CN111455475A - 一种多尺度短纤维制备装置及方法 - Google Patents

一种多尺度短纤维制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多尺度短纤维制备装置，包括储液箱、上溶液泵、喷头、高压静电发生器、收集装置、下溶液泵以及电机。电机的输出轴上安装有旋转喷头，旋转喷头的外壁上设置有若干个喷口，喷口用于喷出收集液，旋转喷头的内壁上装有加热器，加热器用于控制旋转喷头的温度。加热器对旋转喷头喷出的收集液的温度进行控制，同时，通过电机对转速的控制，进而实现对旋转喷头转速的控制，达到能够使形成在长度和直径上都具有较大的尺度范围的短纤维，缩减了制作工序，具有自动化程度高的特点。还公开了一种利用多尺度短纤维制备装置制备短纤维的方法，可以一次性形成短纤维，避免后期剪切，简化生产工序，降低生产成本。

Description

一种多尺度短纤维制备装置及方法
技术领域
本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种多尺度短纤维制备装置及方法。
背景技术
静电纺丝是一种利用电液耦合技术进行纤维制备的纺丝技术，其原理是溶液输送装置将纺丝溶液输送至喷头末端，在高压静电场力的作用下，溶液凸尖形变成泰勒锥，溶液从喷头喷射并形成射流，带电射流在电场力的作用下加速向收集装置运动，经电场力的拉伸、溶剂挥发、射流间电荷的相互作用，最终以纤维形式沉积于收集装置。电纺设备包括高压静电发生器、溶液输送和喷射装置、收集装置，设备结构简单，使用操作简便。
短纤维又称切断纤维，其长度范围为35-150mm，是一种常见的生产原料。生产短纤维的现有技术中，较常见的为：先加工生产长纤维束，然后利用剪切装置将长纤维束切断成短纤维，如发明专利CN102071479B。此方法在生产过程中需要剪切、漂洗等设备，在剪切时会导致纤维表面质量差、纤维体带上静电，还需进一步处理才能形成单根短纤维。
所以，现有技术会增加制造的工序及设备的复杂性，增加生产成本，并会降低短纤维的收集效率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种多尺度短纤维制备装置，可一次性制备出多尺度的短纤维。
本发明的上述技术方案是通过以下方式实现的：
一种多尺度短纤维制备装置，其特征在于：包括储液箱、上溶液泵、喷头、高压静电发生器、收集装置、下溶液泵以及电机。储液箱的出口与上溶液泵的进口连接，上溶液泵的出口与喷头的进口连接，喷头的中部与高压静电发生器电连接，喷头在高压静电发生器产生高压静电的作用下喷出纺丝溶液。收集装置位于喷头正下方，收集装置用于收集短纤维。
电机位于收集装置下方，电机的输出端与下溶液泵连接，下溶液泵的进口伸入收集液箱中，下溶液泵的出口与收集装置连接，下溶液泵用于抽取收集液箱内的收集液输送至收集装置中。
电机的输出轴伸入收集装置中，电机的输出轴上安装有旋转喷头，旋转喷头的外壁上设置有若干个喷口，喷口用于喷出收集液。旋转喷头的内壁上装有加热器，加热器用于控制旋转喷头的温度。
与现有技术相比，本发明的优点是：通过加热器对旋转喷头喷出的收集液的温度进行控制，同时，通过电机对转速的控制，进而实现对旋转喷头转速的控制，达到能够使形成在长度和直径上都具有较大的尺度范围的短纤维，缩减了制作工序，具有自动化程度高的特点。
进一步优化为：旋转喷头的安装高度低于收集装置的高度，旋转喷头的工作面积小于收集装置的开口面积。
采用上述技术方案，以便喷出的收集液随着短纤维一起落入收集装置中，防止短纤维洒落在收集装置的外部。
进一步优化为：加热器单独控制每个旋转喷头的温度。
采用上述技术方案，从而实现控制旋转喷头喷出的收集液的温度。
进一步优化为：电机选用两相步进电机。
采用上述技术方案，以达到精确控制旋转喷头转速的目的。
进一步优化为：加热器采用智能温控器。
采用上述技术方案，实现对收集液的温度进行精确控制。
进一步优化为：若干个喷口位于同一平面。
采用上述技术方案，以便制备出均匀的短纤维。
进一步优化为：高压静电发生器的输出电压范围为-60kV～60kV。
本发明还公开了一种利用多尺度短纤维制备装置制备短纤维的方法，包括以下步骤：
S01配置纺丝溶液，组装多尺度短纤维制备装置。
S02将纺丝溶液装入储液箱，开启上溶液泵。
