CN114929954B - 用于制造电纺聚合物短纤维的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造电纺聚合物短纤维的装置,其具有计量电极(1)和在计量方向(2)上与计量电极(1)对置的收集介质(3)。为了实现开始所述类型的装置,其能够连续制造电纺聚合物短纤维,规定在计量方向(2)上,在收集介质(3)的上游布置有能至少加热至聚合物的软化温度的切割格栅(5),切割格栅的网眼尺寸相当于最小纤维长度。

Description

用于制造电纺聚合物短纤维的装置
技术领域
本发明涉及一种用于制造电纺聚合物短纤维的装置,其具有计量电极和在计量方向上与计量电极对置的收集介质。
背景技术
为了制造热塑性聚合物纤维,所谓的电纺装置是已知的,其具有用于输出聚合物溶液或聚合物熔融物的计量电极和在计量方向上与计量电极对置的收集板。在计量电极和用作配合电极的收集板之间延伸的拉出区域中施加电场,由此,聚合物溶液滴或熔融物滴在计量电极处被静电充电并在电场的影响下被拉伸,直到在计量方向上向收集板形成细的射束。溶剂的蒸发或熔融物的凝固产生放置在收集板上的聚合物纤维。
为了随后获得可存储形式的短纤维,先前电纺的聚合物纤维可以首先加入基于乙醇/水混合物的存储液中,该存储液与聚合物纤维一起被冷却到聚合物纤维的玻璃转化温度以下,如在文献WO 2016128195 A1中所述。在混合器的帮助下,温度导致脆的聚合物纤维然后被切小成短纤维并分散在存储液中。
然而缺点是电纺聚合物短纤维的制造至今只能在耗时的、不连续的过程中实现,因为必须首先纺制原纤维球或原纤维网,它在单独的方法步骤中才能进一步加工成短纤维。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题是实现一种开头所述类型的装置,该装置实现对电纺聚合物短纤维的连续制造。
本发明解决了上述问题,即在计量方向上,在收集介质的上游布置有至少能加热至聚合物的软化温度的切割格栅,切割格栅的网眼尺寸相当于最小纤维长度。
由于这些特征,短纤维可以在一个方法步骤内连续产生,因为在计量电极和收集介质之间延伸的拉出区域中形成的原纤维首先落到可加热的切割格栅上,并在通过该切割格栅时被切割成短纤维,短纤维然后沉积在收集介质上。由于静电引起的弯曲不稳定性,原纤维在拉出区域中基本上描述轨道曲线,该轨道曲线具有在计量方向上延伸的锥体作为包络。因此,原纤维通常以相对于切割格栅平面的锐角式触碰角触碰切割格栅,使得分别包围单个格栅开口或格栅网眼的包边部段形成针对触碰的原纤维的相应的切割边。此外由于原纤维在局部在与相应的格栅网眼接触的纤维分离部段处被加热至或超过聚合物的软化温度,因此原纤维可以顺利地在格栅网眼处被切小。由此形成的短纤维后续沉积在收集介质上。在此,收集介质例如也可以是液体,该液体通过接地形成参考电位或相对于计量电极的配合电极。该液体可以是相应的存储液体,例如乙醇/水混合物,使得短纤维可以直接沉积在该存储液体中并分散在其中。为了在连续的过程中获得可以后续被顺利地进一步加工的可存储的短纤维分散体,具有存储液的收集容器可以包括液体出口,存储液连同分散在其中的短纤维例如可以通过液体出口传递至填充设备。尽管设置加热元件因对流的形成而基本上会导致拉出区域中的空气团加热和移动,而这又导致原纤维的飞行轨迹受到影响或聚合物在计量电极处过早凝固,但已经证明,将切割格栅加热到软化温度的+-20%范围内,优选加热到聚合物的软化温度,不会损害制造过程。软化温度理解为尤其部分结晶的聚合物中的熔化温度或无定形聚合物中的玻璃转化温度。
