CN109720075B

CN109720075B - 一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置及方法

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Publication number: CN109720075B
Application number: CN201811425378.0A
Authority: CN
Inventors: 韩建; 赵永欢
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: CN109720075A

Abstract

本发明涉及一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，包括：沿着织物传送方向上设置的退绕辊筒、若干个传送导辊、至少一个接地的金属滚筒收集机构、若干个压辊以及卷绕辊筒；所述金属滚筒收集机构相应设有一组喷射机构，以及与所述喷射机构相连的直流高压电源和纺丝液供给机构。该装置结构简单，易于实现连续化、规模化生产，提高纳米纤维/织物复合材料的生产效率。本发明还涉及一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的方法，工艺简单、生产稳定且连续、成本可控、能耗低，成功满足了纳米纤维/织物复合材料的产业化需求。

Description

一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及纺织复合材料、纺织机械领域，具体涉及一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置及方法。

背景技术

纳米纤维材料因其纤维直径小，且具有高孔隙率、高比表面积和高表面能等诸多优异的物理化学性能，已广泛应用于过滤材料、防水透湿、电池隔膜、生物组织工程等领域。静电纺丝技术是目前制备纳米纤维的主要方法之一，其工艺简单且操作方便，已有PET、PA、PU、PVA、PAN、PVDF等多种高聚物可以通过静电纺丝技术加工成纳米纤维材料。

近年来，静电纺丝技术的工业化生产和应用也受到了广泛关注。相比于已经工业化生产的纺丝技术如熔融纺丝、湿法纺丝、液晶纺丝等，传统的静电纺丝技术所使用的针头纺丝效率低、耗时长，难以达到稳定连续的工业化生产要求。针对此问题，已有诸多文献和专利报道了多针头静电纺丝和槽式无针头静电纺丝等新型的、效率更高的静电纺丝技术，这些新技术对静电纺丝技术的规模化生产起到了积极的推动作用。此外，静电纺丝制备的纳米纤维膜力学性能难以达到很多领域的使用要求，这也是限制其产业化应用的另一个重要原因。

通过新型的静电纺丝技术将纳米纤维沉积在二维材料的表面，制备纳米纤维/二维材料的复合材料是解决上述两个问题的一种简单有效的方法。一方面，使用新型的静电纺丝技术可以有效地解决静电纺丝生产效率低和加工稳定性差的问题。另一方面，以二维材料为骨架材料可以使复合材料的力学性能达到工业化生产的要求。

织物是一种在诸多领域广泛使用的二维材料，常见的织物具有产品丰富、力学性能好、生产加工稳定且成本可控等优点。以织物为基材制备纳米纤维/织物复合材料，可以充分发挥织物和纳米纤维的优点，所制备的复合材料兼具纳米纤维膜的功能化、智能化和织物良好的力学性能、丰富多彩的应用等特点。但是现有技术中缺少能够规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置和工艺。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置及方法。

本发明所提供的技术方案为：

一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，包括：沿着织物传送方向上设置的退绕辊筒、若干个传送导辊、至少一个接地的金属滚筒收集机构、若干个压辊以及卷绕辊筒；

所述金属滚筒收集机构相应设有一组喷射机构，以及与所述喷射机构相连的直流高压电源和纺丝液供给机构。

本发明中金属滚筒收集机构、喷射机构、直流高压电源和纺丝液供给机构组成为静电纺丝装置。

本发明中的装置结构简单，可以实现连续稳定地生产，成功满足了纳米纤维/织物复合材料的产业化需求。

本发明中的金属滚筒收集机构的数量可以为1～8个。作为优选，所述金属滚筒收集机构的数量为2、4、6或8个。

本发明中的金属滚筒收集机构可以由铝、铜、铁或钢制成。作为优选，所述金属滚筒收集机构为铝制圆鼓金属滚筒，其直径为500-3500mm。

本发明中所述金属滚筒收集机构至少有一个设置在织物的反面以及至少有一个设置在织物的正面。该结构设计实现织物正反两面均可以沉积纳米纤维。

本发明中所述喷射机构包括：若干针头机构以及针头机构的安装支架；若干所述针头机构在所述金属滚筒收集机构外侧弧面上方成环绕方式分布，且每个针头机构与所述金属滚筒收集机构的轴心的距离相等。该结构设计可以实现在织物表面连续地沉积纳米纤维，提高效率；此外可以保证纳米纤维在织物表面均匀分布，形成均匀致密的复合材料。

