CN107201560B - 高速离心纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速离心纺丝装置，解决现在螺旋线拉伸存在的问题，采用的方案为：一种高速离心纺丝装置，其特征在于，还包括直线拉伸通道：为若干道，均匀地径向设置在所述旋转体上，一道所述的直线拉伸通道对应的配合至少一个喷射孔，形成连通容纳腔及旋转体外部空间的喷射直线拉伸通道，所述直线拉伸通道的长度为所述喷射孔长度的3~1000倍。其效果：增加了一个熔体或者溶液的直线式地拉伸环节或者过程，能够使熔体或者溶液射流在离开旋转体或者离心喷孔之前，已经被直线地拉伸，其拉伸倍率达到数十至数百倍。能够使熔体或者溶液离开喷孔时的纤维细流的外径达到数微米级，然后再进入到自由空气中，进行螺旋式地弧线拉伸。

Description

高速离心纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种高速离心纺丝装置，尤其涉及一种纺制纳米级别纤维丝的高速离心纺丝装置。

背景技术

现有的利用物理方法对高分子材料进行纺丝的技术大致有如下几种：1.熔喷无纺布纺丝工艺，为常见的化学纤维熔体纺丝工艺；2.静电纺丝工艺；3.静电离心纺丝或者离心静电纺丝工艺；4.高速离心纺丝工艺。

这些工艺方法中能够纺出亚微米至纳米级纤维的技术，只有静电纺丝和高速离心纺丝。至于离心静电纺丝或者静电离心纺丝只是将两种方法结合起来。利用静电库伦电场力使离心纺丝纺出的纤维更加有序分布；或者利用离心力对黏度较高的被纺材料(熔液)从毛细孔管中拉出或甩出，形成纤维流或者射流，再用静电库伦电场力进行拉伸纤维流或者射流。

关于高速离心纺丝技术的相关专利申请有：

2007年中国长春应用化学研究所申请的名称为“熔体和溶液离心纺丝制备非织造物的装置”(申请号为200710306660.2)的专利申请，该装置上的离心喷嘴露在外面，喷嘴与外界空气接触，从喷嘴射出的射流直接进入到自由空气环境中，即从喷嘴射出的射流离开了离心力场的作用，进入到螺旋线式地拉伸过程中。

2010年东华大学申请的名称为：“一种制备纳米纤维量产装置”(申请号为201010018296.1)的专利申请，在专利申请文件公开的图示中显示：喷嘴是在储料桶的外壁上，是露在外面的，喷嘴与外界自由空气接触，从罐壁孔射出的射流直接进入到自由空气中，或者直接进入到有电场力的自由空气中，即从喷嘴射出的射流离开了离心力场的作用，进入到螺旋线式地拉伸过程中。

2011年青岛大学申请的名称为：“一种制备纳米纤维绞线结构的装置”(申请号为201110137417.9)的专利申请，该装置上的L形喷嘴是直接暴露在自由空气环境中，喷嘴与外界自由空气接触，即喷嘴射出的射流直接进入到自由空气环境中，即从喷嘴射出的射流离开了离心力场的作用，进入到螺旋线式地拉伸过程中。

2013年中科昊泰新材料有限公司与北京化工大学联合申请的名称为：“一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置”(申请号为201310163308.3)的专利申请，该装置上喷嘴与外界自由空气接触，其离心喷嘴射出的射流直接进入到自由空气的环境中，即从喷嘴射出的射流离开了离心力场的作用，进入到螺旋线式地拉伸过程中。

2008年纳幕尔杜邦公司申请的名称为：“Production of nanofibers by meltspinning”(专利号为ZL200880120862.0)的专利，该专利产品相对前述的几个申请专利产品而言，区别在于：比较充分的利用了旋转盘产生的离心力，类似于浙江理工大学的无针离心纺丝方案(2016年第3期，《产业用纺织品》“离心纺：一种高效制备微/纳米纤维的纺丝方法(二)”)。2010年华东师范大学申请的名称为“水平盘式旋转离心纺丝法”(申请号：201010252151.8)的专利申请，公开了无针离心纺丝法。但是熔体或溶液在旋转盘的平面上形成薄膜时，与旋转盘平面有摩擦，其阻力会抵消部分离心力。薄膜变薄后因分子的团聚作用，又会收缩成一条线(文献中称之为手指状)，将先前膜变薄的效果抵消掉，而且细流拉伸过程中，会受到切向气流剪切力和细流在旋转离心盘平面上的摩擦力的影响，影响纺丝细度及均匀度。

2014年广东魏保平申请的名称为“一种嵌套式纺丝体”(申请号：201410698917.3)的专利申请，设备上的离心喷嘴同样是暴露在自由空气中，即从嘴喷出的射流直接进入到自由空气中，呈螺旋线式地拉伸。

2016年烟台森森环保科技有限公司申请的名称为“一种离心螺旋纺丝装置”(申请号201610224066.8)的专利申请，其离心喷嘴同样是暴露在自由空气中，从喷嘴喷出的射流直接进入到自由空气中，呈螺旋线式地拉伸。即从喷嘴射出的射流离开了离心力场的作用，进入到螺旋线式地拉伸过程中。

