CN115012048A - 熔喷方法及熔喷装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种熔喷方法及熔喷装置。该熔喷方法包括：从喷丝孔挤出熔体；使用气流牵伸熔体；以及对从喷丝孔挤出的熔体照射激光，以加热熔体。这样，通过对熔体照射激光以加热熔体，被挤出的熔体能够具有较低的粘度，从而能够被牵伸成直径较小的微纳米纤维。
Description
技术领域
本申请涉及纤维纺丝领域，更具体地涉及一种熔喷方法及熔喷装置。
背景技术
纤维材料是一类具有大长径比的线状材料，其直径尺寸多为微米级。高分子、陶瓷、玻璃等多种纤维在保暖、隔热、过滤、吸附等多种场合具有重要的应用。近年来研究发现，随着纤维直径下降，纤维材料的性能将得到显著的提升。
目前，常用的纤维制备方法有湿法纺丝、干法纺丝、离心纺丝、熔喷纺丝、静电纺丝、溶液气纺丝等。其中，静电纺丝和溶液气纺丝是目前制备微纳米纤维(直径<2μm)的主流技术手段。然而，这两种技术存在生产效率较低、需要使用有机溶剂、喷丝孔容易堵塞等问题，在大规模工业化过程中存在一定的难度。熔喷纺丝具有生产效率高、成本低廉、无溶剂残留的优点，是工业上广泛使用的纺丝方法。但目前熔喷纺丝制备的各类纤维直径较大。因此，开发用于制备微纳米纤维的新型熔喷纺丝技术具有重大的研究意义和广阔的应用前景。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种熔喷方法及熔喷装置，其能够克服上述背景技术中说明的缺点中的至少一个缺点。
为了实现上述目的，本申请采用如下的技术方案。
本申请提供了一种如下的熔喷方法，该熔喷方法包括：从喷丝孔挤出熔体；使用气流牵伸所述熔体；以及对从所述喷丝孔挤出的所述熔体照射激光，以加热所述熔体。
在一个可选的方案中，对所述熔体照射所述激光包括：使所述激光照射所述熔体的锥形收缩部的末端部。
在另一个可选的方案中，所述喷丝孔的数量为多个，多个所述喷丝孔并排地布置。
在另一个可选的方案中，所述激光为点状，对所述熔体照射所述激光包括：使所述激光沿所述喷丝孔的排列方向扫描。
在另一个可选的方案中，所述激光的扫描速率小于或等于7000mm/s。
在另一个可选的方案中，所述激光为带状，对所述熔体照射所述激光包括：使所述激光同时照射从多个所述喷丝孔挤出的所述熔体。
在另一个可选的方案中，所述激光的功率为0.35W至2.45W。
本申请还提供了一种如下的熔喷装置，该熔喷装置包括：熔体供给单元，其包括熔体供给源和熔喷模头，用于从所述熔喷模头的喷丝孔挤出熔体；供气单元，其用于产生气流，以牵伸所述熔体；以及激光单元，其包括激光源，其用于发出激光，以照射并加热从所述喷丝孔挤出的所述熔体。
在一个可选的方案中，所述激光单元还包括振镜，所述激光的光路经过所述振镜，所述喷丝孔的数量为多个，多个所述喷丝孔并排地布置，所述振镜使所述激光沿所述喷丝孔的排列方向扫描。
在另一个可选的方案中，所述激光单元还包括柱面透镜，所述激光的光路经过所述柱面透镜，所述喷丝孔的数量为多个，多个所述喷丝孔并排地布置，所述柱面透镜使所述激光同时照射从多个所述喷丝孔挤出的所述熔体。
采用上述技术方案，通过对熔体照射激光以加热熔体，被挤出的熔体能够具有较低的粘度，从而能够被牵伸成直径较小的微纳米纤维。
附图说明
图1示出了根据本申请的第一实施例的熔喷装置的示意图。
图2示出了图1中的激光照射熔体的示意图，其中箭头表示气流的流动方向。
图3示出了图1中的熔喷装置制得的微纳米纤维的扫描电子显微镜图。
图4示出了图1中的熔喷装置制得的微纳米纤维的傅立叶变换红外吸收光谱仪图。
图5示出了根据本申请的第二实施例的熔喷装置的示意图，其中箭头表示气流的流动方向。
图6示出了图5中的激光照射熔体的示意图，其中箭头表示气流的流动方向。
附图标记说明
1熔体供给单元；11熔体供给源；12熔喷模头；12a喷丝孔；1a熔体；1b锥形收缩部；1c微纳米纤维；
