CN108103600B - 一种纤维的制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维的制备装置，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、喷丝孔和交变气流发生器：高温螺杆的一端上方设置有料斗，高温螺杆的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的下端；气流发生器下端设有两个通气管；料斗通过高温螺杆在分配腔体内与喷丝孔连通；交变气流发生器用于使气流发生器产生的气流变化为交变气流，包括左喷气管、右喷气管、连接轴、支轴、弹簧、固定轴、转轴、凸轮转子、动力装置和立柱。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。

现有超细纤维的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，该超细纤维的制备装置如图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，本发明提供了一种纤维的制备装置，所述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、喷丝孔和交变气流发生器：

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；所述气流发生器下端设有两个通气管；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；

所述交变气流发生器用于使所述气流发生器产生的气流变化为交变气流，包括左喷气管、右喷气管、连接轴、支轴、弹簧、固定轴、转轴、凸轮转子、动力装置和立柱；其中，所述左喷气管和所述右喷气管相对水平面呈预设角度对称设于所述喷丝孔两侧，所述左喷气管和所述右喷气管的进气端分别连接有所述两个通气管，所述左喷气管和所述右喷气管的出气端通过所述连接轴固定连接；所述支轴可转动固定于所述连接轴的中点，所述支轴固定于所述分配腔体外部；所述固定轴和所述转轴同时设于所述左喷气管的左侧或所述右喷气管的右侧，所述固定轴固定于所述立柱，所述固定轴通过所述弹簧与所述左喷气管管体或所述右喷气管管体连接；所述凸轮转子通过所述转轴固定于所述立柱，且所述转轴将所述凸轮转子的直径d分为大半径r1和小半径r2，所述凸轮转子的外缘与所述左喷气管管体或所述右喷气管管体相接；所述转轴与所述动力装置可传动连接。

在一个优选的实施例中，当所述转轴位于所述左喷气管左侧，且所述转轴至所述左喷气管管体的最短距离等于所述凸轮转子的大半径r1时，所述弹簧处于伸张状态，所述右喷气管向右偏移至最大位置；当所述转轴位于所述右喷气管右侧，且所述转轴至所述右喷气管管体的最短距离等于所述凸轮转子的大半径r1时，所述弹簧处于伸张状态，所述左喷气管向左偏移至最大位置。

在一个优选的实施例中，当所述转轴转动时，所述左喷气管和所述右喷气管在所述弹簧和所述凸轮转子的共同作用下，围绕所述支轴进行预设频率的圆周摆动运动。

在一个优选的实施例中，所述左喷气管向左可偏移的最大位置与所述右喷气管向右可偏移的最大位置相对所述分配腔体对称。

在一个优选的实施例中，所述连接轴在水平面的投影为U形。

在一个优选的实施例中，所述左喷气管和所述右喷气管之间的夹角在0°-180°之间。

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。

与现有技术相比，本发明提供的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的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交变气流发生器的状态示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的另一种交变气流发生器的状态示意图。

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的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的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纤维的制备装置的装置示意图，包括料斗1、高温螺杆2、分配腔体3、气流发生器4、气流加热器5、喷丝孔6和交变气流发生器7：

所述高温螺杆2的一端上方设置有所述料斗1，所述高温螺杆2的另一端与所述分配腔体3相连；所述气流发生器4设置有所述气流加热器5；所述喷丝孔6设置于所述分配腔体3的下端；所述气流发生器4下端设有两个通气管4a；所述料斗通过所述高温螺杆2在所述分配腔体3内与所述喷丝孔6连通。

需要说明的是，气流发生器4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。

在本发明中，所述交变气流发生器7用于使所述气流发生器4产生的气流变化为交变气流，包括左喷气管7a、右喷气管7b、连接轴7c、支轴7d、弹簧7e、固定轴7f、转轴7g、凸轮转子7h、动力装置7i和立柱7j；其中，所述左喷气管7a和所述右喷气管7b相对水平面呈预设角度对称设于所述喷丝孔6两侧，所述左喷气管7a和所述右喷气管7b的进气端分别连接有所述两个通气管4a，所述左喷气管7a和所述右喷气管7b的出气端通过所述连接轴7c固定连接；所述支轴7d可转动固定于所述连接轴7c的中点，所述支轴7d固定于所述分配腔体3外部；所述固定轴7f和所述转轴7g同时设于所述左喷气管7a的左侧或所述右喷气管7b的右侧，所述固定轴7f固定于所述立柱7j，所述固定轴7f通过所述弹簧7e与所述左喷气管7a管体或所述右喷气管7b管体连接；所述凸轮转子7h通过所述转轴7g固定于所述立柱7j，且所述转轴7g将所述凸轮转子7h的直径d分为大半径r1和小半径r2，所述凸轮转子7h的外缘与所述左喷气管7a管体或所述右喷气管7b管体相接；所述转轴7g与所述动力装置7i可传动连接。

在一个可行的实施例中，动力装置7i可以是电动马达。

在一个优选的实施例中，当所述转轴7g位于所述左喷气管7a左侧，且所述转轴7g至所述左喷气管7a管体的最短距离等于所述凸轮转子7h的大半径r1时，所述弹簧7e处于伸张状态，所述右喷气管7b向右偏移至最大位置；当所述转轴7g位于所述右喷气管7b右侧，且所述转轴7g至所述右喷气管7b管体的最短距离等于所述凸轮转子7h的大半径r1时，所述弹簧7e处于伸张状态，所述左喷气管7a向左偏移至最大位置。

