CN110861387B - 一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，包括复合能量发生装置和一对相互配合的柔性压辊和弹性压辊；柔性压辊为表面包裹一定厚度的软质材料的压辊；复合能量发生装置位于柔性压辊内部，用于提供材料复合所需的能量；弹性压辊主要由接触头、弹性连接件和中心辊组成，接触头为球缺状结构，接触头的平面通过弹性连接件与中心辊连接，弹性连接件的弹性力方向与中心辊径向重合。本发明的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，待复合材料在柔性压辊和弹性压辊的同步作用下复合，然后依次利用常温压辊和冷却辊进行再次压合，既减少了复合过程对纤维膜的损伤，又实现了静电纺纳米纤维膜与基材层高牢度结合。

Description

一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置

技术领域

本发明属于静电纺丝装置技术领域，涉及一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置。

背景技术

静电纺丝法是当前制备纳米纤维最有效的方法之一，其制造成本低廉、工艺简单，可以快速获得直径数百纳米左右的纤维。由该方法获得的静电纺丝纳米纤维膜具有功能性强、孔隙率高等特点，然而纳米纤维膜材料在生产与实际使用过程中存在纤维间结合力弱、结构易破损等问题，需要与基材层进行复合以保证长期使用性能不受影响。传统的复合方法无法满足纳米纤维膜复合材料低损伤、高复合牢度的要求，因此在如何减少对纳米纤维膜产生损伤的前提下，又达到纤维膜与基材层的高牢固复合将是该领域亟需解决的问题。

目前，本领域的相关技术人员已经做了一些研究。专利CN201410444088.6公开了一种瓦楞复合装置，包括滚动相切配合的瓦楞辊与柔性辊，瓦楞辊圆周表面形成有均布设置的瓦楞齿，然而该装置中的瓦楞辊属于硬质辊，且上面分布的瓦楞齿都具有棱角并不光滑，与柔性辊配合使用过程中还是无法对结构易被破坏的纳米纤维膜实现低损伤复合。专利CN201410656921.3公开了一种复合机多层复合装置，三层布类和一层膜首先通过加热辊升温复合，随后经气动压辊压合后进入收卷，但是该装置中加热辊和气动压辊均为硬质压辊，对于易受损伤的纳米纤维膜难以有效复合。

因此，亟待研究一种新型复合装置，既减少复合过程对纤维膜的损伤，又能保证纳米纤维膜与基材层具有较强的结合牢度。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中在静电纺丝纳米纤维膜与基材层复合过程中对纤维膜的损伤较大以及二者结合牢度不够好的问题，提供一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，包括复合能量发生装置和一对相互配合的柔性压辊和弹性压辊；

柔性压辊为表面包裹一定厚度的软质材料的压辊；

复合能量发生装置位于柔性压辊内部，用于提供材料复合所需的能量；

弹性压辊主要由接触头、弹性连接件和中心辊组成，接触头为球缺状结构，接触头的平面通过弹性连接件与中心辊连接，弹性连接件的弹性力方向与中心辊径向重合。

当前材料复合领域中大多采用硬质辊-硬质辊或硬质辊-柔性辊，由于硬质辊的存在，纤维膜在复合过程中受到的力恒定且无法及时分散，会对纳米纤维膜造成一定的损伤。本发明通过设计表面包裹一定厚度软质材料的柔性压辊和特别设计的带有弹性连接件的弹性压辊，使得待复合材料在复合过程中受到的力逐渐变化，并且可以通过柔性压辊及时分散消耗多余的作用力，实现对纤维膜的低损伤复合，具体机理为：弹性压辊与待复合材料接触时，由于弹性压辊中的接触头连接着接触头支撑柱，又通过弹性连接件的弹性体与固定在中心辊上的弹性体底座相连接，因此弹性压辊与待复合材料自开始接触到完全分离的过程中始终保持弹性力接触。根据Hertz理论以及弹性力学相关知识分析该过程可知，该过程中待复合材料受到的接触应力呈上凸式抛物线分布，当球缺状接触头的弧面刚刚接触到待复合材料时，此时待复合材料受到接触头的弹力和两者之间的摩擦力，此时合力最小；当球缺状接触头的弧面完全接触到待复合材料时，待复合材料仅受到接触头的弹力，弹性体被压缩到最短即形变量最大，根据虎克定理，此时受力最大；当球缺状接触头的弧面渐渐离开待复合材料时，此时待复合材料受力又逐渐减小。同时，与弹性压辊相互配合的柔性压辊在上述复合过程中，可以承载待复合材料所受到的力，即起到吸收能量缓冲的作用，特别是当待复合材料受力由小变大的阶段，易造成待复合材料损伤，而这种弹性压辊和柔性压辊相互配合的设计恰好可以避免出现破坏待复合材料的问题，从而可以实现低损伤复合。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，一定厚度为1～10cm，软质材料为橡胶、聚氯乙烯、聚酰胺、聚烯烃或聚氨酯。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，复合能量发生装置为加热升温装置、超声波发生装置或红外线加热装置。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，弹性压辊中，中心辊的表面接触头的分布密度为3～9个/cm²，接触头分布密度过小可能导致复合牢度不坚固，影响后续实际使用，过大会造成不必要的能源浪费，且会影响复合材料外观的美观性。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，接触头为半球状结构，直径为3～9mm，接触头可以根据实际加工需求排布成各式花纹状。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，弹性连接件主要由接触头支撑柱、弹性体和弹性体底座组成，弹性体底座固定在中心辊上，弹性体底座中设有用于容置弹性体同时供接触头支撑柱穿入和穿出的压缩腔，弹性体的一端与弹性体底座连接，另一端与接触头支撑柱连接，接触头支撑柱与接触头连接。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，弹性体为弹簧针、弹簧片或弹簧圈，其中弹簧针在促使接触头与待复合材料复合过程中属于点接触，而弹簧片或弹簧圈则属于面接触，增加了复合工艺的多样性。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，弹性体底座为空心圆柱体，直径为4～10mm，高度为1～2cm，壁厚为0.75～3.75mm；接触头支撑柱的长度为1～2cm。

