CN113355753B - 一种超音速纺丝喷头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速纺丝喷头结构，涉及非织造设备技术领域。该超音速纺丝喷头结构包括基体、熔体/溶液纺丝组件和超音速气流发生组件；熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔左右两侧呈预设角度对称设有一对超音速气流发生组件，超音速气流发生组件包括气体发生装置以及与气体发生装置相连通的拉瓦尔气流加速通道，拉瓦尔气流加速通道由上至下包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道、喉部通道、和通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道；对于每个超音速气流发生组件，扩张段通道的高度不低于喷丝孔的高度。本发明可实现对纺丝熔体或溶液超音速气流牵伸同时，避免因超音速纺丝气流不稳定及纺丝熔体或溶液自身摆动导致的纤维与纺丝喷头的粘连现象。

Description

一种超音速纺丝喷头结构

技术领域

本发明涉及非织造设备技术领域，特别涉及一种超音速纺丝喷头结构。

背景技术

在熔喷纺丝过程中，聚合物切片从料斗中加入，然后经过高温螺杆的挤压与加热作用，聚合物切片融化为聚合物熔体并进入聚合物熔体通道，再经过计量泵的定量输出作用从喷丝孔挤出，挤出的聚合物熔体经过两侧高温高速气流吹喷而拉细成超细纤维，超细纤维以混乱分布方式落于接收帘子上，经冷却固结成为熔喷非织造布。

传统纺丝喷头往往通过增大喷出的气流速度来获得更大的牵伸力，使得纺丝所得纤维更细，然而，由于流体力学中的高速气流的壅塞效应，熔喷高速气流很难超过音速，从而极大限制了纺丝纤维的细化程度。

拉瓦尔(Laval)喷嘴是火箭推力室的重要组成部分，拉瓦尔喷嘴的前半部是由大变小向中间收缩的减缩段，后半部为由小变大向外扩张的扩张段，减缩段与扩张段通过喉部相连通；气体受高压流入拉瓦尔喷嘴的减缩段后，穿过喉部后从扩展段逸出，这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速，其中，拉瓦尔喷嘴的喷嘴结构示意图可以如图1所示，在图1中， A为减缩段，B为喉部，C为扩张段。

为了更好地提高纺丝纤维的细化程度，现有技术将拉瓦尔喷嘴结构引入纺丝喷头结构中来提高纺丝气流的流速。比如，中国专利CN201510382451.0提供了一种制备纳米纤维的喷丝装置及纺丝装置，其中的喷丝装置结构如图2所示，该喷丝装置处于工作状态时，气体经进气口3.1进入喷丝装置的喷丝管道3.4内，纺丝熔体或纺丝液体从进液口3.2进入喷丝装置拉法瓦管形内孔3.5窄喉部并由喷丝口3.3喷出，当喷丝管道3.4内部气流从拉瓦尔管形内孔3.5经过窄喉部时，气体流速突然变大，进液口3.2处喷出的纺丝熔体或纺丝液体在高速气体的吹喷作用下被拉伸为超细纳米纤维。

在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：

现有采用拉瓦尔喷嘴结构的纺丝喷头装置中，喷丝孔喷出的纺丝熔体或纺丝溶液与未超音速加速前纺丝气流需要共同穿过拉瓦尔喷嘴结构的窄喉部，在该过程中，纺丝气流的压强不断增大并在穿过窄喉部的瞬间骤然变小，窄喉部上方的纺丝气流不断推动下方纺丝气流形成超音速气流的同时对纺丝熔体或纺丝溶液进行超音速的气流牵伸。然而，在实际纺丝生产过程中，纺丝熔体或纺丝溶液并非如理想状态般从喷丝孔直线喷出，而是呈左右摆动运动状态从喷丝孔喷出，此时，纺丝气流在拉瓦尔喷嘴结构中气流压强的剧烈变化会加剧纺丝熔体或纺丝溶液的摆动运动，进而使得纺丝熔体或纺丝溶液触碰拉瓦尔喷嘴结构并部分粘于窄喉部或扩张段，导致纺丝过程无法连续，极大影响纺丝所得非织造布的纺丝质量。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种超音速纺丝喷头结构。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种超音速纺丝喷头结构，其特征在于，包括基体、熔体/溶液纺丝组件和超音速气流发生组件；

