CN109763179B - 一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法 - Google Patents
一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法，所述静电纺丝甬道气氛控制装置包括甬道体和多组气流输入输出头。甬道体分为射流稳定段甬道体和射流不稳定段甬道体，针对两段甬道体分别采用不同的气流运输方式。本发明采用了多组气流输入输出头，使可控温度湿度的各种组分气体以一定流速和方向在甬道中运动，实现在射流稳定段甬道体中稳定射流温湿度环境，在射流不稳定段甬道体中辅助射流拉伸细化。该技术简单易行，提高了静电纺丝过程特别是多射流产业化静电纺丝的可控性，方便设计纤维形貌，控制纤维细度及其分布。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维和纺织机械技术领域，特别涉及一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法。
背景技术
当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列惊奇的特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，纳米纤维材料在高效过滤、生物医用、智能传感、能源等领域极具发展潜力。
综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工材料范围、加工耗时等，静电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维方法。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维成为工程材料科学界的研究热点。
传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微量注射泵控制，高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地。高压电源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥，当高压电源电压进一步增大，电场力会克服高聚物溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达接地金属收集板，在这个过程中，溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。
传统的静电纺丝装置一次只产生一根或几根射流，得到的纳米纤维产量很低，很难满足纳米纤维在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，严重影响纺丝过程的顺利进行。无针式静电纺丝装置用更大的自由液面替代了针头约束下的毛细管液面状态。国内外研究学者设计了多种无针式静电纺丝喷头，实现了同时产生数百根上千根射流的同时激发和拉伸。这些装置的出现大大提高了静电纺丝生产纳米纤维的产量。
单针头静电纺丝装置产量小，射流又是一根接着一根拉伸，空间中溶剂的逸散相对容易，所以这类装置基本没有配备气体环境控制装置。然而绝大部分静电纺丝过程使用的有机溶剂都具有易燃易爆的属性，而且在溶液静电纺丝过程中，纺丝液中80％-95％都是溶剂。这些溶剂的直排将会直接污染环境。发展到无针式多射流静电纺丝阶段，溶剂的挥发量更是指数性地增长，空间中溶剂的自发逸散过程变得困难。连续生产状态下，来不及逸散的溶剂直接影响纺丝的稳定进行。此外，纺丝环境气氛的化学成分、温湿度、分布、运动状态都交互影响着最终纤维的形貌，尺寸和质量。目前国内外尚未有针对静电纺丝甬道设计的报导。现有的化纤纺丝甬道装置由于其生产过程不同，并不适用于静电纺丝多阶段拉伸细化要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺丝甬道气氛控制装置及其使用方法，解决目前批量静电纺丝过程中纺丝空间溶剂含量波动大，溶剂逸散无组织，环境气氛种类单一，温度、湿度不稳定等问题，实现静电纺丝特别是大批量静电纺丝的环境调控，进而实现亚微米纤维和纳米纤维的尺寸及纤维直径分布的有效控制及电纺纤维的形貌设计。
本发明为解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种静电纺丝甬道气氛控制装置，包括甬道体以及多组气流输入头和气流输出头，甬道体为中空圆柱体，气流输入头和气流输出头安装在甬道体上。
进一步，甬道体分为射流稳定段甬道体和射流不稳定段甬道体。
进一步，射流稳定段甬道体上部开有两组气流输入头安装孔，下部开有一组气流输出头安装孔，安装孔环绕筒体360度圆周阵列，相邻阵列夹角5-60度；射流不稳定段甬道体自下而上依次开有两组气流输入头安装孔、两组气流输出头安装孔、两组气流输入头安装孔、两组气流输出头安装孔，安装孔环绕筒体360度圆周阵列，相邻阵列夹角5-60度。
进一步，气流输入头安装在各个气流输入头安装孔上，可沿竖直水平两个方向调整气流角度。
