CN114369879A - 一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物基材料生产领域，尤其涉及一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺，包括如下步骤，海藻酸钠溶液通过增压导入喷头内由喷丝孔喷出，在喷头的内部设置被增压的海藻酸钠溶液包裹接触的气囊，气囊脱离包裹的一端为自由变形端，在喷头内设置排放氯化钙溶液的流道，向流道内增压导入氯化钙溶液，并由喷水孔喷出，在氯化钙溶液流道内滑动设置控制流道开口大小的挡圈，本发明通过气囊对海藻酸钠溶液的供液压力监测，使其另一端在不同压力下发生不同程度的变化，用于改变挡圈对通槽封堵面积的调整，从而形成氯化钙溶液的排放速度跟随海藻酸钠溶液的排放速度同步增加或降低，使生产的生物基纤维质量较为均匀。

Description

一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺

技术领域

本发明涉及生物基材料生产领域，尤其涉及一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺。

背景技术

生物基材料是一类与环境较为“友好”的材料，其可降解的特点极大降低对环境的污染，而且生物基材料采用农作物、水生植物、一些动物为原料制成的，原料具有再生性，极大降低对石油的利用，符合环境保护的要求。

利用海藻提纯的海藻酸盐为原料制成的生物基纤维材料，具有绿色环保、天然阻燃、良好的生物相容性等特点，以应用于医卫材料、高档保健服装、家用纺织品等领域，具有较好的市场环境。

利用海藻酸盐制备纤维材料一般采用湿法纺丝方法，通过对海藻酸盐施压喷出细丝至凝固液中形成纤维材料，生产过程中喷丝的效率与凝固液速度要得到严格把控，但传统的生产设备对于喷丝和凝固液采用单独控制的方式，不能精确的对两者同步协调控制。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的以下问题：利用海藻酸盐制备纤维材料一般采用湿法纺丝方法，通过对海藻酸盐施压喷出细丝至凝固液中形成纤维材料，生产过程中喷丝的效率与凝固液速度要得到严格把控，但传统的生产设备对于喷丝和凝固液采用单独控制的方式，不能精确的对两者同步协调控制。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺，包括如下步骤：

a、选用浓度在2wt％-3wt％的海藻酸钠溶液通过增压导入喷头内由喷丝孔喷出，控制海藻酸钠溶液的单孔喷出速度为120ml/h-180ml/h；

b、在喷头的内部设置被增压的海藻酸钠溶液包裹接触的气囊，气囊脱离包裹的一端为自由变形端；

c、在喷头内设置排放氯化钙溶液的流道，向流道内增压导入30-50％(重量)氯化钙溶液，并由喷水孔喷出；

d、在氯化钙溶液流道内滑动设置控制流道开口大小的挡圈，气囊的自由变形端与挡圈；

e、设定海藻酸钠溶液常态下的施加压力以及喷丝速度，再设定常态下挡圈对氯化钙溶液流道的限制面积，在喷丝的压力和速度出现增加或降低的波动时，气囊受挤压后自由变形端的体积增加或减小，促使挡圈对氯化钙溶液流道的封堵面积减少或增加，海藻酸钠溶液的喷丝速度和氯化钙溶液的流速保持恒定的比值范围。

一种实施所述生产工艺的喷头组件，包括外筒，所述外筒内部开设有贯通的压力腔和伸缩腔，压力腔通过管道连通外部，压力腔和伸缩腔内设置有气囊，气囊与压力腔和伸缩腔的连接面密封，气囊位于伸缩腔内的端部为自由端，气囊的自由端连接有挡圈，伸缩腔的表面开设有连通外部水道的通槽，挡圈贴合在通槽的位置，挡圈通过弹簧连接伸缩腔的内壁，外筒靠近压力腔的一端开设有喷丝孔和喷水孔，喷丝孔与压力腔连通，喷水孔与伸缩腔之间连通有走水道，海藻酸钠溶液被施压导入压力腔内，在压力状态下海藻酸钠溶液从喷丝孔喷出，氯化钙溶液从通槽和挡圈的间隙进入伸缩腔内，再经过走水道从喷水孔喷出，喷出的海藻酸钠溶液与喷出的氯化钙溶液接触后使海藻酸钠表面被硬化形成纤维丝，当压力腔内的海藻酸钠溶液所受压力增加时，其喷射速度增加，同时气囊受压变形增大，气囊的自由端膨胀增大，挡圈被推动的位移增加，通槽与挡圈的间隙增加，提高氯化钙溶液的传导速度，当压力腔内的海藻酸钠溶液所受压力减小时，气囊自由端的膨胀减小，受弹簧作用使挡圈回收，通槽的导通面积减小，降低氯化钙溶液的传导速度，从而实现氯化钙溶液和海藻酸钠溶液的喷射速度同比调整，使形成的纤维材料质量较高。

