CN115216851B - 一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，主要包括热风枪、温度传感器、气流控制阀、导线、喷头、智能温控仪、加热线圈、微波型温度传感器、高压静电发生器、旋风空气放大器、收集辊子、调节螺栓、收集电机支撑架、收集电机、滑块、电极板、哈夫块、挤出机、安装架、连接管和接地电极，其中喷头由尖端、中心进气管、间隙熔膜外壳、熔体流道外壳、气流引导层、喷头外壳、气体分配器内层、气体分配器外层、气体分配器密封圈和连接管密封圈组成，本发明采用喷头倒置的放置方式，解决传统喷头在纺丝过程中会出现的滴料、漏料问题，中心气流与外侧环形气流的流量比例可以无级调节，满足对纤维不同的拉伸、聚拢效果，纤维进一步细化。

Description

一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种聚合物熔体静电纺丝装置，特别是涉及一种具有倒置喷头的熔体微分静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，静电纺丝作为制备聚合物连续纳米纤维最有前景的工艺方法，受到学术界和工业界的普遍重视。静电纺丝的基本过程是:聚合物溶液或熔体，在高压静电场下克服表面张力产生带电射流，溶液或熔体射流在喷射过程中固化，最终落在接收装置上形成纤维。

与溶液静电纺丝相比，熔体静电纺丝具有适用性广、无毒无污染以及产品转化率高等优点，使其在过滤、生物医药等领域具有广阔的应用前景。同时，熔体电纺也存在纤维直径较粗、装置相对复杂等缺陷。

无论是溶液还是熔体静电纺丝技术，纤维细度和纺丝产量始终是其产业化进程中的制约因素，溶液静电纺丝纤维直径细，但效率低，而熔体静电纺丝虽然效率高，但纤维直径较粗，如何在保证纤维细度的前提下提高纺丝产量是一大难点。

目前关于熔体静电纺丝要解决的另一关键问题就是使微米级的纤维直径进一步减小至百纳米级(亚微米级)，并且进一步提高其生产效率使其工业化。

1981年Larrondo和Manley首次报道了熔融高聚物的静电纺丝技术，他们设计的熔体静电纺丝装置是熔体经过活塞挤出，电纺纤维收集距离3cm，用该装置电纺PP，成功制取了直径为50微米左右的纤维。

捷克的利贝雷茨科技大学利用狭缝式设备，实现了无喷头多根纤维的制备，但是其稳定性仍需要继续探索，并且单排纤维的产量很低。

美国专利US20090121379A1提出了电辅助熔喷和热风辅助的电纺丝方法，将热空气的高速拉伸和电场力的不稳定细化作用结合起来，通过热风吹拉的作用提高了单根丝的射流速度，再附加电场力的作用，使得纤维细度达到了200nm左右，但是该专利中使用的喷头仍然是毛细管，而且实施例只针对了溶液纺丝，对熔体纺丝只提出了方法，对于工业化应用仍有其局限性。

中国发明专利一种熔体微分静电纺丝喷头(申请号201310159570.0)中采用内锥面喷头加中间热风辅助的结构，该结构提高了静电纺丝的效率，但内锥面上熔体受重力作用，在尖端部位熔体薄膜较厚，直接导致纤维的直径较粗，并且在高速气流的扰动下，使得尖端的熔体薄膜分布不均，导致纤维直径大小分布不均匀，甚至导致纤维中液滴的产生。

发明内容

本发明为解决在喷头尖端处熔体分布不均以及纤维直径细化、纤维聚拢的问题，提出一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置。喷头处的中心高速热气流和外侧环形热气流共同作用，使纤维固化时间变长，在风力拉伸作用下，纤维更细，中心高速气流形成的局部负压对纤维有聚拢作用，旋风空气放大器在其下部形成局部负压，对纤维有拉伸作用，使其进一步细化。喷头倒置，熔体自下向上流动，可使熔体在喷头尖端处分布更均匀，纺丝过程更加稳定。