如上所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，还包括位于柔性压辊和弹性压辊一侧且自远及近排列的两个以上放卷辊筒、两个以上导辊和预压辊，以及位于柔性压辊和弹性压辊另一侧且自近及远排列的常温压辊、牵伸辊、冷却辊、收卷辊筒和张紧辊。

采用本发明的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置时，纳米纤维膜上下各铺放一层基材，三层材料经过各自的导辊拉伸展平后，被送入一对上下平行排列的预压辊中进行初步压合，紧接着在复合区，待复合材料吸收复合能量发生装置发射的能量后，纤维达到一定温度后会产生熔融形成粘结点，弹性压辊上的弹性接触头以柔性力与上方柔性压辊同时作用，然后形成点状或面状轧痕，随后，材料被送入一对上下平行排列的常温压辊中进行二次压合，目的是提高基材层与纤维膜之间的复合牢度，复合后的材料进入收卷区后首先经过牵伸辊的牵伸作用，防止材料出现褶皱现象，接着经过冷却辊使粘结点完全固结，最后在收卷滚筒上进行收卷操作，并伴随着张紧辊的收紧整理。本发明的复合装置既减少了复合过程对纤维膜的损伤，又实现了静电纺纳米纤维膜与基材层高牢度结合。

有益效果：

(1)本发明的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，弹性压辊在工作时采用弹性接触头对纤维膜进行复合，从而实现对静电纺丝纳米纤维膜的低损伤复合，保持纳米纤维膜的高孔率隙和透气性；

(2)本发明的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，待复合材料在柔性压辊和弹性压辊的同步作用下复合，然后依次利用常温压辊和冷却辊进行再次压合，既减少了复合过程对纤维膜的损伤，又实现了静电纺纳米纤维膜与基材层高牢度结合；

(3)本发明的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，接触头通过接触头支撑柱可以根据需求选择弹簧针、弹簧片或弹簧圈等弹性体，弹簧针在促使接触头与待复合材料复合过程中属于点接触，而弹簧片或弹簧圈则属于面接触，增加了复合工艺的多样性。

附图说明

图1为弹性压辊与柔性压辊受力分析示意图；

图2为本发发明的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置示意图；

图3为本发明的弹性压辊的结构示意图；

图4为本发明的弹性连接件与接触头的连接结构示意图；

其中，1-基材一放卷辊筒，2-纤维膜放卷辊筒，3-基材二放卷辊筒，4-导辊，5-预压辊，6-柔性压辊，7-复合能量发生装置，8-接触头，9-中心辊，10-弹性压辊，11-常温压辊，12-牵伸辊，13-冷却辊，14-收卷辊筒，15-张紧辊，16-接触头支撑柱，17-弹性体，18-弹性体底座，19-待复合材料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，如图2所示，包括复合能量发生装置7、一对相互配合的柔性压辊6和弹性压辊10、位于柔性压辊6和弹性压辊10一侧且自远及近排列的两个以上放卷辊筒、两个以上导辊4、预压辊5以及位于柔性压辊6和弹性压辊10另一侧且自近及远排列的常温压辊11、牵伸辊12、冷却辊13、收卷辊筒14和张紧辊15；

复合能量发生装置7位于柔性压辊6内部，用于提供材料复合所需的能量；该装置为加热升温装置、超声波发生装置或红外线加热装置；

柔性压辊6为表面包裹1～10cm的软质材料的压辊；其中，软质材料为橡胶、聚氯乙烯、聚酰胺、聚烯烃或聚氨酯；

弹性压辊10，如图3所示，由接触头8、弹性连接件和中心辊9组成；

接触头8是直径为3～9mm的半球状结构，接触头8的平面通过弹性连接件与中心辊9连接，弹性连接件的弹性力方向与中心辊9径向重合；其中，中心辊9的表面接触头8的分布密度为3～9个/cm²；

