CN107245764A - 一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，主要包括电控箱、离心支架座、沉头螺钉、静电板轨道、离心支架、滚珠丝杠、加热圈、流道、框架、挤出机、热电偶、收集带、静电板、锥形喷头、旋转轴、联轴器、辊子、收集带支架和步进电机，其中锥形喷头通过沉头螺钉与旋转轴连接固定，旋转轴通过联轴器与步进电机连接。步进电机通过螺纹连接固定在支架上。静电板接高压静电发生器正极，离心支架框体接地，收集装置中驱动电机放置在离心支架下的固定支座上，辊子固定在收集带支架上，其中一个为张紧辊子，它在收集带支架上可以径向移动，用以张紧整个传送带。本发明中射流受离心力、静电力、自身重力作用被拉伸细化，获得的纤维直径更小。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，属于静电纺丝领域。
背景技术
静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法。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。静电纺丝纤维制得的无纺布，具有空隙率高，比表面积大、纤维精细程度与均一性高，长径比大等优点。但是静电纺丝法也存在由其工艺决定的技术缺陷，例如，静电纺丝法制备纳米纤维，纤维的细化主要取决于施加电压，在一定范围内电压越大，制备出来的丝越细，但是在电压达到一定程度之后会发生射流击穿现象，这使得静电纺丝技术在提高纤维细化程度方面受到极大限制，除此之外，静电纺丝法纺丝效率大多通过喷头叠加的方式来提高，而当喷头数量过多时，喷头的维护也会带来大量的经济损耗，如何提高纺丝效率也是静电纺丝法急需研究的重点方向。
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，离心纺丝技术生产纤维的效率高，而且材料适应性更强，静电纺丝难以适用的高粘度聚合物、金属、陶瓷、复合材料纤维等均可利用离心纺丝制取纤维。而且离心纺丝法可以通过提高转速的方式，来降低成丝的直径，这给离心纺丝法的纤维细化提供了一种新型方式。但是目前离心纺丝法本身成丝直径较粗，且转速提升时对装置的稳定性和安全性提出了很高的要求，对实验装置来说非常不安全，对装置的损耗也非常大。
中国专利201410050160.7以及201010184068.1等提出了溶液离心静电纺丝法制备纳米纤维的方法，该方法将毛细管置于旋转盘上进行离心，这些方法的主要缺点有毛细管易堵塞、装置复杂、旋转喷头加电较为困难、无法对聚合物熔体进行加工、局限性明显。因此，本发明提出一种离心微分静电纺丝法装置，可以在相对较低的转速和电压的情况下，对聚合物熔体先进行多次微分，产生多股射流，再施加离心力和静电力使射流充分拉伸细化，完成纳米纤维的高效绿色化制备。
发明内容
本发明提出一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，离心支架与旋转喷头分开设计，旋转喷头通过沉头螺钉连接固定在离心主轴上，利用离心支架上设计出的流道，将熔体输送到旋转喷头上。该装置简单，旋转喷头容易清洗，解决了毛细管易堵塞且难清洗等难题。充分地利用了静电纺丝与离心纺丝的技术优势，通过离心力、电场力、重力等实现了对纤维的进一步细化，最后可以在接收装置上收到超细均匀分布的纤维。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，主要包括电控箱、离心支架座、沉头螺钉、静电板轨道、离心支架、滚珠丝杠、加热圈、流道、框架、挤出机、热电偶、收集带、静电板、锥形喷头、旋转轴、联轴器、辊子、收集带支架和步进电机，其中锥形喷头通过沉头螺钉与旋转轴连接固定，旋转轴通过联轴器与步进电机连接。步进电机通过螺纹连接固定在支架上。静电板接高压静电发生器正极，离心支架框体接地，收集装置中驱动电机放置在离心支架下的固定支座上，辊子固定在收集带支架上，其中一个为张紧辊子，它在收集带支架上可以径向移动，用以张紧整个传送带。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置供料需平稳以使聚合物能均匀熔融并流进喷头，采用单螺杆挤出机进行供料，粉料从料斗加入挤出机，随着螺杆旋转先进入加料段，再进入加热段，由包裹在计量段外的加热圈加热到熔融状态，再进入出口直接下到离心支架内的聚合物流道内。