其中，所述熔体/溶液纺丝组件包括设于所述基体中心的熔体/溶液输送通道，所述熔体/溶液输送通道下方设有喷丝孔；

所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔左右两侧呈预设角度对称设有一对所述超音速气流发生组件，对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件包括气体发生装置以及与所述气体发生装置相连通的拉瓦尔气流加速通道，所述拉瓦尔气流加速通道由上至下依次包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道、喉部通道、以及通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道；

对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件中所述扩张段通道的高度不低于所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔的高度。

在一个优选的实施例中，所述基体下端横截面呈宽度由上至下逐渐收缩的倒尖形结构，所述喷丝孔的开口处设于所述倒尖形结构的尖端处。

在一个优选的实施例中，所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔周侧还对称环设有预设数量对所述超音速气流发生组件，且对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件气流吹喷方向与所述喷丝孔喷丝方向所呈角度绝对值相等。

在一个优选的实施例中，所述熔体/溶液纺丝组件所处的基体部分和所述超音速气流发生组件所处的基体部分均为所述基体。

在一个优选的实施例中，所述熔体/溶液纺丝组件所处的基体部分为所述基体，所述超音速气流发生组件所处的基体部分可拆卸独立于所述基体。

在一个优选的实施例中，所述超音速纺丝喷头结构还包括设于所述超音速纺丝喷头结构周围的挡风外壳。

与现有技术相比，本发明提供的一种超音速纺丝喷头结构具有以下优点：

本发明提供的一种超音速纺丝喷头结构包括基体、熔体/溶液纺丝组件和超音速气流发生组件；熔体/溶液纺丝组件包括设于基体中心的熔体/溶液输送通道，熔体/溶液输送通道下方设有喷丝孔；熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔左右两侧呈预设角度对称设有一对超音速气流发生组件，对于每个超音速气流发生组件，超音速气流发生组件包括气体发生装置以及与气体发生装置相连通的拉瓦尔气流加速通道，拉瓦尔气流加速通道由上至下依次包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道、喉部通道、以及通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道；对于每个超音速气流发生组件，超音速气流发生组件中扩张段通道的高度不低于熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔的高度。本发明通过将传统纺丝装置两侧的高速气流通道设计为拉瓦尔气流加速通道的同时，将喷丝孔位置设于拉瓦尔气流加速通道出气口位置下方，在实现对纺丝熔体或纺丝溶液超音速气流牵伸的同时，避免因超音速纺丝气流不稳定及纺丝熔体或纺丝溶液自身摆动状态导致的纤维与纺丝喷头的粘连现象。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是一种拉瓦尔喷嘴的结构示意图。

图2是一种现有喷丝装置结构的结构示意图。

图3是一种现有超音速熔喷纺丝喷头结构的结构示意图。

图4是一种现有超音速熔喷纺丝喷头结构的工作示意图

图5是根据本发明一示例性实施例示出的一种超音速纺丝喷头结构的结构示意图。

图6是根据本发明一示例性实施例示出的一种超音速纺丝喷头结构的工作示意图。

图7是根据本发明一示例性实施例示出的另一种超音速纺丝喷头结构的结构示意图。

图8是根据本发明一示例性实施例示出的一种超音速纺丝喷头结构的俯视示意图。

图9是根据本发明一示例性实施例示出的另一种超音速纺丝喷头结构的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)与附图详细描述本发明，本实施例的具体方法仅供说明本发明，本发明的范围不受实施例的限制，本发明在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本发明基础上的等价形式同样处于本发明申请权利要求保护范围。

为了更好地说明本发明实施例提供的超音速纺丝喷头结构，首先示出现有采用拉瓦尔喷嘴的超音速熔喷纺丝喷头结构的结构示意图和工作示意图进行对比说明。如图3所示，现有超音速熔喷纺丝喷头结构的结构示意图中，超音速熔喷纺丝喷头结构包括基体A、熔体输送通道B、喷丝孔C、气流发生装置D、高温高速气流通道E以及扩张段F。