本发明中所述喷射机构与金属滚筒收集机构之间的接收距离为15-30cm。

本发明中所述纺丝液供给机构包括储液槽、计量泵以及均匀分配器。

作为其中一种优选，所述的规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置包括：沿着织物传送方向上依序设置的退绕辊筒、第一传送导辊、接地的第一金属滚筒收集机构、压辊、接地的第二金属滚筒收集机构、第二传送导辊、热压辊以及卷绕辊筒；所述第一金属滚筒收集机构设置在织物的反面，所述第二金属滚筒收集机构设置在织物的正面。

本发明中所述热压辊的热压压力为1-200MPa，热压温度为30-400℃。

本发明还提供一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的方法，包括：

1)织物经退绕辊筒退绕后，由第一传送导辊进行传送；

2)织物经过第一金属滚筒收集机构时，第一喷射机构在织物正面进行静电纺丝，沉积一层纳米纤维，然后传送经过压辊；

3)织物在经过第二金属滚筒收集机构时，第二喷射机构在织物反面进行静电纺丝，沉积一层纳米纤维；

4)将正反面均沉积过纳米纤维的织物经过第二传送导辊送入热压辊，进行热压加固，并通过卷绕辊筒卷绕得到纳米纤维/织物复合材料。

本发明中所述织物为幅宽300-3000mm的非织造布、机织物或针织物。

本发明中所述织物的材质可以为天然纤维、再生纤维或合成纤维。

本发明中所述静电纺丝所使用的聚合物可以为PET、PA、PU、PVA、PEO、PAN、PMMA、PVDF中的一种或几种。

本发明中所述静电纺丝制备的纳米纤维的直径为50-800nm。

本发明中所述静电纺丝的纺丝电压为15-50kv。

本发明中所述第一金属滚筒收集机构和/或第二金属滚筒收集机构的转速为5-100r/min。

本发明中所述静电纺丝的接收距离15-30cm。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明中的装置结构简单，易于实现连续化、规模化生产，提高纳米纤维/织物复合材料的生产效率。

(2)本发明中通过对喷射机构的结构进行设计，可以保证纳米纤维在织物表面均匀分布，形成均匀致密的复合材料。

(3)本发明中的方法工艺简单、生产稳定且连续、成本可控、能耗低，成功满足了纳米纤维/织物复合材料的产业化需求。

附图说明

图1为本发明中规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置的结构示意图；

图2为本发明中金属滚筒收集机构与喷射机构的配合关系图；

图3为本发明中针头机构的结构示意图。

其中，1、退绕辊筒；2、第一传送导辊；3、第一储液槽；4、第一计量泵；5、第一均匀分配器；6、第一喷射机构；7、第一直流高压电源；8、第一金属滚筒收集机构；9、压辊；10、第二直流高压电源；11、第二喷射机构；12、第二均匀分配器；13、第二计量泵；14、第二储液槽；15、第二金属滚筒收集机构；16、第二传送导辊；17、热压辊；18、卷绕辊筒；19、针头机构；20、安装支架；21静电纺丝针头。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。

如图1～3所述，规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置包括：沿着织物传送方向上依序设置的退绕辊筒1、第一传送导辊2、接地的第一金属滚筒收集机构8、压辊9、接地的第二金属滚筒收集机构15、第二传送导辊16、热压辊17以及卷绕辊筒18。

其中，第一金属滚筒收集机构8和第二金属滚筒收集机构15为铝制圆鼓金属滚筒，其直径为500-3500mm。第一金属滚筒收集机构8设置在织物的反面，而第二金属滚筒收集机构设置15在织物的正面。