综上所述，在离心纺丝或者离心静电纺丝技术中，从喷嘴(或喷射孔)喷出的射流，均是直接进入到自由空气中螺旋线的拉伸过程，没有在离心力的作用下继续直线地长距离地拉伸，直至纤维细流直径达到微米级后，再进入到自由空气中螺旋线的拉伸阶段。当进入到自由空气中时，呈螺旋线的方式拉伸，存在的问题：从喷嘴喷出的射流，直接接触自由空气，遇冷使射流的凝固度增加，影响射流的拉伸程度，最终影响纤维丝的细度，难以达到微米级。可能的解决方案：将喷孔的内径做得尽可能地小，使从喷孔出来的纤维丝直接到达接近纳米级别的细度。然而由于堵塞问题和机械加工工件内孔的小直径尺寸极限的限制，能够将喷孔内径做成150微米已经是极限尺寸了。然而150微米的纤维细流在自由空气中螺旋线式地拉伸成1微米的纤维，这本身有较多的比较难以控制的物理参数，尤其是纤维的轨迹很容易受到微弱空气流的扰动造成纤维的拉伸时间和路线长度具有很大的随机性，从而导致一根纤维的直径大小不一，粗细不匀，且直径大小的范围较宽，难以满足纳米纤维的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题而提供一种高速离心纺丝装置，增设直线拉伸通道，直线拉伸通道的长度是喷射孔的数倍至数十倍，通过喷射孔形成射流，通过直线拉伸通道进行直线拉伸，从直线拉伸通道出来的纤维丝的直径已经接近毫米级别，然后进入自由空气中的螺旋线的拉伸阶段，能够达到纳米级要求，而且能够使纤维丝的直径值的分布区域较小，其次，直线拉伸通道的内截面尺寸为所述喷射孔内截面尺寸的数倍至数十倍，达到的目的是通过喷射孔形成的射流在直线拉伸通道进行直线拉伸时不与直线拉伸通道的内壁接触，避免产生摩擦，此外，配合加热盘、热气进气管，减小自由空气对纤维丝温度的影响，尽可能保持熔点温度，最大可能的纺出纳米级的纤维丝，加热盘的设置既大为降低旋转盘旋转时与空气产生的噪音，又能防止旋转盘固定不可靠导致的旋转盘飞离产生的后果出现。

本发明的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：一种高速离心纺丝装置，包括：

旋转驱动装置；

旋转体：由所述旋转驱动装置驱动旋转；

容纳腔：位于所述旋转体的中心部位，用于容纳纺丝原料(包括原料熔液/溶液，为了举例说明，下午涉及的熔液或溶液都为原料的一种形态)；

注料件：注料口与所述容纳腔配合，用于向容纳腔内供料；

喷射孔：为若干个，分别分布于所述容纳腔的外周，所述容纳腔与各个所述喷射孔连通，旋转体旋转时，喷出纺丝；

其特征在于，还包括直线拉伸通道：为若干道，均匀地径向设置在所述旋转体上，一道所述的直线拉伸通道对应的配合至少一个喷射孔，形成连通容纳腔及旋转体外部空间的喷射直线拉伸通道，所述直线拉伸通道的长度b为所述喷射孔长度a的3～1000倍。

增设直线拉伸通道，直线拉伸通道的长度是喷射孔的数倍至数十倍。熔液通过喷射孔形成射流，射流通过长距离的直线拉伸通道的直线拉伸，射流在旋转盘内拉伸倍率达到数十倍至数百倍，射流射出旋转体的边沿时，射流直径已经达到微米级，且射流离开旋转体时的射速可达到每秒百米以上。射流在长距离直线拉伸通道中被拉伸时，不受空气切向剪切力和径向的阻力，不受毛细管壁的摩擦阻力的影响，射流在离开旋转体之前，已经被大倍率地拉伸后再射出到自由空气中，进行螺旋线式地继续拉伸，能够纺制出直径均匀且能达到纳米级的纤维丝。

关于直线拉伸通道为形成在旋转体的表面通槽，再结合盖体，使直线拉伸通道盖合，形成直线拉伸通道；也可以设置在旋转体的实体部分的内部。

具体来说，旋转体高速旋转时，直线拉伸通道内的空气由于高速旋转产生极大的惯性力，使隧道内的有质量的物质均被甩出，因此空气也被甩出，由于熔液充满喷射孔(或称为喷孔或喷针孔)，即堵住了喷射直线拉伸通道的入口，防止空气通过喷射孔进入直线拉伸通道，因此，空气只有被甩出，不能进入，只有在刚开始旋转时存在空气，当空气大部分被甩出后，直线拉伸通道的内环境接近真空环境，减少甚至避免了空气对通过直线拉伸通道内射流(纤维丝)的影响(包括空气的阻力及空气带走的温度的影响)。

当旋转体的角速度足够大，且没有角加速度和轴向的加速度运动时，从喷射孔射出的熔液射流进入直线拉伸通道，在直线拉伸通道内，熔液射流被离心力拉成直线。只有在喷射直线拉伸通道内，射流的拉伸轨迹才是直线的。当射流在喷射直线拉伸通道的出口射出时，因空气的切向剪切力的作用，射流才从直线变成圆弧线(喷射直线拉伸通道的出口处为射流从直线变成弧线的转折点)。

通过溶液纺丝试验研究，并建立适合于工程应用的数学模型：射流射出旋转体外沿时的流速或者射速的公式是：

(公式中，v₂是射流射出旋转体外沿时时的速度，ω是旋转体的角速度，r是旋转体的半径，r₀是喷射孔处距离旋转体中心的半径，v₀是喷射孔处射流流出喷射孔时的射流速度)。

现有技术中，基本情况均是r＝r₀,v₂＝v₀，即是喷射孔射出的熔液射流直接进入到螺旋线地拉伸射流的状态。

在本技术方案中，则是r>>r₀，v₂>>v₀的情况。即喷射孔射出的熔液射流没有直接进入到在自由空气中螺旋线地拉伸射流的状态，而是在(r-r₀)的径向地长距离的直线拉伸通道内直线地拉伸后，再进入到自由空气中进行螺旋线式地弧线拉伸。

