CN109252231B - 一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，包括熔喷纺丝机构，熔喷纺丝机构设有喷丝孔，喷丝孔的下方设有冷却机构，冷却机构包括开口向上的低温液体容器，低温液体容器内装有低温液体，低温液体容器的内部设有尘笼和纤维刮板，尘笼的下部浸入低温液体的液面以下，尘笼包括可转动的尘笼外壳，尘笼外壳的表面设有可供气体进入的网孔，尘笼外壳连接有尘笼驱动机构，尘笼的内部上部设有固定不动的负压空腔，负压空腔连接有负压发生机构，纤维刮板位于尘笼的下方且与尘笼外壳相抵触。本发明提供的实验装置，可以对熔喷纺丝装置的熔喷纤维实施快速冷却以用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，属于纺丝技术领域。
背景技术
纤维纺丝方法主要包括静电纺丝、熔喷纺丝、液喷纺丝等方法，其中熔喷纺丝法因其纺丝得到的纤维具有平均直径较细(可以达到微米或亚微米级)、比表面积大、微粒捕获及微拉阻隔能力优异而得到广泛应用。目前熔喷纺丝制得的熔喷纤维在过花材料、医用材料、卫生材料、吸油材料、服装材料、热熔性粘合剂、专门电子材料等领域具有广泛的应用。
熔喷纺丝过程中，高聚物原料切片由固态经过烙融、挤压、搅拌、流动、分配、挤出、拉伸变细、结晶固化成为产品，根据聚合物原料在熔喷工艺设备中位置和状态，将熔喷纺丝大致分为三个阶段：第一个阶段是聚合物熔融分配阶段，即从聚合物原料进入熔喷设各到流出喷丝孔之前的阶段；第二个阶段是聚合物拉伸细化阶段，即聚合物熔体从喷丝孔中挤出到接收装置之前的阶段；第三阶段是聚合物凝聚成网阶段，即聚合物熔体在接收装置上凝聚并形成纤维网阶段。
发明人(熔喷非织造工艺中纤维成形机理的研究，辛三法，东华大学，2013年)研究发现，在聚合物拉伸细化阶段存在形变现象，对聚合物熔体进行快速冷却，可以使聚合物熔体的形变得到完全或部分保留，不仅可以影响熔喷纤维的相关性能，同时也有利于对熔喷纤维细化过程的外在和内在机制的深入研究。但是目前还没有专门的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置的相关报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，包括熔喷纺丝机构，所述熔喷纺丝机构设有喷丝孔，所述喷丝孔的下方设有冷却机构，所述冷却机构包括开口向上的低温液体容器，所述低温液体容器内装有低温液体，所述低温液体容器的内部设有尘笼和纤维刮板，所述尘笼的下部浸入低温液体的液面以下，所述尘笼包括可转动的尘笼外壳，尘笼外壳的表面设有可供气体进入的网孔，所述尘笼外壳连接有尘笼驱动机构，所述尘笼的内部上部设有固定不动的负压空腔，所述负压空腔连接有负压发生机构，所述纤维刮板位于尘笼的下方且与尘笼外壳相抵触。
作为优选方案，低温液体容器的开口端位于喷丝孔的正下方。
作为优选方案，所述低温液体是指温度≤0℃的液体。
作为进一步优选方案，所述低温液体的温度为-200℃～0℃。
作为进一步优选方案，所述低温液体包括但不限于0℃的水、液态氧(-183℃)、液态氨(-33.5℃)、液态氩(-122.3℃)、液态氮(-196℃)、液化天然气(-161.5℃)、液态烃。
作为优选方案，所述低温液体的液面与喷丝孔的出口端之间的距离为50～500mm。
作为优选方案，所述的实验装置还包括溶液刮板，所述溶液刮板设在低温液体的液面上方，且与尘笼外壳相抵触。
作为优选方案，所述尘笼的数量至少为一对，每对尘笼均对称设于低温液体容器的内部。
作为优选方案，每对尘笼的尘笼外壳的转动方向相反。
作为优选方案，尘笼驱动机构、负压发生机构均位于低温液体容器的外部。