优选的，所述外筒的壁内开设水腔，水腔通过管道连接外部，水腔通过通槽与伸缩腔连通，所述通槽的水平宽度相同，通过管道连接供液装置，将氯化钙溶液导入水腔内，使水腔内部形成较为稳定的液压，氯化钙溶液受通槽导通面积的变化流速恒定传输。

优选的，所述走水道包括外环槽和内环槽，所述喷丝孔设置有多个，喷丝孔呈环形分布，所述外筒靠近压力腔一端的壁内同心开设有相互连通的外环槽和内环槽，所述喷丝孔位于外环槽和内环槽之间，所述喷水孔沿着外环槽和内环槽呈环状分布，外筒的壁内开设有连通外环槽和伸缩腔的管道，海藻酸钠溶液形呈环状分布的喷射路径分布，通过外环槽和内环槽将氯化钙溶液呈双重环形分布喷出，将海藻酸钠溶液内外包围，使海藻酸钠溶液快速、且充分的与氯化钙溶液。

优选的，所述伸缩腔内位于压力腔的端口部位连接有定型管，且气囊穿过定型管，所述挡圈滑动套在定型管的外侧，通过定型管的设置使气囊的自由端沿着定型管内壁直线膨胀，精确的推动挡圈移动。

优选的，所述压力腔内设置有螺旋板，螺旋板和气囊均采用弹性胶材料制成，螺旋板固定在气囊的外壁，所述气囊位于压力腔内的端部与压力腔的端面固定连接，使高压导入压力腔内的海藻酸钠溶液沿着螺旋板环形导动，使气囊受到的压力较为均匀，避免出现受压不均产生变形波动。

优选的，所述气囊的内部设置有滑动插接的伸缩筒和伸缩杆，伸缩杆的边缘位于压力腔内均匀设置有保持条，伸缩杆表面固定有与保持条水平滑动插接的插杆，保持条的顶部转动连接有连杆，连杆与伸缩筒转动连接，伸缩杆与压力腔的端面固定，伸缩筒与挡圈的内壁固定，当气囊位于压力腔内部的部分受压收缩时会推动保持条在插杆的导向下移动靠近伸缩杆，此时受连杆的推动使伸缩筒相对伸缩杆上移，挡圈受推动拉扯气囊上移，进一步使气囊沿着直线方向变形，同时伸缩筒的移动会使所有连杆转动到同一角度，使各个部位的保持条收缩量相同，使气囊呈均匀变形，不会造成压力腔内部的海藻酸钠溶液局部压力不同，使每个喷丝孔喷出的纤维质量均匀。

优选的，所述气囊靠近挡圈的一端连接有单向阀，所述外筒靠近单向阀的一端螺纹安装有端盖，打开端盖，通过单向阀对气囊放气或补气，改变其内部的气压，调整气囊对挡圈的起始位置，用于协调氯化钙溶液和海藻酸钠溶液排放速度。

一种使用所述喷头组件的纺丝设备，包括水槽，所述喷头组件设置有多组，所述外筒靠近喷水孔的一端套接有凝固管，凝固管与水槽连通，所述水腔通过管道连接有第一液泵，第一液泵的进水端与水槽连通，所述压力腔通过管道连接有第二液泵，开启第一液泵将氯化钙溶液导入水腔内，开启第二液泵将海藻酸钠溶液导入压力腔内，氯化钙溶液和海藻酸钠溶液在凝固管内混合，形成的纤维材料在氯化钙溶液的流动下沿着凝固管导向水槽内，对纤维丝收集，对氯化钙溶液添加氯化钙材料循环传导。

优选的，所述凝固管呈水平放置，凝固管的中部呈向外弯曲状，凝固管的弯曲高度大于其截面的直径，使弯折部位前段的凝固管充满氯化钙溶液，增加海藻酸钠溶液与氯化钙溶液的充分接触时间，提高固化成型率。