2供气单元；21压缩气源；22喷嘴；22a狭缝；
3激光单元；31激光源；32球面透镜；33振镜；3a激光；
4收集单元；41载体；42支撑体；
I第一光谱；II第二光谱
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施例。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
(第一实施例)
图1和图2示出了根据本申请的第一实施例的熔喷装置，该熔喷装置可以包括熔体供给单元1、供气单元2、激光单元3以及收集单元4。
熔体供给单元1可以包括熔体供给源11和熔喷模头12。具体地，熔体供给源11可以为熔体挤出机。熔喷模头12可以为点胶针头，其可以限定单个喷丝孔12a。喷丝孔12a的直径可以为0.1mm至0.5mm。喷丝孔12a可以与熔体供给源11的输出端连通。
供气单元2可以包括压缩气源21、减压阀(图中未示出)、加热器(图中未示出)以及喷嘴22。具体地，压缩气源21可以为空气压缩机，压缩气源21的输出端可以依次通过减压阀和加热器与喷嘴22连通。其中，减压阀用于调节喷出气流的压力和流速，加热器用于加热待喷出的气流。当然，加热器不是必须的。喷嘴22可以为圆管，喷嘴22的内径可以为2mm至8mm。喷嘴22可以套装于熔喷模头12，使得喷嘴22的内表面与熔喷模头12的外表面之间形成环形的喷气流道。
激光单元3可以包括激光源31。具体地，激光源31可以为二氧化碳激光器，其可以发出点状的激光。激光源31发出的激光3a可以照射熔体1a在喷丝孔12a的出口处形成的锥形收缩部1b(熔体锥)的末端部，激光3a的光路，或者激光3a的在锥形收缩部1b附近的光路可以与熔体的挤出方向垂直。
收集单元4可以包括载体41和支撑体42。具体地，载体41可以为网布，其可以面向喷丝孔12a并且与喷丝孔12a间隔开。支撑体42可以为滚筒，多个支撑体42可以支撑载体41。电机可以驱动支撑体42转动，使得载体41相对熔喷模头12移动。
下面介绍使用该熔喷装置的熔喷方法，该熔喷方法大致可以包括：
从喷丝孔12a挤出熔体1a；
使用气流牵伸熔体1a；以及
对从喷丝孔12a挤出的熔体1a照射激光3a，以加热熔体1a。
具体地，熔体供给源11可以从喷丝孔12a挤出熔体1a。气流的喷出方向可以与熔体1a的挤出方向平行，熔体1a可以被气流牵伸并且形成锥形收缩部1b。与此同时，激光3a可以照射并加热锥形收缩部1b，使得熔体1a被牵伸为微纳米纤维1c。微纳米纤维1c可以随气流附着于载体41。支撑体42可以驱动载体41移动，使得微纳米纤维1c在载体41上积聚为微纳米纤维膜等。
一方面，被激光3a照射的熔体1a不会冷却，熔体1a的粘度不会升高。另一方面，与熔体供给源11相比，激光3a具有较高的加热速率，使得熔体1a的分解温度升高，熔体1a能够被加热至较高的温度，从而能够降低熔体1a的粘度。这样，在激光3a的辅助下，被挤出的熔体1a能够具有较低的粘度，从而能够被牵伸成直径较小的微纳米纤维1c。
进一步地，熔体供给源11可以以特定的供给速率和温度从喷丝孔12a挤出熔体1a。例如，熔体1a的供给速率可以为0.1mL/h/孔至10mL/h/孔。当熔体1a的供给速率处于上述范围内时，熔体1a容易被牵伸成直径较小的微纳米纤维1c。这样，熔体1a既不会因供给速率过慢而被激光3a剧烈加热，进而导致纤维中的球形颗粒偏多，也不会因供给速率过快而无法得到有效加热，从而导致纤维的直径过大。优选地，熔体1a的供给速率可以为0.5mL/h/孔、1mL/h/孔、2mL/h/孔、4mL/h/孔、6mL/h/孔或10mL/h/孔。熔体1a的原料可以包括高分子材料，熔体供给源11的挤出螺杆的温度可以高于熔体1a的熔融温度。例如，熔体1a的原料可以为熔融指数为1500的聚丙烯(PP)，挤出螺杆的温度可以为200℃至600℃。优选地，挤出螺杆的温度可以为260℃。
