CN112011839A

CN112011839A - 熔喷装置及纳米纤维制造方法

Info

Publication number: CN112011839A
Application number: CN202010416862.8A
Authority: CN
Inventors: 尾下龙大; 垰口信一
Original assignee: Yamashin Filter Corp
Current assignee: Yamashin Filter Corp
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2020-12-01
Also published as: JP2020196960A; JP7458152B2

Abstract

本发明涉及一种能够减小纺丝的纤维的直径的熔喷装置及纳米纤维制造方法。从中心轴沿着大致铅垂方向的树脂喷嘴喷出熔融聚合物，从中心轴沿着大致水平方向的空气喷嘴喷出高温且高压的空气。过热蒸汽喷嘴喷出过热蒸汽，向由树脂喷嘴、空气喷嘴及捕集部包围的空间供给过热蒸汽，在供给了该加热蒸汽的空间中，从空气喷嘴喷出的空气将熔融聚合物拉伸而生成纤维状的树脂。

Description

熔喷装置及纳米纤维制造方法

技术领域

本发明涉及熔喷装置及纳米纤维制造方法。

背景技术

在专利文献1中公开了如下熔融电解纺丝方法，即，对热塑性聚合物加热而成为膨胀状态，使用高速高温空气和电荷生成纳米纤维。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6187925号

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所记载的发明中，在高速高温空气拉伸熔融聚合物时高速高温空气的温度降低，由此熔融聚合物有可能无法充分拉伸。

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种能够减小纺丝的纤维直径的熔喷装置及纳米纤维制造方法。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的熔喷装置的特征在于，例如具备：树脂喷嘴；其喷出熔融聚合物；空气流产生部，其具有高温高压空气生成部和空气喷嘴，该高温高压空气生成部生成高温且高压的空气，该空气喷嘴喷出由所述高温高压空气生成部生成的高温且高压的空气并与所述树脂喷嘴相邻设置；捕集部，其捕集在从所述空气喷嘴喷出的空气的作用下所述熔融聚合物被拉伸而生成的纤维状的树脂；以及过热蒸汽供给部，其具有生成过热蒸汽的过热器和喷出由所述过热器生成的过热蒸汽的过热蒸汽喷嘴，所述树脂喷嘴的中心轴沿着大致铅垂方向，所述空气喷嘴的中心轴沿着大致水平方向，所述过热蒸汽喷嘴向由所述树脂喷嘴、所述空气喷嘴及所述捕集部包围的空间供给过热蒸汽。

根据本发明的熔喷装置，从中心轴沿着大致铅垂方向的树脂喷嘴喷出熔融聚合物，从中心轴沿着大致水平方向的空气喷嘴喷出高温且高压的空气。过热蒸汽喷嘴喷出过热蒸汽，向由树脂喷嘴、空气喷嘴及捕集部包围的空间供给过热蒸汽，在供给了该加热蒸汽的空间中，从空气喷嘴喷出的空气拉伸熔融聚合物而生成纤维状的树脂。因此，能够将由树脂喷嘴、空气喷嘴及捕集部包围的空间的温度保持为高温状态，减小纺丝的纤维直径。

在此，也可以是，所述空气喷嘴配置在与所述树脂喷嘴的中心轴交叉的位置。由此，能够在尽可能早的阶段使因自重而落下的熔融聚合物进入空气流，提高空气的拉伸效果。

在此，也可以是，所述树脂喷嘴的中心轴与所述空气喷嘴的前端的距离比所述树脂喷嘴的前端与所述空气喷嘴的中心轴的距离短。由此，从树脂喷嘴喷出的熔融聚合物容易进入从空气喷嘴喷出的空气生成的伴随流。

在此，也可以是，所述过热蒸汽喷嘴的中心轴相对于水平方向倾斜，从所述空气喷嘴的下方且后方向所述空气喷嘴喷出所述过热蒸汽。因此，能够使过热蒸汽进入伴随流，使过热蒸汽在由树脂喷嘴、空气喷嘴及捕集部包围的空间扩散。