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，锥形喷头通过沉头螺钉与离心主轴相连，其轴的结构再通过联轴器与电机连接。锥形喷头的主要工作表面是其内表面，内表面有刻蚀形成的，深约1～2mm的沟槽，且该表面与水平呈15°～20°角，有了该角度可以使熔体有一段减薄和均化的过程，否则熔体会以滴状甩出，为了确保加入的聚合物在重力和离心力的作用下，可以沿着沟槽流到沟槽的末端，而不至于从中途飞出，也保证了聚合物可以被充分地微分细化。从挤出机出来的聚合物，通过离心支架内的流道流入离心喷头中心位置，在重力、离心力作用下均布流向四周，通过沟槽初步将熔融的聚合物微分；然后随着喷头高速旋转聚合物在离心力的作用下克服重力的影响沿着沟槽向外飞离，在沟槽的外端形成泰勒锥；随后受到电场力的影响，聚合物从泰勒锥尖端形成超细射流，在电场中进一步拉伸、细化冷却。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置步进电机放置在锥形喷头下部，通过联轴器连接带动喷头旋转。联轴器选用耐高温非金属绝缘材料，一方面避免对静电场产生影响，另一方面防止热量传递到步进电机。步进电机放置在绝缘罩下，防止对电场产生影响。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置的高压静电施加在静电板上，周向分布五块静电板，静电板可以在静电板轨道上上下滑动，便于调节纤维的收集位置，静电板轨道为绝缘轻质材料，是以喷头外边缘为圆心的弧状结构，这一设计是为了确保熔体飞出喷头后，受到均匀的电场力作用，均匀地分布在收集板上，接收范围大，减少停机时间。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置对于纤维的接收，采用的是传送带式的收集带收集，由于整个装置是以离心纺丝与静电纺丝相结合的方式进行运作，纤维都是喷射式的向外飞散，故需要将整个离心喷头包裹住，确保收集带可以有效地将制成的纤维全部收集，其次收集装置需要有足够大的接收面积以防止纤维掉落在装置内部的支架上造成纤维的大量堆积从而难以清除。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置收集带采用专利“一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置(专利号2013202399318)”的方法，收集带由放置在静电支架上的七个辊子定位，收集带缠绕在七个辊子上形成C形结构，缺口处为纤维出口。七个辊子从缺口处排序，第一个为驱动辊子，带动整个收集带系统工作。其他六个辊子以喷头为圆心放置，将喷头完全围住，驱动轴放置在圆圈外围，中间可增加一个轴作为过渡。在内部的六个收集辊子中，最后一个辊子用配合结构卡紧，防止收集带松弛、掉落。辊子通过螺纹拧入静电支架，再通过轴承和挡圈支撑辊子在轴上不偏移。除了驱动轴以外，所有轴上端通过一个由类似于两个半圆的支撑架相互支撑稳定，防止轴在收集带的张紧力下向中间弯曲。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置使用步骤为：首先，通过挤出机供料对聚合物流体进行计量，并将其输送到离心支架的流道中；其次，当聚合物流体通过流道流至锥形喷头上时，打开步进电机，同时打开高压静电发生器；最后增大高压发生器的电压，调节步进电机转速，射流在离心力、静电力、气流及自身重力共同作用下被拉伸细化，形成纤维，并沉积收集在传送带上。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，引入离心力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；静电板连接高压静电发生器正极，离心支架座下边缘接地，容易形成稳定的静电场；射流受离心力、静电力、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是本发明涉及的一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维装置的示意图。
图2是图1所示的一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维装置静电板支架及收集带缠绕俯视图。