本技术方案是：尽可能地将喷射孔的径向长度(或者说喷针的长度)缩短，比如2毫米左右。同时，尽可能的增加直线拉伸通道的长度(r-r₀)。从喷射孔射出的熔液细流不是立即进入到自由空气中，而是使其在旋转体形成的离心力场中，尽可能利用离心力，在直线拉伸通道中对熔液细流进行直线拉伸。要使离心力对熔液细流沿着直线拉伸通道持续地直线拉伸，首先需要尽可能地加大直线拉伸通道的长度(即增加旋转体的直径尺寸)。其次是尽可能地减少熔液细流在被直线拉伸的过程中的阻力和剪切力，直线拉伸过程中没有空气的径向阻力、圆周方向的空气流剪切力、熔液与直线拉伸通道内壁之间的摩擦阻力。因为相比其他容易实现的物理方式而言，在尽可能短的距离内获得尽可能大的拉伸倍数的一种有效方法。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述直线拉伸通道的内截面尺寸为所述喷射孔内截面尺寸的3-20000倍。这种设置的目的在于防止熔液射流在直线拉伸通道中与直线拉伸通道的内部接触，避免出现因接触产生的摩擦力，避免产生的摩擦力削弱离心力的作用，使熔液射流尽可能的被拉伸。

为了能够充分利用离心力对熔液射流进行直线拉伸，所述直线拉伸通道的中心线与所述旋转体的旋转轴线垂直设置。

所述旋转体包括容器，与容器固定连接在一起的旋转盘；所述容器的内腔为所述容纳腔，所述喷射孔设置在所述容器壁上，所述旋转驱动装置驱动所述容器转动，所述容器以其轴线为转动轴线。在本技术方案中，第一种方案：容器与旋转盘为分体结构，通过连接件形成可拆卸式的固定；第二种方案：容器与旋转盘为一体结构。由于旋转盘的尺寸较大，为了方便加工，第一种方案为较佳方案。容器可以为坩埚等耐高温耐腐蚀的容器。由于直线拉伸通道的内截面尺寸较大，为喷射孔内截面尺寸数倍至数十倍，为了提高纺丝效率，一道直线拉伸通道可以配合一个喷射孔，也可以配合多个喷射孔，一道直线拉伸通道配合多个喷射孔时，喷射孔可以是上下竖向一列或多列设置，也可以是横向设置。每个喷射孔喷射出来的射流相互不干涉，各射流在离心力作用下各自独立的被直线拉伸。

所述旋转盘的两面分别设置第一加热保温盘和第二加热保温盘，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘匀与所述旋转盘之间存在间隙，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外沿匀与所述旋转盘的外沿相适配。

对于现有技术的熔体纺丝而言，自由空气中的温度需要维持在射流能够被继续拉伸的状态，是有一定的难度的。其中最难控制的是射流周边的环境温度和周边的气流分布。

而本技术方案采用第一加热保温盘和第二加热保温盘的方式对射流拉伸通道进行控温，可以加热也可以制冷，控温简单易行，能够保持射流呈熔液状态。

当然，如果单纯的从控温方面来说，仅设置第一加热保温盘或第二加热保温盘也是可行的方案。当旋转离心盘的直径较大，转速较高时，会出现安全和噪声问题。为了减少旋转盘上下表面与空间接触，旋转时产生巨大噪音，也为了提高安全性，采用第一加热保温盘和第二加热保温盘，这样的方案为最佳方案。

噪声问题是采用本技术方案中使旋转体和不旋转的第一加热保温盘和第二加热保温盘构成“三明治”的结构方式来解决。依据是：将旋转体的表面积尽可能小地暴露在自由空气中，同时在不发生干涉的条件下，尽可能减小旋转体与静止体之间的间隙，从而减少气流阻力产生的噪声。同时选用噪声尽可能小的电动机。

当第一、第二加热保温盘加热后，旋转体与静止的不旋转体的第一、第二加热保温盘之间的间隙中空气受高温影响，使得间隙中的空气密度很低，空气阻力很小。而旋转体边沿的侧立面高度又很小，使得侧面积小，尽管侧面的线速度最大，但是与自由空气的接触面积小，所以气阻产生的噪声分贝数能够有效地得到抑制。

为了使旋转体的中心在轴向上有凸起部位，并且使凸起部位尽可能深地嵌入到静止的第一、第二加热保温盘中的中心凹部。这种凸凹镶嵌的部位在轴向的上方和下方均有布置。在旋转体高速旋转的过程中，即使驱动轴发生意外，旋转体也会被静止的不旋转体夹住。当然，当旋转体脱离驱动轴的限制时，采用其他等同方案，用于限制旋转体，使旋转体始终保持在第一、第二加热保温盘夹持的区域内，防止向外飞(包括向上飞出、向下飞出或向其他方向飞出)出而带来的危害。

为了进一步使射出旋转体的射流能够持续的处于高温熔液状态，并且在一定程度上持续近似直线的拉伸射流，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外侧壁上分别设置吹气管，所述吹气管靠近所述旋转盘设置，并环绕在所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外侧壁上，所述吹气管的管壁上设置若干吹气孔，吹出的气流朝所述旋转盘的径向方向向外。