作为优选方案，所述负压空腔位于低温液体的液面上方。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的实验装置，结构简单、使用方便、成本低廉，可以对熔喷纺丝装置的熔喷纤维实施快速冷却以用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验，且适用研究的熔喷纤维的材质范围广泛，通用性强。
附图说明
图1为本发明提供的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置的结构示意图；
图2为本发明提供的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置中尘笼的结构示意图；
图3为本发明提供的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置中熔喷纺丝机构和冷却机构的相对位置示意图；
图4为本发明实施例1中所得的聚丙烯熔喷纤维的扫描电镜图；
图5为本发明实施例1中所得的聚丙烯熔喷纤维横截面的光学显微镜图；
图中标号示意如下：1、喷丝孔；2、冷却机构；21、低温液体容器；22、低温液体；3、尘笼；31、尘笼外壳；32、负压空腔；4、纤维刮板；5、尘笼驱动机构；6、负压发生机构；7、纺成纤维；8、溶液刮板。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步清楚、详细地描述。
实施例
请参阅图1至图3所示，本发明提供的一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，包括熔喷纺丝机构，所述熔喷纺丝机构设有喷丝孔1，所述喷丝孔1的下方设有冷却机构2，所述冷却机构2包括开口向上的低温液体容器21，所述低温液体容器21内装有低温液体22，所述低温液体容器21的内部设有尘笼3和纤维刮板4，所述尘笼3的下部浸入低温液体22的液面以下，所述尘笼3包括可转动的尘笼外壳31，尘笼外壳的表面设有可供气体进入的网孔(未显示)，所述尘笼外壳31连接有尘笼驱动机构5，所述尘笼3的内部上部设有固定不动的负压空腔32，所述负压空腔32连接有负压发生机构6，所述纤维刮板4位于尘笼3的下方且与尘笼外壳31相抵触。
采用上述实验装置进行熔喷纺丝时：
首先，将低温液体22注入低温液体容器21内，然后将冷却机构2置于熔喷纺丝机构中的喷丝孔1的下方；开启尘笼驱动机构5带动尘笼外壳31转动，同时开启负压发生机构6使尘笼3的负压空腔32内形成负压；高聚物原料切片由固态经过烙融、挤压、搅拌、流动、分配、挤出后从喷丝孔1喷出形成流体状的纺成纤维7，流体状的纺成纤维7飞向尘笼3，负压空腔32的作用使得空气从尘笼外壳31表面进入负压空腔32中，而纺成纤维7则被尘笼外壳31挡住并吸附在尘笼外壳31表面，在尘笼驱动机构5的作用下，负压空腔32保持不动而尘笼外壳31发生转动，随着尘笼外壳31的转动被吸附的纺成纤维7被浸入到低温液体22中，然后当吸附有纺成纤维7的尘笼外壳31部分转动至纤维刮板4处时，纺成纤维7则被纤维刮板4刮离尘笼外壳31表面并被接收入低温液体22中，随着上述装置的连续转动，纺成纤维7陆续被接收浸入低温液体22中冷却固化成丝；当达到接收纤维量要求时，停止熔喷纺丝机构，关闭尘笼驱动机构5和负压发生机构6，停止接收纤维，取出冷却后的纺成纤维7，除去纤维表面的低温液体22，留待进一步实验。
熔喷纺丝中需要使用高速射流拉伸细化熔体或溶液成为纤维，最后纺成纤维和拉伸射流一起高速运动形成高速空气射流，当高速空气射流飞向低温液体22的液面时会冲击低温液体22的液面，引起低温液体22飞溅，低温液体22的液面能够反弹高速空气射流，使部分高速空气射流中的纤维被抛向空气中，不容易浸入低温液体22中，而采用本发明上述实验装置则可以有效避免上述问题，可以及时将纺成纤维7“捕捉住”并浸入低温液体22中，从而实现对熔喷纤维的快速冷却，有利于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响。
