CN107937999A - 一种超细纤维的制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超细纤维的制备装置，涉及非织造布纺丝技术领域。该装置包括料斗、高温螺杆、分配腔体、气流发生器、气流加热器、喷气孔和喷丝孔，高温螺杆一端上方设置有料斗，高温螺杆另一端与分配腔体相连；气流发生器设置有气流加热器；喷丝孔设置于分配腔体下端，喷丝孔左右两侧对称设置有两个喷气孔；气流发生器通过两个通气管分别与分配腔体下端的两个喷气孔相连通，料斗通过高温螺杆在分配腔体内与喷丝孔连通；气流发生器内还设置有交变气流发生器，交变气流发生器包括凸轮转子、凸轮转轴、金属弹性挡板以及动力供给装置。本发明提供的制备装置可提高牵伸效率，制备得到更细的超细纤维，适用于医用材料，过滤吸附材料等多个领域应用。

Description

一种超细纤维的制备装置

技术领域

本发明涉及非织造布纺丝技术领域，特别涉及一种超细纤维的制备装置。

背景技术

超细纤维非法制造布的用途有很多，主要包括空调过滤器，口罩、净化器滤芯等。

其中，熔喷法是目前已商业化制备超细纤维的技术方法，其相关技术文献主要包括美国专利（US3959421，US5075068），该方法是将聚合物熔体经喷丝板挤出后，经两股高速高温的热空气进行牵伸而细化成超细纤维。在该纺丝过程中需要熔融的聚合物流体，高速高温的热空气，其耗能较大，且纺出的纤维直径在1微米以上。

现有超细纤维制备装置采用熔喷法制备超细纤维具体过程中，工作人员将聚合物的颗粒状切片从料斗A中加入，然后经过高温螺杆B的挤压与加热作用，颗粒切片融化为聚合物熔体。聚合物熔体经过分配腔体C的定量输出作用从喷丝孔D挤出，挤出的聚合物熔体经过风机E产生的高温高速的气流吹喷而拉细成超细纤维，该超细纤维制备装置如图1所示。

需要说明的是，已有的熔喷技术的气流吹喷方式是连续均匀气流的吹喷，纤维直径的极限为1微米。传统熔喷中，两股气流是对称的，在中心线气流具有向下的合速度，纤维从喷丝孔挤出后会垂直下落。也就是说，纤维会受到气流向下的牵伸力。如图2所示，如果纤维L方向（纤维轴向）与气流方向平行，纤维受到气流的牵伸力称为摩擦阻力F_p，即传统熔喷工艺中纤维的牵伸是依靠纤维受到气流的摩擦阻力进行牵伸的。另外，若气流的速度与纤维轴向垂直，那么纤维受到的气流作用力称为压差阻力F_N，在图2中，ϕ为摩擦阻力F_p与合力F_t的夹角。

发明人发现，压差阻力对纤维的牵伸作用比摩擦阻力的牵伸作用明显大很多，而传统熔喷工艺中纤维明显未能有效利用压差阻力的牵伸作用，从而导致工业化生产中传统熔喷技术很难突破1微米的极限，而熔喷超细纤维非织造布材料的应用很大取决于纤维直径，纤维直径越细，应用范围越广。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种超细纤维的制备装置，所述超细纤维的制备装置通过设置交变气流发生器，使得本制备装置在使用熔喷法制备超细纤维时，气流发生器能够产生交变气流对聚合物熔体进行压差阻力为主导的牵伸方式进行牵伸，从而提高了牵伸效率，制备得到更细的超细纤维。本发明的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种超细纤维的制备装置，包括料斗、高温螺杆、分配腔体、气流发生器、气流加热器、喷气孔和喷丝孔，其特征在于：

所述高温螺杆的一端上方设置有所述料斗，所述高温螺杆的另一端与所述分配腔体相连；所述气流发生器设置有所述气流加热器；所述喷丝孔设置于所述分配腔体的下端，且所述喷丝孔的左右两侧对称设置有相对水平面呈预设角度的两个喷气孔；所述气流发生器通过两个通气管分别与所述分配腔体下端的所述两个喷气孔相连通，所述料斗通过所述高温螺杆在所述分配腔体内与所述喷丝孔连通；所述气流发生器内还设置有交变气流发生器，所述交变气流发生器用于使所述气流发生器通过两个喷气孔产生的气流变化为交变气流；