在一个优选的实施例中，当所述转轴7g转动时，所述左喷气管7a和所述右喷气管7b在所述弹簧7e和所述凸轮转子7h的共同作用下，围绕所述支轴7d进行预设频率的圆周摆动运动。

在一个优选的实施例中，所述左喷气管7a向左可偏移的最大位置与所述右喷气管7b向右可偏移的最大位置相对所述分配腔体3对称。

在一个优选的实施例中，所述连接轴7c在水平面的投影为U形。

U形连接轴7c的设计可以保证左喷气管7a和右喷气管7b恰好对称于喷丝孔6的中心点两侧，从而保证更好的牵伸效果。

在一个优选的实施例中，所述左喷气管7a和所述右喷气管7b之间的夹角在0°-180°之间。

在一个优选的实施例中，所述凸轮转子7h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。

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。

纤维收集输送带位于喷丝孔6的正下方，用于收集牵伸得到的超细纤维。

在使用本实施例提供的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4，气流发生器4在气流加热器5的加温作用下产生高温气体，该高温气体分别通过气流发生器4下端设有的两个通气管4a进入交变气流发生器7的左喷气管7a和右喷气管7b。

以固定轴7f和转轴7g同时设于左喷气管7a左侧为例进行说明，高温气体进入左喷气管7a和右喷气管7b后，动力装置7i带动转轴7g自转，此时，凸轮转子7h在转轴7g的传动作用下进行转动；当立柱7j上的转轴7g至所述左喷气管7a管体的最短距离等于所述凸轮转子7h的大半径r1时，所述左喷气管7a向右偏移至最小位置，所述右喷气管7b向右偏移至最大位置，此时，所述弹簧7e处于伸张状态，对左喷气管7a的拉力最大，左喷气管7a受到弹簧7e的向左的拉力和凸轮转子7h的向右的支撑力，此为情景A，如图5所示；当立柱7j上的转轴7g至所述左喷气管7a管体的最短距离等于所述凸轮转子7h的小半径r2时，所述左喷气管7a向左偏移至最大位置，所述右喷气管7b向左偏移至最小位置，此时，所述弹簧7e依然处于伸张状态，但对左喷气管7a的拉力最小，左喷气管7a受到弹簧7e的向左的拉力和凸轮转子7h向右的支撑力，此为情景B，如图6所示。

当交变气流发生器7的工作状态从情景A至情景B转换的过程中，左喷气管7a受到弹簧7e的向左的拉力和凸轮转子7h向右的支撑力逐渐变小，且拉力和支撑力的合力方向为向左，从而拉动左喷气管7a向左偏移；当交变气流发生器7的工作状态从情景B至情景A转换的过程中，左喷气管7a受到弹簧7e的向左的拉力和凸轮转子7h向右的支撑力逐渐变大，切拉力和支撑力的合力方向向右，从而推动左喷气管7a向右偏移。

随着转轴7g的转动，交变气流发生器7内左喷气管7a和右喷气管7b重复情景A和情景B，从而使得气流发生器4产生的单向的高温气体在进入交变气流发生器7后，在喷丝孔6下方的气流为左右交互型的交变气流。

然后，工作人员将物料（即聚合物）送入料斗1，物料从料斗1经过高温螺杆2后被熔融为聚合物熔体，并进入分配腔体3，通过分配腔体3下方的喷丝孔6喷出。

聚合物熔体从喷丝孔6喷出的同时，变气流发生器7输出的交变气流交替对喷丝孔6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。

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 (8)

1.一种纤维的制备装置，其特征在于，包括料斗、高温螺杆、分配腔体、气流发生器、气流加热器、喷丝孔和交变气流发生器：

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；所述气流发生器下端设有两个通气管；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；

所述交变气流发生器用于使所述气流发生器产生的气流变化为交变气流，包括左喷气管、右喷气管、连接轴、支轴、弹簧、固定轴、转轴、凸轮转子、动力装置和立柱；其中，所述左喷气管和所述右喷气管相对水平面呈预设角度对称设于所述喷丝孔两侧，所述左喷气管和所述右喷气管的进气端分别连接有所述两个通气管，所述左喷气管和所述右喷气管的出气端通过所述连接轴固定连接；所述支轴可转动固定于所述连接轴的中点，所述支轴固定于所述分配腔体外部；所述固定轴和所述转轴同时设于所述左喷气管的左侧或所述右喷气管的右侧，所述固定轴固定于所述立柱，所述固定轴通过所述弹簧与所述左喷气管管体或所述右喷气管管体连接；所述凸轮转子通过所述转轴固定于所述立柱，且所述转轴将所述凸轮转子的直径d分为大半径r1和小半径r2，所述凸轮转子的外缘与所述左喷气管管体或所述右喷气管管体相接；所述转轴与所述动力装置可传动连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述转轴位于所述左喷气管左侧，且所述转轴至所述左喷气管管体的最短距离等于所述凸轮转子的大半径r1时，所述弹簧处于伸张状态，所述右喷气管向右偏移至最大位置；当所述转轴位于所述右喷气管右侧，且所述转轴至所述右喷气管管体的最短距离等于所述凸轮转子的大半径r1时，所述弹簧处于伸张状态，所述左喷气管向左偏移至最大位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述转轴转动时，所述左喷气管和所述右喷气管在所述弹簧和所述凸轮转子的共同作用下，围绕所述支轴进行预设频率的圆周摆动运动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述左喷气管向左可偏移的最大位置与所述右喷气管向右可偏移的最大位置相对所述分配腔体对称。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接轴在水平面的投影为U形。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述左喷气管和所述右喷气管之间的夹角在0°-180°之间。

7.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。

8.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。

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