CN107190421A - 一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置及方法，属于纺丝成型领域。装置包括挤出塑化装置、纺丝模块组件、纤维收集网、抽吸风装置、中空支架、热压辊子、箱体、收卷辊子、收卷辊子支架、放卷辊子、放卷辊子支架、滑轨、电机支架、旋转电机、红外测温仪、红外测温仪支架、红外加热管和联轴器等，其中挤出塑化装置固定在滑轨上，并与纺丝模块相连，纤维收集网由放卷辊子放卷铺出，经由四对热压辊子，最终在收卷辊子上收卷。本发明装置及方法，纺丝的覆盖面积由离心盘的直径决定，由于有了密封环，熔体不易进入离心盘转轴，在离心盘边缘有突起结构和微分槽，便于纤维直径的均化，吸风辅助纤维收集和四对热辊的滚压，使得连续化生产便于控制。

Description

一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置及方法
技术领域
本发明涉及一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置及方法，属于纺丝成型领域。
背景技术
熔体离心纺丝技术，是一种将聚合物熔体借助高速旋转的装置所产生的离心力克服表面张力由细孔甩出，在熔体固化后形成纤维的方法。离心纺丝技术起步较早，早在1924年美国就有专利提出了以离心方式制造纤维的方法；1986年欧洲专利EP0168817指出在离心纺丝中，离心作为充当压力泵的作用，物料熔体被挤压通过孔洞，形成纤维；在此之后美国、欧洲有大量专利对离心纺丝方法进行了改进描述，美国专利US20080050304，提出了利用离心方法制备纳米级碳纤维的构想。
目前关于离心纺丝技术的研究主要集中在溶液离心纺丝，有关熔体离心纺丝的专利则寥寥无几，其中中国发明专利2015100973369和2013101633083有提到两种新型纺丝装置，但由于采用喷头在上纺丝盘在下的结构方式，限制了纤维收集空间，所纺纤维膜一般为中空自编织膜，且难以收集形成宽幅连续的纤维膜，如何利用熔体离心纺丝法实现超细宽幅纤维膜的连续生产，仍需进一步研究。
发明内容
本发明目的在于提供一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置及方法，克服了静电纺丝生产效率低且喷头易堵塞问题。该装置可通过改变离心盘直径来调整纤维膜宽度，应用更加广泛。
本发明一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，主要包括挤出塑化装置、纺丝模块组件、纤维收集网、抽吸风装置、中空支架、热压辊子、箱体、收卷辊子、收卷辊子支架、放卷辊子、放卷辊子支架、滑轨、电机支架、旋转电机、红外测温仪、红外测温仪支架、红外加热管和联轴器等，其中挤出塑化装置固定在滑轨上，并与纺丝模块相连，为纺丝模块供给塑化熔体；纺丝模块组件整体通过螺纹连接固定于滑轨上；滑轨固定于箱体底板上，并可在底板上往复滑行；放卷辊子由放卷辊子支架支撑，并固定于箱体底板上，纤维收集网由放卷辊子放卷铺出，经由四对热压辊子，最终在收卷辊子上收卷，收卷辊子与收卷辊子支架固定于箱体上端；四对热压辊子固定与箱体上；抽吸风装置固定于中空支架之上，中空支架两端固定于纺丝箱体上；红外测温仪通过红外测温仪支架固定于滑轨上，并指向离心盘，红外加热管置于离心盘下方。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置，纺丝模块组件包括支撑块、支撑块隔热圈、导流块、连接块、导流块加热圈、热电偶、覆盖块、离心盘转轴、轴承、轴承端盖、挡圈、联轴器、固定螺母、离心盘、离心盘连接板、离心盘固定螺栓等，其中支撑块通过螺纹连接固定于滑轨上，导流块插装在支撑块上，并由中间的隔热圈隔热，连接块通过螺纹固定在导流块上，另一端与挤出塑化装置出口连接，覆盖块通过周向分布的螺钉与导流块固定连接，离心盘转轴穿过支撑块、覆盖块和离心盘中间通孔，并由轴承支撑，孔内壁以及轴承外圈附有隔热圈，轴承通过轴承端盖及垫圈固定密封，离心盘转轴一端通过联轴器与旋转电机相连，另一端通过固定螺母与离心盘连接板固定，离心盘连接板通过固定螺栓与离心盘连接固定，导流块外圈、连接块设有加热圈及热电偶，离心盘下方设有红外加热管及红外测温仪，以对纺丝过程温度进行精确控制。