如图1和图3所示，低温液体容器21的开口端位于喷丝孔1的正下方，以便于从喷丝孔1中喷出的纺成纤维7顺利进入低温液体容器21中被装于其中的低温液体22快速冷却。
本发明所述的低温液体是指温度≤0℃的液体，只要能够使从喷丝孔1中喷出的流体状的高温纺成纤维7快速冷却固化成丝即可，具体的，发明中所述低温液体的温度为-200℃～0℃，相应的，所述低温液体包括但不限于0℃的水、液态氧(-183℃)、液态氨(-33.5℃)、液态氩(-122.3℃)、液态氮(-196℃)、液化天然气(-161.5℃)、液态烃。
所述低温液体22的液面与喷丝孔1的出口端之间的距离L为50～500mm，以便于从喷丝孔1中喷出的流体状的高温纺成纤维7可以快速进入低温液体22中被低温液体22冷却。所述实验装置包括溶液刮板8，所述溶液刮板8设在低温液体22的液面上方，且与尘笼外壳31相抵触，可以将尘笼3外侧的低温液体22回收到温液体容器21里，防止低温液体22被甩出。
所述尘笼3的数量至少为一对，每对尘笼3均对称设于低温液体容器21的内部。本发明如图1所示，尘笼3设有一对，一对尘笼3左右对称的分布于低温液体容器21的内部，可以进一步高效及时的将纺成纤维7“捕捉住”并浸入低温液体22中。
每对尘笼3的尘笼外壳31的转动方向相反，如图1所示，本发明中的一对左右分布的尘笼3，我们将位于左侧的尘笼3称为左尘笼，相应的位于右侧的尘笼3称为右尘笼，从图1可见，左尘笼顺时针转动，右尘笼逆时针转动(图中尘笼3内部的弯曲箭头方向即代表该尘笼3的转动方向)，左、右尘笼3转动过程中，可以有效将尘笼外壳31表面的纺成纤维7夹持并浸入低温液体22中，进一步保证了冷却效果。
尘笼驱动机构5、负压发生机构6位于低温液体容器21的外部，尘笼驱动机构5、负压发生机构6与尘笼3之间可以采用电性连接。
尘笼驱动机构5采用常规的驱动装置即可，本发明中，尘笼驱动机构5选用马达；负压发生机构6采用常规的负压发生装置即可，本发明中负压发生机构6选用抽风机。
负压空腔32位于低温液体22的液面上方，以便尘笼3转动过程中随时保持负压空腔32的负压效果。
本发明中，低温液体容器21可以采用手动注入或排放低温液体22；也可以设有低温液体22的注入装置，以自动注入低温液体22；在所述低温液体容器21底部或下部可以设有低温液体22的排出口，排出口可以连接用于回收低温液体22的回收装置，从而实现低温液体22的注入自动化控制，及时将低温液体22回收再利用。
本发明中，所述低温液体容器21采用常规的开口向上的容器即可，例如敞口的液缸；低温液体容器21的材质选用耐低温材质，例如耐低温玻璃。
采用本发明的实验装置用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响时，对熔喷纤维所选用的原料材质不限，纤维所用原料包括但不限于聚丙烯、涤纶、聚乳酸、聚偏氟乙烯。
本发明中，尘笼3、纤维刮板4、溶液刮板8均可拆卸的设于低温液体容器21的内部。
实施例1
采用本发明上述实验装置用于研究快速冷却对聚丙烯熔喷纤维性能影响：
采用传统的熔喷纺丝机构，原料为聚丙烯切片，纺丝温度为230℃，热空气压力为3.0atm，低温液体22为0℃水，低温液体容器21为液缸，尘笼3设有一对，尘笼驱动机构5为马达，负压发生机构6为抽风机；