与相关技术相比较，本发明提供的高性能生物基纺织新材料的生产工艺具有如下有益效果：

1、本发明通过气囊对海藻酸钠溶液的供液压力监测，使其另一端在不同压力下发生不同程度的变化，用于改变挡圈对通槽封堵面积的调整，从而形成氯化钙溶液的排放速度跟随海藻酸钠溶液的排放速度同步增加或降低，使生产的生物基纤维质量较为均匀；

2、本发明通过定型管的设置和多组保持条的安装，使气囊的自由端形成定向的变形，从而向挡圈精确传递海藻酸钠溶液的供应状态，实现对氯化钙溶液精确同比调速；

3、本发明通过内外两组环形分布的喷水孔将环形分布的喷丝孔包围，使氯化钙溶液中的钙离子快速、均匀的分布在海藻酸钠溶液周围，使纤维表面硬化快速、且均匀。

附图说明

图1为本发明的喷头组件整体结构示意图；

图2为本发明的外壳内部结构示意图；

图3为本发明的挡圈安装结构示意图；

图4为本发明的气囊内部结构示意图；

图5为本发明的保持条结构示意图；

图6为本发明的纺丝设备结构示意图。

图中标号：1、外筒；11、喷丝孔；12、端盖；2、压力腔；3、伸缩腔；4、气囊；41、螺旋板；42、定型管；43、伸缩筒；44、保持条；45、伸缩杆；46、连杆；47、插杆；5、挡圈；6、水腔；61、通槽；62、外环槽；63、内环槽；64、喷水孔；7、水槽；8、凝固管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

实施例一

一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺，包括如下步骤：

a、选用浓度在2wt％-3wt％的海藻酸钠溶液通过增压导入喷头内由喷丝孔11喷出，控制海藻酸钠溶液的单孔喷出速度为120ml/h-180ml/h；

b、在喷头的内部设置被增压的海藻酸钠溶液包裹接触的气囊4，气囊4脱离包裹的一端为自由变形端；

c、在喷头内设置排放氯化钙溶液的流道，向流道内增压导入30-50％(重量)氯化钙溶液，并由喷水孔64喷出；

d、在氯化钙溶液流道内滑动设置控制流道开口大小的挡圈5，气囊4的自由变形端与挡圈5；

e、设定海藻酸钠溶液常态下的施加压力以及喷丝速度，再设定常态下挡圈5对氯化钙溶液流道的限制面积，在喷丝的压力和速度出现增加或降低的波动时，气囊4受挤压后自由变形端的体积增加或减小，促使挡圈5对氯化钙溶液流道的封堵面积减少或增加，海藻酸钠溶液的喷丝速度和氯化钙溶液的流速保持恒定的比值范围。

实现上述工艺的纺丝设备如下：

如图6所示，将多组喷头组件平行设置，并且在其喷射端一一连接凝固管8，将凝固管8的另一端连入到水槽7内，凝固管8保持水平放置，在凝固管8的中部向上弯曲至少一个截面直径的距离，凝固管8两端的位置位于同一水平线，将第一液泵的进水端与水槽7连接，出水端与喷头组件的氯化钙溶液通道连接，第二液泵的进液端连接海藻酸钠溶液储料部位，第二液泵的排液端连接喷头组件的海藻酸钠溶液的通道，开启第一液泵和第二液泵将氯化钙溶液和海藻酸钠溶液从喷头组件端部导入到凝固管8内混合，凝固管8弯折部位的前端部位充盈氯化钙溶液，喷出的海藻酸钠溶液在氯化钙溶液中表面快速固化形成纤维材料，在氯化钙溶液的流动下沿着凝固管8导向水槽7内，对纤维丝收集，对氯化钙溶液添加氯化钙材料循环传导。

喷头组件用于自动调节海藻酸钠溶液和氯化钙溶液定比排出，具体操作如下：

如图1-4所示，外筒1的内部开设压力腔2和伸缩腔3，将气囊4贯穿压力腔2和伸缩腔3，并在压力腔2和伸缩腔3的衔接部位密封粘接气囊4，使压力腔2和伸缩腔3形成隔离空间，将弹性胶材料制成的挡圈5滑动贴合在伸缩腔3内壁，气囊4与挡圈5连接，并使用弹簧将挡圈5与伸缩腔3的底面弹性连接，在外筒1的壁内开设水腔6，水腔6通过管道连接第一液泵，将通槽61开设在水腔6和伸缩腔3之间，压力腔2通过管道连接第二液泵，在压力腔2的端面开设喷丝孔11，在喷丝孔11的侧边开设水平宽度相同的喷水孔64，喷水孔64通过走水道与伸缩腔3连通；