第一金属滚筒收集机构8相应设有第一喷射机构6，以及与第一喷射机构6相连的第一直流高压电源7和第一纺丝液供给机构。第一金属滚筒收集机构8、第一喷射机构6、第一直流高压电源7以及第一纺丝液供给机构组成静电纺丝装置。其中，第一纺丝液供给机构由第一储液槽3、第一计量泵4以及第一均匀分配器5组成。

同样，第二金属滚筒收集机构15相应设有第二喷射机构11，以及与第二喷射机构11相连的第二直流高压电源10和第二纺丝液供给机构。第二金属滚筒收集机构15、第二喷射机构11、第二直流高压电源10以及第二纺丝液供给机构组成静电纺丝装置。其中，第二纺丝液供给机构由第二储液槽14、第二计量泵13以及第二均匀分配器12组成。

第一喷射机构6和第二喷射机构11分别由若干针头机构19以及针头机构19的安装支架20组成。针头机构19上设有使用许多的静电纺丝针头21，静电纺丝针头21对着金属滚筒收集机构(8,15)外侧弧面。安装支架20整体为弧形，与金属滚筒收集机构(8,15)同心。若干针头机构19安装在弧形的安装支架20上，若干针头机构19在金属滚筒收集机构(8,15)外侧弧面上方成环绕方式分布，且每个针头机构19与金属滚筒收集机构(8,15)的轴心的距离L相等。该结构设计可以实现在织物表面连续地沉积纳米纤维，提高效率；此外可以保证纳米纤维在织物表面均匀分布，形成均匀致密的复合材料。

具体的生产流程如下：

1)织物经退绕辊筒1退绕后，由第一传送导辊2进行传送；

2)织物经过第一金属滚筒收集机构8时，第一喷射机构6在织物正面进行静电纺丝，沉积一层纳米纤维，然后传送经过压辊9；

3)织物在经过第二金属滚筒收集机构15时，第二喷射机构11在织物反面进行静电纺丝，沉积一层纳米纤维；

4)将正反面均沉积过纳米纤维的织物经过第二传送导辊16送入热压辊17，进行热压加固，并通过卷绕辊筒18卷绕得到纳米纤维/织物复合材料。

其中，织物为幅宽300-3000mm的非织造布、机织物或针织物，材质可以为天然纤维、再生纤维或合成纤维，优选采用经过预处理的织物。

第一储液槽3和第二储液槽14中储藏着配制好的静电纺丝所用的溶液，一般由聚合物与溶剂组成。聚合物可以为PET、PA、PU、PVA、PEO、PAN、PMMA、PVDF中的一种或几种。

静电纺丝的纺丝电压为15-50kv，接收距离15-30cm。第一金属滚筒收集机构8和/或第二金属滚筒收集机构15的转速为5-100r/min。热压辊17的热压压力为1-200MPa，热压温度为30-400℃。

下面为本发明具体的应用例：

应用例1

选取幅宽为1m的熔喷聚丙烯无纺布作为接收基材，将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解于溶剂DMF中，配制浓度为12wt％的纺丝溶液。

调节设备的环境温度为25℃、湿度为50％，纺丝液从储液槽(3,14)经过计量泵(4,13)，进入均匀分配器(5,12)后平均分配到每个针头机构19上，静电纺丝的参数设置为电压为20kv，接受距离为18cm，金属滚筒收集机构(8,15)的转速为50r/min。

将熔喷聚丙烯无纺布经由第一传送导辊2传送，经过第一金属滚筒收集机构8时通过静电纺丝在熔喷PP无纺布正面沉积一层PVDF纳米纤维，以一定的速度通过压辊9，在经过第二金属滚筒收集机构15时在熔喷PP无纺布反面同样沉积一层PVDF纳米纤维得到的复合材料。复合材料在3MPa、60℃的条件下热压60s，最终得到PVDF纳米纤维/熔喷PP无纺布复合材料，可广泛应用于空气过滤材料领域。

应用例2

选取幅宽为0.8m的经编涤纶坯布作为接收基材，将聚氨酯(PU)溶解于溶剂DMAc/LiCl中，配制浓度为16wt％的纺丝溶液。

调节设备的环境温度为25℃、湿度为50％，纺丝液从储液槽(3,14)经过计量泵(4,13)，进入均匀分配器(5,12)后平均分配到每个针头机构19上，静电纺丝的参数设置为电压为15kv，接受距离为15cm，金属滚筒收集机构(8,15)的转速为15r/min。

