CN109468750A - 制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置及使用方法,包括磁场发生装置,所述磁场发生装置的磁场强度沿纤维牵伸方向逐渐增大,所述磁场发生装置供纤维经过的空间沿纤维牵伸方向逐渐增大,与现有技术相比,能够连续稳定地进行熔喷非织造材料的生产,使熔喷纤维受到旋转磁场的洛伦兹力作用响应,纤维间纠缠程度提高、熔喷非织造材料纤网排列取向更加杂乱无序;同时,熔喷纤维解缠进一步提高,熔喷材料的整体强力进一步提升。

Description

制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置及使用方法
【技术领域】
本发明属于熔喷非织造材料技术领域,特别是涉及制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置及使用方法。
【背景技术】
熔喷非织造材料加工的主要特点是设备简单、工艺流程短、生产率效率高、环保无需有机溶剂。熔点低于分解温度、可熔融形成热稳定熔体的成纤聚合物,都可采用这一方法直接由切片加工成非织造纤网。但熔体聚合物经喷丝孔喷出后直接在定向运动的接收网帘上固化,造成非织造材料的中横向强力差异明显,这在一定程度上限制了材料的使用范围。
聚合物作为一种软物质,其典型特性是结构和性能强烈依赖于外加场,易于对外场刺激做出响应。磁场作为一种极端条件的特殊电磁场形态,能够将高强度的能量无接触的传递到物质的原子尺度,改变原子和分子的排列、匹配和迁移等,从而对聚合物的结晶取向等产生影响。
磁场诱导辅助加工技术是近年来发展出的一种新型复合材料制备技术,在聚合物材料成型过程中采用磁场诱导极性大分子取向有序排列,提升材料的力学性能,因此磁场诱导辅助加工技术极具发展潜力,是制备高性能纤维的理想技术之一。现有的磁场诱导辅助加工技术在聚合物成型方面的应用,多为静态的加工过程或者静电纺等过程,例如专利CN 104963018A“导电/导磁化学纤维的磁场诱导辅助纺丝成型装置及其生产方法”公开了一种导电导磁复合纤维的生产方法,这种功能纤维是将磁性粉体等与聚合物熔融共混进而受外加磁场的影响得到的,产品较为局限单一;专利CN 201648580 U“一种多场作用下的静电纺丝装置”、CN 106835387 A“一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置”、CN 103614791 A“电磁场耦合法制备纳米纤维的静电纺丝装置”利用磁场或振动场解决静电纺丝过程中射流运动的不稳定的问题,目的均在于获得直径更细或取向度更高的纳米纤维。
在熔融加工中的熔喷非织造加工技术方面的应用,目前尚无相关的设备和方法,因此本发明是主要针对现有技术的不足,提出一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置及使用方法。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题,提出一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置及使用方法,能够连续稳定地进行熔喷非织造材料的生产,使熔喷纤维受到旋转磁场的洛伦兹力作用响应,纤维间纠缠程度提高、熔喷非织造材料纤网排列取向更加杂乱无序;同时,熔喷纤维解缠进一步提高,熔喷材料的整体强力进一步提升。
为实现上述目的,本发明提出了一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置,包括磁场发生装置,所述磁场发生装置的磁场强度沿纤维牵伸方向逐渐增大,所述磁场发生装置供纤维经过的空间沿纤维牵伸方向逐渐增大。
作为优选,所述磁场发生装置由两个对称设置的弧形磁极板构成,两个弧形磁极板扣合在一起形成一个圆台形筒状体,其上端直径为20cm,下端直径为40cm,高度为70mm。
作为优选,还包括驱动磁场发生装置转动的驱动机构,所述驱动机构包括电机、固定环、转动环、环状带轮、驱动带轮和传动带,所述固定环内设有转动环,所述转动环内设有磁场发生装置,所述转动环上设有环状带轮,所述电机的转动轴上设有驱动带轮,所述环状带轮和驱动带轮上设有传动带。
作为优选,还包括计算机控制器,所述计算机控制器用于控制磁场发生装置的磁场强度、转速和转动规律。
为实现上述目的,本发明提出了一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,其特征在于:包括以下步骤:
a)将磁场发生装置设在熔喷模头与接收网帘之间;
b)将热塑性聚合物母粒喂入到螺杆挤出机内,经过熔融后依次经过过滤器和计量泵,最后从熔喷模头挤出;
c)熔喷模头输出连续稳定的纤维,被喷丝孔四周环绕的高速、高温空气流迅速牵伸并经过磁场发生装置,由驱动机构带动旋转的磁场发生装置形成阶梯旋转磁场,在阶梯旋转磁场作用下,纤维被进一步拉伸后进一步缠绕;同时利用阶梯旋转磁场带动纤维体做螺旋运动,纤维在高速阶梯旋转磁场的作用下取向高度杂乱,纤维间缠结程度提高,整体强力进一步提升;