如图4所示现有超音速熔喷纺丝喷头结构的工作示意图中，亚音速的高温高速气流通过两侧的高温高速气流通道E从喷气孔喷出后汇合，汇合气流经过扩张段F的加速作用而在喷丝孔C下方形成超音速牵伸气流，实现对纺丝熔体的超音速气流牵伸。需要说明的是，高温高速气流从高温高速气流通道E汇合至进入扩张段F形成超音速牵伸气流的过程中气流压强变化较大且极度不稳定，且喷丝孔C位于喷气孔的上方或平齐，使得喷丝孔C受到的气流牵伸方向及气流牵伸作用力极度不稳定，结合实际纺丝作业中喷丝孔C喷出纺丝熔体的摆动运动，纺丝熔体牵伸所得超细纤维很容易粘连至喉部及扩张段F内壁处，上述缺陷可导致纺丝过程无法连续，且拉瓦尔喷嘴结构中粘连的超细纤维堆积同样会破坏其原本的气流结构，进一步加剧超音速气流的不稳定性，如此循环会极大影响超音速气流纺丝效率及纺丝所得产品质量。

为了避免上述情况的发生，发明人通过长期纺丝工作的观察和思考，经过大量创造性的实验研究，克服一系列技术问题，最终提出本发明实施例示出的一种超音速纺丝喷头结构。

其中，图5是根据本发明一示例性实施例示出的一种超音速纺丝喷头结构的结构示意图。如图5所示，该超音速纺丝喷头结构包括基体100、熔体/溶液纺丝组件和超音速气流发生组件；

其中，所述熔体/溶液纺丝组件包括设于所述基体100中心的熔体/溶液输送通道210，所述熔体/溶液输送通道210下方设有喷丝孔220；所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔220左右两侧呈预设角度对称设有一对所述超音速气流发生组件，对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件包括气体发生装置310以及与所述气体发生装置310相连通的拉瓦尔气流加速通道320，所述拉瓦尔气流加速通道320由上至下依次包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道321、喉部通道322、以及通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道323；对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件中所述扩张段通道323的高度不低于所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔220的高度。

为了更好地说明本发明提供的超音速纺丝喷头结构，结合如图6所示超音速纺丝喷头结构的工作示意图对图5所示超音速纺丝喷头结构进行进一步的工作原理说明。在图6中，熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔220左右两侧气体发生装置310分别产生的亚音速气流进入拉瓦尔气流加速通道320后，依次经拉瓦尔气流加速通道320减缩段通道321进行气流的逐渐加速后，在经过喉部通道322达到音速，并在经过扩张段通道323时加速为超音速气流，此时，由于超音速气流发生组件中扩张段通道323的高度不低于熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔220的高度，使得扩张段通道323喷出的超音速气流直接温度作用于喷丝孔220喷出的纺丝熔体或纺丝溶液，在实现对纺丝熔体或纺丝溶液的超音速气流牵伸同时，由于纺丝熔体或纺丝溶液未经历亚音速气流加速为超音速气流的整个变化过程，而是直接受到稳定超音速气流牵伸，使得纺丝熔体或纺丝溶液的摆动运动不会受到气流方向及流速变化而加剧，且纺丝熔体或纺丝溶液在摆动运动过程中也无法触碰到拉瓦尔气流加速通道320所处的任何基体100结构，可实现超音速气流纺丝的高效稳定，避免纺丝过程中拉瓦尔喷嘴结构的破坏，同时提高超细纺丝纤维产品的纺丝质量。

在一个优选的实施例中，所述基体100下端横截面呈宽度由上至下逐渐收缩的倒尖形结构，所述喷丝孔220的开口处设于所述倒尖形结构的尖端处

需要说明的是，基体100的下端横截面为倒尖形结构，所述喷丝孔220的开口处设于所述倒尖形结构的尖端位置处的设计，可进一步有效避免喷丝孔220喷出的纺丝熔体或纺丝溶液粘连于基体100结构，其中，该倒尖形结构可以为倒三角形，倒类三角形等任何符合上述特征结构的图形结构，比如，图7所示的另一种超音速纺丝喷头结构的结构示意图。

在一个优选的实施例中，所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔220周侧还对称环设有预设数量对所述超音速气流发生组件，且对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件气流吹喷方向与所述喷丝孔220喷丝方向所呈角度绝对值相等。

在该实施例中，超音速气流发生组件产生的超音速气流环绕于喷丝孔220周围，并从各个方向共同作用于喷丝孔220喷出的纺丝熔体或纺丝溶液，在该国产过程中，纺丝熔体或纺丝溶液的摆动运动受各个方向超音速纺丝气流的稳定牵伸作用而减弱，使得最终制备所得纺丝纤维各部分纤度更加均匀稳定。

