接固定，轴穿过导流管中心孔通过联轴器与电机连接，并通过两对轴承保持喷头轴中心位置固定，轴承外表面有隔热圈与喷头隔开；电机固定在电机支架上，电机支架通过螺纹与箱体连接，导流管与机头间隙配合，导流管上气孔通过气动管接头进气，导流管通过螺纹连接固定在箱体上，机头通过机头固定螺钉与箱体相连接固定，锥环型收集板连接高压静电发生器正极，机头下边缘接地。

2.根据权利要求1所述的一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：碟形喷头上半部为半球形结构。

3.根据权利要求2所述的一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：碟形喷头下半部锥形表面采用镀石墨层处理。

4.根据权利要求2所述的一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：碟形喷头下半部锥型纺丝面倾角可取10°～80°。

5.根据权利要求2所述的一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：碟形喷头沿锥面方向设计有一圈沟槽微分结构。

6.根据权利要求1所述的一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：导流管表面可设置螺旋线型槽或直线型槽进行导流。

7.根据权利要求1所述的一种超重力聚合物微分静电纺丝装置，其特征在于：，接收装置为锥环型接收板或接收网，其倾角可随喷头倾角变化在5°～75°之间选取。

8.一种超重力聚合物微分静电纺丝方法，其特征在于：第一步，通过供料装置对聚合物流体进行计量，并将其输送到导流管与机头之间的间隙流道中；第二步，当聚合物流体通过流道流至碟形喷头上并在其上均布时，打开高压静电发生器，聚合物流体在喷头上形成泰勒锥；第三步，继续增大高压静电发生器的电压，泰勒锥发生破裂，形成多股射流后，打开电机，射流在超重力场内形成多股旋转射流，开启空压机使气流通过导流管上进气通孔均匀吹向碟形喷头，使射流进一步吹薄细化；第四步，射流在超重力场中受离心力、静电力、气流及自身重力作用被拉伸细化，形成纤维，并沉积收集在锥环形收集板上。