S03启动电机和下溶液泵，电机转动带动旋转喷头转动，旋转喷头旋转并带动喷口，喷口将收集液喷射出来形成收集射流。
S04开启高压静电发生器，产生高压静电场，喷头喷出溶液开始产生射流。
S05射流在高压静电场的作用下拉伸成未固化的长纤维，收集射流将所述长纤维截断为短纤维，短纤维和收集液一起落入所述收集装置。
采用上述技术方案，该方法可以一次性形成短纤维，避免后期剪切，简化生产工序，降低生产成本，短纤维收集在溶液中有利于进行固化，因此形成的短纤维具有良好的表面特征。
进一步优化为：电机的转速设定为20r/min-1200r/min。
采用上述技术方案，以便制备出符合要求的短纤维。
附图说明
图1为实施例一的结构意图；
图2为实施例二剪切过程示意图；
图3是实施例二的方法流程图；
图中：1-储液箱；2-上溶液泵；3-喷头；4-长纤维；5-高压静电发生器；6-加热器；7-旋转喷头；8-收集射流；9-收集装置；10-收集液；11-收集液箱；12-下溶液泵；13-电机；14-低压电源；15-短纤维；16-泰勒锥。
具体实施方式
以下结合附图1、图2以及图3对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例一
一种多尺度短纤维制备装置，如图1所示，包括储液箱1、上溶液泵2、喷头3、高压静电发生器5、加热器6、旋转喷头7、收集装置9、下溶液泵12、电机13以及低压电源14。通常低压电源14的电压低于36V。
储液箱1用于储存纺丝溶液，储液箱1的出口与上溶液泵2的进口连接，上溶液泵2的出口与喷头3的进口连接，喷头3的出口喷出长纤维4。上溶液泵2采用雷弗TYD01-02注射泵，上溶液泵2的流量范围为10μl/hr～100ml/hr。喷头3为纺丝溶液的送出口，是电纺丝射流形成的场所，喷头3由导电材料制成，其内径范围为45μm～1200μm，喷头3采用平头点胶针头作为喷出口。
喷头3的下方设有收集装置9，喷头3与收集装置9之间形成高压电场，喷头3的中部与高压静电发生器5电性连接，喷头3在高压静电发生器5产生高压静电的作用下喷出纺丝溶液。收集装置9位于喷头3的正下方，收集装置用于收集短纤维。收集装置9接地，收集装置9用于收集截断形成的短纤维15和收集液10。高压静电发生器5的输出电压范围为-60kV～60kV，为喷头3与收集装置9提供高压电场。
电机13位于收集装置9下方，电机13的输出端与下溶液泵12连接，下溶液泵12的进口伸入收集液箱11中，下溶液泵12的出口与收集装置9连接，下溶液泵12用于抽取收集液箱11内的收集液输送至收集装置9中。
电机13的输出轴上安装有旋转喷头7，旋转喷头7用于喷出收集液10，旋转喷头7用于喷射收集液10，收集液10将长纤维4截断为短纤维15。旋转喷头7的外壁上设置有若干个喷口，喷口用于喷出收集液，旋转喷头7的内壁上装有加热器6，加热器6用于控制旋转喷头7的温度。
旋转喷头7的安装高度低于收集装置9的高度，旋转喷头3的工作面积小于收集装置9的开口面积，以便喷出的收集液10随着短纤维15一起落入收集装置中，防止短纤维洒落在收集装置9的外部。旋转喷头7的外壁上设置有若干个喷口，若干个喷口位于同一平面，本实施例选用了6个喷口，以便制备出均匀的短纤维4。旋转喷头7所在圆柱内壁套设有加热器6，加热器6用于对控制旋转喷头7的温度，从而实现控制旋喷口喷出的收集液10的温度。加热器6采用智能温控器，温度调节范围为20℃-300℃，实现对收集液10的温度进行精确控制，实现喷射出旋转的和符合设定温度的收集射流8。
旋转喷头7所在圆柱底面与电机13的输出端通过中空轴连接，中空轴与旋转喷头7的入口相通。电机13的输入端与下溶液泵12的输出端连接，下溶液泵12的输入端与收集液箱11的出口连接。电机13选为雷塞两相步进电机，以达到精确控制旋转喷头转速的目的。转速范围为20r/min-1200r/min，能精确调控自身的转速。
加热器6、电机13以及下溶液泵12分别与低压电源14连接，由低压电源14向加热器6、电机13以及下溶液泵12提供动力。
工作原理
如图1和图2所示，上溶液泵2将从储液箱1出口出来的纺丝溶液进行加压后，送入喷头3中，在高压静电发生器5提供的高压电场下，喷头3喷射出长纤维4。同时，从收集液箱11出来的收集液10进入下溶液泵12内进行升压提速后，进入电机13内高速旋转，最终由6个旋转喷头7将收集液10喷出高速旋转的收集射流。长纤维4在收集射流上沉积出短纤维15，收集液10随着短纤维15一起，落入收集装置中，并在收集装置中进一步固化和沉积。