为了实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，主要包括热风枪、温度传感器、气流控制阀、导线、喷头、智能温控仪、加热线圈、微波型温度传感器、高压静电发生器、旋风空气放大器、收集辊子、调节螺栓、收集电机支撑架、收集电机、滑块、电极板、哈夫块、挤出机、安装架、连接管和接地电极，其中喷头由尖端、中心进气管、间隙熔膜外壳、熔体流道外壳、气流引导层、喷头外壳、气体分配器内层、气体分配器外层、气体分配器密封圈和连接管密封圈组成，加热线圈位于喷头外壳外侧，对喷头进行加热，喷头外壳与气流引导层用螺纹连接，熔体流道外壳与间隙熔膜外壳用螺纹连接，尖端与中心进气管用螺纹连接，中心进气管安装于熔体流道外壳内部，两者之间采用过渡配合，防止中心进气管转动和装偏错位，中心进气管、熔体流道外壳及喷头外壳三者的轴线重合，中心进气管与气体分配器内层的顶部采用过盈配合，气体分配器内层与气体分配器外层采用间隙配合，气体分配器内层和气体分配器外层可以相对转动，气体分配器外层与喷头外壳之间有气体分配器密封圈；气体分配器内层的底部与气流控制阀通过螺纹连接，气流控制阀与热风枪通过螺纹连接，热风枪出口处安装有温度传感器；熔体流道外壳外侧底部的突起与连接管通过螺纹连接，连接管与喷头外壳之间通过连接管密封圈进行密封，连接管与挤出机通过哈夫块相连；微波型温度传感器安装于安装架上，镜头对准尖端，通过非接触的方式测量尖端的温度；喷头与接地电极相连，接收电极板固定在喷头正上方一定距离处，接收电极板与高压静电发生器的高压正极端子相连；热风枪、加热线圈、温度传感器及微波型温度传感器与智能温控仪相连。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，尖端外侧周向均匀分布四个菱形突起，突起与间隙熔膜外壳内侧相接触，在减少突起对熔体流动影响的同时，保证尖端与间隙熔膜外壳的对中性；间隙熔膜外壳外侧周向均匀分布四个菱形突起，突起与气流引导层内侧相接触，在减少突起对热气流流动影响的同时，保证间隙熔膜外壳与气流引导层的对中性。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，尖端外侧靠近顶部处周向均匀分布十二个沟槽，可以引导熔体流动，沟槽距离尖端顶部有一定的距离，保证熔膜的形成，有利于熔体在尖端均匀稳定地形成泰勒锥。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，气体分配器分为内、外两层，气体分配器内层的底部与气流控制阀通过螺纹连接，角度固定，内层和外层之间采用间隙配合，内、外层可以相对转动，气体分配器的内、外层均开孔，可以使气流通过，气体分配器外层上有把手，通过把手可以调整内、外层之间的相对角度，改变气孔重合面积，进而调整中心气流和外侧环形气流的流量比例。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，当气体分配器内、外层相对角度为0°时，内、外层气孔重合面积最大，此时中心气流与外侧环形气流的流量比例最小，当内、外层相对角度为30°时，气孔重合面积为零，此时中心气流流量最大，外侧环形气流流量为零，在放置喷头的安装架上开槽，使其可以容纳气体分配器外层上的把手，气体分配器外层的转动角度被安装架上所开的槽限制在0°-30°之间，中心气流与外侧环形气流的流量比例可以无级调节，在安装架的底面，靠近开槽的位置标注刻度，用于标示气体分配器内、外层相对转动的角度。