d)经阶梯旋转磁场作用的纤维均匀的铺在接收网帘上冷却固化成型,经输送,最终卷绕成型。
作为优选,所述磁场发生装置的参数:转速为:200~600r/min,磁场强度最大处为:1.5T,磁场强度最小处为:0.5T,旋转方式为:顺、逆时针交替旋转,所述熔喷模头与磁场发生装置之间的距离为5cm。
作为优选,所述螺杆挤出机中包括温度不同的五个区,所述五个区的温度分别为:180℃、200℃、210℃、215℃、220℃。
作为优选,所述空气流温度为260~270℃,空气流压力为0.1~0.3MPa,熔喷模头熔喷速度为200~400m/s。
作为优选,所述接收网的速度为5m/min,接受距离为20cm。
本发明的有益效果:本发明通过将磁场发生装置设在熔喷模头与接收网帘之间,并且磁场发生装置的磁场强度沿纤维牵伸方向逐渐增大,磁场发生装置供纤维经过的空间沿纤维牵伸方向逐渐增大,与现有技术相比,能够连续稳定地进行熔喷非织造材料的生产,使熔喷纤维受到旋转磁场的洛伦兹力作用响应,纤维间纠缠程度提高、熔喷非织造材料纤网排列取向更加杂乱无序;同时,熔喷纤维解缠进一步提高,熔喷材料的整体强力进一步提升。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的结构示意图;
图2是磁场发生装置的结构示意图;
图3是磁场发生装置的侧视图;
图4是1#阶梯旋转磁场辅助加工PP熔喷非织造材料、2#静置阶梯磁场辅助加工PP熔喷非织造材料和3#无外场作用PP熔喷非织造材料拉伸力学性能对比曲线图。
图中:51-磁场发生装置、52-驱动机构、521-电机、522-固定环、523-转动环、524-环状带轮、525-驱动带轮、526-传动带。
【具体实施方式】
参阅图1、图2和图3,本发明一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置,包括磁场发生装置51,所述磁场发生装置51的磁场强度沿纤维牵伸方向逐渐增大,所述磁场发生装置51供纤维经过的空间沿纤维牵伸方向逐渐增大,所述磁场发生装置51由两个对称设置的弧形磁极板构成,两个弧形磁极板扣合在一起形成一个圆台形筒状体,其上端直径为20cm,下端直径为40cm,高度为70mm,还包括驱动磁场发生装置51转动的驱动机构52,所述驱动机构52包括电机521、固定环522、转动环523、环状带轮524、驱动带轮525和传动带526,所述固定环522内设有转动环523,所述转动环523内设有磁场发生装置51,所述转动环523上设有环状带轮524,所述电机521的转动轴上设有驱动带轮525,所述环状带轮524和驱动带轮525上设有传动带526,还包括计算机控制器,所述计算机控制器用于控制磁场发生装置51的磁场强度、转速和转动规律。
电机521通过环状带轮524、驱动带轮525和传动带526的配合带动转动环523转动,转动环523带动磁场发生装置51转动,形成阶梯旋转磁场空间,计算机控制器用于控制磁场发生装置51的磁场强度、转速和转动规律。
一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,包括以下步骤:
a)将磁场发生装置51设在熔喷模头与接收网帘之间,所述磁场发生装置的参数:转速为:200~600r/min,磁场强度最大处为:1.5T,磁场强度最小处为:0.5T,旋转方式为:顺、逆时针交替旋转,所述熔喷模头与磁场发生装置之间的距离为5cm;
b)将热塑性聚合物母粒喂入到螺杆挤出机内,经过熔融后依次经过过滤器和计量泵,最后从熔喷模头挤出,所述螺杆挤出机中包括温度不同的五个区,所述五个区的温度分别为:180℃、200℃、210℃、215℃、220℃;
c)熔喷模头输出连续稳定的纤维,被喷丝孔四周环绕的高速、高温空气流迅速牵伸并经过磁场发生装置51,由驱动机构52带动旋转的磁场发生装置51形成阶梯旋转磁场,在阶梯旋转磁场作用下,纤维被进一步拉伸后进一步缠绕;同时利用阶梯旋转磁场带动纤维体做螺旋运动,纤维在高速阶梯旋转磁场的作用下取向高度杂乱,纤维间缠结程度提高,整体强力进一步提升,所述空气流温度为260~270℃,空气流压力为0.1~0.3MPa,熔喷模头熔喷速度为200~400m/s;
d)经阶梯旋转磁场作用的纤维均匀的铺在接收网帘上冷却固化成型,经输送,最终卷绕成型,所述接收网的速度为5m/min,接受距离为20cm,得到的熔喷非织造材料为1#。
熔喷模头与磁场发生装置之间的距离为5cm,经短距离高温、高速空气流牵伸成的熔喷初生纤维基本处于无序伸直状态。
为弥补熔喷气流的扩散效应,将磁场发生装置51的磁场强度沿纤维牵伸方向逐渐增大,磁场发生装置51供纤维经过的空间沿纤维牵伸方向逐渐增大,也有利于保证熔喷纤维受到足够的磁响应。
通过驱动机构52带动磁场发生装置51旋转,在聚合物纤维运动路径上形成旋转效应的磁场,从而带动纤维作一定螺旋运动,顺、逆时针交替旋转;对应产生的磁场方向不断变化,从而影响纤维的取向变化,宏观上在接收网帘上固化的纤网表现为各向异性,最终使纤网中熔喷纤维排列更加杂乱,材料整体性能趋于各向同性取向状态。
