CN109023554A - 一种液喷纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液喷纺丝装置，空气压缩机输出端与液喷模头后方的气管卡头相连；液喷模头上方设有夹板，点胶针头固定于夹板上；液喷模头内部设有中空的狭槽，狭槽左端与所述气管卡头连通，狭槽右端正中心正对着所述点胶针头的针尖；微量注射泵连接注射器的推杆，注射器的输出端通过特氟龙管与所述点胶针头的针尾连接；所述点胶针头和接地金属板分别设于空心铝制圆柱筒两侧，且所述点胶针头的针尖位于空心铝制圆柱筒的轴心线延长线上；空心铝制圆柱筒通过导线和高压静电发生器相连。本发明还提供了液喷纺丝方法。相比于传统的液喷纺丝技术，使用本发明液喷纺丝装置纺制的纳米纤维更细，直径更均匀。

Description

一种液喷纺丝装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液喷纺丝装置及方法，属于纺织材料技术领域。

背景技术

由于纳米纤维具备高比表面积、高长径比等优良属性，因此近年来成为很多领域的研究热点。纳米纤维的制备方法有很多，静电纺丝是在近年来应用最广泛的技术。但其特有的生产方式使该方法产生了一定的局限性，比如产量不高、对溶液性质要求比较严苛等等。

为了克服静电纺丝的这些缺点，很多非静电纺丝技术得以飞速发展。这些技术包括液喷纺丝法、离心纺丝法、模板合成法、相分离法等等。其中，液喷纺丝法被认为是最有可能工业化生产和规模化生产的技术之一。它的产量可以达到普通静电纺丝的10倍。液喷纺丝法是结合了熔喷纺丝和静电纺丝的原理产生的。其纺丝原理为：高聚物溶液被高速的气流拉伸细化，随着溶剂的挥发，从而形成纳米纤维。液喷纳米纤维被用于很多领域比如：能源领域、生物领域、过滤领域等等。但是液喷纳米纤维本身具有一些缺点：纤维直径较大、有串珠状纤维、纤维细度不匀较大等。因此，非常有必要开发新的液喷纺丝技术来克服这些缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何降低液喷纳米纤维的细度，同时解决其细度不匀的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种液喷纺丝装置，其特征在于：包括空气压缩机，空气压缩机输出端与液喷模头后方的气管卡头相连；液喷模头上方设有夹板，点胶针头固定于夹板上；液喷模头内部设有中空的狭槽，狭槽左端与所述气管卡头连通，狭槽右端正中心正对着所述点胶针头的针尖；

微量注射泵连接注射器的推杆，注射器的输出端通过特氟龙管与所述点胶针头的针尾连接；

所述点胶针头和接地金属板分别设于空心铝制圆柱筒两侧，且所述点胶针头的针尖位于空心铝制圆柱筒的轴心线延长线上；空心铝制圆柱筒通过导线和高压静电发生器相连。

优选地，所述空气压缩机通过自带的气管与液喷模头后方的气管卡头相连。

优选地，所述接地金属板通过导线和大地相连。

本发明还提供了一种液喷纺丝方法，采用上述的液喷纺丝装置，其特征在于：步骤为：

步骤1：由空气压缩机提供压缩空气，压缩空气从狭槽的左侧进入液喷模头，从狭槽的右侧喷出；

步骤2：注射器内装载高聚物溶液，通过微量注射泵的推进将注射器内的高聚物溶液均匀地推出，并通过特氟龙管传输至点胶针头；

步骤3：当高聚物溶液刚从点胶针头的针尖出口处被挤出时，正好遇到从液喷模头右侧冲出的压缩空气气流；当压缩空气气流对高聚物溶液液滴的拉伸力大于该高聚物溶液的表面张力时，高聚物溶液就会在压缩空气气流的拉伸下形成高聚物射流；