在此，也可以是，所述过热蒸汽喷嘴设置为水平方向的位置位于所述空气喷嘴与所述捕集部之间。因此，能够在产生空气流之前预先使过热蒸汽供给部动作，将由树脂喷嘴、空气喷嘴及捕集部包围的空间置于高温气氛下。

为了解决上述课题，本发明的纳米纤维制造方法的特征在于，例如包括如下步骤：利用过热蒸汽形成高温气氛；从上方向下方喷出熔融聚合物；在高温气氛下从水平方向向所述熔融聚合物吹送高温且高压的空气，使所述熔融聚合物成为纤维状的树脂；以及捕集所述纤维状的树脂。由此，能够减小纺丝的纤维直径。

发明效果

根据本发明，能够减小纺丝的纤维直径。

附图说明

图1是表示熔喷装置1的概要的示意图。

图2是将熔喷装置1的一部分放大而示意性地示出的立体图。

图3是将熔喷装置1的一部分放大而表示的示意图。

图4是将熔喷装置2的一部分放大而表示的示意图。

附图标记说明：

1、2：熔喷装置

10：树脂供给部

11：料斗

12：挤出机

13：模头

14：树脂喷嘴

14a：中心轴

20：空气流产生部

21：压缩机

22：配管

23：调节器

24：加热器

25：空气喷嘴

25a：中心轴

30：捕集部

31：吸入筒

32：鼓风机

33：吸引部

34、35：无纺布筒

36：卷筒

40：过热蒸汽供给部

41：过热器

42：配管

43：过热蒸汽喷嘴

51、52：无纺布。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。本发明的熔喷装置是用于通过熔喷法来制造纤维直径小的纤维(纳米纤维)的装置，所述熔喷法是将热塑性塑料树脂熔融并将其从挤出机的喷嘴喷出，以高速高温的气流吹出。

<第一实施方式>

图1是表示熔喷装置1的概要的示意图。图2是将熔喷装置1的一部分放大而示意性地示出的立体图。熔喷装置1主要具有树脂供给部10、空气流产生部20、捕集部30、以及过热蒸汽供给部40。

树脂供给部10主要具有料斗11、挤出机12、模头13、以及树脂喷嘴14。将热塑性塑料树脂的原料片投入料斗11，利用挤出机12所具备的未图示的加热器进行加热而使热塑性塑料树脂熔融，从而得到熔融聚合物。挤出机12将熔融聚合物向模头13挤出。

树脂喷嘴14设置于模头13，喷出熔融聚合物。如图2所示，树脂喷嘴14排列设置成一列。从树脂喷嘴14自上方向下方喷出熔融聚合物。

在本实施方式中，作为热塑性塑料树脂，例如使用聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，但并不限定于此。

空气流产生部20主要具有生成压缩空气的压缩机21、供压缩空气通过的配管22、调节器23、加热配管22的加热器24、以及空气喷嘴25。压缩机21、配管22、以及加热器24相当于生成高温且高压的空气的高温高压空气生成部。空气喷嘴25与树脂喷嘴14相邻设置，喷出由高温高压空气生成部生成的高温且高压的空气。

在本实施方式中，以从空气喷嘴25喷出时的空气的温度为大致700℃的方式，利用加热器24对配管22进行加热。空气喷嘴25是与树脂喷嘴14不同的构件，因此能够使从空气喷嘴25喷出时的空气的温度为聚合物的热解温度以上。

如图2所示，空气流产生部20、即空气喷嘴25排列设置成一列。空气喷嘴25的排列方向与树脂喷嘴14的排列方向大致平行，空气喷嘴25的配置区域包含树脂喷嘴14的配置区域。

从空气喷嘴25沿水平方向喷出高温且高压的空气。从空气喷嘴25喷出的空气的风量为约70升/分钟，喷出的空气的风速快到声速程度。通过吹送从空气喷嘴25喷出的空气，从而自树脂喷嘴14喷出的熔融聚合物被拉伸，成为纤维状的树脂(纳米纤维)。

捕集部30主要具有捕集纤维状的树脂的大致圆筒形状的吸入筒31、鼓风机32、与鼓风机32连接的吸引部33、以及卷绕有无纺布51、52的无纺布筒34、35、以及卷筒36。在此，无纺布51为基材，无纺布52为覆盖材料。

