CN105648545B - 一种离心螺旋纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离心螺旋纺丝头和使用该纺丝头的离心螺旋纺丝装置。离心螺旋纺丝头包括中空螺杆和与之相连接的同轴螺旋叶片两部分，螺旋叶片外缘端面垂直于轴向均匀分布有喷丝孔，螺杆高速旋转时料液在离心力作用下流经中空螺杆，从螺旋叶片尖端喷丝孔喷出。该离心螺旋纺丝装置克服了现有离心纺丝设备结构复杂、密封性差、纺丝均匀性不好等缺点，能很好的满足实际需要。

Description

一种离心螺旋纺丝装置
技术领域
本发明属于离心纺丝技术领域，具体涉及一种离心螺旋纺丝装置。
背景技术
离心纺丝和静电纺丝是目前制备超细纤维的两种最主要的方法。离心纺丝法是聚合物熔体或溶液借助高速旋转的装置所产生的离心力和剪切力由细孔甩出而成纤的方法。相较于传统的静电纺丝法，新的离心纺丝纳米技术的生产效率约提高了1000倍，成本低、纺丝效率高，可用来制备高聚物、金属、陶瓷、复合材料纤维等。随着科学技术的发展，离心纺丝已由最初的用来制备人造丝发展到现在的制备纳米纤维膜。随着离心纺丝的不断发展，离心静电纺丝应运而生，离心静电纺丝是将离心纺丝与静电纺丝相结合的一种新纺丝形式。
随着研究的逐渐深入，离心纺丝的一些突出问题也日益显现出来，例如高速旋转对电机的高要求以及轴承的质量、寿命、减震等问题；当高速离心纺熔体时，加热装置以及测温、控温系统的设计与选择复杂；接收装置为筒状，难以连续化生产；纤维直径较粗达不到相关超细纤维的要求等等。相关科研人员针对离心纺丝的缺点进行了一系列探索，尽管一定程度上改善了装置缺陷，但是发明本身仍存在着一定问题：如CN103215666A公开了一种新型离心熔体静电纺丝的装置，它利用高压电场力和高速离心力的共同作用，使高分子熔体纺出纳米级超细纤维，通过多层喷嘴设计提高纺丝效率，但是收集装置扔为收集桶，产品为桶装纤维膜，不利于连续化生产。同时多层喷嘴的一个突出问题是喷丝不均，当对产品的厚度均匀性要求较高时，该专利的实用性将大打折扣。CN102061530A描述了一种离心式无针头静电纺丝方法，原理是利用金属网制成的甩桶作为纺丝电极和纺丝头，得到筒状纳米纤维非织造布，结构复杂，所得纳米纤维直径在5nm～1000nm，离散较大，产品结构极为不匀，难以满足实际应用要求。CN102828260A提供一种纺丝装置：内圆辊、外圆筒和中心轴组成，内圆辊的外表面均布有外凸钉，可由中心轴带动进行旋转运动，外圆筒为一个静态或固装的薄壁空心圆筒，外圆桶与内圆辊同轴组合配装，最高上表面处轴向均布开有1-3排纺丝孔。纺丝时仅通过最高上表面射流纺丝，相比其他相同规格离心纺丝，纺丝速率较低，尽管该专利通过纺丝头一边连续纺丝，一边沿幅宽方向进行往复运动的方式一定程度上解决了纺丝不均匀现象，但是装置本身结构复杂，制备成本和制作精度要求较高，往复运动的方式也决定了难以实现绝对均匀。
发明内容
为了解决离心纺丝结构复杂、密封性差、均匀性不好等缺点，本发明旨在提供一种离心螺旋纺丝头和使用该纺丝头的离心螺旋纺丝装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种离心螺旋纺丝头，包括中空螺杆和与之相连接的同轴螺旋叶片两部分，螺旋叶片外缘端面垂直于轴向均匀分布有喷丝孔，所述喷丝孔与所述中空螺杆连通。
进一步地，螺旋叶片外缘端面上的喷丝孔直径小于0.5mm。
进一步地，螺旋叶片的螺距为5-500mm；螺旋叶片的外径为10～1000mm；中空螺杆的外径不大于螺旋叶片的外径。
进一步地，螺旋叶片的螺距为20～100mm；螺旋叶片的外径为50～200mm。
本发明还提供了一种离心螺旋纺丝装置，包括上述离心螺旋纺丝头，动力系统，料液槽和连续接收装置；所述动力系统分别与离心螺旋纺丝头和料液槽连接。