步骤4：高压静电发生器产生高压静电并通过导线输出使得空心铝制圆柱筒带电，从而在空心铝制圆柱筒的周边空间产生静电场；当高聚物射流在压缩空气气流的推动下接近空心铝制圆柱筒时，由于静电感应作用会使得高聚物射流带电；接地金属板接收通过压缩空气气流与电场拉伸形成的纳米纤维。

优选地，所述压缩空气气流在高聚物射流飞行的过程中拉伸高聚物射流，使得高聚物射流变细。

优选地，所述步骤3中，高聚物溶液在压缩空气气流的牵伸下，在点胶针头的针尖处形成“泰勒锥”。

优选地，所述步骤4中，压缩空气气流在高聚物射流飞行的过程中拉伸高聚物射流，使得高聚物射流变细。

优选地，通过调节空气压缩机的压强，调节压缩空气气流对高聚物溶液射流的拉伸力。

优选地，通过调节微量注射泵的推进速度以及点胶针头的内径，调节高聚物溶液的表面张力。

本发明提供的液喷纺丝装置区别于传统液喷纺丝技术的最大发明点在于：为了降低纳米纤维的细度，提高细度均匀度，加入了高压静电发生器和空心铝制圆柱筒。相比于传统的液喷纺丝技术，使用本发明方法纺制的纳米纤维更细，直径更均匀。

附图说明

图1为本实施例提供的液喷纺丝装置的结构示意图；

图2为本发明方法纺制的纳米纤维与传统液喷纺丝技术制造的纳米纤维SEM形貌对比图；(a)传统液喷纺丝技术制造的纳米纤维形貌的SEM照片；(b)本发明方法纺制的纳米纤维形貌的SEM照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本实施例提供的液喷纺丝装置的结构示意图，所述的液喷纺丝装置由空气压缩机1、液喷模头2、微量注射泵3、注射器4、特氟龙管5、点胶针头6、空心铝制圆柱筒7、高压静电发生器8、接地金属板9等组成。

空气压缩机1通过自带的气管和液喷模头2相连，空气压缩机1的作用是提供压缩空气，从而使得高聚物溶液能够在高压气流的牵伸下，在点胶针头6针尖处形成“泰勒锥”。高压空气还可以在射流飞行的过程中拉伸射流，使得射流变细。

液喷模头2后方有气管卡头，可以连接空气压缩机1的气管，从而使得高压空气注入液喷模头。液喷模头2上方有一个夹板，该夹板的作用是固定点胶针头6。液喷模头2内部是一个中空的狭槽，狭槽左端与气管卡头连通，狭槽的右端正中心正对着点胶针头6的针尖。高压空气从狭槽的左侧进入液喷模头，从狭槽的右侧喷出。

微量注射泵3上固定有注射器4，通过微量注射泵3的推进可以将注射器4内的高聚物溶液均匀的推出，供纺丝使用。注射器4的输出端和特氟龙管5相连。注射器4的作用是装载高聚物溶液，在微量注射泵3的推动下将溶液缓缓送出。特氟龙管5的一端连接注射器4，另一端和点胶针头6连接。特氟龙管5的作用是输送高聚物溶液。点胶针头6固定在液喷模头2上方的夹板上，和特氟龙管5相连。点胶针头6的作用是将高聚物溶液输送出来。

当高聚物溶液刚从点胶针头6出口处被挤出时，正好遇到从液喷模头2右侧冲出的高压气流。当高压气流对高聚物溶液液滴的拉伸力大于该高聚物溶液的表面张力时，高聚物溶液就会在高压气流的拉伸下形成射流。

空心铝制圆柱筒7通过导线和高压静电发生器8相连，高压静电发生器8的作用是产生高压静电并通过导线使得空心铝制圆柱筒7带电。通过高压静电发生器8的电压输出使得空心铝制圆柱筒7带电，从而在空心铝制圆柱筒7的周边空间产生静电场。点胶针头6的针尖位于空心铝制圆柱筒7的轴心线延长线上。当射流在高压空气的推动下接近空心铝制圆柱筒7时，由于静电感应作用会使得高聚物射流带电。接地金属板9通过导线和大地相连，其作用有是接收通过气流与电场拉伸形成的纳米纤维。

