CN114457434B - 超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，由供料系统、超临界流体供给系统、流体混合系统、释压系统、纺丝系统和收卷辊子组成，其中流体混合系统由高压搅拌釜、脚架和过热蒸汽发生装置组成，释压系统由熔体出口阀门、释压釜、减压阀和搅拌装置组成，纺丝系统由喷头、电极板、电极板支架和高压静电电源组成，收集辊子位于电极板后，接收喷头产生的纤维。本发明装置将超临界流体与熔体在高压搅拌釜中通过多组叶片进行搅拌混合形成均匀的共混物，超临界流体降低了熔体的粘度，熔体包裹的气泡破裂，破裂处的熔体微分成纤，且该共混物与外界环境具有很大的压差，能大幅度提高纤维的拉伸程度，降低纤维的直径，实现纳米纤维的均匀稳定制备。

Description

超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝技术是目前制备微纳米纤维最常用的技术，根据原料的不同，可分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，与溶液静电纺丝相比，熔体静电纺丝具有不需要使用有毒溶剂、原料利用率高、绿色环保无污染的优点，且适用于PP、PLA等量大面广的高聚物。但由于聚合物熔体粘度高，传统的单针熔体电纺存在喷头易堵塞，纤维制备效率低的问题。针对该问题，Yang等以开放式的锥面作为喷头，研制了熔体微分电纺设备(US20160068999A1 MeltDifferential Electrospinning Device and Process)，解决了熔体电纺纤维制备效率低的问题。此外，yang等通过将增塑剂与熔体共混，通过熔体微分电纺得到了纳米尺度的纤维，但纤维受增塑剂影响，力学性能较差。因此，需要一种绿色环保且与熔体共混后不损坏对纤维力学性能的物质。

超临界流体是当气体的温度和压力在临界温度、临界压力以上得到的一种流体，其既具有与液体相近的密度，又具有与气体相近的粘度，流动性比液体好得多，具有良好的传质性能，是存在于气体、液体这两种流体状态以外的第三种流体。这种流体常被用作绿色环保的溶剂，将其与高聚物熔体共混可增加熔体的流动性，有利于纺丝。以超临界CO2为例，超临界CO2的临界条件为(温度304.1K，压力7.38MPa)，其临界条件适宜，便宜易得，无毒不燃，化学性质稳定，使用安全。虽然对于大多数的聚合物，超临界二氧化碳是不良溶剂，但其对聚合物具有很好的溶胀性，当其溶入聚合物中时可大大降低聚合物的粘度，提高熔体的流动性，有利于降低纺丝过程中成纤的阻力，降低纺丝难度，减小纤维的细度，此外，熔体与超临界流体的混合物与外界环境具有很大的压差，有利于提高电纺过程纤维的拉伸程度，降低纤维的细度。

发明内容

本发明提出了一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，该装置可以提高聚合物熔体的流动性，降低高粘聚合物的纺丝难度，实现纳米纤维的稳定制备。

本发明的技术方案：超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装，由供料系统、超临界流体供给系统、流体混合系统、释压系统、纺丝系统和收卷辊子组成，其中供料系统由螺杆挤出机、熔体泵和熔体入口阀门组成，螺杆挤出机末端与熔体泵相连，熔体入口阀门一端连接熔体泵，另一端连接高压搅拌釜；超临界流体供给系统由储气瓶、增压泵、管路和超临界流体入口阀组成，储气瓶与增压泵通过管路连接，超临界流体入口阀一端连接增压泵，另一端连接高压搅拌釜；流体混合系统由高压搅拌釜、脚架和过热蒸汽发生装置组成。高压搅拌釜由高压搅拌釜脚架固定在支架上，高压搅拌釜连接过热蒸汽加热装置。释压系统由熔体出口阀门、释压釜、减压阀和搅拌装置组成，释压釜由释压釜脚架固定在支架上，释压釜入口处通过熔体出口阀门与高压搅拌釜连接，释压釜出口处通过减压阀与搅拌装置连接。纺丝系统由喷头、电极板、电极板支架和高压静电电源组成，喷头连接在搅拌装置的出口，喷头接地，电极板固定在电极板支架上，保证电极板与喷头同轴摆放，电极板连接高压静电电源。收集辊子位于电极板后，接收喷头产生的纤维。