所述交变气流发生器包括凸轮转子、凸轮转轴、金属弹性挡板以及动力供给装置，其中：

所述凸轮转轴设置于所述气流发生器腔体中心线上的预设位置，所述凸轮转轴与所述凸轮转子固定相连，且所述凸轮转轴将所述凸轮转子的直径d分为大半径r1和小半径r2，所述气流发生器腔体中心线至所述气流发生器腔体内壁的最短距离等于所述大半径r1的长度；

所述金属弹性挡板的下端固定于两个喷气孔的中心位置，且所述金属弹性挡板与所述凸轮转子的外缘弹性相接；

所述动力供给装置与所述凸轮转轴可传动相连，用于向所述凸轮转轴提供转动的动力，从而带动所述凸轮转子以所述凸轮转轴为中心转动。

在一个优选的实施例中，所述凸轮转子的材料为不锈钢材料。

在一个优选的实施例中，所述制备装置还包括纤维收集输送带。

在一个优选的实施例中，所述交变气流发生器产生的交变气流频率为27-50Hz。

与现有技术相比，本发明提供的超细纤维的制备装置具有以下优点：

通过设置交变气流发生器，使得本制备装置在使用熔喷法制备超细纤维时，气流发生器能够产生交变气流对聚合物熔体进行压差阻力为主导的牵伸方式进行牵伸，从而提高了牵伸效率，制备得到更细的超细纤维，可适用于医用材料，过滤吸附材料等多个领域应用。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是一种现有超细纤维制备装置的装置示意图。

图2是一种纤维在气流场中的受力示意图。

图3是同等条件下纤维受到压差阻力和摩擦阻力的受力关系示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种超细纤维的制备装置的装置示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的一种动力供给装置的状态示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的另一种动力供给装置的状态示意图。

图7是一种力学模型中聚合物熔体拉伸的轨迹力学模拟图。

图8是一种力学模拟结果得到的纤维直径的变化图。

具体实施方式

以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)与附图详细描述本发明，本实施例的具体方法仅供说明本发明，本发明的范围不受实施例的限制，本发明在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本发明基础上的等价形式同样处于本发明申请权利要求保护范围。

发明人对图1所示的现有超细纤维制备装置采用熔喷法制备纤维的过程进行研究发现，现有熔喷工艺中的两股气流是由一个风机统一供气，即左右两股气流连续并对称，纤维受到的是摩擦阻力F_p作用，通过受力分析发现，同等条件下，压差阻力F_N对纤维的牵伸效率是摩擦阻力F_p的很多倍，如图3所示，其示出了现有超细纤维制备装置采用熔喷法制备纤维的过程中，同等条件下纤维受到压差阻力F_N和摩擦阻力F_p的受力关系示意图。

为了更好利用压差阻力F_N对纤维进行牵伸，本发明采用是左右两股气流交替吹喷的气流吹喷方式，以此来使得纤维（聚合物熔体）的牵伸受到压差阻力的作用，实现高效牵伸。

图4是根据一示例性实施例示出的一种超细纤维的制备装置的装置示意图，该超细纤维的制备装置包括料斗10、高温螺杆20、分配腔体30、气流发生器40、气流加热器50、喷气孔60和喷丝孔70。

所述高温螺杆20的一端上方设置有所述料斗10，所述高温螺杆20的另一端与所述分配腔体30相连；所述气流发生器40设置有所述气流加热器50；所述喷丝孔70设置于所述分配腔体30的下端，且所述喷丝孔70的左右两侧对称设置有相对水平面呈预设角度的两个喷气孔60；所述气流发生器40通过两个通气管90分别与所述分配腔体30下端的所述两个喷气孔60相连通，所述料斗10通过所述高温螺杆20在所述分配腔体30内与所述喷丝孔70连通；所述气流发生器50内还设置有交变气流发生器80，所述交变气流发生器80用于使所述气流发生器40通过两个喷气孔60产生的气流变化为交变气流。