将经编涤纶坯布经由第一传送导辊2传送，经过第一金属滚筒收集机构8时通过静电纺丝在经编涤纶坯布正面沉积一层PU纳米纤维，以一定的速度通过压辊9，在经过第二金属滚筒收集机构15时在经编涤纶坯布反面同样沉积一层PU纳米纤维得到的复合材料。复合材料在5MPa、80℃的条件下热压30s，最终得到PU纳米纤维/经编涤纶复合材料，可广泛应用于运防水透湿面料领域。

应用例3

选取幅宽为1.2m的机织纯棉坯布作为接收基材，将聚苯胺(PANi)溶解于溶剂NMP中，配制浓度为14wt％的纺丝溶液。

调节设备的环境温度为25℃、湿度为50％，纺丝液从储液槽(3,14)经过计量泵(4,13)，进入均匀分配器(5,12)后平均分配到每个针头机构19上，静电纺丝的参数设置为电压为18kv，接受距离为15cm，金属滚筒收集机构(8,15)的转速为8r/min。

将机织纯棉坯布经由第一传送导辊2传送，经过第一金属滚筒收集机构8时通过静电纺丝在机织纯棉坯布正面沉积一层PANi纳米纤维，以一定速度通过压辊9，在经过第二金属滚筒收集机构15时在机织纯棉坯布反面同样沉积一层PANi纳米纤维得到的复合材料。复合材料在2MPa、50℃的条件下热压3min，最终得到PANi纳米纤维/机织纯棉坯布复合材料，可广泛应用于智能导电织物领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，其特征在于，包括：沿着织物传送方向上设置的退绕辊筒、若干个传送导辊、至少一个接地的金属滚筒收集机构、若干个压辊以及卷绕辊筒；

所述金属滚筒收集机构相应设有一组喷射机构，以及与所述喷射机构相连的直流高压电源和纺丝液供给机构；

所述喷射机构包括：若干针头机构以及针头机构的安装支架；若干所述针头机构在所述金属滚筒收集机构外侧弧面上方成环绕方式分布，且每个针头机构与所述金属滚筒收集机构的轴心的距离相等；

所述金属滚筒收集机构的数量为1~8个；

所述金属滚筒收集机构至少有一个设置在织物的反面以及至少有一个设置在织物的正面；

规模化生产纳米纤维/织物复合材料的方法，包括：

1）织物经退绕辊筒退绕后，由第一传送导辊进行传送；

2）织物经过第一金属滚筒收集机构时，第一喷射机构在织物正面进行静电纺丝，沉积一层纳米纤维，然后传送经过压辊；

3）织物在经过第二金属滚筒收集机构时，第二喷射机构在织物反面进行静电纺丝，沉积一层纳米纤维；

4）将正反面均沉积过纳米纤维的织物经过第二传送导辊送入热压辊，进行热压加固，并通过卷绕辊筒卷绕得到纳米纤维/织物复合材料。

2.根据权利要求1所述的规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，其特征在于，所述金属滚筒收集机构为铝制圆鼓金属滚筒，其直径为500-3500 mm。

3.根据权利要求1所述的规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，其特征在于，所述喷射机构与金属滚筒收集机构之间的接收距离为15-30 cm。

4.根据权利要求1所述的规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，其特征在于，所述纺丝液供给机构包括储液槽、计量泵以及均匀分配器。

5.根据权利要求1所述的规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，其特征在于，包括：沿着织物传送方向上依序设置的退绕辊筒、第一传送导辊、接地的第一金属滚筒收集机构、压辊、接地的第二金属滚筒收集机构、第二传送导辊、热压辊以及卷绕辊筒；所述第一金属滚筒收集机构设置在织物的反面，所述第二金属滚筒收集机构设置在织物的正面。

6.根据权利要求5所述的规模化生产纳米纤维/织物复合材料的装置，其特征在于，所述热压辊的热压压力为1-200 MPa，热压温度为30-400 ℃。