在从空气喷嘴25喷出的空气的作用下，自树脂喷嘴14喷出的熔融聚合物成为纳米纤维，被吹送至吸入筒31。在吸入筒31卷挂有从无纺布筒34拉出的无纺布51，通过从吸引部33吸引空气而使纳米纤维吸附于无纺布51的表面。

无纺布51的端部设置于卷筒36。通过卷筒36以一定的速度旋转，从而表面吸附有纳米纤维的无纺布51向卷筒36以一定速度移动。

另外，从无纺布筒35拉出的无纺布52的端部也设置于卷筒36。因此，通过卷筒36以一定的速度旋转，从而使无纺布52覆盖无纺布51表面的纳米纤维层。并且，通过利用压延加工等将无纺布52覆盖无纺布51表面的纳米纤维层的材料一体化，从而成为纳米纤维被无纺布51、52夹持的完成品(布状的产品)，并卷绕于卷筒36。该布状的产品例如可以用作过滤材料。通过由无纺布51、52夹持纳米纤维而形成的过滤材料具有空隙率高，通风阻力低的优点。

过热蒸汽供给部40向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间供给过热蒸汽。由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间是从空气喷嘴25喷出的空气使熔融聚合物纤维化的区域。过热蒸汽供给部40主要具有产生过热蒸汽的过热器41、配管42、以及过热蒸汽喷嘴43。

过热器41还对由锅炉(未图示)等产生的饱和蒸汽进行加热，产生较高温度的过热蒸汽。过热蒸汽是温度比沸点高的干燥的水蒸气，例如在200℃至700℃程度的温度带使用。

由过热器41生成的过热蒸汽经由配管42向过热蒸汽喷嘴43供给，从过热蒸汽喷嘴43喷出。如图2所示，过热蒸汽喷嘴43排列设置成一列。过热蒸汽喷嘴43的排列方向与树脂喷嘴14及空气喷嘴25的排列方向大致平行，过热蒸汽喷嘴43的配置区域包含树脂喷嘴14及空气喷嘴25的配置区域。

在本实施方式中，从过热蒸汽喷嘴43一共供给大致20kg/小时的过热蒸汽。通过大量供给过热蒸汽，能够使由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间处于高温高湿气氛下。

图3是将熔喷装置1的一部分放大而表示的示意图。树脂喷嘴14的中心轴14a沿着大致铅垂方向。因此，从树脂喷嘴14喷出的熔融聚合物因自重铅垂向下落下。

另外，空气喷嘴25的中心轴25a沿着大致水平方向。因此，如图3的实线箭头所示，高温且高压的空气从空气喷嘴25沿着水平方向喷出。

从空气喷嘴25喷出的空气为大风量(约70升/分钟)，风速也快，因此如图3的实线箭头所示，在空气喷嘴25的周围产生沿着从空气喷嘴25喷出的空气的水平方向的伴随流(图3中从左向右流的流动，参照图3的实线箭头)。

空气喷嘴25与树脂喷嘴14的中心轴交叉。也就是说，空气喷嘴25的前端位于比树脂喷嘴14的中心轴靠前方的位置。由于产生了伴随流，因此如图3的双点划线箭头所示，从树脂喷嘴14喷出的熔融聚合物首先随着伴随流向水平方向(图3中的右方向)吹飞，然后在从空气喷嘴25喷出的空气的作用下向前方吹飞而被拉伸，成为纤维状的树脂(纳米纤维)，并被吹送到配置于空气喷嘴25的前方(图3中的右侧)的吸入筒31。在此，前方是指从空气喷嘴25喷出的空气的流动的下游侧。

这样，通过将空气喷嘴25配置在与树脂喷嘴14的中心轴交叉的位置，从而能够在尽可能早的阶段使因自重落下的熔融聚合物进入空气流，提高由空气带来的拉伸效果。

树脂喷嘴14的中心轴14a与空气喷嘴25的前端的距离a比树脂喷嘴14的前端与空气喷嘴25的中心轴25a的距离b短。在本实施方式中，距离a为2～5mm(优选为2～3mm)，距离b为5～10mm(优选为5～6mm)。由此，从树脂喷嘴14喷出的熔融聚合物容易进入伴随流。

