CN113388902B - 一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，主要包括熔融塑化部分、过滤部分、输送部分、分流部分、纺丝部分、收集部分、电力部分和抽吸风部分；熔融塑化部分为挤出机系统，过滤部分为熔体过滤装置，输送部分为熔体泵、输送料筒和料筒加热圈，分流部分为三片式分流头、分流头加热棒、狭缝式多头模具主体、导流模具板、阻尼模具板和模具板加热块，纺丝部分为燕尾型纺丝头，收集部分为收集板和金属电极板，抽吸风部分为抽风机和抽吸风箱体；其中导流与阻尼模具板是一个单元模块，可以拼接组合，提高静电纺丝效率和产量调节灵活性；本发明装置的燕尾型纺丝头，可将狭缝熔体一分二，提高效率，并且燕尾尖端可增强电场，提高纺丝细度。

Description

一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置

技术领域

本发明专利涉及一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，属静电纺丝领域。

背景技术

纳米材料由于其优异的特性，拥有着广阔的应用前景，并逐渐成为当今研究的焦点之一。制造纳米纤维的方法有很多，如拉伸法、模板合成、自组装、微相分离、静电纺丝等，在这些方法中，静电纺丝法以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而得到了广泛研究。

静电纺丝技术是一种能够直接、连续制备纳米纤维的方法，由于其低功耗和足够细的纤维制品，使其被学术界和工业界广泛认为是一种产业化制备微纳米纤维的简单高效的方法，也是最有前景的工艺方法。但其目前的问题主要是生产的效率还不够高，传统的静电纺丝装置一般是产量只有0.1～1g/h的单射流纺丝，效率相对较低，难以适应静电纺丝技术产业化的需要。

对于解决静电纺丝效率的问题，传统的针纺结构有其结构固有的局限性，限制了其产业化的发展；而无针静电纺丝由于不受单针物理空间的限制，效率较高，成为静电纺丝装置研究的一个热点。中国专利CN103451754A首先提出了利用衣架型流道使聚合物熔体沿熔体箱口狭缝均匀分布，然后在气流和电场的双重辅助下进行纺丝，能较好地在保证效率的同时提高纤维细度，但由于熔体箱口狭缝还是具有一定的体积，其电场尖端效应被相对减弱，纤维细度还是接近于微米级，且其设备相对来说比较庞大，再提高效率时很难有更大空间；中国专利CN203583023U提出了熔体微分静电纺丝装置的方案，利用中空内锥面的尖端，和中间气道的空气，可以做到纺丝细度再下降一个层级，实现了制成纳米纤维的进一步细化，且其单喷头产量10g-20g/h已经相对较高，且已有通过阵列喷头提高产量的方案，但与狭缝方案相比效率和铺网均匀性相对较低。所以如何既保证纤维细度，又能提高生产的效率是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明专利在原有聚合物熔体静电纺丝技术的基础上，以提高纺丝效率、纤维细度及铺网均匀性为目标，提出一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置；通过对纺丝模具的模块化设计，将导流模具板与阻尼模具板作为一个单元模块，而每个单元模块都可以与其他相同的单元模块安装在一起，可以实现将熔体高效地输送到每一个燕尾型纺丝头，在电场的作用下熔体在纺丝头尖端处形成均匀排列的泰勒锥，泰勒锥处形成熔体射流，熔体射流在电场力的作用下拉伸变细到达收集板；同时，模具板背面的模板风道可贴合在一起构成一个完整的风道，实现热气流辅助功能，热气流可以保温熔体、增加熔体射流数并使熔体射流进一步变细，最终实现高效地生产纳米纤维网。

实现上述目的的技术方案：一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，主要包括熔融塑化部分、过滤部分、输送部分、分流部分、纺丝部分、收集部分、电力部分和抽吸风部分，其中熔融塑化部分为挤出机系统，过滤部分为熔体过滤装置，输送部分包括熔体泵、输送料筒和料筒加热圈，分流部分包括三片式分流头、分流头加热棒、狭缝式多头模具主体、导流模具板、阻尼模具板和模具板加热块，纺丝部分为燕尾型纺丝头，收集部分包括收集板和金属电极板，电力部分包括高压静电发生器和接地装置，抽吸风部分包括抽风机和抽吸风箱体；其中，熔体泵与熔体过滤装置、输送料筒通过螺纹连接件连接在一起，输送料筒另一边则通过螺纹连接件与三片式分流头连接在一起；三片式分流头通过螺纹连接件将其三片组成部分连接一起，通过其内部结构形成分流头进口、分流头主流道、分流头分流道；狭缝式多头模具主体主要由导流模具板、阻尼模具板和模具板加热块组成，模具板加热块插在导流及阻尼模具板插槽内，导流模具板、阻尼模具板通过螺纹连接件分别交叉着连接在三片式分流头下面，通过其内部结构形成狭缝衣架型流道、阻尼流道以及模板风道；燕尾型纺丝头上有螺栓孔结构，通过螺纹连接件固定在导流模具板、阻尼模具板下端；金属电极板放置在抽吸风箱体上方，收集板在金属电极板上方，抽风机与抽吸风箱体连接在一起；狭缝式多头模具主体与接地装置相连，金属电极板与高压静电发生器正极相连。