进一步地，所述连续接收装置为相互平行的两组收卷机，离心螺旋纺丝头的轴向与连续接收装置轴向平行，且离心螺旋纺丝头位于两组收卷机之间。
进一步地，所述连续接收装置为涡流凝固接收装置，所述涡流凝固收卷装置包括环状注水装置、涡流池、集液池、循环水泵和收卷装置，循环水泵分别连接集液池和环状注水装置，环状注水装置环绕在离心螺旋纺丝头周围，涡流池设置在离心螺旋纺丝头的下方，收卷装置设置在涡流池下方。
进一步地，还包括外加电场装置，所述外加电场装置设置于螺旋离心喷丝头和连续接收装置之间。
进一步地，还包括感应加热器，所述感应加热器用于加热离心螺旋纺丝头和料液槽。
进一步地，所述离心螺旋纺丝头水平放置，或与水平面成一定角度放置，其中夹角θ的取值范围是：0°＜θ≤90°。
本发明具有如下有益效果：
(1)普适性：该离心螺旋纺丝设备适用于绝大部分可溶可熔材料，采用该设备可以制备出各种材料的纤维制品，应用领域较广。
(2)均匀性：该设备的纺丝头采用螺旋结构这样的特殊设计，纺丝过程中横向均匀性优异，可形成具有一定幅宽且面密度均匀的纳米纤维膜结构，有利于连续工业化纺丝制膜。
(3)高效率：通过离心作用输出料液，比多针挤出和无针沾取，生产效率大幅提高1-3个数量级；同时可通过将离心螺旋纺丝头并排放置，多螺杆并联设置，进一步提高生产效率。
(4)拓展性强：螺旋结构有利于电荷富集，离心纺丝时可外加电场，通过静电作用可进一步提高生产效率并降低纤维直径。
(5)密闭结构：该设备采用全封闭供液结构，减少纺丝过程中料液中溶剂的挥发和料液的粘度变化，有利于产品质量的稳定性。
(6)感应加热：熔融纺丝时，采用感应加热这样非接触的形式对螺杆进行加热，精确控制纺丝温度，解决了熔体纺丝在装置上由于加热部分导致的难控制的问题。
(7)维护成本低：高速旋转可提高足够离心力，挤出熔体实现纺丝，无需外加挤出设备和相关连接装置、密封装置，设备结构简单，制造和维护成本较低。
(8)供液速率可控：供液速率、离心速度、外加电场三者共同调控纤维物理性质，实现纤维形貌的精确控制，改善无针纺静电纺丝中供液速率对材料表面能和料液粘度的依赖。
(9)通过涡流离心收集，可得到高度有序化的特种纤维束。
附图说明
图1为离心螺旋纺丝头的结构示意图；
图2为实施例1中离心螺旋纺丝设备结构示意图；
图3为实施例3中离心螺旋纺丝设备结构示意图。
图中，1-中空螺杆，2-螺旋叶片，3-喷丝孔，4-离心螺旋纺丝头，5-料液槽，6-动力系统，7-连续接收装置，8-环状注水装置，9-循环水泵，10-涡流池，11-集液池，12-收卷装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种离心螺旋纺丝装置，主要用于将聚合物溶液或者熔体加工成纳米纤维。该离心螺旋纺丝装置包括上述离心螺旋纺丝头4，动力系统6，料液槽5和连续接收装置7；离心螺旋纺丝头4的螺旋叶片外缘端面垂直于轴向均匀分布有喷丝孔3。离心螺旋纺丝头4的中空螺杆1直径为30mm，螺旋叶片2直径为200mm，螺距为100mm，喷丝孔3直径为0.2mm，离心螺旋纺丝头4总长度为1200mm。
连续接收装置7为两组相互平行的收卷机，卷取装置幅宽1000mm，距离离心螺旋纺丝头4的距离为480mm，收卷机的转速为20m/min。
采用聚乙烯醇PVA1799进行纺丝，将PVA1799粉末加入85℃热水中，搅拌溶解，配置成纺丝液浓度为15wt％的纺丝液。
将纺丝液加入料液槽5中，离心螺旋纺丝头4转速设定为5000转/分，达到预设速度后，开始纺丝，料液在离心力作用下流经中空螺杆1，从螺旋叶片2尖端喷丝孔3喷出，得到平均纤维直径为800nm的纳米纤维膜。
实施例2
一种离心螺旋纺丝装置，主要用于将聚合物溶液或者熔体加工成纳米纤维。该离心螺旋纺丝装置包括上述离心螺旋纺丝头4，动力系统6，料液槽5，连续接收装置7和外加电场装置(图中未示出)；离心螺旋纺丝头4的螺旋叶片2外缘端面垂直于轴向均匀分布有喷丝孔3。外加电场装置位于连续接收装置7和离心螺旋纺丝头4中间。