过热蒸汽喷嘴43的中心轴相对于水平方向倾斜，从空气喷嘴25的下方且后方朝向空气喷嘴25喷出过热蒸汽。在此，后方是指前方的反向，是从空气喷嘴25喷出的空气的流动的上游侧。

如图3的虚线箭头所示，从过热蒸汽喷嘴43喷出的过热蒸汽随着伴随流沿水平方向流动。其结果是，过热蒸汽向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间供给。另外，通过使过热蒸汽进入伴随流，从而过热蒸汽容易在由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间扩散。

从树脂喷嘴14喷出的熔融聚合物由于过热蒸汽向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间供给，因此在高温气氛下被拉伸而成为纳米纤维。

需要说明的是，优选在对纳米纤维进行纺丝之前，从过热蒸汽喷嘴43喷出过热蒸汽，使由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间形成高温高湿气氛。另外，为了在由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间中高效地扩散过热蒸汽，优选在对纳米纤维进行纺丝之前，从过热蒸汽喷嘴43喷出过热蒸汽，并且从空气喷嘴25喷出空气。

根据本实施方式，利用过热蒸汽充满由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间，在由过热蒸汽形成的高温气氛下使熔融聚合物纤维化，因此能够减小生成的纳米纤维的纤维直径。特别是，由于过热蒸汽不是高压，扩散时的温度降低也少，因此能够将由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间的温度保持为高温状态。

例如，在不使用过热蒸汽供给部40的情况下，即使从空气喷嘴25喷出高温且高压的空气，随着空气的膨胀，空气的温度也会降低。例如，即使从空气喷嘴25喷出时的空气的温度为大致700℃，在空气与熔融聚合物接触时也会降低到大致200℃以下。其结果是，加热熔融聚合物的效果降低，纳米纤维变粗。

与此相对，在本实施方式中，由于在由过热蒸汽形成的高温气氛下使熔融聚合物纤维化，因此能够在纤维化时持续加热熔融聚合物。其结果是，能够使纺丝的纳米纤维变细。

另外，由于过热蒸汽是100℃以上的水蒸气，因此热能比通常的水蒸气(100℃)高。因此，若过热蒸汽与树脂喷嘴14周边的低温空气接触，则在过热蒸汽凝缩的同时向空气赋予热能(潜热)，能够将模头13、树脂喷嘴14周边的气氛温度保持得较高。

另外，根据本实施方式，由于通过过热蒸汽形成高温气氛，因此能够在不提高从空气喷嘴25喷出的空气的风速的情况下使纺丝的纳米纤维的纤维直径变细。越提高从空气喷嘴25喷出的空气的风速，纺丝的纳米纤维的纤维直径越细，但纳米纤维因空气流被拉扯而在空气中悬浮，有可能纳米纤维不能很好地被吸入筒31捕集。例如，若纳米纤维没有均匀地吸附于无纺布51的表面，则会产生纤维的疏密，将布状的产品用作过滤材料时的过滤性能劣化，或外观变差，无法成为产品。与此相对，通过利用过热蒸汽形成高温气氛，能够在不提高风速的情况下使纺丝的纳米纤维的纤维直径变细，使布状的产品的厚度均匀，例如能够发挥作为过滤材料的所期望的性能。

另外，根据本实施方式，利用过热蒸汽形成高温气氛，因此不受外部气温的影响，能够对纤维直径小的纳米纤维进行纺丝。另外，无论外部气温如何，都能够使纺丝的纳米纤维的纤维直径恒定。

需要说明的是，在本实施方式中，对纳米纤维进行纺丝，制造了由无纺布51、52夹持该纺丝的纳米纤维的布状的产品，但纺丝的纳米纤维的形态并不限于此。例如，也可以将纺丝的纳米纤维固定而形成棉状。

<第二实施方式>

本发明的第二实施方式是设置过热蒸汽供给部40的位置不同的方式。以下，对第二实施方式的熔喷装置2进行说明。需要说明的是，对与第一实施方式相同的部分标注相同的附图标记，省略说明。

