CN107299401A - 膜纺装置及微纳米材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜纺装置，将聚合物溶液制备成微纳米材料，包括导气管、设置在导气管一端的高压气流发生器、设置在所述导气管另一端的纺丝喷头、与纺丝喷头连接的供液装置及设置在纺丝喷头一侧的接收装置，所述纺丝喷头包括与所述导气管连通的纺丝腔，所述纺丝腔为喇叭形，所述纺丝腔的两端分别开设有与所述纺丝腔连通的喷射口和进气口，所述喷射口的横截面积的直径小于进气口的横截面积的直径，所述喷射口朝向接收装置。采用喇叭形的纺丝腔，有效的增加了气流的压力且溶液在纺丝腔内形成稳定的液膜，并且能使用低气流气压产生高气流速度；在收集区采用负压箱，有效解决因高速气流作用产生大量不稳定且不易收集的微纳米纤维的问题。

Description

膜纺装置及微纳米材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种膜纺装置及微纳米材料制备方法，具体涉及一种利用高速气流辅助批量化生产微纳米材料的膜纺装置及微纳米材料制备方法。

背景技术

微纳米纤维材料由于具备优良的机械性能、独特的仿生特性和显著的尺寸效应，在环境工程、医疗卫生、能源贮存、复合材料模板等领域得到广泛的应用。目前，制备微纳米材料的方法主要有离心纺丝技术、静电纺丝技术、气泡静电纺丝技术、气流气泡纺丝技术等，这些方法在批量化生产微纳米材料方面都有着独特的优势，但同时各自也存在不少的缺陷。

静电纺丝技术一度被认为是制备微纳米纤维最简便、最直接的方法，生产微纳米纤维的方法多种多样。然而，对于传统的单针头或多针头静电纺丝技术来说，由于其存在针头易堵塞、难清洗、产量低等缺陷，因此很难满足微纳米纤维材料的批量化生产。因此，有研究人员提出无针静电纺丝技术，很快这种技术就得到快速发展，诸如：圆盘静电纺丝技术、圆筒静电纺丝技术、气泡静电纺丝技术等，这些技术在很大程度上能够克服针头易堵塞、难清洗等缺陷。但是，高压静电危害十分严重，气泡破裂后射流发散，纺丝过程不稳定致使纺丝条件很难控制，而且在工业化生产中，大量静电纺丝设备长时间连续作业，发生火灾或爆炸事故不可避免，对生产安全造成相应影响。

为此，无高压静电纺丝技术的研发就显得尤为重要。气流气泡纺丝技术以气流为动力，破裂的气泡被拉伸细化，实现微纳米纤维的大量生产。离心纺丝技术采用高速的离心力使溶液拉伸细化产生大量的微纳米纤维，然而气流气泡纺丝技术在对如何产生均匀气流上控制难度较大，离心纺丝技术得到所需要的溶液粘度大，导致溶液易固化，且得到的纤维多数是微米级以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜纺装置，其能有效的增加气流的压力且使溶液在纺丝腔内形成稳定的液膜，并且能使用低气流气压产生高气流速度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种膜纺装置，将聚合物溶液制备成微纳米材料，所述膜纺装置包括导气管、设置在导气管一端的高压气流发生器、设置在所述导气管另一端的纺丝喷头、与纺丝喷头连接的供液装置及设置在纺丝喷头一侧的接收装置，所述纺丝喷头包括与所述导气管连通的纺丝腔，所述纺丝腔为喇叭形，所述纺丝腔的两端分别开设有与所述纺丝腔连通的喷射口和进气口，所述喷射口的横截面积的直径小于进气口的横截面积的直径，所述喷射口朝向接收装置。

进一步的，所述喷射口的直径范围为0.001-30mm。

进一步的，所述纺丝喷头还包括设置在所述纺丝腔外围的储液腔，所述纺丝腔与储液腔之间形成有将所述纺丝腔与储液腔分隔开的分隔墙，所述分隔墙上开设有将所述纺丝腔与储液腔连通的进液孔，所述纺丝腔与所述储液腔一体形成。

