CN105780152B - 一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺 - Google Patents

一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺，装置主要包括加热圈、气流辅助静电纺丝喷头装置、抽吸风装置、带孔电极、带孔亚克力板、高压静电发生器、V形槽收集槽辊子、辊子支架、圆盘、中心轴和电动机，抽吸风装置能够形成竖直向下的聚拢气流，使其上方形成局部负压从而有利于纤维落入上进气口；V形槽收集辊子的转速与纤维的下落速度大体一致，这样有助于纤维的取向性，也有利于纤维的规整收集；通过调节电动机的转速，进而控制接圆盘绕中心轴的旋转速度，最终达到对抽吸风装置出气口与V形槽收集辊子间的纤维进行加捻，并可以通过控制圆盘的旋转速度来控制纤维的加捻角度，获得不同捻度的纳米捻线，满足不同领域的应用。

Description

一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺
技术领域
本发明涉及一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺，属于静电纺丝领域。
背景技术
静电纺丝是一种使带电荷的高分子溶液或者极化熔体在静电场中形成泰勒锥，在泰勒锥上形成射流而后细化经溶剂蒸发或熔体冷却固化得到纤维状物质的工艺过程。随着纳米科技的发展，静电纺丝法由于其原料适用性广、成本低、易产业化，被学术界和工业界广泛认为是一种产业化制备纳米纤维的简单高效方法，因此受到普遍重视。
传统的静电纺丝得到的超细纤维都是以无纺布的形式存在，这在一定程度上限制了它的应用范围，而纳米捻线在人造血管、手术缝合线、生物纳米传感器、纳米管的制备等诸多方面有潜在的应用前景,在对其进行力学、伸长率等方面测试时，也需要对纤维进行取向，但由于静电纺丝聚合物射流运动过程的复杂性以及不可控性，很少有方法能够解决纤维的规整分布,因此纳米捻线的制备与接收仍存在较大的挑战。
目前工业化制备纤维的方法主要有熔喷法、自组装法、相分离法、模板聚合法等。纳米纤维加捻的方法有间隙集束机械加捻、相分离集束水流加捻、静电纺气流集束机械加捻和静电纺共轭集束机械加捻等。但这些方法存在一些问题，加捻稳定性低，取向性和均匀性差，均无法控制捻度。中国专利(专利号：201210554168.8)一种玻璃纤维捻线工艺，虽然能够达到加捻的效果，但其装置复杂，不便于操作，难以达到产业化。而本发明不仅装置简单，操作便捷，而且通过控制相关的工艺参数能够获得捻角为37度的纳米捻线。
发明内容
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺，提出利用气流辅助静电纺丝喷头，达到对纤维轴向牵引的效果。同时，将抽吸风装置与空气压缩机接通，并置于带孔电极板的中间，产生竖直向下的聚集气流，抽吸风装置上方形成局部负压使纤维完全落入，纤维达到牵伸和集束的效果，固定在旋转圆盘上的V形槽收集辊子随着圆盘高速旋转，对下落到V形槽辊子的纤维进行加捻，通过控制圆盘的旋转速度来实现对纤维捻度的控制作用，同时V形槽收集辊子的自转能够对下落的纤维取向，使纤维在加捻的时候更加均匀。
实现上述目的的技术方案是：一种气流集束机械加捻纳米捻线高速制备装置，主要包括：加热圈、气流辅助静电纺丝喷头装置、抽吸风装置、带孔电极、带孔亚克力板、高压静电发生器、V形槽收集槽辊子、辊子支架、圆盘、中心轴和电动机，抽吸风装置上有抽吸风装置进气口，抽吸风装置进气口通过倾斜向下的孔与抽吸风装置的内壁相通，抽吸风装置进气口有多个。气流辅助静电纺丝喷头内有气流导管，抽吸风装置置于带孔电极板中间，通过带孔的亚克力板固定，电极板与高压静电发生器相连，与接地的机头形成高压静电场，V形槽收集辊子置于电极板正下方，通过辊子支架将辊子固定在圆盘上，中心轴与圆盘通过方键连接，电动机轴与中心轴通过蜗轮蜗杆形式连接，使圆盘在电动机的带动下旋转，从而带动接收辊子绕圆盘中心轴做旋转运动。
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，气流导管中心通入高速气流，纤维在高速气流的拉伸作用下进一步细化，同时高速气流在纤维束间形成的局部负压实现纤维的聚拢作用。
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，带孔亚克力板置于电极板下方紧贴电极板，抽吸风装置固定于带孔亚克力板上且置于带孔电极板中央，与孔同轴放置并且不与电极板接触，抽吸风装置上端与喷头的距离为4-6cm。
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，抽吸风装置由进气口、环向风腔和四个中心对称的出气口组成，出气口与水平面成45°-60°角，这样能够使气流进入抽吸风装置后形成聚拢气流，从而使抽吸风装置上方入口形成局部负压，有利于纤维聚拢并落入抽吸风装置，达到聚拢和细化纤维的效果。
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，抽吸风装置材料为导体，其内表面集聚与纤维所带同性的电荷，根据电荷同性相斥原理避免了纤维粘黏在内管壁的问题，这样就能收集到所有的纤维而且不会堵塞抽吸风装置。