纺丝模块组件集熔体输送挤出、连续纺丝、加热冷却等功能于一体，避免了传统的上下结构，为纤维收集提供了更大空间，更利于纤维膜的工业化连续生产。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置，导流块和覆盖块上分别加工有流道，两者组合在一起分别形成冷却水流道及熔体流道。熔体在挤出压力下通过熔体流道进入离心盘进而纺丝成纤，冷却水流道中通以冷却水使离心盘转轴及轴承不过热运转。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置，离心盘最外圈有一圈突起结构，突起结构上周向加工有数百个微分槽，更利于熔体流的微分分流；且离心盘外圈有一定倾斜角，倾斜角可在10°至30°内取值；倾斜角太小，纤维从离心盘边缘甩出直径太大，纤维难于收集；倾斜角太大，离心盘过于收拢，加热不易均匀，且形成的纤维膜覆盖直径小，纤维膜覆盖层太厚不易于敷设均匀。离心盘外圈有一定倾斜角，使熔体在流动过程中受一定粘滞力作用，延缓熔体流出速度，增强熔体内部剪切作用；离心盘内圈亦有一圈突起，起隔绝熔体作用，防止熔体从内圈流出；离心盘下表面镀有石墨烯层，使传热更为快速。对于粘度很高的熔体，离心盘上表面也可以镀有石墨烯层，利于熔体的离心甩出。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置，在离心盘连接板与覆盖块之间安装一个具有自润滑性能的密封环，例如聚四氟乙烯环、铜环或石墨环，一方面防止熔体从覆盖块与离心盘连接板中的缝隙流出，另一方面也起到润滑作用。密封环密封效果变差时更更换。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置，其方法步骤为：第一步，装置及材料的准备阶段：首先进行各装置的安装、密封、电器方面的检查，确保不漏电、不漏料，对纺丝材料进行干燥处理等；第二步，根据积累的纺丝参数设定熔体输送各段温度，熔体输送流量，根据纺丝速度和目标纤维膜厚度设定放卷和收卷速度；第三步，预热阶段：开启熔体挤出塑化装置，纺丝模头组件，热压辊子等温控装置，升高到设定温度；第四步，试纺丝阶段：观察各设定温度达到后，开启熔体挤出塑化装置并加入纺丝材料直到离心盘上有熔体出现时，开启旋转电机，按需要设定转速，微调挤出速度及转速，直到纤维均一稳定，开启抽吸风装置，纳米纤维从离心盘飞出，在吸风装置的作用下粘附在纤维收集网上；第五步，稳定运行阶段：去除试纺丝阶段纤维，开启放卷装置、热压辊子及收卷装置到设定温度，进入纤维制备的稳定运行阶段，同时在熔体挤出塑化装置加料口不断加入纺丝原料连续纺丝。
本发明中纺丝模头组件可采用多组线性叠加方式，多个组件同时运行，以满足所要求的纺丝效率及纤维膜厚；纤维收集网幅宽可由实际需要与纺丝模头组件个数等确定。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置及方法，纺丝的覆盖面积由离心盘的直径决定，宽度更换方便，只需更换离心盘即可。熔体挤出在离心盘上，由于有了密封环，熔体不易进入离心盘转轴，在离心盘边缘有突起结构和微分槽，便于纤维直径的均化，吸风辅助纤维收集和四队热辊的滚压，使得连续化生产便于控制。
附图说明
图1是本发明一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置的剖视示意图。
图2是图1的A放大图。即一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置的纺丝模头组件的局部放大图。
图中：1-挤出塑化装置，2-纺丝模头组件，3-纤维收集网，4-抽吸风装置，5-中空支架，6-热压辊子，7-箱体，8-收卷辊子，9-收卷辊子支架，10-放卷辊子支架，11-放卷辊子，12-滑轨，13-电机支架，14-旋转电机，15-支撑块，16-隔热圈，17-管接头，18-红外测温仪支架，19-红外测温仪，20-红外加热管，21-离心盘，22-离心盘固定螺栓，23-离心盘连接板，24-固定螺母，25-挡圈，26-轴承端盖，27-轴承，28-覆盖块，29-导流块，30-挤出流道电热偶，31-导流块热电偶，32-连接块，33-加热圈，34-隔热圈，35-离心盘转轴，36-联轴器。