进一步的，所述进液孔的数量为若干个，若干所述进液孔等间距的设置在所述分隔墙上，若干所述进液孔位于同一横截面上。

进一步的，所述进液孔的直径范围为0.01-30mm，所述进液孔与进气口的直线距离为纺丝腔长度的1/10-1/2。

进一步的，所述导气管的形状为喇叭形，所述导气管的两端分别开设有小径开口和大径开口，所述小径开口的横截面直径小于大径开口的横截面直径，所述小径开口与纺丝腔的进气口对接，所述大径开口与所述高压气流发生器连接。

进一步的，所述供液装置还包括与纺丝喷头连接的导液管及设置在所述导液管上的液压阀。

进一步的，所述接收装置包括面向所述纺丝腔的喷射口设置的接收网、与所述接收网连接的滚轴、设置于所述接收网上方的负压箱及设置在所述负压箱内侧的温湿度调控装置。

进一步的，所述负压箱包括负压机及设置在所述接收网上方的筛网。

进一步的，所述温湿度调控装置的温度调控范围为0-199℃，相对湿度的调控范围为0％-90％。

进一步的，所述纺丝喷头与供液装置及导气管之间的连接方式为密闭无缝连接。

本发明还提供了一种微纳米材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1：打开所述高压气流发生器，气流经所述导气管导入至所述纺丝腔；打开所述供液装置将聚合物溶液输送至所述储液腔，溶液通过设置在所述分隔墙上的进液孔向所述纺丝腔内输送并形成稳定均匀的液膜；

S2：打开所述温湿度调控装置调整至所需要的温度及湿度并打开所述负压机在所述负压箱内形成负压；

S3：所述薄膜由于高气流气压的作用从所述纺丝腔的喷射口喷射出后雾化扩散并拉伸细化形成微纳米射流，所述微纳米射流在一定温度及湿度下迅速固化形成微纳米材料并沉积在所述接收网上。

本发明的有益效果在于：本发明的膜纺装置采用了喇叭形的纺丝腔与导气管，有效的增加了气流的压力且使溶液在纺丝腔内形成稳定的液膜，并且能使用低气流气压产生高气流速度。

接收装置采用负压箱产生负压，有利于纤维吸附在接收网上，有效的解决因高速气流作用产生的大量不稳定纤维且不易收集的问题；纺丝喷头的纺丝腔与储液腔一体形成，有利于维持纺丝喷头内压力稳定，同时缓解供液压力；纺丝喷头与供液装置及导气管之间无缝连接，有效的避免了聚合物溶液中溶剂挥发引起的溶液性质变化及污染环境，同时有效的保证气压稳定及溶液供液稳定，从而确保纺丝过程的持续与稳定，提高生产效率，实现安全且批量化生产。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的膜纺装置的结构示意图。

图2为图1中纺丝喷头的剖面图。

图3为图1中接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参照图1及图2，本发明一较佳实施例所示的膜纺装置包括导气管2、设置在导气管2一端的高压气流发生器1、设置在导气管2另一端的纺丝喷头3、与纺丝喷头3连接的供液装置7及设置在纺丝喷头3一侧的接收装置5。