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，气流辅助装置是由热风枪、气流控制阀、气体分配器内层、气体分配器外层、中心进气管、尖端、熔体流道外壳、喷头外壳、间隙熔膜外壳、气流引导层组成，中心进气管的气体流道轴线平行于竖直轴线，间隙熔膜外壳以及气流引导层的母线均需要与喷头尖端外壁面相交。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，热风枪置于喷头正下方，与喷头同轴，热风枪具有加热功能，气流温度调节通过控制热风枪的加热系统来实现，气流流量调节通过调整气流控制阀来实现。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，喷头外壳外壁套有加热线圈，对喷头进行加热，保持熔体温度。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，尖端为金属，这样尖端上聚集的电荷与纤维所带电荷为同种电荷，从而减少纤维在尖端上的附着，使其更多地落在收集辊子上。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，间隙熔膜外壳和气流引导层的高度要小于尖端，间隙熔膜外壳和气流引导层的顶部都要进行倒角处理，以突出尖端的尖端效应。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，尖端、间隙熔膜外壳、气流引导层均可更换，可以有多种不同材质、锥角的选择，以适应不同的熔体材料及制品要求。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，喷头尖端外锥面母线与竖直轴线的角度范围为0-45°，角度大于45°，外侧环形气流无法作用于熔膜，角度范围优选10-30°，该条件下外侧环形气流对纤维有良好的牵伸细化效果。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，尖端外壁面与间隙熔膜外壳内壁面形成间隙，使熔体在间隙内流动，在尖端处沿周向分布均匀。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，中心进气管外侧设有熔体分配器，尽可能使熔体流动距离保持一致，保持喷头出口处各点速度一致，纺出的纤维更均匀。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，中心进气管与气体分配器相连，通过气体分配器的高速热气流，大部分气流通过中心进气管从尖端吹出，剩余部分气流可通过气体分配器的开孔进入熔体流道外壳外壁与喷头外壳内壁之间的间隙，并从间隙熔膜外壳外壁与气流引导层内壁之间的间隙吹出，改变间隙熔膜外壳和气流引导层的锥角可以控制环形气流吹出的角度。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，旋风空气放大器可产生高速旋转气流，在其出风口形成局部负压，对纤维产生聚拢作用，使纤维落入旋风空气放大器，同时旋风空气放大器中的高速气流可以对纤维进行拉伸。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，喷头的中心进气管通入热风枪吹出的加热高速气流，纤维在高速气流的作用下被进一步拉伸细化，同时中心高速气流在纤维束中心形成负压区，再加上外侧环形气流沿一定角度向中心吹出，有利于纤维细化及聚拢。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，电极板和收集辊子的竖直高度可通过滑块与调节螺栓进行调整，从而调节喷头、电极板及收集辊子之间的距离，近距离接收时纤维形成丝束，中距离接收时纤维形成致密的无纺布，远距离接收时纤维形成蓬松的纤维膜。