为了增加吹气效果，第一、第二加热保温盘上可以分别纵向环绕多道吹气管，吹气孔吹气的方向一致，都是垂直于旋转体旋转轴线的方向，并朝外。

由于第一加热保温盘和第二加热保温盘加热时温度高，为了提高安全性，防止烫伤等意外情况发生，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘上远离所述旋转盘的面上分别设置隔热盘。隔热盘的设置还有利于提高能源利用率，防止第一加热保温盘和第二加热保温盘散发到空气中，也有利于提高设备工作状态的环境，减少热能污染。

所述容纳腔内配合一进气管，所述进气管连接热气供给装置，所述进气管对所述容纳腔提供热气。由于容纳腔与设备周边的空气是连通的，容纳腔中的熔液与空气存在热传递，旋转体喷射直线拉伸时，熔液难以维持熔溶状态，影响喷射直线拉伸效果，因此设置进气管，对容纳腔提高足够高温的热气，提高旋转体喷射直线拉伸的效果。

为了减少进气管的气流对熔液运动状态的影响，所述进气管的出气口靠近所述容纳腔中心设置，所述出气口为若干个，分别圆周分布于所述进气管的管端。出气口的方向顺应熔液运动方向，提高液体的流动性，有利于熔体进入喷射孔。

为了使进气管和注料管尽可能的位于容器中心位置，所述注料件为注料管，与所述进气管紧挨设置；或者所述注料管套在所述进气管的外围，形成嵌套配合。

本发明具有的有益效果：

1、增加了一个熔体或者溶液的直线式地拉伸环节或者过程。能够使熔体或者溶液射流在离开旋转体或者离心喷孔之前，已经被直线地拉伸，其拉伸倍率达到数十至数百倍。能够使熔体或者溶液离开喷孔时的纤维细流的外径达到数微米级，然后再进入到自由空气中，进行螺旋式地弧线拉伸。

2、增设第一、第二加热盘，解决了旋转体的直径增大后，在高速旋转时产生的噪声和安全问题。

3、增设第一、第二加热盘，使熔体持续维持在熔点温度附近，有利于持续直线拉伸。

4、旋转体外圆周位置的吹气孔的设置，用于吹热气，使熔体纺丝时需要的熔体在空气里继续拉伸时的温度，尽可能地维持在被纺材料的熔点温度附近，有利于持续拉伸。

5、直线拉伸通道的内截面尺寸为所述喷射孔内截面尺寸的数倍至数十倍，达到的目的是通过喷射孔形成的射流在直线拉伸通道进行直线拉伸时不与直线拉伸通道的内壁接触，避免产生摩擦，避免摩擦力阻碍纤维的直线拉伸。

6、一个直线拉伸通道配合一个喷孔或喷针孔，每个喷孔或喷针孔喷射出来的液体流相互不干涉，各种维持在直线拉伸的状态，且彼此平行直线拉伸。

附图说明

图1是本发明的一种半剖结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：如图1所示，一种高速离心纺丝装置，包括：

旋转驱动装置，在图1中，标号2为驱动装置的动力传动部件；

旋转体：由所述旋转驱动装置驱动旋转；

容纳腔：位于所述旋转体的中心部位，用于容纳纺丝原料(包括原料熔液/溶液，为了举例说明，下午涉及的熔液或溶液都为原料的一种形态)18；

注料件：注料口与所述容纳腔配合，用于向容纳腔内供料；

喷射孔：为若干个，分别分布于所述容纳腔的外周，所述容纳腔与各个所述喷射孔连通，旋转体旋转时，喷出纺丝；

其特征在于，还包括直线拉伸通道：为若干道，均匀地径向设置在所述旋转体上，一道所述的直线拉伸通道对应的配合至少一个喷射孔，形成连通容纳腔及旋转体外部空间的喷射直线拉伸通道，所述直线拉伸通道的长度b为所述喷射孔长度a的3～100倍。

增设直线拉伸通道，直线拉伸通道的长度是喷射孔的数倍至数十倍。熔液通过喷射孔形成射流，射流通过长距离的直线拉伸通道的直线拉伸，射流在旋转盘内拉伸倍率达到数十倍至数百倍，射流射出旋转体的边沿时，射流直径已经达到微米级，且射流离开旋转体时的射速可达到每秒百米以上。射流在长距离直线拉伸通道中被拉伸时，不受空气切向剪切力和径向的阻力，不受毛细管壁的摩擦阻力的影响，射流在离开旋转体之前，已经被大倍率地拉伸后再射出到自由空气中，进行螺旋线式地继续拉伸，能够纺制出直径均匀且能达到纳米级的纤维丝。

具体来说，旋转体高速旋转时，直线拉伸通道内的空气由于高速旋转产生极大的惯性力，使隧道内的有质量的物质均被甩出，因此空气也被甩出，由于熔液充满喷射孔(或称为喷孔或喷针孔)，即堵住了喷射直线拉伸通道的入口，防止空气通过喷射孔进入直线拉伸通道，因此，空气只有被甩出，不能进入，只有在刚开始旋转时存在空气，当空气大部分被甩出后，直线拉伸通道的内环境接近真空环境，减少甚至避免了空气对通过直线拉伸通道内射流(纤维丝)的影响(包括空气的阻力及空气带走的温度的影响)。

当旋转体的角速度足够大，且没有角加速度和轴向的加速度运动时，从喷射孔射出的熔液射流进入直线拉伸通道，在直线拉伸通道内，熔液射流被离心力拉成直线。只有在喷射直线拉伸通道内，射流的拉伸轨迹才是直线的。当射流在喷射直线拉伸通道的出口射出时，因空气的切向剪切力的作用，射流才从直线变成圆弧线(喷射直线拉伸通道的出口处为射流从直线变成弧线的转折点)。