本发明中一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的高压搅拌釜主要由电机、搅拌釜壁、搅拌轴和多组叶片组成。搅拌轴上沿轴向均匀分布多组叶片，由螺栓固定连接，轴中间段的叶片为面积逐渐扩大的扇形，扇形所在平面与竖直平面的夹角呈锐角，相邻叶片的倾斜方向相反，在叶片旋转时，相邻叶片使流体产生不同方向的旋转，从而增加流体的湍动程度，促进超临界流体与熔体的混合效果。各叶片的扇形区域分布着小孔，在叶片旋转时，部分流体会穿过小孔，这也会增加流体的湍动程度，进一步促进了超临界流体与熔体的混合效果。叶片末端与搅拌釜壁间隙1～3mm，确保搅拌釜壁不会滞留熔体。

本发明中一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的搅拌装置由前端盖、后端盖、光轴、搅拌筒、搅拌叶轮、前固定轮、后固定轮和螺栓组成。前端盖与后端盖的端面处有凹槽，端面与搅拌筒的侧壁重合，用螺栓固定，固定轮末端的小球在凹槽内，可沿凹槽运动，前固定轮与后固定轮在光轴的两端。在两个固定轮之间有多个搅拌叶轮，沿光轴均匀分布。叶轮由高强合金制备。叶轮在受到混合流体的冲击时旋转，搅拌流体，进而使熔体内的气泡分布均匀。

本发明中一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的喷头由喷头外壳、喷头芯和连接螺栓组成。喷头外壳与喷头芯用连接螺栓固定。喷头芯的一端是外锥面尖端，另一端含有锥形的流道，在锥形流道的末尾向喷头芯的外壁开多个扇形流道，流道倾斜向下，喷头芯外壁与喷头外壳内壁间具有环形间隙，间隙的大小在0.1～5mm。喷头外壳的出口有倒角，减小喷头外壳对电场的影响。喷头芯的尖端比喷头外壳的出口凸出3～8mm，以增加尖端电场强度，促进熔体极化。

本发明中一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的使用方法，打开增压泵和超临界流体入口阀，将超临界流体注入高压搅拌釜，当釜内压力超过临界压力后，关闭增压泵和超临界流体入口阀。启动螺杆挤出机将高聚物粒料熔融塑化成熔体，启动熔体泵与熔体入口阀门，将熔体加压泵入高压搅拌釜。启动过热蒸汽发生装置对高压搅拌釜加热至与熔体相同温度，关闭熔体入口阀门、熔体出口阀门和超临界流体入口阀，启动高压搅拌釜电机，带动搅拌轴旋转，进而使叶片旋转，对超临界流体和熔体进行混合搅拌。启动过热蒸汽发生装置对释压釜加热至与熔体相同温度，打开熔体出口阀门，关闭减压阀，混合流体流入释压釜，降低混合流体压力，此时部分超临界流体因压力下降而变成气体，被熔体包裹。打开减压阀，使混合流体进入搅拌装置，冲击搅拌装置中的叶片并使其旋转，进而搅拌混合流体，促进混合流体中气泡的均匀分布。混合流体流入喷头后，熔体在电场的作用下极化，熔体包裹的气泡破裂，破裂处的熔体微分成纤，且纤维在静电力和压差的协同作用下进一步拉伸，从而得到纳米纤维。

本发明中一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置将超临界流体与熔体在高压搅拌釜中通过多组叶片进行搅拌混合，形成均匀的共混物，超临界流体降低了熔体的粘度、增加了熔体的流动性，降低了高粘聚合物的纺丝难度，在喷头处熔体被高压电场极化，熔体包裹的气泡破裂，破裂处的熔体微分成纤，且该共混物与外界环境具有很大的压差，能大幅度提高纤维的拉伸程度，降低纤维的直径，实现纳米纤维的均匀稳定制备。