具体实施方式
本发明提出了一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置，如图1-2所示，主要包括：主要包括挤出塑化装置1，纺丝模块组件2，纤维收集网3，抽吸风装置4，中空支架5，热压辊子6，箱体7，收卷辊子8，收卷辊子支架9，放卷辊子支架10，放卷辊子11，滑轨12，电机支架13，旋转电机14，支撑块15，隔热圈16，管接头17，红外测温仪支架18，红外测温仪19，红外加热管20，离心盘21，离心盘固定螺栓22，离心盘连接板23，固定螺母24，挡圈25，轴承端盖26，轴承27，覆盖块28，导流块29，挤出流道电热偶30，导流块热电偶31，连接块32，加热圈33，隔热圈34，离心盘转轴35和联轴器36，其中挤出塑化装置1固定在滑轨12上，并与纺丝模块2相连，为纺丝模块2供给塑化熔体；纺丝模块组件2整体通过螺纹连接固定于滑轨12上；滑轨12固定于箱体7底板上，并可在底板上往复滑行；放卷辊子11由放卷辊子支架10支撑，并固定于箱体7底板上，纤维收集网3由放卷辊子11放卷铺出，经由四对热压辊子6，最终在收卷辊子8上收卷，收卷辊子8与收卷辊子支架9固定于箱体7上端；四对热压辊子6固定与箱体7上；抽吸风装置4固定于中空支架5之上，中空支架5两端固定于纺丝箱体7上；红外测温仪19通过红外测温仪支架18固定于滑轨12上，并指向离心盘21，红外加热管20置于离心盘21下方；纺丝模块组件2中，支撑块15通过螺纹连接固定于滑轨12上，导流块29插装在支撑块15上，并由中间的隔热圈16隔热，连接块通过螺纹固定在导流块29上，另一端与挤出塑化装置出口连接，覆盖块28通过周向分布的螺钉与导流块29固定连接，离心盘转轴35穿过三者中间通孔，并由轴承27支撑，孔内壁以及轴承外圈附有隔热圈16，轴承27通过轴承端盖26及垫圈固定密封，离心盘转轴35一端通过联轴器36与旋转电机14相连，另一端通过固定螺母与离心盘连接板23固定，离心盘连接板23通过固定螺栓与离心盘21连接固定，导流块29外圈、连接块32设有加热圈33及导流块热电偶31。
本发明一种离心纺丝法连续制备宽幅纤维膜装置及方法，其使用方法为：第一步，装置及材料的准备阶段：首先进行各装置的安装、密封、电器方面的检查，确保不漏电、不漏料，对纺丝材料进行干燥处理等；第二步，根据积累的纺丝参数设定熔体输送各段温度，熔体输送流量，根据纺丝速度和目标纤维膜厚度设定放卷和收卷速度；第三步，预热阶段：开启熔体挤出塑化装置、纺丝模头组件和热压辊子等温控装置，将控温段升高到设定温度；第四步，试纺丝阶段：观察各设定温度达到后，开启熔体挤出塑化装置并加入纺丝材料直到离心盘上有熔体出现时，开启旋转电机，按需要设定转速，微调挤出速度及转速，直到纤维均一稳定，开启抽吸风装置纳米纤维从离心盘飞出，在吸风装置的作用下粘附在纤维收集网上；第五步，稳定运行阶段：去除试纺丝阶段纤维，开启放卷装置、热压辊子及收卷装置，进入纤维制备的稳定运行阶段，同时在熔体挤出塑化装置加料口不断加入纺丝原料连续纺丝。
本发明一个实施例：以PP材料为纺丝原料，熔融温度为160-172℃，分解温度为320-330℃，熔体流动指数2000g/min。设定加热圈的挤出流道电热偶30和导流块热电偶31加热温度为250℃，离心微分盘转速为4000r/min。根据上述方法步骤，所得纤维细度达到纳米级，纺丝效率高达约100g/h。

Claims (9)