通过溶液纺丝试验研究，并建立适合于工程应用的数学模型：射流射出旋转体外沿时的流速或者射速的公式是：

(公式中，v₂是射流射出旋转体外沿时时的速度，ω是旋转体的角速度，r是旋转体的半径，r₀是喷射孔处距离旋转体中心的半径，v₀是喷射孔处射流流出喷射孔时的射流速度)。

现有技术中，基本情况均是r＝r₀,v₂＝v₀，即是喷射孔射出的熔液射流直接进入到螺旋线地拉伸射流的状态。

在本技术方案中，则是r>>r₀，v₂>>v₀的情况。即喷射孔射出的熔液射流没有直接进入到在自由空气中螺旋线地拉伸射流的状态，而是在(r-r₀)的径向地长距离的直线拉伸通道内直线地拉伸后，再进入到自由空气中进行螺旋线式地弧线拉伸。

本技术方案是：尽可能地将喷射孔的径向长度(或者说喷针的长度)缩短，比如2毫米左右。同时，尽可能的增加直线拉伸通道的长度(r-r₀)。从喷射孔射出的熔液细流不是立即进入到自由空气中，而是使其在旋转体形成的离心力场中，尽可能利用离心力，在直线拉伸通道中对熔液细流进行直线拉伸。要使离心力对熔液细流沿着直线拉伸通道持续地直线拉伸，首先需要尽可能地加大直线拉伸通道的长度(即增加旋转体的直径尺寸)。其次是尽可能地减少熔液细流在被直线拉伸的过程中的阻力和剪切力，直线拉伸过程中没有空气的径向阻力、圆周方向的空气流剪切力、熔液与直线拉伸通道内壁之间的摩擦阻力。因为相比其他容易实现的物理方式而言，在尽可能短的距离内获得尽可能大的拉伸倍数的一种有效方法。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述直线拉伸通道的内截面尺寸为所述喷射孔内截面尺寸的3-2000倍。这种设置的目的在于防止熔液射流在直线拉伸通道中与直线拉伸通道的内部接触，避免出现因接触产生的摩擦力，避免产生的摩擦力削弱离心力的作用，使熔液射流尽可能的被拉伸。

为了能够充分利用离心力对熔液射流进行直线拉伸，所述直线拉伸通道的中心线与所述旋转体的旋转轴线垂直设置。

所述旋转体包括容器1，与容器固定连接在一起的旋转盘3，所述容器的内腔为所述容纳腔，所述喷射孔设置在所述容器壁上，所述旋转驱动装置驱动所述容器转动，所述容器以其轴线为转动轴线。在本技术方案中，第一种方案：容器与旋转盘为分体结构，通过连接件形成可拆卸式的固定；第二种方案：容器与旋转盘为一体结构。由于旋转盘的尺寸较大，为了方便加工，第一种方案为较佳方案。容器可以为坩埚等耐高温耐腐蚀的容器。由于直线拉伸通道的内截面尺寸较大，为喷射孔内截面尺寸数倍至数十倍，为了提高纺丝效率，一道直线拉伸通道可以配合一个喷射孔，也可以配合多个喷射孔，一道直线拉伸通道配合多个喷射孔时，喷射孔可以是上下竖向一列或多列设置，也可以是横向设置。每个喷射孔喷射出来的射流相互不干涉，各射流在离心力作用下各自独立的被直线拉伸。

所述旋转盘的上方和下方分别设置第一加热保温盘和第二加热保温盘，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘匀与所述旋转盘之间存在间隙，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外沿匀与所述旋转盘的外沿相适配。

对于现有技术的熔体纺丝而言，自由空气中的温度需要维持在射流能够被继续拉伸的状态，是有一定的难度的。其中最难控制的是射流周边的环境温度和周边的气流分布。

而本技术方案采用第一加热保温盘6和第二加热保温盘13的方式对射流拉伸通道进行控温，可以加热也可以制冷，控温简单易行，能够保持射流呈熔液状态。

当然，如果单纯的从控温方面来说，仅设置第一加热保温盘或第二加热保温盘也是可行的方案。当旋转离心盘的直径较大，转速较高时，会出现安全和噪声问题。为了减少旋转盘上下表面与空间接触，旋转时产生巨大噪音，也为了提高安全性，采用第一加热保温盘和第二加热保温盘，这样的方案为最佳方案。

噪声问题是采用本技术方案中使旋转体和不旋转的第一加热保温盘和第二加热保温盘构成“三明治”的结构方式来解决。依据是：将旋转体的表面积尽可能小地暴露在自由空气中，同时在不发生干涉的条件下，尽可能减小旋转体与静止体之间的间隙，从而减少气流阻力产生的噪声。同时选用噪声尽可能小的电动机。

当第一、第二加热保温盘加热后，旋转体与静止的不旋转体的第一、第二加热保温盘之间的间隙中空气受高温影响，使得间隙中的空气密度很低，空气阻力很小。而旋转体边沿的侧立面高度又很小，使得侧面积小，尽管侧面的线速度最大，但是与自由空气的接触面积小，所以气阻产生的噪声分贝数能够有效地得到抑制。

为了使旋转体的中心在轴向上有凸起部位20，并且使凸起部位尽可能深地嵌入到静止的第一、第二加热保温盘中的中心凹部19。这种凸凹镶嵌的部位在轴向的上方和下方均有布置。在旋转体高速旋转的过程中，即使驱动轴发生意外，旋转体也会被静止的不旋转体夹住。当然，当旋转体脱离驱动轴的限制时，采用其他等同方案，用于限制旋转体，使旋转体始终保持在第一、第二加热保温盘夹持的区域内，防止向外飞(包括向上飞出、向下飞出或向其他方向飞出)出而带来的危害。