进一步，气流输出头安装在各个气流输出头安装孔上，可沿竖直水平两个方向调整气流角度。
进一步，射流稳定段甬道体直径1000-3000mm，长度150-300mm可调；射流不稳定段甬道体直径较射流稳定段甬道体增加100-500mm，长度200-500mm可调。
进一步，甬道体的材质为绝缘亚克力材料或聚四氟乙烯材料。
一种利用静电纺丝甬道气氛控制装置进行静电纺丝的方法，主要包括以下步骤：
1)将静电纺丝喷头安装在静电纺丝甬道体中心；
2)调节射流稳定段甬道体气流输入头和气流输出头的水平及竖直角度；
3)将调温调湿后的气体与气流输入头相连，设置气体流量；
4)打开真空泵，设置射流稳定段甬道体气流输出头气体输出流量；
5)调节射流不稳定段甬道体气流输入头和气流输出头的水平及竖直角度；
6)将调温调湿后的气体与气流输入头相连，设置气体流量；
7)设置射流不稳定段甬道体气流输出头气体输出流量；
8)进行静电纺丝，喷头表面产生多根射流，射流由射流稳定段和射流不稳定段组成，多根射流依次经过稳定段和不稳定段甬道，溶剂经过甬道逸散，射流拉伸固化，亚微米纤维或纳米纤维沉积在收集装置上。
进一步，气流输出头以一定负压输出的甬道气体，经换热器换热用于输入气体调温。
进一步，气流输出头输出的气体经过换热后回收其中溶剂，达标放空排放。
本发明的有益效果在于：采用了多组气流输入输出头，使可控温度湿度的各种组分气体以一定流速和方向在甬道中运动，实现在射流稳定段甬道体中稳定射流温湿度环境，在射流不稳定段甬道体中辅助射流拉伸细化。该技术简单易行，提高了静电纺丝过程特别是多射流产业化静电纺丝的可控性，方便设计纤维形貌，控制纤维细度及其分布。
附图说明
图1为静电纺丝甬道控制装置示意图；
图2为静电纺丝甬道体前视图；
图3为多组气流输入输出头示意图；
图4为静电纺丝甬道气氛控制装置流程图；
1、喷头，2、射流稳定段，3、射流稳定段甬道体，4、射流不稳定段，5、亚微米纤维或纳米纤维，6、收集装置，7、射流不稳定段甬道体，8、气流输出头安装孔，9、气流输入头安装孔，10、气流输出头安装孔，11、气流输入头安装孔，12、气流输入头安装孔，13、气流输入头安装孔，14、气流输出头安装孔，15、气流输入头，16、气流输出头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种静电纺丝甬道控制装置，包括甬道体和多组气流输入输出头。
如图2所示，静电纺丝甬道体为中空圆柱体，材质为绝缘亚克力材料或聚四氟乙烯材料，采用这两种非金属材质可以避免对电场调控的干扰。静电纺丝甬道体分为射流稳定段甬道体3和射流不稳定段甬道体7；射流稳定段甬道体3直径1000-3000mm，长度150-300mm可调；射流不稳定段甬道体7直径较射流稳定段甬道体增加100-500mm，长度200-500mm可调；射流稳定段甬道体7上部开有两组气流输入头安装孔12、13，下部开有一组气流输出头安装孔14，安装孔环绕筒体360度圆周阵列，相邻阵列夹角5-60度；射流不稳定段甬道体自下而上依次开有两组气流输入头安装孔11、两组气流输出头安装孔10、两组气流输入头安装孔9、两组气流输出头安装孔8，安装孔环绕筒体360度圆周阵列，相邻阵列夹角5-60度。
图3为多组气流输入输出头示意图。气流输入头15安装在气流输入头安装孔9、11、12、13上，可沿竖直水平两个方向调整气流角度。气流输入头15中通有调温调湿后的气体，气体流量流速可调。气流输出头16安装在气流输出头安装孔8、10、14上，可沿竖直水平两个方向调整气流角度。气流输出头16与真空泵相连，以一定负压输出甬道气体，并经换热器换热，用于输入气体调温，气体经过换热后回收其中溶剂，达标放空排放。
如图1和图4所示，本发明还提供一种利用静电纺丝甬道气氛控制装置进行静电纺丝的方法，主要包括以下步骤：
1)将静电纺丝喷头1安装在静电纺丝甬道体中心；
2)调节射流稳定段甬道体3的两组气流输入头12、13及一组气流输出头14的水平及竖直角度；
3)将调温调湿后的气体与气流输入头12、13相连，设置气体流量；
4)打开真空泵，设置稳定段甬道体气流输出头14气体输出流量；
5)调节射流不稳定段甬道体气流输入头9、11及气流输出头8、10的水平及竖直角度；
6)将调温调湿后的气体与气流输入头9、11相连，设置气体流量；
7)设置不稳定段甬道体气流输出头8、10气体输出流量；
8)进行静电纺丝，喷头1表面产生多根射流，射流由稳定段2和不稳定段4组成，多根射流依次经过稳定段甬道3和不稳定段甬道7，溶剂经过甬道逸散，射流拉伸固化，亚微米纤维或纳米纤维5沉积在收集装置6上。
实施例1