海藻酸钠溶液被施压导入压力腔2内，在压力状态下海藻酸钠溶液从喷丝孔11喷出，氯化钙溶液从通槽61和挡圈5的间隙进入伸缩腔3内，再经过走水道从喷水孔64喷出，喷出的海藻酸钠溶液与喷出的氯化钙溶液接触后使海藻酸钠表面被硬化形成纤维丝，当压力腔2内的海藻酸钠溶液所受压力增加时，其喷射速度增加，同时气囊4受压变形增大，气囊4的自由端膨胀增大，挡圈5被推动的位移增加，通槽61与挡圈5的间隙增加，提高氯化钙溶液的传导速度，当压力腔2内的海藻酸钠溶液所受压力减小时，气囊4自由端的膨胀减小，受弹簧作用使挡圈5回收，通槽61的导通面积减小，降低氯化钙溶液的传导速度，从而实现氯化钙溶液和海藻酸钠溶液的喷射速度同比调整，使形成的纤维材料质量较高。

为了使气囊4在压力腔2内的部位受压收缩变形较为均匀，操作如下：

如图1-4所示，将弹性胶材料制成的螺旋板41粘在气囊4的外壁，并且将气囊4的底端与压力腔2的端面固定，使高压导入压力腔2内的海藻酸钠溶液沿着螺旋板41环形导动，使气囊4受到的压力较为均匀，避免出现受压不均产生变形波动。

为了使气囊4能稳定垂直方向变形推动挡圈5移动，操作如下：

如图4-5所示，将定型管42固定伸缩腔3内压力腔2的端口位置，并与端口对齐，气囊4穿过定型管42，并且挡圈5在定型管42的外部与其滑动套接，将伸缩筒43和伸缩杆45置于气囊4内滑动插接，将伸缩筒43固定连接挡圈5，气囊4固定连接压力腔2的端面，均匀设置多个保持条44在伸缩杆45的周围，保持条44对应在压力腔2内，在保持条44的上下两端平行插接与伸缩杆45固定的插杆47，将连杆46分别转动连接在伸缩筒43的底端和保持条44的顶端；

通过定型管42的设置使气囊4的自由端沿着定型管42内壁直线膨胀，精确的推动挡圈5移动，当气囊4位于压力腔2内部的部分受压收缩时会推动保持条44在插杆47的导向下移动靠近伸缩杆45，此时受连杆46的推动使伸缩筒43相对伸缩杆45上移，挡圈5受推动拉扯气囊4上移，进一步使气囊4沿着直线方向变形，同时伸缩筒43的移动会使所有连杆46转动到同一角度，使各个部位的保持条44收缩量相同，使气囊4呈均匀变形，不会造成压力腔2内部的海藻酸钠溶液局部压力不同，使每个喷丝孔11喷出的纤维质量均匀。

为了使同步喷出的氯化钙溶液更加均匀、快速的与海藻酸钠溶液充分接触，操作如下：

如图4-5所示，将多个喷丝孔11呈环形分布，将多个喷水孔64在喷丝孔11内侧和外侧形成两组环形分布，在外筒1的端面壁内开设贯通的外环槽62和内环槽63，将喷水孔64与外环槽62和内环槽63对应连通，通过外筒1侧壁内的管道将外环槽62与伸缩腔3连通；

海藻酸钠溶液形呈环状分布的喷射路径分布，通过外环槽62和内环槽63将氯化钙溶液呈双重环形分布喷出，将海藻酸钠溶液内外包围，氯化钙溶液的钙离子均匀在海藻酸钠溶液周围快速均匀分布，使海藻酸钠溶液表面快速硬化形成纤维材料。

如图4所示，在气囊4的自由端连接有贯穿挡圈5的单向阀，并在外筒1的对应端部螺纹安装端盖12，打开端盖12通过单向阀对气囊4放气或补气，改变其内部的气压，调整气囊4对挡圈5的起始位置，用于协调氯化钙溶液和海藻酸钠溶液排放速度。

Claims (10)