为了进一步使射出旋转体的射流能够持续的处于高温熔液状态，并且在一定程度上持续近似直线的拉伸射流，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外侧壁上分别设置吹气管8、12，所述吹气管靠近所述旋转盘设置，并环绕在所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外侧壁上，所述吹气管的管壁上设置若干吹气孔7、11，吹出的气流朝所述旋转盘的径向方向向外。

为了增加吹气效果，第一、第二加热保温盘上可以分别纵向环绕多道吹气管，吹气孔吹气的方向一致，都是垂直于旋转体旋转轴线的方向，并朝外。

由于第一加热保温盘和第二加热保温盘加热时温度高，为了提高安全性，防止烫伤等意外情况发生，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘上远离所述旋转盘的面上分别设置隔热盘5、14。隔热盘的设置还有利于提高能源利用率，防止第一加热保温盘和第二加热保温盘散发到空气中，也有利于提高设备工作状态的环境，减少热能污染。

所述容纳腔内配合一进气管16，所述进气管连接热气供给装置，所述进气管对所述容纳腔提供热气。由于容纳腔与设备周边的空气是连通的，容纳腔中的熔液与空气存在热传递，旋转体喷射直线拉伸时，熔液难以维持熔溶状态，影响喷射直线拉伸效果，因此设置进气管，对容纳腔提高足够高温的热气，提高旋转体喷射直线拉伸的效果。

为了减少进气管的气流对熔液运动状态的影响，所述进气管的出气口17靠近所述容纳腔中心设置，所述出气口为若干个，分别圆周分布于所述进气管的管端。出气口的方向顺应熔液运动方向，提高液体的流动性，有利于熔体进入喷射孔。

为了使进气管16和注料管15尽可能的位于容器中心位置，所述注料件为注料管，与所述进气管紧挨设置；或者所述注料管套在所述进气管的外围，形成嵌套配合。

具体举例来说明：

第一个举例：旋转体3直径为0.4米，容器1(在具体举例说明中都以坩埚为例)直径0.08米，用离心力拉伸射流的直线拉伸通道长度是0.16米。旋转体3的半径尺寸是坩埚内壁上的喷射孔4(喷孔或者喷针孔)距离旋转中心的尺寸的5倍。

旋转速度设计值10000rpm。旋转体(不计电动机驱动轴)重23.5kg。常温下旋转体与静止不旋转的上下加热盘之间的间隙是3至4毫米，加热到200℃时，间隙是2至2.5毫米。实际运行时，最高8000rpm，常温下在8000rpm的噪声水平是87分贝。当高温时，8000rpm时的噪声只有82分贝。

第二个举例：旋转体3的直径是0.6米，容器1(例如坩埚)的直径是0.1米，旋转体的半径尺寸是坩埚内壁上的喷射孔4(包括喷孔或者喷针孔)距离旋转中心的尺寸的6倍。

在旋转体3的温度在250℃时，8000rpm的状态下，噪声是85分贝。

旋转体3的驱动采用变频感应电动机直接驱动。感应电动机的输出轴必须加长，在感应电动机输出轴的端盖与旋转体3的底部端面之间留出足够的长度，将这空出来的轴长段置于制冷的空气中，冷空气的温度限定在25℃，当温度升高时，提高冷空气的流速。当下加热圆盘6的温度升高到360℃，持续2小时后，感应电动机外壳的温度维持在50℃以下。

坩埚内壁上的喷射孔4的直径0.5毫米，坩埚壁厚2.5毫米，即内径0.5毫米的喷孔径的径向长度是2.5毫米，直线拉伸通道的长度是喷孔长度的64倍。直线拉伸通道内截面积是喷孔内圆截面积的36倍。每个直线拉伸通道对应2个喷孔数是两个，对称地布置。

直线拉伸通道截面为矩形，但不限于矩形，其他形状也是适用的。旋转体3与旋转盘盖同直径，旋转体3与旋转盘盖配合使直线拉伸通道周向闭合。

本技术方案适用于溶液离心纺PAN：

采用粉状聚丙烯腈PAN，分子量15万，溶剂是二甲基甲酰胺DMF。质量分数浓度wt8％至14％。软塞密封常温机械搅拌24小时。

纺丝时，不加坩埚中心的气流，将进气管和进料管抽出，从进气管留出的中空处，每5分钟加溶液5毫升。当旋转速度稳定在6000rpm时开始加料。纤维接收距离20厘米，接受纤维的衬底是常见的医用纱布，或者克重为20克每平方米的聚丙烯无纺布。纺丝半小时，得到的纳米纤维重2.2克，纤维直径比较均匀。

从实际的试验结果验证了，采用本技术方案进行离心纺丝的过程中，纤维细流的拉伸主要不是靠纤维细流在空气中三维鞭动拉伸，而是主要靠旋转体上的径向直线拉伸通道进行离心拉伸。在这个离心力场中的物理参数的随机性要比在自由空气中的随机性要小很多。

当浓度降为wt8％时，纤维的直径变大，与国内外报道的纤维直径随着浓度的减小而增加的结论相似。这个现象在本发明中的一种解释是：溶液浓度减小，相同的喷孔内径的溶液的体积流量增加，纤维流流量增加在流速不变的情况下，就是纤维的直径会增加。尽管浓度降低了，但是相比浓度对挥发后的纤维的直径的影响要小于因浓度降低使流量增加的影响。