附图说明

图1为本发明超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置示意图。

图2为本发明超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的高压搅拌釜结构示意图。

图3为本发明超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的搅拌装置结构示意图。

图4为本发明超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的喷头结构示意图。

图中：1—储气瓶；2—螺杆挤出机；3—管路；4—过热蒸汽发生装置；5—增压泵；6—熔体泵；7—熔体入口阀门；8—超临界流体入口阀；9—支架；10—高压搅拌釜；10-1—电机；10-2—搅拌轴；10-3—第一组叶片；10-4—第二组叶片；10-5—第三组叶片；10-6—第四组叶片；10-7—叶片小孔；10-8—搅拌釜壁；11—高压搅拌釜脚架；12—熔体出口阀门；13—释压釜；14—释压釜脚架；15—减压阀；；16—搅拌装置；16-1—前端盖；16-2—搅拌筒；16-3螺栓；16-4—前固定轮；16-5—光轴；16-6—叶轮；16-7—端盖；16-8—后固定轮；17—喷头；17-1—连接螺栓；17-2—喷头芯；17-3—喷头外壳；18—电极板；19—电极板支架；20—收集辊子；21—高压静电电源。

具体实施方式

本发明超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，如图1所示，由供料系统、超临界流体供给系统、流体混合系统、释压系统、纺丝系统和收卷辊子20组成。其中供料系统由螺杆挤出机2、熔体泵6、法兰15和熔体入口阀门7组成，螺杆挤出机2末端与熔体泵6相连，熔体入口阀门7一端连接熔体泵6，另一端连接高压搅拌釜10。超临界流体供给系统由储气瓶1、管路3、增压泵5和超临界流体入口阀8组成，储气瓶1与增压泵5通过管路3连接，超临界流体入口阀8一端连接增压泵5，另一端连接高压搅拌釜10。高压搅拌釜10由高压搅拌釜脚架11固定。高压搅拌釜10主要由电机10-1、搅拌轴10-2、搅拌釜壁10-8、第一组叶片10-3、第二组叶片10-4、第三组叶片10-5和第四组叶片10-6组成，见图2所示，叶片上有小孔10-7。释压系统由熔体出口阀门12、释压釜13、减压阀15和搅拌装置16组成，释压釜13入口处通过熔体出口阀门45与高压搅拌釜10连接，释压釜13出口处通过减压阀15与搅拌装置16连接。搅拌装置16主要由前端盖16-1、后端盖16-7、光轴16-5、搅拌筒16-2、叶轮16-6、前固定轮16-4、后固定轮16-8和螺栓16-3，见图3所示，前端盖16-1与后端盖16-7的端面处有凹槽，端面与搅拌筒16-2的侧壁重合，用螺栓16-3固定，前固定轮16-4和后固定轮16-8的末端小球均在凹槽内。在光轴16-5的中间部分有多个叶轮11-6，沿光轴16-5均匀分布。纺丝系统由喷头17、电极板18、电极板支架19和高压静电电源21组成，喷头17由连接螺栓17-1、喷头芯17-2、喷头外壳17-3组成，见图4所示。喷头外壳17-3与喷头芯17-2用连接螺栓17-1固定。喷头17连接在搅拌装置16的出口，喷头17接地，电极板18固定在电极板支架19上，保证电极板18与喷头17同轴摆放，电极板18连接高压静电电源21。收集辊子20位于电极板18后，接受喷头17产生的纤维。