1.一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：主要包括挤出塑化装置、纺丝模块组件、纤维收集网、抽吸风装置、中空支架、热压辊子、箱体、收卷辊子、收卷辊子支架、放卷辊子、放卷辊子支架、滑轨、电机支架、旋转电机、红外测温仪、红外测温仪支架、红外加热管和联轴器，其中挤出塑化装置固定在滑轨上，并与纺丝模块相连，为纺丝模块供给塑化熔体；纺丝模块组件整体通过螺纹连接固定于滑轨上；滑轨固定于箱体底板上，并可在底板上往复滑行；放卷辊子由放卷辊子支架支撑，并固定于箱体底板上，纤维收集网由放卷辊子放卷铺出，经由四对热压辊子，最终在收卷辊子上收卷，收卷辊子与收卷辊子支架固定于箱体上端；四对热压辊子固定与箱体上；抽吸风装置固定于中空支架之上，中空支架两端固定于纺丝箱体上；红外测温仪通过红外测温仪支架固定于滑轨上，并指向离心盘，红外加热管置于离心盘下方。
2.根据权利要求1所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：纺丝模块组件包括支撑块、支撑块隔热圈、导流块、连接块、导流块加热圈、热电偶、覆盖块、离心盘转轴、轴承、轴承端盖、挡圈、联轴器、固定螺母、离心盘、离心盘连接板和离心盘固定螺栓，其中支撑块通过螺纹连接固定于滑轨上，导流块插装在支撑块上，并由中间的隔热圈隔热，连接块通过螺纹固定在导流块上，另一端与挤出塑化装置出口连接，覆盖块通过周向分布的螺钉与导流块固定连接，离心盘转轴穿过支撑块、覆盖块和离心盘中间通孔，并由轴承支撑，与离心盘转轴接触的孔内壁以及轴承外圈附有隔热圈，轴承通过轴承端盖及垫圈固定密封，离心盘转轴一端通过联轴器与旋转电机相连，另一端通过固定螺母与离心盘连接板固定，离心盘连接板通过固定螺栓与离心盘连接固定，导流块外圈、连接块设有加热圈及导流块热电偶，离心盘下方设有红外加热管及红外测温仪。
3.根据权利要求2所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：导流块和覆盖块上分别加工有流道，两者组合在一起分别形成冷却水流道及熔体流道。
4.根据权利要求1所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：离心盘最外圈有一圈突起结构，突起结构上周向加工有数百个微分槽。
5.根据权利要求1所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：离心盘外圈有一定倾斜角，倾斜角可在10°至30°内取值。
6.根据权利要求1所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：离心盘内圈有一圈突起。
7.根据权利要求1所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：离心盘下表面镀有石墨烯层，和或离心盘上表面镀有石墨烯层。
8.根据权利要求2所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置，其特征在于：在离心盘连接板与覆盖块之间安装一个具有自润滑性能的密封环。
9.采用权利要求2所述的一种离心纺丝法连续制备纤维膜装置进行纤维制备的方法，其特征在于：第一步，装置及材料的准备阶段：首先进行各装置的安装、密封、电器方面的检查，确保不漏电、不漏料，对纺丝材料进行干燥处理等；第二步，根据积累的纺丝参数设定熔体输送各段温度，熔体输送流量，根据纺丝速度和目标纤维膜厚度设定放卷和收卷速度；第三步，预热阶段：开启熔体挤出塑化装置，纺丝模头组件，热压辊子等温控装置，升高到设定温度；第四步，试纺丝阶段：观察各设定温度达到后，开启熔体挤出塑化装置并加入纺丝材料直到离心盘上有熔体出现时，开启旋转电机，按需要设定转速，微调挤出速度及转速，直到纤维均一稳定，开启抽吸风装置，纳米纤维从离心盘飞出，在吸风装置的作用下粘附在纤维收集网上；第五步，稳定运行阶段：去除试纺丝阶段纤维，开启放卷装置、热压辊子及收卷装置到设定温度，进入纤维制备的稳定运行阶段，同时在熔体挤出塑化装置加料口不断加入纺丝原料连续纺丝。
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吴昌政;丁玉梅;李好义;谭晶;谢同维;杨卫民;: "熔体微分离心纺丝技术" *

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