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，收集辊子的高速旋转有利于聚拢纤维在下落过程中取向，最终收集在V形槽收集辊子上的纤维为取向纳米线。
本发明涉及一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，V形槽收集槽辊子通过支架置于圆盘中间，对纤维进行接收，V形槽收集槽辊子接收纤维处的线速度与纤维下落速度相当有利于纤维的规整收集，线速度大了对纤维有拉伸，会造成部分纤维断裂；线速度小了在收集槽辊子上造成堆积，所以最佳的情况是微微略大，即拉紧又不至于拉断，聚合物纤维都有一定的弹性，能够承受微量的拉伸。圆盘通过中心轴与电机相连，通过调节电机的转速来控制圆盘的旋转速度，随着圆盘的旋转，在抽吸风装置出气口与V形槽收集辊子间的纤维会进行加捻，加捻角度可以通过控制圆盘的旋转速度来控制纤维的捻度。
采用本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置加工工艺是：第一步，工作时先开始加热，按照被加工聚合物原料的要求设定加热温度，各处达到设定温度后保温一段时间，一般是保温半小时；第二步，在料筒中加入聚合物原料进行塑化，聚合物熔体在喷头外锥面表面均匀分布一层熔体薄膜；第三步，调节高压静电发生器的电压示数，在抽吸风装置进气口通入高速气流，在电场的作用下在喷头处的熔体在尖端形成泰勒锥并形成射流，在电场力和抽吸风装置产生的垂直向下的高速气流的多重拉伸作用下，熔体形成大量射流落入抽吸风装置内并且聚拢；第四步，纤维在抽吸风装置的出口端聚拢成一束并落在旋转接收辊子上，同时辊子线速度与纤维下落速度相当的时候旋转接收辊子可以实现纤维的规整收集，而且有利于纤维的取向性；第五步，调节电机转速以改变辊子绕圆盘中心轴的旋转速度，从而可以连续不断地获得所需捻度的纳米捻线。
由上面的技术方案的介绍，本发明与现有技术相比，其优势有：
1.抽吸风装置能够形成竖直向下的聚拢气流，使其上方形成局部负压从而有利于纤维落入上进气口，同时可以对纤维进行集束并且可以极大地细化纤维。
2.V形槽收集辊子的转速与纤维的下落速度大体一致，这样有助于纤维的取向性，也有利于纤维的规整收集。
3.通过调节电动机的转速，进而控制接圆盘绕中心轴的旋转速度，最终达到对抽吸风装置出气口与V形槽收集辊子间的纤维进行加捻，并可以通过控制圆盘的旋转速度来控制纤维的加捻角度，获得不同捻度的纳米捻线，满足不同领域的应用。
附图说明
图1为本发明一种气流集束机械加捻纳米捻线高速制备装置的示意图。
图2为抽吸风装置俯视剖面示意图。
图3为抽吸风装置前视剖面示意图。
图中：1-加热圈；2-气流辅助静电纺丝喷头装置；3-抽吸风装置；4-带孔电极板；5-带孔亚克力板；6-高压静电发生器；7-抽吸风装置进气口；8-V形槽收集槽辊子；9-辊子支架；10-圆盘；11-中心轴；12-电动机。
具体实施方式
本发明一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置及工艺，如图1所示，其主要包括：加热圈1、气流辅助静电纺丝喷头装置2、抽吸风装置3、带孔电极4、带孔亚克力板5、高压静电发生器6、V形槽收集槽辊子8、辊子支架9、圆盘10、中心轴11和电动机12，抽吸风装置3上有抽吸风装置进气口7，抽吸风装置进气口7通过倾斜向下的孔与抽吸风装置3的内壁相通，抽吸风装置进气口7有多个，见图2和图3所示。
气流辅助静电纺丝喷头装置2的机筒、机头和喷头都布置有加热圈1，聚合物颗粒加入到塑化装置中塑化后在气流辅助静电纺丝喷头装置2的喷头边缘形成熔体丝，熔体丝沿喷头边缘周向均匀分布，抽吸风装置3和带孔电极板4固定在带孔亚克力板5上，电极板与高压静电发生器6相连接，V形槽收集槽辊子8置于电极板4正下方，与接地的分流板形成高压电场，V形槽收集槽辊子8通过辊子支架9固定在圆盘10上，圆盘10通过中心轴11与电动机12相连。
本发明涉及一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备工艺，工作时先开始加热，按照被加工原料的要求设定机头、机头和喷头的加热温度，例如对于聚丙烯，机筒塑化段的温度设定为240℃，机头中熔体流道拐角的温度设定为250℃，喷头温度设定为260℃，各处达到设定温度后保温一段时间，一般是保温半小时；然后在料筒中加入聚丙烯(PP6820)固体颗粒进行塑化，约5分钟后，熔体在喷头外锥面表面均匀分布一层熔体薄膜，调节高压静电发生器6电压示数到37kV，在抽吸风装置进气口7通入约29m/s的高速气流。在电场的作用下在喷头处的熔体在尖端形成泰勒锥并形成射流，在电场力和抽吸风装置产生的垂直向下的高速气流的多重拉伸作用下，熔体形成大量射流落入抽吸风装置3内并且聚拢，在抽吸风装置3的出口端聚拢成一束并落在V形槽收集槽辊子8上，同时辊子线速度与纤维下落速度相当的时候V形槽收集槽辊子8可以实现纤维的规整收集，而且有利于纤维的取向性，当V形槽收集槽辊子8收集速度为2500r/min，气流辅助静电纺丝喷头内有气流导管的气流速度为29m/s，收集的纤维平行取向度为0.99，纤维取向度很好，纤维直径为500nm，调节电机12转速以改变V形槽收集槽辊子8绕圆盘10中心轴11的旋转速度，从而可以获得不同捻度的纳米捻线。当圆盘10的旋转速度为1000r/min时，收集的纤维加捻角度为35°-39°，此时纤维的力学性能最好。