上述液喷纺丝装置使用时，包括如下步骤：

(1)在室温条件下，称取高聚物(如：聚氧化乙烯)粉末，将其加入蒸馏水中，在密封的条件下搅拌至溶解均匀，然后静置一段时间。

(2)用注射器4抽取溶解好的聚氧化乙烯高聚物溶液，将其固定在微量注射泵3上，打开微量注射泵3并调节其推进速度。

(3)打空气压缩机1，并调节其气压。

(4)打开高压静电发生器8，并调节其电压。

(5)调节空心铝制圆柱筒7、接地金属板9的位置。开始纺丝。

下面通过几个具体的应用实例详细描述本发明装置的使用方法，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实施例1

(1)将7克分子量为10⁶的聚氧化乙烯粉末投入93克蒸馏水中，利用磁力搅拌器在室温下搅拌24小时，然后静置24小时。制备出质量百分比浓度为7％的聚氧化乙烯溶液。

(2)用注射器4抽取溶解好的聚氧化乙烯高聚物溶液，将其固定在微量注射泵3上，打开微量注射泵3并调节其推进速度为0.5ml/h。

(3)打空气压缩机1，并调节其气压至0.01MPa。

(4)打开高压静电发生器8，并调节其电压至12kV。

(5)选用直径为15cm、长度为10cm的空心铝制圆柱筒7。

(6)选择内径为0.42mm的点胶针头。

(7)调节空心铝制圆柱筒7、接地金属板9的位置。使得点胶针头6至空心铝制圆柱筒7的距离为3cm，接地金属板9与点胶针头6的距离为100cm。开始纺丝。

(8)每次纺丝时间为90分钟。

纺丝完成后将纳米纤维膜从金属板上揭下，干燥条件下保存。具体参数如下表：

空气压缩机压强(MPa)	0.01
		微量注射泵推进速度(ml/h)	0.5
点胶针头内径(mm)	0.42
		聚氧化乙烯纺丝液浓度(wt％)	7
点胶针头与接地金属板的距离(cm)	100
		高压静电发生器电压(kV)	12
点胶针头与空心铝制圆柱筒的距离(cm)	3
		空心铝制圆柱筒的直径(cm)	15
空心铝制圆柱筒的长度(cm)	10

利用本发明方法纺制的纳米纤维形貌与通过传统液喷纺丝技术生产的纳米纤维形貌的SEM照片如图2所示。由图2可以明显看出，利用本发明方法纺制的聚氧化乙烯纳米纤维更细，直径更均匀。

实施例2

制备步骤同实施例1，只是参数不同。具体参数如下表

空气压缩机压强(MPa)	0.01
		微量注射泵推进速度(ml/h)	0.4
点胶针头内径(mm)	0.42
		聚氧化乙烯纺丝液浓度(wt％)	7
点胶针头与接地金属板的距离(cm)	100
		高压静电发生器电压(kV)	12
点胶针头与空心铝制圆柱筒的距离(cm)	3
		空心铝制圆柱筒的直径(cm)	15
空心铝制圆柱筒的长度(cm)	10

实施例3

制备步骤同实施例1，只是参数不同。具体参数如下表

实施例4

制备步骤同实施例1，只是参数不同。具体参数如下表

空气压缩机压强(MPa)	0.01
		微量注射泵推进速度(ml/h)	0.5
点胶针头内径(mm)	0.42
		聚氧化乙烯纺丝液浓度(wt％)	7
点胶针头与接地金属板的距离(cm)	100
		高压静电发生器电压(kV)	10
点胶针头与空心铝制圆柱筒的距离(cm)	3
		空心铝制圆柱筒的直径(cm)	15
空心铝制圆柱筒的长度(em)	10