本发明专利提出的一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，狭缝式多头静电纺丝装置工作时，挤出机系统负责提供熔融纺丝原料；熔体过滤装置负责滤掉来自原料中的杂质颗粒，熔体泵通过输送料筒将已经塑化过滤好的熔体输送到纺丝模具；到达纺丝模具后，熔体依次通过分流头进口、分流头主流道、分流头分流道进入到模具板的狭缝衣架型流道中，并通过阻尼流道后均匀地到达燕尾型纺丝头部分，燕尾型纺丝头将狭缝中的熔体分为两股熔体流，两股熔体流在重力作用下流至燕尾型纺丝头的燕尾尖端处，随后熔体在静电场的作用下，在燕尾型纺丝头的燕尾尖端处产生泰勒锥，并在静电场与辅助风场的共同作用下，泰勒锥处熔体形成熔体射流；射流拉伸固化沉积在收集板上形成大量纳米纤维飞向收集板，形成纳米纤维网。

本发明专利提出的一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，其中纺丝物料可以是聚合物熔体、聚合物溶液或者其他复合材料；为防止尖端放电对纺丝效果的影响，将金属电极板与高压静电发生器正极相连，狭缝式多头模具主体与接地装置相连；导流模具板与阻尼模具板作为一个单元模块，单元模块可以拼接组合，同时通过更换不同宽度的三片式分流头，可以实现单元模块数量的增减，改变产量，提高了静电纺丝的效率和产量调节的灵活性；通过燕尾型纺丝头，可以将狭缝中的熔体一分为二，进一步提高效率，且其燕尾尖端可产生尖端效应，增强电场，从而提高纺丝的细度；燕尾型纺丝头处熔体出口的间隙可以调整，可通过更换不同尺寸锥度的燕尾型纺丝头进行调整；通过在模板风道入口处通热气流，同时打开抽风机，可在收集板下方形成负压，金属电极板中间有孔洞，可以使热气流从其中通过，形成辅助气流回路，可以增加熔体射流根数，对熔体拉伸区域进行保温，且气流的牵伸作用可使熔体射流进一步细化。

本发明专利提出的一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置中，出丝部位为燕尾型纺丝头，其轴向为长条形，可通过更换改变纺丝幅宽，截面燕尾型，交角范围为30-120°，交角太小，燕尾型尖端距离近，电场会相互干扰，交角太大，物料流动重力作用小，不利于物料的减薄；可调抽风机风量调节范围500-1910m³/h，根据幅宽和物料的流动性选取，太小，风力作用小，太大，物料会被吹散，不利于均匀纺丝；高压静电发生器电压可进行调节，调节范围取决于高压静电发生器规格。

本发明的有益效果在于：纺丝模具采用模块化的设计，将导流模具板与阻尼模具板作为一个单元模块，而每个单元模块都可以与其他相同的单元模块拼接组合，可以实现将熔体高效的输送到每一个燕尾型纺丝头，同时通过更换不同宽度的三片式分流头，可以实现单元模块数量的增减，改变产量，提高了静电纺丝的效率和产量调节的灵活性；通过燕尾型纺丝头，可以将狭缝流道的熔体一分为二，进一步提高效率，且其燕尾尖端可产生尖端效应，增强电场，从而提高纺丝的细度。抽风机工作时可在收集板下方形成负压，同时在模板风道入口处通热气流，金属电极板中间有孔洞，可以使热气流从其中通过，形成辅助气流回路，使熔体射流进一步变细；

附图说明

图1是本发明专利一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置的总体结构示意图；

图2是图1所示一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置的A截面剖视图；

图3是图2中椭圆线框所框选的导流及阻尼模具板的局部放大细节图；

图4是图2方向所示的一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置的B截面剖视图；

图5是图3中的燕尾型纺丝头的总体外形图。

图中：1-挤出机系统；2-熔体过滤装置；3-熔体泵；4-输送料筒；5-料筒加热圈；6-三片式分流头；7-分流头加热棒；8-狭缝式多头模具主体；9-接地装置；10-熔体射流；11-收集板；12-高压静电发生器；13-抽风机；14-抽吸风箱体；15-金属电极板；16-分流头进口；17-分流头主流道；18-分流头分流道；19-导流模具板；20-阻尼模具板；21-狭缝衣架型流道；22-模具板加热块；23-燕尾型纺丝头；24-模板风道；25-阻尼流道；26-燕尾型纺丝头固定螺栓孔。