纺丝喷头3包括与导气管2连通的纺丝腔32，纺丝腔32为喇叭形，纺丝腔32的两端分别开设有与纺丝腔32连通的喷射口(未标号)和进气口(未标号)，喷射口的横截面积的直径小于进气口的横截面积的直径，喷射口朝向接收装置5，喷射口的直径范围为0.001-30mm，在此直径范围内能够将气体聚集并且达到瞬间喷射的效果。纺丝喷头3还包括设置在纺丝腔32外围的储液腔31，纺丝腔32与储液腔31之间形成有将纺丝腔32与储液腔31分隔开的分隔墙(未标号)，分隔墙上开设有将纺丝腔32与储液腔31连通的进液孔33。纺丝腔32与储液腔31一体形成，形成无缝组合，有利于维持纺丝喷头3内压力稳定，同时缓解供液压力。进液孔33的数量为若干个，若干进液孔33等间距的设置在分隔墙上，若干进液孔33位于同一横截面上，使溶液能够在纺丝腔内形成均匀的液膜。进液孔33的直径范围为0.01-30mm，在此直径范围内能够形成稳定并且均一的液膜，进液孔与进气口的直线距离为纺丝腔长度的1/10-1/2，在此范围内液膜能够被喷射拉伸为纤维。

导气管2的形状为喇叭形，导气管2的两端分别开设有小径开口(未标号)和大径开口(未标号)，小径开口的横截面直径小于大径开口的横截面直径，小径开口与纺丝腔32的进气口对接，大径开口与高压气流发生器1连接。

供液装置7还包括与纺丝喷头3连接的导液管71及设置在导液管71上的液压阀72。纺丝喷头3与供液装置7及导气管2之间的连接方式为密闭无缝连接，有效的避免了聚合物溶液中溶剂挥发引起的溶液性质变化及环境污染。

请结合图3，接收装置5包括面向纺丝腔的喷射口设置的接收网51、与接收网51连接的滚轴52、设置于述接收网51上方的负压箱6及设置在负压箱6内侧的温湿度调控装置4。负压箱6包括负压机62及设置在接收网51上方的筛网61，筛网61负责阻挡可能产生的大颗粒物质浸入负压机62中，引起爆炸。 温湿度调控装置4的温度调控范围为0-199℃，相对湿度的调控范围为0％-90％。接收网51为网状结构，接收网51可采用的材料为金属或非金属，所述接收网51的网状结构为圆形或多边形结构。

本发明装置的工作原理如下：

打开高压气流发生器1，气流通过导气管2与纺丝腔32的进气口导入至纺丝喷头3内的纺丝腔32，气流通过横截面积的直径大的进气口导入至横截面积的直径小的喷射口，形成稳定的气流压力，此时打开供液装置7并调节液压阀72至适当值，同时打开温湿度调控装置4调整至所需要的温度及湿度并打开负压机62在负压箱6内形成负压，将聚合物溶液通过导液管71输送至储液腔31，储液腔31中的溶液通过设置在分隔墙上的进液孔33缓慢的向喇叭形的纺丝腔32内输送，进入到纺丝腔32内的溶液受到气流压力在纺丝腔32内形成稳定均匀的液膜；薄膜由于高气流气压的作用从纺丝腔32的喷射口喷射而出，随后迅速雾化扩散并拉伸细化形成微纳米射流，微纳米射流在一定温度及湿度下迅速固化形成微纳米材料并沉积在所述接收网51上。在整个工作过程中，滚轴52滚动带动接收网51运作，收集微纳米材料。

本发明还提供了一种微纳米材料的制备方法，在本实施例中所述制备方法包括如下步骤：

S1：打开高压气流发生器1，气流经导气管2导入至纺丝腔32；打开供液装置7将聚合物溶液输送至储液腔31，溶液通过设置在分隔墙上的进液孔33向纺丝腔32内输送并形成稳定均匀的液膜；

S2：打开温湿度调控装置4调整至所需要的温度及湿度并打开负压机62在负压箱6内形成负压；

S3：薄膜由于高气流气压的作用从纺丝腔32的喷射口喷射出后雾化扩散并拉伸细化形成微纳米射流，这些微纳米射流在一定温度及湿度下迅速固化形成微纳米材料并沉积在接收网51上。