压缩空气能够以特定的压力从喷嘴22喷出。例如，气流的表压力可以为0.01MPa至0.5MPa。当气流的表压力处于上述范围内时，被牵伸的熔体1a连续且均匀。这样，熔体1a既不会因气流的表压力过低而无法被充分地牵伸，也不会因气流的表压力过高而破碎。优选地，气流的表压力可以为0.01MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa或0.5MPa。
激光源31发出的激光3a可以以特定的波长、功率和直径照射并加热锥形收缩部1b。例如，激光3a的波长可以为10.6μm，激光3a的功率可以为0.35W至2.45W，激光3a的直径可以为0.5mm。这样，当激光3a的功率处于上述范围内时，熔体1a容易被牵伸成直径较小的微纳米纤维1c。这样，熔体1a既不会因功率过低而被牵伸成直径较大的纤维，也不会因功率过高而在气流的牵引下破碎。优选地，激光3a的功率可以为0.35W、0.70W、1.05W、1.40W、1.75W、2.10W或2.45W。
参照图3，其示出了微纳米纤维1c的扫描电子显微镜(SEM)图。从图3可以看出，微纳米纤维1c连续且光滑，微纳米纤维1c的平均直径可以达到450nm。
参照图4，其示出了微纳米纤维1c的傅立叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)图。其中，横坐标表示波数，单位为cm-1。纵坐标表示吸光度，单位为1。第一光谱I为聚丙烯原料的光谱，第二光谱II为由聚丙烯原料制成的微纳米纤维1c的光谱。从图4可以看出，微纳米纤维1c的吸光度高于聚丙烯原料的吸光度。
(第二实施例)
根据本申请的第二实施例的熔喷装置是第一实施例的变型，对于与第一实施例相同或相似的特征，在本实施例中使用相同的附图标记，并省略对这些特征的详细介绍。
在第二实施例中，参照图5和图6，熔喷模头12可以为喷丝板。喷丝板可以限定多个喷丝孔12a，多个喷丝孔12a可以并排地布置。喷嘴22可以限定狭缝22a，狭缝22a可以沿喷丝孔12a的排列方向延伸。狭缝22a的长度可以与熔喷模头12的长度大致相同，例如可以为1cm至10cm。喷嘴22可以与熔喷模头12形成为一体，两条狭缝22a可以关于喷丝孔12a对称地布置，喷丝孔12a的出口可以位于两条狭缝22a之间。气流的喷出方向可以与熔体1a的挤出方向形成一定角度，使得从两条狭缝22a喷出的气流可以交汇于熔体1a。
相应地，激光单元3还可以包括球面透镜32和振镜33。激光3a的光路可以依次经过球面透镜32和振镜33到达锥形收缩部1b。振镜33可以高速摆动，使得激光3a能够以特定的速率扫描多个锥形收缩部1b。例如，激光3a的扫描速率可以小于或等于7000mm/s。从振镜33出射的激光3a可以与熔体1a的挤出方向形成一定角度。
本申请至少具有以下优点。
(i)通过对熔体1a照射激光3a以加热熔体3a，被挤出的熔体1a能够具有较低的粘度，从而能够被牵伸成直径较小的微纳米纤维1c。
(ii)通过设置振镜33，激光3a能够沿喷丝孔12a的排列方向扫描，使得激光3a能够照射从多个喷丝孔12a挤出的熔体1a。
应当理解，上述实施例仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施例做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。
应当理解，激光单元3不限于包括振镜33。例如，激光单元3可以包括柱面透镜以获得带状激光3a，带状激光可以同时照射从多个喷丝孔12a挤出的熔体1a。激光源31不限于为二氧化碳激光器。例如，激光源31可以为半导体激光器或可见光激光器。