本装置与静电纺丝附加的磁场装置最大区别在于:静电纺丝过程中,纤维运动为螺旋向,利用磁场可使螺旋运动的静电纺纤维“解螺旋”取向,从而获得更有效的轴向取向并提高牵伸。而熔喷纤维在挤出牵伸成型过程中,首先处于伸直状态,随着气体的耗散和紊流运动,纤维逐渐呈波浪形,所附加的旋转阶梯磁场可利用其附加于熔体的洛伦兹力,使纤维的取向改变并进一步促进纤维间的纠缠,从而在收集后赋予非织造材料更加杂乱的取向,提高非织造材料各向材料的整体力学性能同性的同时,强力明显提高。
对比例:
同样的PP原料,仅保留阶梯磁场,关闭旋转功能,其余工艺参数不变,制得的熔喷非织造材料为2#。
同样的PP原料,同时关闭阶梯磁场和旋转功能,其余工艺参数不变,制得的熔喷非织造材料为3#。
测试部分采用美国Insrtron-3369型万能材料试验机对两种试样的力学性能进行测试测得1#材料面密度为26.4±0.6g/m2;2#材料面密度为28.1+0.9g/m2,3#材料面密度为25.6+0.4g/m2,所有材料手感柔软、蓬松,三种材料的纵横向断裂强力及断裂伸长率见图2,材料拉伸力学性能参数见下表:
测试结果表明,应用本发明技术方案制备得到的熔喷非织造材料纵横向强力接近且得到显著提升;同时,纵横向断裂伸长率差异率也明显减小。总之,所得的熔喷材料各向同性提高,且力学性能增强。
上述实施例是对本发明的说明,不是对本发明的限定,任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置,其特征在于:包括磁场发生装置(51),所述磁场发生装置(51)的磁场强度沿纤维牵伸方向逐渐增大,所述磁场发生装置(51)供纤维经过的空间沿纤维牵伸方向逐渐增大。
2.如权利要求1所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置,其特征在于:所述磁场发生装置(51)由两个对称设置的弧形磁极板构成,两个弧形磁极板扣合在一起形成一个圆台形筒状体,其上端直径为20cm,下端直径为40cm,高度为70mm。
3.如权利要求1所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置,其特征在于:还包括驱动磁场发生装置(51)转动的驱动机构(52),所述驱动机构(52)包括电机(521)、固定环(522)、转动环(523)、环状带轮(524)、驱动带轮(525)和传动带(526),所述固定环(522)内设有转动环(523),所述转动环(523)内设有磁场发生装置(51),所述转动环(523)上设有环状带轮(524),所述电机(521)的转动轴上设有驱动带轮(525),所述环状带轮(524)和驱动带轮(525)上设有传动带(526)。
4.如权利要求1所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置,其特征在于:还包括计算机控制器,所述计算机控制器用于控制磁场发生装置(51)的磁场强度、转速和转动规律。
5.如权利要求1所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,其特征在于:包括以下步骤:
a)将磁场发生装置(51)设在熔喷模头与接收网帘之间;
b)将热塑性聚合物母粒喂入到螺杆挤出机内,经过熔融后依次经过过滤器和计量泵,最后从熔喷模头挤出;
c)熔喷模头输出连续稳定的纤维,被喷丝孔四周环绕的高速、高温空气流迅速牵伸并经过磁场发生装置(51),由驱动机构(52)带动旋转的磁场发生装置(51)形成阶梯旋转磁场,在阶梯旋转磁场作用下,纤维被进一步拉伸后进一步缠绕;同时利用阶梯旋转磁场带动纤维体做螺旋运动,纤维在高速阶梯旋转磁场的作用下取向高度杂乱,纤维间缠结程度提高,整体强力进一步提升;
d)经阶梯旋转磁场作用的纤维均匀的铺在接收网帘上冷却固化成型,经输送,最终卷绕成型。
6.如权利要求5所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,其特征在于:所述磁场发生装置的参数:转速为:200~600r/min,磁场强度最大处为:1.5T,磁场强度最小处为:0.5T,旋转方式为:顺、逆时针交替旋转,所述熔喷模头与磁场发生装置之间的距离为5cm。
7.如权利要求5所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,其特征在于:所述螺杆挤出机中包括温度不同的五个区,所述五个区的温度分别为:180℃、200℃、210℃、215℃、220℃。
8.如权利要求5所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,其特征在于:所述空气流温度为260~270℃,空气流压力为0.1~0.3MPa,熔喷模头熔喷速度为200~400m/s。
9.如权利要求5至8中任一项所述的一种制备均质增强熔喷非织造材料的阶梯磁场装置的使用方法,其特征在于:所述接收网的速度为5m/min,接受距离为20cm。
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