因为试验的次数有限，很难得出一个明确的关于本发明中的纤维直径与溶液浓度的关系的确切结论。

在试验中，只做了溶液浓度的改变，旋转速度和喷孔内径0.5毫米均没有变化。尤其是坩埚壁上的喷孔4内径是用常规直径0.5毫米的麻花钻头在直径80毫米的圆形坩埚的外圆弧上钻出来的，这已经是这种加工方式最小的直径了。

本技术方案适用于溶液离心纺PVDF。

聚偏氟乙烯PVDF，溶剂依然是二甲基甲酰胺DMF。质量分数浓度wt 8％至10％。软塞密封60摄氏度情况下机械搅拌24小时。

纺丝时，不加坩埚中心的气流，将进气管和进料管抽出，从进气管留出的中空处，每5分钟加料5毫升。当旋转速度稳定在7000rpm开始加料。纤维接收距离20厘米，接受纤维的衬底是常见的医用纱布。坩埚内壁上的孔的直径0.5毫米，坩埚壁厚2.5毫米，即内径0.5毫米的孔径长度是2.5毫米。之所以将转速增加到7000rpm，是因为相同浓度条件下，PVDF其黏度比PAN的要高。

尽管PVDF纤维的直径变小了，但是纤维表面的光滑程度和均匀性不及PAN材料。在本发明的实验中，说明PAN溶液相比PVDF溶液的可纺性好，这个结论与溶液静电纺丝的结论相同。

本技术方案适用于高聚物的熔体纺丝：

熔体纺丝尽管只多了一个工艺参数：温度。但是温度是很难准确的控制和测量的，尤其是测量高速旋转的离心盘的温度，坩埚内物料的温度，拉伸射流的隧道内的温度，和射流从隧道口射出后遇到的空气的温度，或者说射流在空气中螺旋线地拉伸过程的温度，这实际是一个比较复杂的温度场。

熔体离心纺丝材料：聚丙烯，颗粒料，熔值25g/10min(测试条件230℃,2.16kg，以下同)至1500g/10min。

测试旋转体和坩埚的方法是用红外探头测试。

加进物料熔融的方法有两种，一种是：当坩埚的温度和旋转盘外沿的温度达到180℃至230℃时，起动电动机，转速稳定在5000rpm至8000rpm时，开始按照每两分钟两克的颗粒料加入到坩埚中，加料前，将坩埚中的空气管和进料管均抽出，加完颗粒料后，再插回到坩埚中。另一种是：将12至15克的颗粒料在启动加热装置前加入，将点温探头埋入物料中，当物料温度超过熔点温度后，将温度探头抽出，开始启动电动机。

颗粒料在加温的过程中，没用到螺杆挤出机，所以没有搅拌和挤压的过程，有塑化不均匀的问题，造成被熔融的物料颗粒出现“夹生饭粒”的情况，没有被完全熔融的细小颗粒，会出现在纤维上，产生纤维串珠的现象。第一种加料方式下，纤维上的串珠现象很严重。第二种加料方式串珠现象要好很多。

第一种和第二种加物料熔融的方式，都没有用到插入到坩埚中的进料管，因为进料管内径较小，颗粒料在管内容易堵塞，只有当充分熔融后的熔体在挤压作用才能够比较顺利地流入到坩埚中。

坩埚内壁上的孔或针孔的内径0.36毫米，0.36毫米的内径孔的长度是3至4毫米。内孔内圆截面积是0.1平方毫米，直线拉伸通道的内截面积是喷孔的内圆截面积的90倍。

坩埚内壁上的孔或针孔的内径还试验过0.18毫米，0.18毫米的内径孔的长度是4毫米。内孔截面积是0.025平方毫米，直线拉伸通道的内截面积是喷孔的内圆截面积的353倍。

由于物料的温度和黏度等参数很难准确确定，要想通过这些参数确定射流v₀初始速度是比较困难的。得到v₀的工程数据是通过熔体的流量，喷孔4的内径，可以得到v₀的值，再通过喷孔4处的流量和直线拉伸通道出口9处的流量相等的原理，得到射流在直线拉伸通道出口9处的流速v₂，从而可以得到在直线拉伸通道出口处射流的外径。还可以导出射流在直线拉伸通道内的拉伸倍率。再通过实际测量的直线拉伸通道口处的射流的外径，来验证公式1的准确度或者评估公式1的参考价值。

因为原料的流动性对原料的温度是很敏感的，厂家在标定原料的流动性是按照相关的测试标准标定的。所以做熔体纺丝试验时，先要大致确定物料在坩埚内的流动性，即需要用多大的挤出力才能将高粘度的物料从坩埚内壁的小孔中挤出，这个挤出力与纺丝时产生的离心力有一种对应关系，从而确定出纺丝时的转速和温度，只要确定出的这个转速没有超过8000rpm，温度没有超过试验设备本身的升温极限，就可以用这个参数来确定高速离心纺丝时的转速和温度。

当旋转体高速旋转时，搅动冷空气的流动，会使旋转体坩埚内的温度降低，同时也会使直线拉伸通道内的温度降低，所以要设法维持坩埚内的温度和旋转体的温度，旋转体外表的温度(用非接触的红外探头测定)可以认定为直线拉伸通道内的温度。