图中：1-电控箱、2-离心支架座、3-沉头螺钉、4-静电板轨道、5-离心支架、6-滚珠丝杠、7-加热圈、8-流道、9-框架、10-挤出机、11-热电偶、12-收集带、13-静电板、14-锥形喷头、15-旋转轴、16-联轴器、17-辊子、18-收集带支架、19-步进电机。
具体实施方式
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，如图1所示，主要包括：电控箱1、离心支架座2、沉头螺钉3、静电板轨道4、离心支架5、滚珠丝杠6、加热圈7、流道8、框架9、挤出机10、热电偶11、收集带12、静电板13、锥形喷头14、旋转轴15、联轴器16、辊子17、收集带支架18和步进电机19。锥形喷头14通过沉头螺钉3与旋转轴15连接，旋转轴15由联轴器16与步进电机19连接，步进电机19固定在离心支架座2上，收集带12由放置在收集带支架18的七个辊子17定位，七个辊子17中第一个为驱动辊子，与其他辊子不同的是这个辊子是不闭合的圆环，离心支架座2通过螺栓固定在框架9上，静电板13可以在静电板轨道4上上下滑动，静电板13连接高压静电发生器正极，离心支架座2下边缘接地，进行纺丝时，聚合物熔体或溶液进入离心支架5流道内，流至离心锥形喷头14，分布在其锥面表面后在高压静电、超重力、静电力作用下被拉伸为纤维沉积在辊子17上，由辊子17从缺口处导出。
本发明一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，该装置使用步骤为：首先，通过挤出机供料对聚合物流体进行计量，并将其输送到离心支架的流道中；其次，当聚合物流体通过流道流至锥形喷头上时，打开步进电机，同时打开高压静电发生器；最后增大高压发生器的电压，调节步进电机转速，射流在离心力、静电力及自身重力共同作用下被拉伸细化，形成纤维，并沉积收集在传送带上。
本发明一个实施例如图1所示，对聚合物熔体进行离心静电纺丝，供料装置10为挤出机，锥形喷头14上半部分与水平取15°角，静电板轨道4是以喷头外边缘为圆心的的圆弧，喷头上端面直径为80mm,与离心支架5的距离为15mm，纺丝原料为PP，挤出机10供给量为2g/min，转速为20rpm，加热圈7设置为240℃，待聚合物熔体通过流道8流至锥形喷头14锥面后时，启动步进电机19转速为2000r/min，高压静电发生器施以45KV电压，离心支架座2接地，数十股射流沿喷头上端面边缘处呈螺旋线形飞向外出，并沉积在辊子11上，通过适当提高高压静电发生器电压以及电机转速，能收集到取向度更高的纤维，直径到达纳米级，纺丝的效率约为120g/h。
Claims (4)
1.一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：主要包括电控箱、离心支架座、沉头螺钉、静电板轨道、离心支架、滚珠丝杠、加热圈、流道、框架、挤出机、热电偶、收集带、静电板、锥形喷头、旋转轴、联轴器、辊子、收集带支架和步进电机，其中锥形喷头通过沉头螺钉与旋转轴连接固定，旋转轴通过联轴器与步进电机连接；步进电机通过螺纹连接固定在支架上，静电板接高压静电发生器正极，离心支架框体接地，收集装置中驱动电机放置在离心支架下的固定支座上，辊子固定在收集带支架上，其中一个为张紧辊子，它在收集带支架上可以径向移动，用以张紧整个传送带。
2.根据权利要求1所述的一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：锥形喷头的内表面有刻蚀形成的深约1～2mm的沟槽，且该表面与水平呈15°～20°角。
3.根据权利要求1所述的一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：步进电机放置在锥形喷头下部，通过联轴器连接带动喷头旋转；联轴器选用耐高温非金属绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的一种离心微分静电纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：高压静电施加在静电板上，周向分布五块静电板，静电板可以在静电板轨道上上下滑动，便于调节纤维的收集位置，静电板轨道为绝缘轻质材料，是以喷头外边缘为圆心的弧状结构。
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