弹性连接件，如图4所示，由接触头支撑柱16、弹性体17和弹性体底座18组成，弹性体底座18固定在中心辊9上，弹性体底座18中设有用于容置弹性体17同时供接触头支撑柱16穿入和穿出的压缩腔，弹性体17的一端与弹性体底座18连接，另一端与接触头8支撑柱连接，接触头支撑柱16与接触头8连接；其中，弹性体17为弹簧针、弹簧片或弹簧圈；弹性体底座18为空心圆柱体，直径为4～10mm，高度为1～2cm，壁厚为0.75～3.75mm；接触头支撑柱16的长度为1～2cm。

将该静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置用于一种聚偏氟乙烯静电纺丝纳米纤维膜的复合，具体过程为：在聚偏氟乙烯静电纺丝纳米纤维膜上下各铺放一层聚酯无纺布基材，三层材料各自经过基材一放卷辊筒1、纤维膜放卷辊筒2和基材二放卷辊筒3拉伸展平后，被送入一对上下平行排列的预压辊中进行初步压合，紧接着在复合区，待复合材料吸收复合能量发生装置发射的能量后，纤维达到一定温度后会产生熔融形成粘结点，弹性压辊上的弹性接触头以柔性力与上方柔性压辊同时作用，然后形成点状或面状轧痕，随后，材料被送入一对上下平行排列的常温压辊中进行二次压合，复合后的材料进入收卷区后首先经过牵伸辊的牵伸作用，接着经过冷却辊使粘结点完全固结，最后在收卷滚筒上进行收卷操作，并伴随着张紧辊的收紧整理。

而另一种静电纺丝纳米纤维膜用复合装置用于上述材料的复合时，过程与本申请中的装置相同，不同之处是将本申请中的弹性压辊10替换为硬质刚性辊，得到的复合材料与本申请的相比，本申请中的基材层与纤维膜之间的复合牢度更大，且纤维膜的损伤更小。此外，由于上、下聚酯无纺布基材孔径大，可近似认为对复合膜透气性无影响，在此情况下，复合前、后的聚偏氟乙烯纳米纤维膜与复合纤维膜的透气率分别为6.5mm/s和6.3mm/s，说明在复合过程对纤维膜的微观孔结构影响很小，孔隙率变化不大，即达到了低损伤复合的目标，这是因为弹性压辊与待复合材料接触时，由于弹性压辊中接触头与接触头支撑柱连接，而接触头支撑柱又连接着弹性连接件，因此弹性压辊与待复合材料19自开始接触到完全分离的过程中始终保持弹性力接触，其弹性压辊与柔性压辊受力分析示意图如图1所示，且与弹性压辊相互配合的柔性压辊在复合过程中，可以承载待复合材料所受到的力，即起到吸收能量缓冲的作用，特别是当待复合材料受力由小变大的阶段，易造成待复合材料损伤，这种弹性压辊和柔性压辊相互配合的设计恰好可以避免出现破坏待复合材料的问题，从而可以实现低损伤复合。

Claims (8)

1.一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征是：包括复合能量发生装置、一对相互配合的柔性压辊和弹性压辊、柔性压辊和弹性压辊一侧且自远及近排列的两个以上放卷辊筒、两个以上导辊、一对预压辊，以及位于柔性压辊和弹性压辊另一侧且自近及远排列的常温压辊、牵伸辊、冷却辊、收卷辊筒和张紧辊；

柔性压辊为表面包裹一定厚度的软质材料的压辊；

复合能量发生装置位于柔性压辊内部，用于提供材料复合所需的能量；

弹性压辊由接触头、弹性连接件和中心辊组成，接触头为球缺状结构，接触头的平面通过弹性连接件与中心辊连接，弹性连接件的弹性力方向与中心辊径向重合。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，一定厚度为1~10cm，软质材料为橡胶、聚氯乙烯、聚酰胺、聚烯烃或聚氨酯。

3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，复合能量发生装置为超声波发生装置或红外线加热装置。

4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，弹性压辊中，中心辊的表面接触头的分布密度为3~9个/cm²。

5.根据权利要求1所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，接触头为半球状结构，直径为3~9mm。

6.根据权利要求5所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，弹性连接件主要由接触头支撑柱、弹性体和弹性体底座组成，弹性体底座固定在中心辊上，弹性体底座中设有用于容置弹性体同时供接触头支撑柱穿入和穿出的压缩腔，弹性体的一端与弹性体底座连接，另一端与接触头支撑柱连接，接触头支撑柱与接触头连接。

7.根据权利要求6所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，弹性体为弹簧针、弹簧片或弹簧圈。

8.根据权利要求6所述的一种静电纺丝纳米纤维膜用低损伤复合装置，其特征在于，弹性体底座为空心圆柱体，直径为4~10mm，高度为1~2cm，壁厚为0.75~3.75mm；接触头支撑柱的长度为1~2cm。

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