由以上技术方案可知，本发明一种熔体微分静电纺丝装置与现有技术相比具有如下优点：

1.采用喷头倒置的放置方式，可以克服重力的作用，使熔体在尖端处分布更均匀，纺出的纤维直径更均匀。

2.采用喷头倒置的放置方式，即便供料量增大使尖端处熔体过多，中心气流形成的局部负压以及外侧环形气流产生的向内包覆的作用会避免熔体溢出，解决了传统喷头在纺丝过程中会出现的滴料、漏料问题。

3.尖端顶部外侧周向均匀分布十二个沟槽，可以引导熔体流动，沟槽距离尖端顶部有一定的距离，保证熔膜的形成，有利于熔体在尖端均匀稳定地形成泰勒锥。

4.气体分配器可以调整中心气流和外侧环形气流的流量比例，满足对纤维不同的拉伸、聚拢效果。

5.采用中心气流与外侧环形气流共同配合的设计，使纤维在受到电场力作用的同时，在高速气流的作用下进行牵伸，进一步细化纤维。

6.外层环形气流与中心高速气流会形成压力差，对纱线有一个聚拢作用。

7.采用将喷头接地，电极板接高压电的方式，可以有效避免高压电对喷头电器元件的影响。

8.尖端、间隙熔膜外壳、气流引导层均可更换，适应性好，可以适应不同熔体以及不同参数的要求。

9.该装置结构简单，操作方便，适合实验室研究及产业化应用。

附图说明

图1为本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置的整体结构与示意图；

图2为本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置的喷头结构剖视图；

图3为本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置的气体分配器结构示意图；

图4为本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置的尖端示意图；

图5为本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置的安装架底面示意图；

图6为本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置的安装架底面Ⅰ局部放大图。

图中：1-热风枪，2-温度传感器，3-气流控制阀，4-导线，5-喷头，501-气体分配器密封圈，502-喷头外壳，503-熔体流道外壳，504-气流引导层，505-间隙熔膜外壳，506-尖端，507-中心进气管，508-连接管密封圈，509-气体分配器外层，510-气体分配器内层，6-智能温控仪，7-加热线圈，8-纤维，9-微波型温度传感器，10-高压静电发生器，11-旋风空气放大器，12-收集辊子，13-调节螺栓，14-收集电机支撑架，15-收集电机，16-滑块，17-电极板，18-哈夫块，19-挤出机，20-安装架，21-连接管，22-接地电极。

具体实施方式

本发明采用的技术方案如下：一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，如图1所示，包括热风枪1、温度传感器2、气流控制阀3、导线4、喷头5、智能温控仪6、加热线圈7、微波型温度传感器9、高压静电发生器10、旋风空气放大器11、收集辊子12、调节螺栓13，收集电机支撑架14、收集电机15、滑块16、电极板17、哈夫块18、挤出机19、安装架20、连接管21和接地电极22。其中喷头5由尖端506、中心进气管507、间隙熔膜外壳505、熔体流道外壳503、气流引导层504、喷头外壳502、气体分配器内层510、气体分配器外层509、气体分配器密封圈501和连接管密封圈508组成，加热线圈7位于喷头外壳502外侧，对喷头5进行加热，如图2所示，喷头外壳502与气流引导层504用螺纹连接，熔体流道外壳503与间隙熔膜外壳505用螺纹连接，尖端506与中心进气管507用螺纹连接，中心进气管507安装于熔体流道外壳503内部，两者之间采用过渡配合，防止中心进气管507转动和装偏错位，中心进气管507、熔体流道外壳503及喷头外壳502三者的轴线重合，中心进气管507与气体分配器内层510的顶部采用过盈配合，气体分配器内层510与气体分配器外层509采用间隙配合，如图3所示，气体分配器内层510和气体分配器外层509可以相对转动，气体分配器外层509与喷头外壳502之间有气体分配器密封圈501；气体分配器内层510的底部与气流控制阀3通过螺纹连接，气流控制阀3与热风枪1通过螺纹连接，热风枪1出口处安装有温度传感器2；熔体流道外壳503外侧底部的突起与连接管21通过螺纹连接，连接管21与喷头外壳502之间通过连接管密封圈508进行密封，连接管21与挤出机19通过哈夫块18相连；微波型温度传感器9安装于安装架20上，镜头对准尖端506，通过非接触的方式测量尖端506的温度；喷头5与接地电极22相连，接收电极板17固定在喷头5正上方一定距离处，接收电极板17与高压静电发生器10的高压正极端子相连；热风枪1、加热线圈7、温度传感器2及微波型温度传感器9与智能温控仪6相连。

本发明一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，工作时，打开热风枪1，热气流经过气流控制阀3进入喷头5，并被气体分配器内层510和气体分配器外层509分成中心热气流和外侧环形热气流，对喷头5进行加热，温度传感器2和微波型温度传感器9控制其加热温度；待尖端506的温度升至设定温度时，打开挤出机19，向料斗中加入物料，物料在螺杆的作用下输送，经过连接管21进入喷头5；物料在喷头5处受热熔融，在压力作用下向喷头5上部流动，并在熔体环形流道中分布均匀；在压力的作用下，熔体向上流动至尖端506处，尖端506外侧分布的沟槽可以引导熔体流动，见图4所示，熔体流出沟槽后继续形成均匀的熔膜，有利于熔体在尖端均匀稳定地形成泰勒锥；通过转动气体分配器外层509，可以调整中心热气流和外侧环形热气流的流量比例，在安装架20底面标注的刻度可用于标示气体分配器外层509转动的角度，见图5和图6所示；打开高压静电发生器10，使得电极板17与尖端506之间形成静电场，熔体在电场和气流场的共同作用下形成泰勒锥，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥会产生射流，形成纤维8；打开旋风空气放大器11，使其形成局部负压，从而对纤维8产生引力，使纤维8通过旋风空气放大器11，并在高速气流的作用下进行牵伸，进一步细化纤维8，通过调整滑块16和调节螺栓13，可以控制喷头5与电极板17和收集辊子12之间的距离，从而生产不同种类的制品。