具体实施方式

本发明专利提出一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置。如图1～4所示，该电纺装置主要由熔融塑化部分、过滤部分、输送部分、分流部分、纺丝部分、收集部分、电力部分以及抽吸风部分组成；其中熔融塑化部分为挤出机系统1，过滤部分为熔体过滤装置2，输送部分包括熔体泵3、输送料筒4和料筒加热圈5，分流部分包括三片式分流头6、分流头加热棒7、狭缝式多头模具主体8、导流模具板19、阻尼模具板20和模具板加热块22，纺丝部分为燕尾型纺丝头23，收集部分包括收集板11和金属电极板15，电力部分包括高压静电发生器12和接地装置9，抽吸风部分包括抽风机13和抽吸风箱体14；其中，熔体泵3与熔体过滤装置2、输送料筒4通过螺纹连接件连接在一起，输送料筒4另一边则通过螺纹连接件与三片式分流头6连接在一起；三片式分流头6通过螺纹连接件将其三片组成部分连接一起，通过其内部结构形成分流头进口16、分流头主流道17、分流头分流道18；狭缝式多头模具主体8主要由导流模具板19、阻尼模具板20和模具板加热块22组成，模具板加热块22插在导流及阻尼模具板插槽内，导流模具板19、阻尼模具板20通过螺纹连接件分别交叉着连接在三片式分流头6下面，通过其内部结构形成狭缝衣架型流道21、阻尼流道25以及模板风道24；燕尾型纺丝头23上有固定螺栓孔结构26，通过螺纹连接件固定在导流模具板19、阻尼模具板20下端；金属电极板15放置在抽吸风箱体14上方，收集板11在金属电极板15上方，抽风机13与抽吸风箱体14连接在一起；狭缝式多头模具主体8与接地装置9相连，金属电极板15与高压静电发生器12正极相连。

其中的一个静电纺丝具体实施例如下：使用挤出机和加热装置将聚丙烯加热到250℃熔化，保持在熔融状态来制备纳米纤维。将金属电极板15与高压静电发生器12正极相连，狭缝式多头模具主体8与接地装置9相连，使用幅宽长度600mm燕尾型纺丝头23，调整燕尾型纺丝头23与收集板11之间的距离为9cm；根据熔体所需温度，调整好料筒加热圈5、分流头加热棒7以及模具板加热块22的加热温度；打开挤出机系统1，调整挤出机转速使挤出流量在1kg/h左右，并依次打开熔体过滤装置2、熔体泵3，在燕尾型纺丝头23处观察熔体流出情况；打开高压静电发生器12开关，并缓慢地增加电压至所需纺丝电压50kv；打开抽风机13，并逐渐调高转速至额定转速，在模板风道24入口处通热气流；泰勒锥在燕尾型纺丝头23的燕尾尖端处产生，每处尖端可形成上百个泰勒锥，在静电场与辅助风场的作用下，泰勒锥处聚丙烯熔体形成细度约1μm的熔体射流，射流间距可达1.3mm，射流飞向收集板11，射流拉伸固化沉积在收集板11上形成聚丙烯纳米纤维网。

Claims (3)

1.一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，其特征在于：主要包括熔融塑化部分、过滤部分、输送部分、分流部分、纺丝部分、收集部分、电力部分和抽吸风部分，其中熔融塑化部分为挤出机系统，过滤部分为熔体过滤装置，输送部分包括熔体泵、输送料筒和料筒加热圈，分流部分包括三片式分流头、分流头加热棒、狭缝式多头模具主体、导流模具板、阻尼模具板和模具板加热块，纺丝部分为燕尾型纺丝头，收集部分包括收集板和金属电极板，电力部分包括高压静电发生器和接地装置，抽吸风部分包括抽风机和抽吸风箱体；其中，熔体泵与熔体过滤装置、输送料筒通过螺纹连接件连接在一起，输送料筒另一边则通过螺纹连接件与三片式分流头连接在一起；三片式分流头通过螺纹连接件将其三片组成部分连接一起，通过其内部结构形成分流头进口、分流头主流道、分流头分流道；狭缝式多头模具主体主要由导流模具板、阻尼模具板和模具板加热块组成，模具板加热块插在导流及阻尼模具板插槽内，导流模具板、阻尼模具板通过螺纹连接件分别交叉着连接在三片式分流头下面，通过其内部结构形成狭缝衣架型流道、阻尼流道以及模板风道；燕尾型纺丝头上有螺栓孔结构，通过螺纹连接件固定在导流模具板、阻尼模具板下端；金属电极板放置在抽吸风箱体上方，收集板在金属电极板上方，抽风机与抽吸风箱体连接在一起；狭缝式多头模具主体与接地装置相连，金属电极板与高压静电发生器正极相连；物料依次通过分流头进口、分流头主流道、分流头分流道进入到模具板的狭缝衣架型流道中，并通过阻尼流道后均匀地到达燕尾型纺丝头部分，燕尾型纺丝头将狭缝中的熔体分为两股熔体流，两股熔体流在重力作用下流至燕尾型纺丝头的燕尾尖端处；燕尾型纺丝头，轴向为长条形，通过更换改变纺丝幅宽，截面燕尾型，交角范围为30-120°。

2.根据权利要求1所述的一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，其特征在于：在模板风道入口处通热气流，同时打开抽风机，可在收集板下方形成负压，金属电极板中间有孔洞。

3.根据权利要求1所述的一种基于模块化设计的狭缝式多头静电纺丝装置，其特征在于：可调抽风机风量调节范围500-1910m³/h。