为了在简单的设计措施中根据相对于纤维长度分布的概率密度函数提高产生的短纤维的频率,建议切割格栅具有至少5μm的网眼尺寸。已经表明,可以通过改变切割格栅的网眼尺寸影响产生的短纤维的纤维长度分布,其中,然而在网眼尺寸为5μm以下时,原纤维不再被切割,而是由于切割格栅的比表面增加而沉积在切割格栅上并且必要时在可能的短纤维落到收集介质上之前蒸发。尽管原纤维在格栅网眼上的触碰角度从根本上影响短纤维长度,但对于给定的网眼尺寸x,尤其具有在x≤l≤x*√2范围内的纤维长度l的短纤维的频率可以提高,其中网眼尺寸x为至少5μm。由于只有网眼尺寸在相对于计量方向的法平面上的投影对切割过程是决定性的,因此可以借助具有预定的网眼尺寸的切割格栅将纤维长度分布控制在一定范围内,方式是切割格栅倾斜超出该法平面。
为了在使用存储液体作为收集介质时实现尤其有利的过程条件建议,切割格栅构造成电加热电阻并构造成相对于计量电极的配合电极。通过这些措施,在切割格栅和计量电极之间建立了电场。在此,切割格栅在两个连接极之间被加热电流流过,该加热电流通过两个不同的施加在切割格栅上的电势产生,这两个电势在根本上与计量电极的电势不同,使得加热电流不影响电纺过程。例如切割格栅可以通过一个连接极接地。短纤维的电荷在切割格栅处大部分已经被中和,产生的短纤维由此可以沉积在收集介质上或被引入收集介质中,而不受电力的阻碍影响。尤其在使用存储液体作为收集介质时,该方法因此可以不受其导电性影响地进行并且收集介质本身不必作为配合电极作用。
若在计量电极和切割格栅之间延伸的拉出区域可以通过调温流体冷却,则可以尤其在使用具有高熔点的聚合物时进一步改善制造过程的稳定性和连续性。由此例如可以反作用于由于加热的切割格栅在拉出区域中对空气进行损害原纤维的飞行轨迹的不期望的加热并且以此实现更稳定的制造过程。例如拉出区域可以通过供应冷的空气相应地调温,其中,流速这样选择,使原纤维的拉伸不被影响。在使用聚合物溶液的情况下,若计量电极本身通过调温流体冷却,例如在周围被冷空气流冲洗,则可以进一步改善过程条件。以此可以防止溶剂提前蒸发并且防止释放的聚合物堵塞计量电极。
本发明还涉及一种利用根据本发明的装置制造聚合物短纤维的方法。在此首先在用于输出聚合物系统的计量电极和用于沉积纺制纤维的收集介质之间产生电场。由于电场将原纤维从计量电极上拉出。聚合物系统在此理解为用于制造纤维的聚合物初始材料,即尤其水溶性的、基于溶剂的以及可熔化的聚合物连同可能的添加剂和填料。将原纤维部段式至少加热至聚合物的软化温度并且在此切割成短纤维,之后使短纤维沉积在收集介质上。若短纤维沉积在作为收集介质的存储液上,例如液体乙醇/水混合物上并分散在其中时,构成特别有利的条件。以此获得的可存储的短纤维分散体随后可以顺利地被进一步加工,例如用于制造过滤材料。
附图说明
在附图中示例性示出发明内容,在附图中:
图1是按照本发明的装置的示意图。
具体实施方式
根据本发明的装置包括计量电极1和在计量方向2上与计量电极1对置的收集介质3。收集介质可以是用于产生的短纤维的存储液体,例如位于收集容器4中的乙醇/水混合物。至少加热到聚合物的软化温度的切割格栅5在计量方向2上布置收集介质3前,该切割格栅5的网眼尺寸相当于产生的短纤维的最小纤维长度。