需要说明的是，本发明提供的超音速纺丝喷头结构可应用于多种场景，比如，超音速纺丝喷头结构为条形结构，在该场景中，超音速纺丝喷头结构的俯视示意图可以如图8所示。

在一种可能的实施方式中，当所述喷丝孔220周侧环设的所述超音速气流发生组件数量足够多时，所有超音速气流发生组件可配合共同视为一个环状超音速气流发生组件应用于超音速纺丝喷头装置中，即，作为上述情形的替代方案，单个环状超音速气流发生组件也应属于本发明提供的超音速纺丝喷头结构的保护范围，在该场景中，超音速纺丝喷头结构为环形结构，超音速纺丝喷头结构的俯视示意图可以如图9所示。

在一个优选的实施例中，所述熔体/溶液纺丝组件所处的基体部分和所述超音速气流发生组件所处的基体部分均为所述基体100。

在该实施例中，熔体/溶液纺丝组件与超音速气流发生组件共同固定于一个基体，便于超音速纺丝喷头结构的检修和更换。

在一个优选的实施例中，所述熔体/溶液纺丝组件所处的基体部分为所述基体100，所述超音速气流发生组件所处的基体部分可拆卸独立于所述基体100。

在该实施例中，熔体/溶液纺丝组件与超音速气流发生组件位于不同的基体部分，超音速气流发生组件可拆卸且角度可调，实现吹喷角度的灵活性调整。

在一个优选的实施例中，所述超音速纺丝喷头结构还包括设于所述超音速纺丝喷头结构周围的挡风外壳。

挡风外壳的设置，可避免超音速纺丝过程受到外部环境的影响。

综上所述，本发明提供的一种超音速纺丝喷头结构包括基体、熔体/溶液纺丝组件和超音速气流发生组件；熔体/溶液纺丝组件包括设于基体中心的熔体/溶液输送通道，熔体/溶液输送通道下方设有喷丝孔；熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔左右两侧呈预设角度对称设有一对超音速气流发生组件，对于每个超音速气流发生组件，超音速气流发生组件包括气体发生装置以及与气体发生装置相连通的拉瓦尔气流加速通道，拉瓦尔气流加速通道由上至下依次包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道、喉部通道、以及通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道；对于每个超音速气流发生组件，超音速气流发生组件中扩张段通道的高度不低于熔体/溶液纺丝组件中喷丝孔的高度。本发明通过将传统纺丝装置两侧的高速气流通道设计为拉瓦尔气流加速通道的同时，将喷丝孔位置设于拉瓦尔气流加速通道出气口位置下方，在实现对纺丝熔体或纺丝溶液超音速气流牵伸的同时，避免因超音速纺丝气流不稳定及纺丝熔体或纺丝溶液自身摆动状态导致的纤维与纺丝喷头的粘连现象。

虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (5)

1.一种超音速纺丝喷头结构，其特征在于，包括基体、熔体/溶液纺丝组件和超音速气流发生组件；其中，所述熔体/溶液纺丝组件包括设于所述基体中心的熔体/溶液输送通道，所述熔体/溶液输送通道下方设有喷丝孔；所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔左右两侧呈预设角度对称设有一对所述超音速气流发生组件，对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件包括气体发生装置以及与所述气体发生装置相连通的拉瓦尔气流加速通道，所述拉瓦尔气流加速通道由上至下依次包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道、喉部通道、以及通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道；对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件中所述扩张段通道的高度不低于所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔的高度，所述基体下端横截面呈宽度由上至下逐渐收缩的倒尖形结构，所述喷丝孔的开口处设于所述倒尖形结构的尖端处。

2.根据权利要求1所述的超音速纺丝喷头结构，其特征在于，所述熔体/溶液纺丝组件中所述喷丝孔周侧还对称环设有预设数量对所述超音速气流发生组件，且对于每个超音速气流发生组件，所述超音速气流发生组件气流吹喷方向与所述喷丝孔喷丝方向所呈角度绝对值相等。

3.根据权利要求1所述的超音速纺丝喷头结构，其特征在于，所述熔体/溶液纺丝组件所处的基体部分和所述超音速气流发生组件所处的基体部分均为所述基体。

4.根据权利要求1所述的超音速纺丝喷头结构，其特征在于，所述熔体/溶液纺丝组件所处的基体部分为所述基体，所述超音速气流发生组件所处的基体部分可拆卸独立于所述基体。

5.根据权利要求1所述的超音速纺丝喷头结构，其特征在于，所述超音速纺丝喷头结构还包括设于所述超音速纺丝喷头结构周围的挡风外壳。

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