本发明方法纺制的聚氧化乙烯纳米纤维与传统液喷纺丝技术制造的聚氧化乙烯纳米纤维细度及细度不匀相关数据如下表：

	本发明方法	传统液喷纺丝方法
			纤维平均直径(nm)	657.38	700.57
纤维直径标准差(nm)	178.55	226.07
			纤维直径最小值(nm)	425.83	422.97
纤维直径最大值(nm)	1191.08	1504.11

由上表可以看出，相比于传统的液喷纺丝技术，使用本发明方法可以使得纺制的纳米纤维细度不匀率降低21％，纤维细度降低6.2％。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种液喷纺丝装置，其特征在于：包括空气压缩机(1)，空气压缩机(1)输出端与液喷模头(2)后方的气管卡头相连；液喷模头(2)上方设有夹板，点胶针头(6)固定于夹板上；液喷模头(2)内部设有中空的狭槽，狭槽左端与所述气管卡头连通，狭槽右端正中心正对着所述点胶针头(6)的针尖；

微量注射泵(3)连接注射器(4)的推杆，注射器(4)的输出端通过特氟龙管(5)与所述点胶针头(6)的针尾连接；

所述点胶针头(6)和接地金属板(9)分别设于空心铝制圆柱筒(7)两侧，且所述点胶针头的针尖位于空心铝制圆柱筒(7)的轴心线延长线上；空心铝制圆柱筒(7)通过导线和高压静电发生器(8)相连。

2.如权利要求1所述的一种液喷纺丝装置，其特征在于：所述空气压缩机(1)通过自带的气管与液喷模头(2)后方的气管卡头相连。

3.如权利要求1所述的一种液喷纺丝装置，其特征在于：所述接地金属板(9)通过导线和大地相连。

4.一种液喷纺丝方法，采用如权利要求1～3任一项所述的液喷纺丝装置，其特征在于：步骤为：

步骤1：由空气压缩机(1)提供压缩空气，压缩空气从狭槽的左侧进入液喷模头(2)，从狭槽的右侧喷出；

步骤2：注射器(4)内装载高聚物溶液，通过微量注射泵(3)的推进将注射器(4)内的高聚物溶液均匀地推出，并通过特氟龙管(5)传输至点胶针头(6)；

步骤3：当高聚物溶液刚从点胶针头(6)的针尖出口处被挤出时，正好遇到从液喷模头(2)右侧冲出的压缩空气气流；当压缩空气气流对高聚物溶液液滴的拉伸力大于该高聚物溶液的表面张力时，高聚物溶液就会在压缩空气气流的拉伸下形成高聚物射流；

步骤4：高压静电发生器(8)产生高压静电并通过导线输出使得空心铝制圆柱筒(7)带电，从而在空心铝制圆柱筒(7)的周边空间产生静电场；当高聚物射流在压缩空气气流的推动下接近空心铝制圆柱筒(7)时，由于静电感应作用会使得高聚物射流带电；接地金属板(9)接收通过压缩空气气流与静电场拉伸形成的纳米纤维。

5.如权利要求4所述的一种液喷纺丝方法，其特征在于：所述步骤3中，高聚物溶液在压缩空气气流的牵伸下，在点胶针头(6)的针尖处形成“泰勒锥”。

6.如权利要求4所述的一种液喷纺丝方法，其特征在于：所述步骤4中，压缩空气气流在高聚物射流飞行的过程中拉伸高聚物射流，使得高聚物射流变细。

7.如权利要求4所述的一种液喷纺丝方法，其特征在于：通过调节空气压缩机(1)的压强，调节压缩空气气流对高聚物溶液液滴的拉伸力。

8.如权利要求4所述的一种液喷纺丝方法，其特征在于：通过调节微量注射泵(3)的推进速度以及点胶针头(6)的内径，调节高聚物溶液的表面张力。