1.一种高性能生物基纺织新材料的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：

a、选用浓度在2wt％-3wt％的海藻酸钠溶液通过增压导入喷头内由喷丝孔(11)喷出，控制海藻酸钠溶液的单孔喷出速度为120ml/h-180ml/h；

b、在喷头的内部设置被增压的海藻酸钠溶液包裹接触的气囊(4)，气囊(4)脱离包裹的一端为自由变形端；

c、在喷头内设置排放氯化钙溶液的流道，向流道内增压导入30-50％(重量)氯化钙溶液，并由喷水孔(64)喷出；

d、在氯化钙溶液流道内滑动设置控制流道开口大小的挡圈(5)，气囊(4)的自由变形端与挡圈(5)；

e、设定海藻酸钠溶液常态下的施加压力以及喷丝速度，再设定常态下挡圈(5)对氯化钙溶液流道的限制面积，在喷丝的压力和速度出现增加或降低的波动时，气囊(4)受挤压后自由变形端的体积增加或减小，促使挡圈(5)对氯化钙溶液流道的封堵面积减少或增加，海藻酸钠溶液的喷丝速度和氯化钙溶液的流速保持恒定的比值范围。

2.一种实施所述生产工艺的喷头组件，其特征在于，包括外筒(1)，所述外筒(1)内部开设有贯通的压力腔(2)和伸缩腔(3)，压力腔(2)通过管道连通外部，压力腔(2)和伸缩腔(3)内设置有气囊(4)，气囊(4)与压力腔(2)和伸缩腔(3)的连接面密封，气囊(4)位于伸缩腔(3)内的端部为自由端，气囊(4)的自由端连接有挡圈(5)，伸缩腔(3)的表面开设有连通外部水道的通槽(61)，挡圈(5)贴合在通槽(61)的位置，挡圈(5)通过弹簧连接伸缩腔(3)的内壁，外筒(1)靠近压力腔(2)的一端开设有喷丝孔(11)和喷水孔(64)，喷丝孔(11)与压力腔(2)连通，喷水孔(64)与伸缩腔(3)之间连通有走水道。

3.根据权利要求2所述的喷头组件，其特征在于，所述外筒(1)的壁内开设水腔(6)，水腔(6)通过管道连接外部，水腔(6)通过通槽(61)与伸缩腔(3)连通，所述通槽(61)的水平宽度相同。

4.根据权利要求3所述的喷头组件，其特征在于，所述走水道包括外环槽(62)和内环槽(63)，所述喷丝孔(11)设置有多个，喷丝孔(11)呈环形分布，所述外筒(1)靠近压力腔(2)一端的壁内同心开设有相互连通的外环槽(62)和内环槽(63)，所述喷丝孔(11)位于外环槽(62)和内环槽(63)之间，所述喷水孔(64)沿着外环槽(62)和内环槽(63)呈环状分布，外筒(1)的壁内开设有连通外环槽(62)和伸缩腔(3)的管道。

5.根据权利要求2所述的喷头组件，其特征在于，所述伸缩腔(3)内位于压力腔(2)的端口部位连接有定型管(42)，且气囊(4)穿过定型管(42)，所述挡圈(5)滑动套在定型管(42)的外侧。

6.根据权利要求2所述的喷头组件，其特征在于，所述压力腔(2)内设置有螺旋板(41)，螺旋板(41)和气囊(4)均采用弹性胶材料制成，螺旋板(41)固定在气囊(4)的外壁，所述气囊(4)位于压力腔(2)内的端部与压力腔(2)的端面固定连接。

7.根据权利要求6所述的喷头组件，其特征在于，所述气囊(4)的内部设置有滑动插接的伸缩筒(43)和伸缩杆(45)，伸缩杆(45)的边缘位于压力腔(2)内均匀设置有保持条(44)，伸缩杆(45)表面固定有与保持条(44)水平滑动插接的插杆(47)，保持条(44)的顶部转动连接有连杆(46)，连杆(46)与伸缩筒(43)转动连接，伸缩杆(45)与压力腔(2)的端面固定，伸缩筒(43)与挡圈(5)的内壁固定。

8.根据权利要求7所述的喷头组件，其特征在于，所述气囊(4)靠近挡圈(5)的一端连接有单向阀，所述外筒(1)靠近单向阀的一端螺纹安装有端盖(12)。

9.一种使用所述喷头组件的纺丝设备，包括水槽(7)，其特征在于，所述喷头组件设置有多组，所述外筒(1)靠近喷水孔(64)的一端套接有凝固管(8)，凝固管(8)与水槽(7)连通，所述水腔(6)通过管道连接有第一液泵，第一液泵的进水端与水槽(7)连通，所述压力腔(2)通过管道连接有第二液泵。

10.根据权利要求9所述的纺丝设备，其特征在于，所述凝固管(8)呈水平放置，凝固管(8)的中部呈向外弯曲状，凝固管(8)的弯曲高度大于其截面的直径。

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