将0℃水(低温液体22)注入液缸(低温液体容器21)中，开启马达(尘笼驱动机构5)带动所述尘笼3的尘笼外壳31转动、同时开启抽风机(负压发生机构6)使负压空腔32内形成负压，开启熔喷纺丝机构，聚丙烯纺成纤维7从喷丝孔1喷出并飞向尘笼3并被吸附到尘笼外壳31的表面，随着尘笼3的转动，聚丙烯纺成纤维7被快速浸入0℃水(低温液体22)中冷却固化成丝，当达到接收纤维量要求时，停止熔喷纺丝机构，关闭马达(尘笼驱动机构5)和抽风机(负压发生机构6)，停止接收纤维，移除尘笼3、纤维刮板4、溶液刮板8，取出冷却后的纤维，除去纤维表面的低温液体22，即得所需的聚丙烯熔喷纤维。
对所得聚丙烯熔喷纤维进行扫描电镜的观测，观测结果如图4所示，从图4可见，所得聚丙烯熔喷纤维表面基本光滑；
对所得聚丙烯熔喷纤维的横截面进行光学显微镜的观测，观测结果如图5所示，从图5可见，所得聚丙烯熔喷纤维内部存在环形微观结构梯度分布现象，说明采用本发明所述的实验装置可用于研究快速冷却对聚丙烯熔喷纤维性能影响。
实施例2
采用本发明上述实验装置用于研究快速冷却对涤纶熔喷纤维性能影响：
采用传统的熔喷纺丝机构，原料为涤纶切片，纺丝温度为320℃，热空气压力为3.0atm，低温液体22为0℃水，低温液体容器21为液缸，尘笼3设有一对，尘笼驱动机构5为马达，负压发生机构6为抽风机；
将0℃水(低温液体22)注入液缸(低温液体容器21)中，开启马达(尘笼驱动机构5)带动所述尘笼3的尘笼外壳31转动、同时开启抽风机(负压发生机构6)使负压空腔32内形成负压，开启熔喷纺丝机构，涤纶纺成纤维7从喷丝孔1喷出并飞向尘笼3并被吸附到尘笼外壳31的表面，随着尘笼3的转动，涤纶纺成纤维7被快速浸入0℃水(低温液体22)中冷却固化成丝，当达到接收纤维量要求时，停止熔喷纺丝机构，关闭马达(尘笼驱动机构5)和抽风机(负压发生机构6)，停止接收纤维，移除尘笼3、纤维刮板4、溶液刮板8，取出冷却后的纤维，除去纤维表面的低温液体22，即得所需的涤纶熔喷纤维。
对所得涤纶熔喷纤维进行扫描电镜的观测，观测结果显示，所得涤纶熔喷纤维表面基本光滑；
对所得涤纶熔喷纤维的横截面进行光学显微镜的观测，观测结果显示所得涤纶熔喷纤维内部也存在环形微观结构梯度分布现象，说明采用本发明所述的实验装置也可用于研究快速冷却对涤纶熔喷纤维性能影响。
实施例3
采用本发明上述实验装置用于研究快速冷却对聚乳酸熔喷纤维性能影响：
采用传统的熔喷纺丝机构，原料为聚乳酸切片，纺丝温度为230℃，热空气压力为3.0atm，低温液体22为液态氩(-122.3℃)，低温液体容器21为液缸，尘笼3设有一对，尘笼驱动机构5为马达，负压发生机构6为抽风机；
将液态氩(-122.3℃)(低温液体22)注入液缸(低温液体容器21)中，开启马达(尘笼驱动机构5)带动所述尘笼3的尘笼外壳31转动、同时开启抽风机(负压发生机构6)使负压空腔32内形成负压，开启熔喷纺丝机构，聚乳酸纺成纤维7从喷丝孔1喷出并飞向尘笼3并被吸附到尘笼外壳31的表面，随着尘笼3的转动，聚乳酸纺成纤维7被快速浸入液态氩(-122.3℃)(低温液体22)中冷却固化成丝，当达到接收纤维量要求时，停止熔喷纺丝机构，关闭马达(尘笼驱动机构5)和抽风机(负压发生机构6)，停止接收纤维，移除尘笼3、纤维刮板4、溶液刮板8，取出冷却后的纤维，除去纤维表面的低温液体22，即得所需的聚乳酸熔喷纤维。
对所得聚乳酸熔喷纤维进行扫描电镜的观测，观测结果显示，所得聚乳酸熔喷纤维表面基本光滑；
对所得聚乳酸熔喷纤维的横截面进行光学显微镜的观测，观测结果显示所得聚乳酸熔喷纤维内部也存在环形微观结构梯度分布现象，说明采用本发明所述的实验装置也可用于研究快速冷却对聚乳酸熔喷纤维性能影响。
实施例4
采用本发明上述实验装置用于研究快速冷却对聚偏氟乙烯熔喷纤维性能影响：
采用传统的熔喷纺丝机构，原料为聚偏氟乙烯切片，纺丝温度为230℃，热空气压力为3.0atm，低温液体22为液态氮(-196℃)，低温液体容器21为液缸，尘笼3设有一对，尘笼驱动机构5为马达，负压发生机构6为抽风机；