本发明中一种超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置的使用方法，打开增压泵5和超临界流体入口阀8，将超临界流体注入高压搅拌釜10，当釜内压力超过临界压力(如超临界二氧化碳的临界压力为7.38MPa)后，关闭增压泵5和超临界流体入口阀8。过热蒸汽发生装置4对高压搅拌釜10加热使高压搅拌釜10达到与熔体相同温度。螺杆挤出机2将高聚物粒料熔融塑化成熔体，熔体泵6与熔体入口阀门7，将熔体加压泵入高压搅拌釜10。关闭熔体入口阀门7、熔体出口阀门12和超临界流体入口阀8，启动高压搅拌釜电机6-1，带动搅拌轴6-2旋转，进而使第一组叶片6-3、第二组叶片6-4、第三组叶片6-5和第四组叶片6-6旋转，对超临界流体和熔体进行混合搅拌。启动过热蒸汽发生装置4对释压釜13加热至与熔体相同温度，打开熔体出口阀门12，关闭减压阀15，混合流体流入释压釜13，降低混合流体压力，此时部分超临界流体因压力下降而变成气体，被熔体包裹。打开减压阀15，使混合流体进入搅拌装置16，冲击搅拌装置16中的叶轮16-6并使其旋转，进而搅拌混合流体，促进混合流体中气泡的均匀分布。混合流体流入喷头17后，熔体在电场的作用下极化，熔体包裹的气泡破裂，破裂处的熔体微分成纤，且纤维在静电力和压差的协同作用下进一步拉伸，从而得到纳米纤维。纤维穿过电极板18，被收集辊子20接收。

Claims (4)

1.超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：由供料系统、超临界流体供给系统、流体混合系统、释压系统、纺丝系统和收卷辊子组成，其中流体混合系统由高压搅拌釜、脚架和过热蒸汽发生装置组成，高压搅拌釜主要由电机、搅拌釜壁、搅拌轴和多组叶片组成，搅拌轴上沿轴向均匀分布多组叶片，由螺栓固定连接，轴中间段的叶片为面积逐渐扩大的扇形，扇形所在平面与竖直平面的夹角呈锐角，相邻叶片的倾斜方向相反，高压搅拌釜由高压搅拌釜脚架固定在支架上，高压搅拌釜连接过热蒸汽加热装置；供料系统由螺杆挤出机、熔体泵和熔体入口阀门组成，螺杆挤出机末端与熔体泵相连，熔体入口阀门一端连接熔体泵，另一端连接高压搅拌釜；超临界流体供给系统由储气瓶、增压泵、管路和超临界流体入口阀组成，储气瓶与增压泵通过管路连接，超临界流体入口阀一端连接增压泵，另一端连接高压搅拌釜；释压系统由熔体出口阀门、释压釜、减压阀和搅拌装置组成，释压釜由释压釜脚架固定在支架上，释压釜入口处通过熔体出口阀门与高压搅拌釜连接，释压釜出口处通过减压阀与搅拌装置连接；纺丝系统由喷头、电极板、电极板支架和高压静电电源组成，喷头连接在搅拌装置的出口，喷头接地，电极板固定在电极板支架上，保证电极板与喷头同轴摆放，电极板连接高压静电电源；收集辊子位于电极板后，接收喷头产生的纤维。

2.根据权利要求1所述的超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：高压搅拌釜的叶片的扇形区域分布着小孔，高压搅拌釜的叶片末端与搅拌釜壁间隙1-3mm。

3.根据权利要求1所述的超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：搅拌装置由前端盖、后端盖、光轴、搅拌筒、搅拌叶轮、前固定轮、后固定轮和螺栓组成，前端盖与后端盖的端面处有凹槽，端面与搅拌筒的侧壁重合，用螺栓固定，固定轮末端的小球在凹槽内，可沿凹槽运动，前固定轮与后固定轮在光轴的两端，在两个固定轮之间有多个搅拌叶轮，沿光轴均匀分布。

4.根据权利要求1所述的超临界流体辅助熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：喷头由喷头外壳、喷头芯和连接螺栓组成，喷头外壳与喷头芯用连接螺栓固定，喷头芯的一端是外锥面尖端，另一端含有锥形的流道，在锥形流道的末尾向喷头芯的外壁开多个扇形流道，流道倾斜向下，喷头芯外壁与喷头外壳内壁间具有环形间隙，间隙的大小在0.1-5mm，喷头外壳的出口有倒角，喷头芯的尖端比喷头外壳的出口凸出3-8mm。

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