综上所述：采用了喇叭形的纺丝腔32与导气管2，有效的增加了气流的压力并且使溶液在纺丝腔32内形成稳定的液膜，从而能使用低气流气压产生高气流速度；接收装置5采用负压箱6产生负压，有利于纤维吸附在接收网51上， 有效的解决因高速气流作用产生的大量不稳定纤维且不易收集的问题；纺丝喷头3的纺丝腔32与储液腔31一体形成，有利于维持纺丝喷头3内压力稳定，同时缓解供液压力；纺丝喷头3与供液装置7及导气管2之间无缝连接，有效的避免了聚合物溶液中溶剂挥发引起的溶液性质变化及污染环境，同时有效的保证气压稳定及溶液供液稳定，从而确保纺丝过程的持续与稳定，提高生产效率，实现安全且批量化生产。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (11)

1.一种膜纺装置，将聚合物溶液制备成微纳米材料，其特征在于：所述膜纺装置包括导气管、设置在导气管一端的高压气流发生器、设置在所述导气管另一端的纺丝喷头、与纺丝喷头连接的供液装置及设置在纺丝喷头一侧的接收装置，所述纺丝喷头包括与所述导气管连通的纺丝腔，所述纺丝腔为喇叭形，所述纺丝腔的两端分别开设有与所述纺丝腔连通的喷射口和进气口，所述喷射口的横截面积的直径小于进气口的横截面积的直径，所述喷射口朝向接收装置。

2.如权利要求1所述的膜纺装置，其特征在于：所述喷射口的直径范围为0.001-30mm。

3.如权利要求1所述的膜纺装置，其特征在于：所述纺丝喷头还包括设置在所述纺丝腔外围的储液腔，所述纺丝腔与储液腔之间形成有将所述纺丝腔与储液腔分隔开的分隔墙，所述分隔墙上开设有将所述纺丝腔与储液腔连通的进液孔，所述纺丝腔与所述储液腔一体形成。

4.如权利要求3所述的膜纺装置，其特征在于：所述进液孔的数量为若干个，若干所述进液孔等间距的设置在所述分隔墙上，若干所述进液孔位于同一横截面上。

5.如权利要求3所述的膜纺装置，其特征在于：所述进液孔的直径范围为0.01-30mm，所述进液孔与进气口的直线距离为纺丝腔长度的1/10-1/2。

6.如权利要求1至5项中任意一项所述的膜纺装置，其特征在于：所述导气管的形状为喇叭形，所述导气管的两端分别开设有小径开口和大径开口，所述小径开口的横截面直径小于大径开口的横截面直径，所述小径开口与纺丝腔的进气口对接，所述大径开口与所述高压气流发生器连接。

7.如权利要求1所述的膜纺装置，其特征在于：所述供液装置还包括与纺丝喷头连接的导液管及设置在所述导液管上的液压阀。

8.如权利要求1所述的膜纺装置，其特征在于：所述接收装置包括面向所述纺丝腔的喷射口设置的接收网、与所述接收网连接的滚轴、设置于所述接收网上方的负压箱及设置在所述负压箱内侧的温湿度调控装置。

9.如权利要求8所述的膜纺装置，其特征在于：所述负压箱包括负压机及设置在所述接收网上方的筛网。

10.如权利要求8所述的膜纺装置，其特征在于：所述温湿度调控装置的温度调控范围为0-199℃，相对湿度的调控范围为0％-90％。

11.一种微纳米材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法采用如权利要求1至10项中任意一项所述的离心膜纺丝装置所述制备方法包括如下步骤：

S1：打开所述高压气流发生器，气流经所述导气管导入至所述纺丝腔；打开所述供液装置将聚合物溶液输送至所述储液腔，溶液通过设置在所述分隔墙上的进液孔向所述纺丝腔内输送并形成稳定均匀的液膜；

S2：打开所述温湿度调控装置调整至所需要的温度及湿度并打开所述负压机在所述负压箱内形成负压；

S3：所述薄膜由于高气流气压的作用从所述纺丝腔的喷射口喷射出后雾化扩散并拉伸细化形成微纳米射流，所述微纳米射流在一定温度及湿度下迅速固化形成微纳米材料并沉积在所述接收网上。