将液态氮(-196℃)(低温液体22)注入液缸(低温液体容器21)中，开启马达(尘笼驱动机构5)带动所述尘笼3的尘笼外壳31转动、同时开启抽风机(负压发生机构6)使负压空腔32内形成负压，开启熔喷纺丝机构，聚偏氟乙烯纺成纤维7从喷丝孔1喷出并飞向尘笼3并被吸附到尘笼外壳31的表面，随着尘笼3的转动，聚偏氟乙烯纺成纤维7被快速浸入液态氮(-196℃)(低温液体22)中冷却固化成丝，当达到接收纤维量要求时，停止熔喷纺丝机构，关闭马达(尘笼驱动机构5)和抽风机(负压发生机构6)，停止接收纤维，移除尘笼3、纤维刮板4、溶液刮板8，取出冷却后的纤维，除去纤维表面的低温液体22，即得所需的聚偏氟乙烯熔喷纤维。
对所得聚偏氟乙烯熔喷纤维进行扫描电镜的观测，观测结果显示所得聚丙烯熔喷纤维表面基本光滑；
对所得聚偏氟乙烯熔喷纤维的横截面进行光学显微镜的观测，观测结果显示所得聚丙烯熔喷纤维内部也存在环形微观结构梯度分布现象，说明采用本发明所述的实验装置也可用于研究快速冷却对聚丙烯熔喷纤维性能影响。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本发明的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，包括熔喷纺丝机构，所述熔喷纺丝机构设有喷丝孔，所述喷丝孔的下方设有冷却机构；其特征在于：所述冷却机构包括开口向上的低温液体容器，所述低温液体容器内装有低温液体，所述低温液体容器的内部设有尘笼和纤维刮板，所述尘笼的下部浸入低温液体的液面以下，所述尘笼包括可转动的尘笼外壳，尘笼外壳的表面设有可供气体进入的网孔，所述尘笼外壳连接有尘笼驱动机构，所述尘笼的内部上部设有固定不动的负压空腔，所述负压空腔连接有负压发生机构，所述纤维刮板位于尘笼的下方且与尘笼外壳相抵触，低温液体容器的开口端位于喷丝孔的正下方，所述低温液体的液面与喷丝孔的出口端之间的距离为50～500mm，所述尘笼的数量至少为一对，每对尘笼均对称设于低温液体容器的内部，每对尘笼的尘笼外壳的转动方向相反；
进行熔喷纺丝时，高聚物原料切片由固态经过烙融、挤压、搅拌、流动、分配、挤出后从喷丝孔喷出形成流体状的纺成纤维，流体状的纺成纤维飞向尘笼，负压空腔的作用使得空气从尘笼外壳表面进入负压空腔中，而纺成纤维则被尘笼外壳挡住并吸附在尘笼外壳表面，在尘笼驱动机构的作用下，负压空腔保持不动而尘笼外壳发生转动，随着尘笼外壳的转动被吸附的纺成纤维被浸入到低温液体中，然后当吸附有纺成纤维的尘笼外壳部分转动至纤维刮板处时，纺成纤维则被纤维刮板刮离尘笼外壳表面并被接收入低温液体中，随着上述装置的连续转动，纺成纤维陆续被接收浸入低温液体中冷却固化成丝。
2.根据权利要求1所述的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，其特征在于：所述低温液体是指温度≤0℃的液体。
3.根据权利要求2所述的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，其特征在于：所述低温液体的温度为-200℃～0℃。
4.根据权利要求3所述的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，其特征在于：所述低温液体包括但不限于0℃的水、液态氧、液态氨、液态氩、液态氮、液化天然气、液态烃。
5.根据权利要求1所述的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括溶液刮板，所述溶液刮板设在低温液体的液面上方，且与尘笼外壳相抵触。
6.根据权利要求1所述的用于研究快速冷却对熔喷纤维性能影响的实验装置，其特征在于：所述负压空腔位于低温液体的液面上方。
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