下面采用静电纺丝甬道气氛控制装置进行静电纺丝。以聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)配制高聚物纺丝液。高聚物溶液的质量分数为10％。将静电纺丝喷头1安装在静电纺丝甬道体中心；调节射流稳定段甬道体3的两组气流输入头12、13及一组气流输出头14的水平及竖直角度分别为相切于筒体圆柱面水平向下45度，相切于筒体圆柱面水平向下45度，相切于筒体圆柱面水平向上30度；将调温调湿后的40℃、40％RH的空气与气流输入头12、13相连，设置气体流量分别为30L/min和25L/min；打开真空泵，设置稳定段甬道体气流输出头14气体输出流量为55L/min；调节射流不稳定段甬道体气流输入头9、11及气流输出头8、10的水平及竖直角度分别为相切于筒体圆柱面水平向上60度，相切于筒体圆柱面水平向下45度；将调温调湿后的40℃、25％RH的空气与气流输入头9、11相连，设置气体流量分别为80L/min和60L/min；设置不稳定段甬道体气流输出头8、10气体输出流量分别为81L/min和62L/min；进行静电纺丝，喷头1表面产生多根射流，射流由稳定段2和不稳定段4组成，多根射流依次经过稳定段甬道3和不稳定段甬道7，溶剂经过甬道逸散，射流拉伸固化，亚微米纤维或纳米纤维5沉积在收集装置6上。
实施例2
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：高聚物溶液的质量分数为12％；与气流输入头12、13相连的调温调湿后的空气为30℃、40％RH，气体流量分别设置为40L/min和30L/min；稳定段甬道体气流输出头14气体输出流量为70L/min；与气流输入头9、11相连的调温调湿后的空气为30℃、25％RH，气体流量分别设置为90L/min和80L/min；不稳定段甬道体气流输出头8、10气体输出流量分别设置为92L/min和81L/min。
实施例3
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：高聚物溶液的质量分数为14％；与气流输入头12、13相连的调温调湿后的空气为45℃、40％RH，气体流量分别设置为40L/min和30L/min；稳定段甬道体气流输出头14气体输出流量设置为70L/min；与气流输入头9、11相连的调温调湿后的空气为45℃、25％RH，气体流量分别设置为100L/min和90L/min；不稳定段甬道体气流输出头8、10气体输出流量分别设置为103L/min和91L/min。
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种静电纺丝甬道气氛控制装置，其特征是，包括甬道体以及多组气流输入头(15)和气流输出头(16)，所述甬道体为中空圆柱体，所述气流输入头(15)和所述气流输出头(16)安装在所述甬道体上,所述甬道体分为射流稳定段甬道体(3)和射流不稳定段甬道体(7),所述射流稳定段甬道体(3)上部开有两组气流输入头安装孔(12)、(13)，下部开有一组气流输出头安装孔(14)，安装孔环绕筒体360度圆周阵列，相邻阵列夹角5-60度；所述射流不稳定段甬道体自下而上依次开有两组气流输入头安装孔(11)、两组气流输出头安装孔(10)、两组气流输入头安装孔(9)、两组气流输出头安装孔(8)，安装孔环绕筒体360度圆周阵列，相邻阵列夹角5-60度。
2.如权利要求1所述的静电纺丝甬道气氛控制装置，其特征是，所述气流输入头(15)安装在各个气流输入头安装孔上，可沿竖直水平两个方向调整气流角度。
3.如权利要求1所述的静电纺丝甬道气氛控制装置，其特征是，所述气流输出头(16)安装在各个气流输出头安装孔上，可沿竖直水平两个方向调整气流角度。
4.如权利要求1所述的静电纺丝甬道气氛控制装置，其特征是，所述射流稳定段甬道体(3)直径1000-3000mm，长度150-300mm可调；所述射流不稳定段甬道体(7)直径较所述射流稳定段甬道体(3)增加100-500mm，长度200-500mm可调。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的静电纺丝甬道气氛控制装置，其特征是，所述甬道体的材质为绝缘亚克力材料或聚四氟乙烯材料。
6.一种利用如权利要求1所述的静电纺丝甬道气氛控制装置进行静电纺丝方法，主要包括以下步骤：
1)将静电纺丝喷头(1)安装在静电纺丝甬道体中心；
2)调节射流稳定段甬道体(3)两组气流输入头(15)及一组气流输出头(16)水平及竖直角度；
3)将调温调湿后的气体与气流输入头(15)相连，设置气体流量；
4)打开真空泵，设置射流稳定段甬道体(3)气流输出头(16)气体输出流量；
5)调节射流不稳定段甬道体(7)气流输入头(15)及气流输出头(16)水平及竖直角度；
6)将调温调湿后的气体与气流输入头(15)相连，设置气体流量；
7)设置射流不稳定段甬道体(7)气流输出头(16)气体输出流量；
8)进行静电纺丝，喷头(1)表面产生多根射流，射流由射流稳定段(2)和射流不稳定段(4)组成，多根射流依次经过射流稳定段甬道体(3)和射流不稳定段甬道体(7)，溶剂经过甬道逸散，射流拉伸固化，亚微米纤维或纳米纤维(5)沉积在收集装置(6)上。
7.如权利要求6所述的静电纺丝方法，其特征是，所述气流输出头(16)以一定负压输出的甬道气体，经换热器换热用于输入气体调温。
8.如权利要求7所述的静电纺丝方法，其特征是，所述气流输出头(16)输出的气体经过换热后回收其中溶剂，达标放空排放。
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