图4是将熔喷装置2的一部分放大而表示的示意图。熔喷装置2主要具有树脂供给部10、空气流产生部20(除了配管22及空气喷嘴25以外省略图示)、捕集部30(除了吸入筒31以外省略图示)、以及过热蒸汽供给部40。

过热蒸汽供给部40具有过热器41(省略图示)、配管42(省略图示)、以及过热蒸汽喷嘴43，向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间供给过热蒸汽。过热蒸汽喷嘴43设置为水平方向的位置位于空气喷嘴25与吸入筒31之间。

过热蒸汽喷嘴43的中心轴沿着大致铅垂方向，从下方向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间喷出过热蒸汽。过热蒸汽在从空气喷嘴25喷出的空气及伴随流的作用下，扩散到由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间整体。

需要说明的是，过热蒸汽喷嘴43的配置位置不限于此。例如，也可以从上方向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间喷出过热蒸汽。

根据本实施方式，由于向由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间直接供给加热蒸汽，因此通过在产生空气流之前预先使过热蒸汽供给部40动作，能够将由树脂喷嘴14、空气喷嘴25及吸入筒31包围的空间置于高温气氛下。

以上，参照附图对本发明的实施方式详细进行了叙述，但具体的结构不局限于该实施方式，也包含不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等。例如，上述的实施例是为了易于理解地说明本发明而详细地进行了说明，并非一定局限于具备所说明的全部结构。另外，能够将实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，另外，可以对实施方式的结构进行其他结构的追加、删除、置换等。

另外，在本发明中，“大致”是不仅指严格意义上相同的情况，也包括不丧失等同性的程度的误差、变形的概念。例如，“大致铅垂方向”不局限于严格意义上铅垂方向的情况，而是例如包括几度程度的误差的概念。另外，例如在仅表现为正交、平行、一致等的情况下，不仅指严格意义上正交、平行、一致等情况，也包括大致平行、大致正交、大致一致等情况。

另外，在本发明中“附近”意味着包括成为基准的位置的附近的某一范围(能够任意地确定)的区域。例如，在称作端附近的情况下，是表示端附近的某一范围的区域，可以包含端，也可以不包含端的概念。

Claims

1.一种熔喷装置，其特征在于，

所述熔喷装置具备：

树脂喷嘴，其喷出熔融聚合物；

空气流产生部，其具有高温高压空气生成部和空气喷嘴，所述高温高压空气生成部生成高温且高压的空气，所述空气喷嘴喷出由所述高温高压空气生成部生成的高温且高压的空气并与所述树脂喷嘴相邻设置；

捕集部，其捕集在从所述空气喷嘴喷出的空气的作用下所述熔融聚合物被拉伸而生成的纤维状的树脂；以及

过热蒸汽供给部，其具有生成过热蒸汽的过热器和喷出由所述过热器生成的过热蒸汽的过热蒸汽喷嘴，

所述树脂喷嘴的中心轴沿着大致铅垂方向，

所述空气喷嘴的中心轴沿着大致水平方向，

所述过热蒸汽喷嘴向由所述树脂喷嘴、所述空气喷嘴及所述捕集部包围的空间供给过热蒸汽。

2.根据权利要求1所述的熔喷装置，其特征在于，

所述空气喷嘴配置在与所述树脂喷嘴的中心轴交叉的位置。

3.根据权利要求2所述的熔喷装置，其特征在于，

所述树脂喷嘴的中心轴与所述空气喷嘴的前端的距离比所述树脂喷嘴的前端与所述空气喷嘴的中心轴的距离短。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的熔喷装置，其特征在于，

所述过热蒸汽喷嘴的中心轴相对于水平方向倾斜，从所述空气喷嘴的下方且后方向所述空气喷嘴喷出所述过热蒸汽。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的熔喷装置，其特征在于，

所述过热蒸汽喷嘴设置为水平方向的位置位于所述空气喷嘴与所述捕集部之间。

6.一种纳米纤维制造方法，其特征在于，

所述纳米纤维制造方法包括如下步骤：

利用过热蒸汽形成高温气氛；

从上方向下方喷出熔融聚合物；

在高温气氛下从水平方向向所述熔融聚合物吹送高温且高压的空气，使所述熔融聚合物成为纤维状的树脂；以及

捕集所述纤维状的树脂。