Claims (10)

1.一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：主要包括热风枪、温度传感器、气流控制阀、导线、喷头、智能温控仪、加热线圈、微波型温度传感器、高压静电发生器、旋风空气放大器、收集辊子、调节螺栓、收集电机支撑架、收集电机、滑块、电极板、哈夫块、挤出机、安装架、连接管和接地电极，其中喷头由尖端、中心进气管、间隙熔膜外壳、熔体流道外壳、气流引导层、喷头外壳、气体分配器内层、气体分配器外层、气体分配器密封圈和连接管密封圈组成，加热线圈位于喷头外壳外侧，对喷头进行加热，喷头外壳与气流引导层用螺纹连接，熔体流道外壳与间隙熔膜外壳用螺纹连接，尖端与中心进气管用螺纹连接，中心进气管安装于熔体流道外壳内部，两者之间采用过渡配合，防止中心进气管转动和装偏错位，中心进气管、熔体流道外壳及喷头外壳三者的轴线重合，中心进气管与气体分配器内层的顶部采用过盈配合，气体分配器内层与气体分配器外层采用间隙配合，气体分配器内层和气体分配器外层可以相对转动，气体分配器外层与喷头外壳之间有气体分配器密封圈；气体分配器内层的底部与气流控制阀通过螺纹连接，气流控制阀与热风枪通过螺纹连接，热风枪出口处安装有温度传感器；熔体流道外壳外侧底部的突起与连接管通过螺纹连接，连接管与喷头外壳之间通过连接管密封圈进行密封，连接管与挤出机通过哈夫块相连；喷头与接地电极相连，接收电极板固定在喷头正上方一定距离处，接收电极板与高压静电发生器的高压正极端子相连；热风枪、加热线圈、温度传感器及微波型温度传感器与智能温控仪相连。

2.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：微波型温度传感器安装于安装架上，镜头对准尖端，通过非接触的方式测量尖端的温度。

3.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：尖端外侧周向均匀分布四个菱形突起，突起与间隙熔膜外壳内侧相接触，间隙熔膜外壳外侧周向均匀分布四个菱形突起，突起与气流引导层内侧相接触。

4.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：尖端外侧靠近顶部处周向均匀分布十二个沟槽，沟槽距离尖端顶部有一定的距离。

5.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：气体分配器分为内、外两层，气体分配器内层的底部与气流控制阀通过螺纹连接，角度固定，内层和外层之间采用间隙配合，内、外层可以相对转动，气体分配器的内、外层均开孔，可以使气流通过，气体分配器外层上有把手，通过把手可以调整内、外层之间的相对角度，改变气孔重合面积，进而调整中心气流和外侧环形气流的流量比例。

6.根据权利要求5所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：气体分配器内、外层相对角度为0°-30°之间，中心气流与外侧环形气流的流量比例可以无级调节，在安装架的底面，靠近开槽的位置标注刻度，用于标示气体分配器内、外层相对转动的角度。

7.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：尖端为金属，尖端上聚集的电荷与纤维所带电荷为同种电荷。

8.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：间隙熔膜外壳和气流引导层的高度要小于尖端，间隙熔膜外壳和气流引导层的顶部都要进行倒角处理，以突出尖端的尖端效应。

9.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：喷头尖端外锥面母线与竖直轴线的角度范围为10-30°。

10.根据权利要求1所述的一种气流辅助的喷头倒置的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于：中心进气管与气体分配器相连，通过气体分配器的高速热气流，大部分气流通过中心进气管从尖端吹出，剩余部分气流通过气体分配器的开孔进入熔体流道外壳外壁与喷头外壳内壁之间的间隙，并从间隙熔膜外壳外壁与气流引导层内壁之间的间隙吹出，改变间隙熔膜外壳和气流引导层的锥角可以控制环形气流吹出的角度。