需要说明的是，气流发生器50上还可以设置压力表或流量表，用于检测气流发生器内气流的流通量。

在本发明实施例中，所述交变气流发生器80包括凸轮转子80a、凸轮转轴80b、金属弹性挡板80c以及动力供给装置80d，其中：

所述凸轮转轴80b设置于所述气流发生器40腔体中心线上的预设位置，所述凸轮转轴80b与所述凸轮转子80a固定相连，且所述凸轮转轴80b将所述凸轮转子80a的直径d分为大半径r1和小半径r2，所述气流发生器40腔体中心线至所述气流发生器40腔体内壁的最短距离等于所述大半径r1的长度；

所述金属弹性挡板80c的下端固定于两个喷气孔60的中心位置，且所述金属弹性挡板80c与所述凸轮转子80a的外缘弹性相接；

所述动力供给装置80d与所述凸轮转轴80b可传动相连，用于向所述凸轮转轴80b提供转动的动力，从而带动所述凸轮转子80a以所述凸轮转轴80b为中心转动。

凸轮转轴80b将凸轮转子80a的直径d分为大半径r1和小半径r2，即，凸轮转轴80b位于凸轮转子80a的直径d上，且大半径r1的长度>小半径r2的长度，直径d的长度=大半径r1的长度+小半径r2的长度，而气流发生器40腔体中心线至所述气流发生器40腔体内壁的最短距离等于所述大半径r1的长度，上述设计可以使得凸轮转子80a在以所述凸轮转轴80b为中心转动时，凸轮转子80a的外圆能够周期性地交替与气流发生器40腔体左右侧内壁相接，在这个过程中，由于气流发生器40持续提供单向的高温气流，单向的高温气流在经过交变气流发生器80进入通气管90时，即可变化为交变的高温气流。

其中，金属弹性挡板80c与所述凸轮转子80a的外缘弹性相接，则可以保证凸轮转子80a在任何转动状态下，金属弹性挡板均可在弹力的作用下与凸轮转子紧密贴合，从而保证高温气体无法从凸轮转子80a下方同时进入左右通气管90，提高了交变气流发生器80的交变气流转化效率。

在一个可行的实施例中，动力供给装置80d可以是电动马达。

可选的，所述凸轮转子80a的材料为不锈钢材料。

不锈钢材料相对较为耐热，且便于更换，成本也较低。

可选的，所述制备装置还包括纤维收集输送带。

纤维收集输送带位于喷丝孔70的正下方，用于收集牵伸得到的超细纤维。

在一个可行的实施例中，所述交变气流发生器产生的交变气流频率为27-50 Hz。

优选的，交变气流发生器产生的交变气流频率为27Hz(改为50Hz)，在该频率下，制备装置制备得到的超细纤维的直径最短。

在使用本实施例提供的超细纤维的制备装置制备超细纤维的过程中，工作人员先启动气流发生器40，气流发生器40在气流加热器50的加温作用下向分配腔体30下端的两个喷气孔60输送高温气体，该高温气体在通过通气管90前，动力供给装置80d处于开启状态，从而使得凸轮转轴80b持续转动，并带动凸轮转子80a沿着凸轮转轴80b为中心转动，从而使得凸轮转子80a的外圆与气流发生器40腔体左右内壁交替相接。如图5所示，在图5所示的动力供给装置的状态示意图中，凸轮转子80a的外圆与气流发生器40腔体左侧内壁相接，金属弹性挡板80c则将凸轮转子80a左右两侧的区域进行分割，从而使得左侧通气管90的气流通道关闭，高温气体无法通过左侧通气管90进入左侧喷气孔60，而右侧通气管90的气流通道打开，高温气体可以通过右侧通气管90进入右侧喷气孔60；如图6所示，在图6所示的动力供给装置的状态示意图中，凸轮转子80a的外圆与气流发生器40腔体右侧内壁相接，金属弹性挡板80c则将凸轮转子80a左右两侧的区域进行分割，从而使得右侧通气管90的气流通道关闭，高温气体无法通过右侧通气管90进入右侧喷气孔60，而左侧通气管90的气流通道打开，高温气体可以通过左侧通气管90进入左侧喷气孔60。凸轮转子80a周期性重复图5和图6中的情形，从而使得气流发生器40产生的单向的高温气体在进入交变气流发生器80后通过左右两个通气管90输出的气流变化为交变气流。