Claims (8)

1.一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，其特征在于：主要包括加热圈、气流辅助静电纺丝喷头装置、抽吸风装置、带孔电极、带孔亚克力板、高压静电发生器、V形槽收集槽辊子、辊子支架、圆盘、中心轴和电动机，抽吸风装置上有抽吸风装置进气口，抽吸风装置进气口通过倾斜向下的孔与抽吸风装置的内壁相通，抽吸风装置进气口有多个；气流辅助静电纺丝喷头内有气流导管，带孔亚克力板置于电极板下方紧贴电极板，抽吸风装置固定于带孔亚克力板上且置于带孔电极板中央，与孔同轴放置并且不与电极板接触，抽吸风装置材料为导体，电极板与高压静电发生器相连，与接地的机头形成高压静电场，V形槽收集辊子置于电极板正下方，通过辊子支架将辊子固定在圆盘上，中心轴与圆盘连接，电动机轴与中心轴连接，在电动机的带动下接收辊子绕圆盘中心轴做旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，其特征在于：气流导管中心通入高速气流。
3.根据权利要求1所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，其特征在于：抽吸风装置上端与喷头的距离为4-6cm。
4.根据权利要求1所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，其特征在于：抽吸风装置由进气口、环向风腔和多个中心对称的出气口组成，出气口与水平面成45°-60°。
5.根据权利要求1所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，其特征在于：V形槽收集槽辊子通过支架置于圆盘中间，对纤维进行接收，V形槽收集槽辊子接收纤维处的线速度与纤维下落速度相当有利于纤维的规整收集。
6.根据权利要求5所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置，其特征在于：V形槽收集槽辊子接收纤维处的线速度微微略大纤维下落速度。
7.采用权利要求2所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备装置的加工工艺，其特征在于：第一步，工作时先开始加热，按照被加工聚合物原料的要求设定加热温度，各处达到设定温度后保温一段时间；第二步，在料筒中加入聚合物原料进行塑化，聚合物熔体在喷头外锥面表面均匀分布一层熔体薄膜；第三步，调节高压静电发生器的电压示数，在抽吸风装置进气口和气流辅助静电纺丝喷头的气流导管内通入高速气流，在电场的作用下在喷头处的熔体在尖端形成泰勒锥并形成射流，在电场力和抽吸风装置产生的垂直向下的高速气流的多重拉伸作用下，熔体形成大量射流落入抽吸风装置内并且聚拢；第四步，纤维在抽吸风装置的出口端聚拢成一束并落在旋转接收辊子上，同时辊子线速度与纤维下落速度相当的时候旋转接收辊子可以实现纤维的规整收集，而且有利于纤维的取向性；第五步，调节电机转速以改变辊子绕圆盘中心轴的旋转速度，从而可以连续不断地获得所需捻度的纳米捻线。
8.根据权利要求7所述的一种气流集束旋转加捻的纳米捻线制备工艺，其特征在于：聚合物为聚丙烯，机筒塑化段的温度设定为240℃，机头中熔体流道拐角的温度设定为250℃，喷头温度设定为260℃，各处达到设定温度后保温半小时；然后在料筒中加入聚丙烯进行塑化，约5分钟后，熔体在喷头外锥面表面均匀分布一层熔体薄膜，调节高压静电发生器电压示数到37kV，在抽吸风装置进气口通入约29m/s的高速气流；V形槽收集槽辊子收集速度为2500r/min，气流辅助静电纺丝喷头内有气流导管的气流速度为29m/s，圆盘的旋转速度为1000r/min，收集的纤维加捻角度为35°-39°。
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