离心螺旋纺丝头4的中空螺杆1直径为50mm，螺旋叶片2直径为200mm，螺距为500mm，喷丝孔3直径为0.1mm，离心螺旋纺丝头4总长度为800mm。
连续接收装置7为两组相互平行的收卷机，卷取装置幅宽为1000mm，距离离心螺旋纺丝头4距离为480mm，收卷机的转速为20m/min。
采用聚乙烯醇PVA1799进行纺丝，将PVA1799粉末加入85℃热水中，搅拌溶解，配置成纺丝液浓度为15wt％的纺丝液，将纺丝液加入料液槽5中，外加电场装置通入10kV电压。离心螺旋纺丝头4的转速设定为5000转/分，达到预设速度后，开始纺丝，得到平均纤维直径为400nm的纳米纤维膜。
实施例3
一种离心螺旋纺丝装置，主要用于将聚合物溶液或者熔体加工成纳米纤维。该离心螺旋纺丝装置包括上述离心螺旋纺丝头4，动力系统6，料液槽5，连续接收装置7和感应加热器(图中未示出)；离心螺旋纺丝头4的螺旋叶片2外缘端面垂直于轴向均匀分布有喷丝孔3。连续接收装置7为涡流凝固接收装置，包括环状注水装置8、涡流池10、集液池11、循环水泵9和收卷装置12四部分，循环水泵9将液体自集液池11抽出打入环状注水装置8，形成水幕环绕在离心螺旋纺丝头4周围，并在涡流池10形成涡流，纤维在涡流作用下形成纤维束并由收卷装置12收集。
采用聚丙烯熔体进行纺丝，聚丙烯PP生产厂家为济南石化，牌号H30S，熔体流动速率为3g/10min。
离心螺旋纺丝头4的中空螺杆1直径为30mm，螺旋叶片2直径50mm，螺距为50mm，喷丝孔3直径为0.2mm，离心螺旋纺丝头4总长度为1200mm。
涡流池10直径为1.8m，高度为1.5m，涡流池10底部距离离心螺旋纺丝头4距离为0.6m。集液池11的直径为1.8m，高度为1.5m。
设定循环水泵9的流速为12m/min；接通感应加热器，设定料液槽5和离心螺旋纺丝头4的温度为230℃；设定离心螺旋纺丝头4的转速为8000转/分，达到预设温度后开始纺丝，并通过卷取装置12进行收卷，收卷速度为20m/min。
纺丝结束后关闭电源，并对纤维束进行测试，纤维束内纤维高度取向，纤维直径800nm，拉伸强度提升至1000kg/cm2。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种离心螺旋纺丝装置，其特征在于，包括离心螺旋纺丝头、动力系统、料液槽和连续接收装置；所述动力系统分别与离心螺旋纺丝头和料液槽连接；
离心螺旋纺丝头包括中空螺杆和与之相连接的同轴螺旋叶片两部分，螺旋叶片外缘端面垂直于轴向均匀分布有喷丝孔，所述喷丝孔与所述中空螺杆连通；
所述螺旋叶片外缘端面上的喷丝孔直径小于0.5mm；
所述螺旋叶片的螺距为20～100mm；所述螺旋叶片的外径为50～200mm；所述中空螺杆的外径不大于螺旋叶片的外径；
所述连续接收装置为相互平行的两组收卷机，离心螺旋纺丝头的轴向与连续接收装置轴向平行，且离心螺旋纺丝头位于两组收卷机之间；
所述连续接收装置为涡流凝固接收装置，所述涡流凝固收卷装置包括环状注水装置、涡流池、集液池、循环水泵和收卷装置，循环水泵分别连接集液池和环状注水装置，环状注水装置环绕在离心螺旋纺丝头周围，涡流池设置在离心螺旋纺丝头的下方，收卷装置设置在涡流池下方；
所述离心螺旋纺丝头与水平面成90°的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种离心螺旋纺丝装置，其特征在于，还包括外加电场装置，所述外加电场装置设置于螺旋离心喷丝头和连续接收装置之间。
3.根据权利要求1所述的一种离心螺旋纺丝装置，其特征在于，还包括感应加热器，所述感应加热器用于加热离心螺旋纺丝头和料液槽。
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