应当理解，熔体1a的原料不限于为聚丙烯，其可以包括本领域技术人员所熟知的任何可能的材料。例如，熔体1a的原料可以包括高分子化合物、无机纳米粒子、沥青和玻璃中的一种或多种。优选地，高分子化合物可以包括聚丙烯、聚碳硅烷、聚乳酸、聚左旋乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙烯醇、热塑性聚氨酯中的一种或多种。无机纳米粒子可以包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、氧化铈、氧化钒、三氧化二铬、二氧化锰、四氧化三铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌和氧化钇中的一种或多种。
应当理解，喷嘴22不限于为圆管，也不限于限定有狭缝22a。例如，喷嘴22可以为鸭嘴喷嘴或气刀。压缩气源21不限于为空气压缩机。例如，压缩气源21可以为高压气瓶。压缩气源21所提供的压缩气体不限于为空气，其可以为本领域技术人员所熟知的任何不与熔体1a反应的气体。
应当理解，熔体供给源11不限于为熔体挤出机。例如，熔体供给源11可以为熔体泵。
应当理解，载体41不限于为网布。例如，载体41可以为空心笼。相应地，当载体41为空心笼时，支撑体42不是必须的。此外，载体41可以包括或由高分子化合物、玻璃、金属、陶瓷和塑料中的一种或多种制成。
Claims (10)
1.一种熔喷方法，其特征在于，包括：
从喷丝孔(12a)挤出熔体(1a)；
使用气流牵伸所述熔体(1a)；以及
对从所述喷丝孔(12a)挤出的所述熔体(1a)照射激光(3a)，以加热所述熔体(1a)。
2.根据权利要求1所述的熔喷方法，其特征在于，对所述熔体(1a)照射所述激光(3a)包括：
使所述激光(3a)照射所述熔体(1a)的锥形收缩部(1b)的末端部。
3.根据权利要求1或2所述的熔喷方法，其特征在于，所述喷丝孔(12a)的数量为多个，多个所述喷丝孔(12a)并排地布置。
4.根据权利要求3所述的熔喷方法，其特征在于，所述激光(3a)为点状，对所述熔体(1a)照射所述激光(3a)包括：
使所述激光(3a)沿所述喷丝孔(12a)的排列方向扫描。
5.根据权利要求4所述的熔喷方法，其特征在于，所述激光(3a)的扫描速率小于或等于7000mm/s。
6.根据权利要求3所述的熔喷方法，其特征在于，所述激光(3a)为带状，对所述熔体(1a)照射所述激光(3a)包括：
使所述激光(3a)同时照射从多个所述喷丝孔(12a)挤出的所述熔体(1a)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的熔喷方法，其特征在于，所述激光(3a)的功率为0.35W至2.45W。
8.一种熔喷装置，其特征在于，包括：
熔体供给单元(1)，其包括熔体供给源(11)和熔喷模头(12)，用于从所述熔喷模头(12)的喷丝孔(12a)挤出熔体(1a)；
供气单元(2)，其用于产生气流，以牵伸所述熔体(1a)；以及
激光单元(3)，其包括激光源(31)，其用于发出激光(3a)，以照射并加热从所述喷丝孔(12a)挤出的所述熔体(1a)。
9.根据权利要求8所述的熔喷装置，其特征在于，所述激光单元(3)还包括振镜(33)，所述激光(3a)的光路经过所述振镜(33)，
所述喷丝孔(12a)的数量为多个，多个所述喷丝孔(12a)并排地布置，
所述振镜(33)使所述激光(3a)沿所述喷丝孔(12a)的排列方向扫描。
10.根据权利要求8所述的熔喷装置，其特征在于，所述激光单元(3)还包括柱面透镜，所述激光(3a)的光路经过所述柱面透镜，
所述喷丝孔(12a)的数量为多个，多个所述喷丝孔(12a)并排地布置，
所述柱面透镜使所述激光(3a)同时照射从多个所述喷丝孔(12a)挤出的所述熔体(1a)。
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|---|---|---|---|
| CN202210787207.2A CN115012048A (zh) | 2022-07-04 | 2022-07-04 | 熔喷方法及熔喷装置 |
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