为制造电纺聚合物短纤维可以使用各种聚合物系统作为初始材料,尤其水溶性的、基于溶剂的和可熔化的聚合物连同可能的添加剂和填料。为了例如获得基于聚甲基丙烯酸甲酯的纤维,作为初始材料可以使用聚合物溶液,该聚合物溶液包括质量份额约20%的聚甲基丙烯酸甲酯、约55%的乙酸和约25%的乙酸乙酯,以及必要时的附加的添加剂。在无定形聚甲基丙烯酸甲酯的情况中,软化温度是其玻璃转化温度,约为100℃-110℃。
在计量电极1和加热的切割格栅5和/或收集介质3之间施加电压以产生电场,电压可以在20kV和30kV之间。聚合物溶液以3毫升/小时至9毫升/小时的流速通过计量电极1输入拉出区域6,在计量电极1上形成的聚合物液滴由此静电式充电并且在电场的影响下被拉伸。在此形成由于静电引起的弯曲不稳定性在拉出区域6中基本上描述轨道曲线的原纤维7,该轨道曲线具有在计量方向2上延伸的锥体作为包络,这在图中示意性示出。
原纤维7通过切割格栅5部段式至少加热到聚合物的软化温度并且在此切割成短纤维,方式是原纤维7以相对于切割格栅平面的锐角式触碰角触碰切割格栅5上,使得分别包围各个格栅开口或格栅网眼的包边部段形成用于触碰的原纤维7的相应的切割边。以此产生的在图中没有详细示出的短纤维随后沉积在收集介质3上并分散在其中,使得以此获得的短纤维分散体可以顺利地被进一步加工,例如作为用于制造过滤材料的喷雾基质。为此,收集器容器4可以具有相应的液体出口,存储液连同分散在其中的短纤维可以通过该出口传递至填充设备。
纤维长度分布可以例如通过切割格栅5的格栅网眼的网眼尺寸影响。为了根据基于纤维长度分布的概率密度函数提高生产的短纤维的频率,切割格栅5可以具有至少5μm的网眼尺寸。
若切割格栅5构造成电加热电阻并且构造成相对于计量电极1的配合电极,则构成有利的过程条件。在用于切割格栅5的供应单元8的两个连接极之间其被加热电流流过,这由两个不同的施加在切割格栅5上的电势产生。
根据一些实施方式,计量电极1和/或在计量电极1和切割格栅5之间延伸的拉出区域6可以通过调温流体冷却。由此可以反作用于由于加热的切割格栅5在拉出区域6中对空气进行损害原纤维7的飞行轨迹的不期望的加热以及反作用于计量电极1的堵塞,由此实现更稳定的制造过程。

Claims (6)

1.一种用于制造电纺聚合物短纤维的装置,其具有计量电极(1)和在计量方向(2)上与所述计量电极(1)对置的收集介质(3),其特征在于,在计量方向(2)上,在所述收集介质(3)的上游布置有能至少加热至聚合物的软化温度的切割格栅(5),所述切割格栅的网眼尺寸相当于最小纤维长度。
2.按照权利要求 1 所述的装置,其特征在于,所述切割格栅(5)具有至少 5µm 的网眼尺寸。
3.按照权利要求 1 或 2 所述的装置,其特征在于,所述切割格栅(5)构造成电加热电阻和作为相对于所述计量电极(1)的配合电极。
4.按照权利要求 1 或 2 所述的装置,其特征在于,所述计量电极(1)和/或在所述计量电极(1)和所述切割格栅(5)之间延伸的拉出区域(6)能通过调温流体冷却。
5.一种利用权利要求 1 至 4 之一所述的装置制造电纺聚合物短纤维的方法,其中,在用于聚合物系统的计量电极(1)和用于沉积纺制纤维的收集介质(3)之间产生电场,其特征在于,由于所述电场首先从所述计量电极(1)上拉出原纤维(7),并且将所述原纤维(7)通过切割格栅部段式至少加热至聚合物的软化温度切割成短纤维,之后使所述短纤维沉积在所述收集介质(3)上。
6.按照权利要求 5 所述的方法,其特征在于,使短纤维沉积在作为收集介质(3)的存储液上并且分散在其中。
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