一组聚丙烯颗粒料纺丝实验数据是：

聚丙烯熔值是25g/10min(230℃,2.16kg)，分子量21万，分子量分布3.5，灰粉0.22％。

坩埚内壁针孔的内径是0.36毫米。

当坩埚温度升到220℃(红外探测温度)，旋转体外沿侧立面红外探测210℃，此时加入颗粒料12克。加热时间15分钟，用点温计探头测得原料温度是224℃，此时起动电动机，设定转速7000rpm。

中心进气管的温度控制器设定在300℃，坩埚中径向气流的温度约为215℃，进气压力0.2Mpa。

上下加热盘上的进气管进入冷空气，室温28℃，管中气体压力0.3MPa。

六面的从中心向外排风的风机开启。

从转速稳定在7000rpm时开始计时。当7000rpm稳定运行2分钟时，监测转速的波动情况1分钟，测得转速波动范围是6950rpm至6970rpm，也说明了角加速度很小。

因高速旋转体上下均有凸部，嵌入到静止的上下加热盘的凹部，当高速旋转时，有向上的浮力。当上下气隙中气流压力达到平衡时，电动机的转子、电动机的轴和旋转离心盘3是悬浮在高速气流中的。而且轴向串动的位移用常规的方法测量不到。

同时用带有点温计探头(热敏电阻)的细铁丝深入到旋转离心盘边沿约2至4毫米处(因气流速度很高，探头受气流的影响而摆动)，持续3秒钟收集刚从隧道射出的纤维，用于检测。同时可读出点温计的温度是45℃至47℃。

远行8分钟后关闭电动机，电动机主轴在3.2分钟后，转速为零(带有刹车电阻)。

打开设备的顶盖，检查坩埚内的残留料极少，认为物料在8+1+1＝10分钟内，通过了两个内径0.36毫米的小孔(加两分钟是因为当转速达到5000rpm时，已经见到纤维出现，从5000rpm升至7000rpm需要近1分钟时间)。

收集在细铁丝上的纤维两组，用纤维细度分析仪，在光学倍率40倍，屏幕显示区域内找到直径最大的一根纤维是6.5微米。要找最粗的纤维的理由是，细铁丝上缠绕的纤维有两种，一种是刚从射流拉伸隧道内射出的纤维，一种是已经经过空气中半个旋转体周长的拉伸路径拉伸过的纤维。最粗直径的应该是刚从射流拉伸隧道口射出的纤维。

按照每个喷孔或者喷嘴每分钟0.5立方厘米的体积流量，喷孔内径是0.36毫米，根据旋转半径和旋转角速度，可计算出从射流拉伸隧道口射出的速度是123.1米/秒。还可计算出射流射出隧道口时的射流外径是9.17微米。而实测值是6.5微米。可见，从工程技术的角度来看公式1是具有实际的参考价值。

之所以会出现刚从直线拉伸通道口射出的纤维的外径的实测值小于理论值，一种解释是，在喷孔口4射出的射流的外径要小于喷孔的内径尺寸。

理论计算的喷孔内径与射出隧道出口处的射流的外径之比是39倍，实际测出的值是55.4倍。

转速在6000rpm时，用熔值1500g/10min的颗粒聚丙烯料。熔体的进料速度是每个喷孔为每分钟0.5立方厘米，从转速稳定开始计算，纺丝10分钟得到8.2克纤维膜。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。在上述实施例中，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速离心纺丝装置，包括：

旋转驱动装置；

旋转体：由所述旋转驱动装置驱动旋转；

容纳腔：位于所述旋转体的中心部位，用于容纳纺丝原料；

注料件：注料口与所述容纳腔配合，用于向容纳腔内供料；

喷射孔：为若干个，分别分布于所述容纳腔的外周，所述容纳腔与各个所述喷射孔连通，旋转体旋转时，喷出纺丝；

其特征在于，还包括直线拉伸通道：为若干道，均匀地径向设置在所述旋转体上，一道所述的直线拉伸通道对应的配合至少一个喷射孔，形成连通容纳腔及旋转体外部空间的喷射直线拉伸通道，所述直线拉伸通道的长度为所述喷射孔长度的3～1000倍，所述直线拉伸通道的内截面尺寸为所述喷射孔内截面尺寸的3-20000倍。

2.根据权利要求1所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述直线拉伸通道的中心线与所述旋转体的旋转轴线垂直设置。

3.根据权利要求1或2所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述旋转体包括容器，与容器固定连接在一起的旋转盘；所述容器的内腔为所述容纳腔，所述喷射孔设置在所述容器壁上，所述旋转驱动装置驱动所述容器转动，所述容器以其轴线为转动轴线。

4.根据权利要求3所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述旋转盘的两面别设置第一加热保温盘和第二加热保温盘，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘匀与所述旋转盘之间存在间隙，所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外沿匀与所述旋转盘的外沿相适配。

5.根据权利要求4所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外侧壁上分别设置吹气管，所述吹气管靠近所述旋转盘设置，并环绕在所述第一加热保温盘和第二加热保温盘的外侧壁上，所述吹气管的管壁上设置若干吹气孔，吹出的气流朝所述旋转盘的径向方向向外。

6.根据权利要求5所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述第一加热保温盘和第二加热保温盘上远离所述旋转盘的面上分别设置隔热盘。

7.根据权利要求5所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述容纳腔内配合一进气管，所述进气管连接热气供给装置，所述进气管对所述容纳腔提供热气。

8.根据权利要求7所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述进气管的出气口靠近所述容纳腔中心设置，所述出气口为若干个，分别圆周分布于所述进气管的管端。

9.根据权利要求7所述的高速离心纺丝装置，其特征在于所述注料件为注料管，与所述进气管紧挨设置；或者所述注料管套在所述进气管的外围，形成嵌套配合。

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