然后，工作人员将物料（即聚合物）送入料斗10，物料从料斗10经过高温螺杆20后被熔融为聚合物熔体，并进入分配腔体30，通过分配腔体30下方的喷丝孔70喷出。

聚合物熔体从喷丝孔70喷出的同时，左右两个通气管90向左右喷气孔60输出的交变气流交替对喷丝孔70喷出的聚合物熔体进行压差阻力为主的高效牵伸，从而制备得到较细的超细纤维。

为了更好地验证实际过程中压差阻力F_N对熔喷过程中纤维的牵伸作用，发明人利用力学模型对本发明提供的制备装置中将聚合物熔体的拉伸引入部分压差阻力F_N的作用。其中，力学模型是通过拉格朗日方法的“珠子-链”模型获得，力学模型中聚合物熔体拉伸的轨迹力学模拟图如图7所示，力学模拟结果得到的纤维直径的变化如图8所示。在图8中，“无扰动”指的是模拟了聚合物熔体只受摩擦阻力F_p作用得到的纤维直径变化，即传统熔喷牵伸方式。“有扰动”指的是在拉伸过程中，加入了压差阻力F_N的作用。

图8验证了熔喷过程中，若没有压差阻力F_N的作用，得到的纤维直径会有一个重新增大的过程，这对于熔喷产品是不利的（熔喷产品要求细度越细越好）。但是加入交互气流吹喷的压差阻力F_N后，聚合物熔体的直径持续降低。这正是熔喷工艺所需要的。

综上所述，本发明提供的超细纤维的制备装置通过设置交变气流发生器，使得本制备装置在使用熔喷法制备超细纤维时，气流发生器能够产生交变气流对聚合物熔体进行压差阻力为主导的牵伸方式进行牵伸，将传统熔喷的直线拉伸，变为交变气流的交互拉伸，使得纤维受到明显的压差阻力牵伸作用，从而提高了牵伸效率，制备得到更细的超细纤维，可适用于医用材料，过滤吸附材料等多个领域应用。

此外，本发明通过在交变气流发生器中设置金属弹性挡板，从而保证凸轮转子在任何转动状态下，金属弹性挡板均可在弹力的作用下与凸轮转子紧密贴合，从而保证高温气体无法从凸轮转子下方同时进入左右通气管，提高了交变气流发生器的交变气流转化效率。

虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明的后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (4)

1.一种超细纤维的制备装置，包括料斗、高温螺杆、分配腔体、气流发生器、气流加热器、喷气孔和喷丝孔，其特征在于：

所述高温螺杆的一端上方设置有所述料斗，所述高温螺杆的另一端与所述分配腔体相连；所述气流发生器设置有所述气流加热器；所述喷丝孔设置于所述分配腔体的下端，且所述喷丝孔的左右两侧对称设置有相对水平面呈预设角度的所述两个喷气孔；所述气流发生器通过两个通气管分别与所述分配腔体下端的所述两个喷气孔相连通，所述料斗通过所述高温螺杆在所述分配腔体内与所述喷丝孔连通；所述气流发生器内还设置有交变气流发生器，所述交变气流发生器用于使所述气流发生器通过两个喷气孔产生的气流变化为交变气流；

所述交变气流发生器包括凸轮转子、凸轮转轴、金属弹性挡板以及动力供给装置，其中：

所述凸轮转轴设置于所述气流发生器腔体中心线上的预设位置，所述凸轮转轴与所述凸轮转子固定相连，且所述凸轮转轴将所述凸轮转子的直径d分为大半径r1和小半径r2，所述气流发生器腔体中心线至所述气流发生器腔体内壁的最短距离等于所述大半径r1的长度；

所述金属弹性挡板的下端固定于两个喷气孔的中心位置，且所述金属弹性挡板与所述凸轮转子的外缘弹性相接；

所述动力供给装置与所述凸轮转轴可传动相连，用于向所述凸轮转轴提供转动的动力，从而带动所述凸轮转子以所述凸轮转轴为中心转动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸轮转子的材料为不锈钢材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述制备装置还包括纤维收集输送带。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交变气流发生器产生的交变气流频率为27-50 Hz。