通过加热器6对旋转喷头7喷出的收集液10的温度进行控制，同时，通过电机13对转速的控制，进而实现对和旋转喷头7转速的控制，达到能够使形成在长度和直径上都具有较大的尺度范围的短纤维15，缩减了制作工序，具有自动化程度高的特点。
实施例二
一种利用多尺度短纤维制备装置制备短纤维的方法，如图2和图3所示，包括以下步骤：
S01配置纺丝溶液，组装多尺度短纤维制备装置。
S02将配制好的纺丝溶液装入储液箱1，开启上溶液泵2，设定上溶液泵2的流量为10μl/hr～100ml/hr，达到喷头3处喷出持续稳定的长纤维4的目的。
S03设定电机3的转速为20-1200r/min，以便制备出符合要求的短纤维。设定加热器6的温度为20℃～300℃，对旋转喷头7进行加热。启动电机3和下溶液泵12，电机3转动带动旋转喷头7转动，旋转喷头7旋转并将收集液10喷射喷射出来形成收集射流。
S04开启高压静电发生器5，高压静电发生器5在喷头3与收集装置9之间产生高压静电场，喷头3的喷口出溶液开始产生射流，形成泰勒锥16，形成长纤维。
S05长纤维在高压静电场的作用下拉伸成未固化的长纤维，收集射流将长纤维截断为短纤维15，短纤维15和收集液10一起落入收集装置。
该方法可以一次性形成短纤维，避免后期剪切，简化生产工序，降低生产成本，短纤维收集在溶液中有利于进行固化，因此形成的短纤维15具有良好的表面特征。
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种多尺度短纤维制备装置，其特征在于：包括储液箱、上溶液泵、喷头、高压静电发生器、收集装置、下溶液泵以及电机；所述储液箱的出口与所述上溶液泵的进口连接，所述上溶液泵的出口与所述喷头的进口连接，所述喷头的中部与所述高压静电发生器电连接，所述喷头在所述高压静电发生器产生高压静电的作用下喷出纺丝溶液；所述收集装置位于所述喷头正下方，所述收集装置用于收集短纤维；
所述电机位于所述收集装置下方，所述电机的输出端与所述下溶液泵连接，所述下溶液泵的进口伸入所述收集液箱中，所述下溶液泵的出口与所述收集装置连接，所述下溶液泵用于抽取所述收集液箱内的收集液输送至所述收集装置中；
所述电机的输出轴伸入所述收集装置中，所述电机的输出轴上安装有旋转喷头，所述旋转喷头的外壁上设置有若干个喷口，所述喷口用于喷出收集液，所述旋转喷头的内壁上装有加热器，所述加热器用于控制所述旋转喷头的温度。
2.根据权利要求1所述的多尺度短纤维制备装置，其特征在于：所述旋转喷头的安装高度低于所述收集装置的高度，所述旋转喷头的工作面积小于所述收集装置的开口面积。
3.根据权利要求1所述的多尺度短纤维制备装置，其特征在于：所述加热器控制所述旋转喷头的温度。
4.根据权利要求1所述的多尺度短纤维制备装置，其特征在于：所述电机选用两相步进电机。
5.根据权利要求4所述的多尺度短纤维制备装置，其特征在于：所述加热器采用智能温控器。
6.根据权利要求1所述的多尺度短纤维制备装置，其特征在于：若干个所述喷口位于同一平面。
7.根据权利要求1所述的多尺度短纤维制备装置，其特征在于：所述高压静电发生器的输出电压范围为-60kV～60kV。
8.一种利用多尺度短纤维制备装置制备短纤维的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01配置纺丝溶液，组装多尺度短纤维制备装置；
S02将纺丝溶液装入储液箱，开启上溶液泵；
S03启动电机和下溶液泵，电机转动带动旋转喷头转动，旋转喷头旋转并带动喷口，喷口将收集液喷射出来形成收集射流；
S04开启高压静电发生器，产生高压静电场，喷头喷出溶液开始产生射流；
S05所述射流在高压静电场的作用下拉伸成未固化的长纤维，所述收集射流将所述长纤维截断为短纤维，所述短纤维和收集液一起落入所述收集装置。
9.根据权利要求8所述利用多尺度短纤维制备装置制备短纤维的方法，其特征在于：所述电机的转速设定为20r/min-1200r/min。
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