CN116219563A - 一种纳米纤维纺丝喷嘴 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种纳米纤维纺丝喷嘴，包括：喷丝板、基板和气流加速板；基板以及气流加速板均对称设置于喷丝板两侧，喷丝板的中心设有熔融体流道；气流加速板位于喷丝板和基板下方且内部设有气流加速通道；其中，喷丝板外侧的第一倾斜壁面和基板内侧的第二倾斜壁面之间形成气流通道，气流通道与供气腔相连通。本申请通过将喷丝板与气板之间气流通道的壁面形状设置成拉瓦尔喷嘴结构，从而增加气流通道上的气流速度；同时气流加速通道的平行喉道将喉道延长，能够减少射流的动量损失，能够维持较长距离较高的气流速度和气流温度，能够使气流更加平稳，从而使纤维能够更加稳定地更大程度地牵伸，最终有利于得到均匀超细的纳米纤维。

Description

一种纳米纤维纺丝喷嘴

技术领域

本申请属于非织造熔喷设备技术领域，具体涉及一种纳米纤维纺丝喷嘴。

背景技术

非织造布又称无纺布，作为近几十年出现的新型纺纺织布料，凭借着其良好的透气性和舒适性，熔喷无纺布的应用前景非常广阔，占据了纺织品市场的大部分份额。而非织造纺织布生产所采用的熔喷技术是纺织工业中重要的领域，熔喷法是制备超细纤维非织造布的重要方法。熔喷工艺中，高速高温气流吹喷熔融聚合物，并使其快速拉伸，形成超细纤维，将熔融的聚合物沉积在离模具有段距离的筛网成粘结成非织造材料。

熔喷喷嘴是熔喷非织造设备中核心的部件，高速高温气体通过熔喷喷嘴气流通道对聚合物熔体产生强烈的牵伸力，将其拉伸成微米级甚至纳米级熔喷纤维。喷嘴下方的流场不仅决定最终熔喷纤维的直径，而且对熔喷纤维的分子链取向度和结晶度等内部结构有很大影响，进而影响纤维强度。不同结构的喷嘴会产生不同的气流场，进而影响纤维的成丝过程。而喷嘴内部气流通道结构形式及尺寸也是影响流场与能耗的重要因素。

新型的熔喷喷嘴可以让聚合物熔体被喷出的高速气流实现拉伸细化，替代传统具有内壁面为平行结构的熔喷喷嘴，如图5所示。在熔喷非织造加工中，聚合物熔体是被高速高温气流拉伸成超细纤维的，喷射喷嘴的结构形式、流场的速度、温度分布和气流稳定性等对聚合物拉伸和最终纤维直径有重要影响。

有关学者将拉瓦尔喷嘴(如图1)运用到了熔喷工艺中，比如，中国专利CN104947208B公开了制备纳米纤维的喷丝装置及纺丝装置，其结构如图2所示，喷丝装置包括一喷管，在该喷管内设置有拉法尔管形内孔，在该拉法尔管形内孔的喉部连通有进液口，拉法尔管形内孔的一端为喷丝口，在法尔管形内孔的另一端为进气口，这种结构使得纺丝熔体或纺丝溶液触碰拉瓦尔喷嘴结构并部分粘于窄喉部或扩张段，导致纺丝过程无法连续，从而影响纺丝质量；中国专利CN113355753B公开了一种超音速纺丝喷头结构，其结构如图3所示，拉瓦尔气流加速通道由上至下包括通道宽度由大至小逐渐减缩的减缩段通道、喉部通道、和通道宽度由小至大逐渐扩张的扩张段通道，对于每个超音速气流发生组件，扩张段通道的高度不低于喷丝孔的高度。在喉部通道附近，气流速度能达到超音速，然而在出丝孔正下方中心线上的气流速度很难得到有效提高，其扩张段通道的高度不低于喷丝孔的高度时，拉瓦尔气流喉部通道中出来的气体急速地衰弱减小，到达出丝孔正下方中心线上的气流速度增长不明显，需要消耗较高的能量才可达到理想效果。如图4所示为相关学者的现有的熔喷结构，亚音速的高温高速气流从喷气孔喷出后汇合加速在喷丝孔下方形成超音速牵伸气流。然而，高温高速气流汇合进入扩张段的超音速牵伸气流，其气流压强变化较大且极度不稳定，使得气流牵伸作用力极度不稳定，纺丝纤维很容易粘连至喉部及扩张段内壁处，这些缺陷致使纺丝过程无法连续，粘连的纤维堆积进一步加剧气流的不稳定性，如此循环往复极大地影响纺丝效率及其产品质量。

发明内容

本申请提供一种纳米纤维纺丝喷嘴，以解决纺丝过程无法连续生产，同时纤维粘连的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：一种纳米纤维纺丝喷嘴，包括：喷丝板、基板和气流加速板；基板以及气流加速板均对称设置于喷丝板两侧，喷丝板的中心设有熔融体流道；气流加速板位于喷丝板和基板下方且内部设有气流加速通道；其中，喷丝板外侧的第一倾斜壁面和基板内侧的第二倾斜壁面之间形成气流通道，气流通道与供气腔相连通。

进一步，气流通道和气流加速通道均设置为轴对称的拉瓦尔喷嘴结构，气流通道的中轴与熔融体流道的中轴呈固定角度设置。

进一步，气流通道包括气流稳流区、气道收缩区、气流喉道、气道扩展区和气流缓冲区，气流稳流区和气流缓冲区呈圆柱形；气流稳流区和气流缓冲区之间的横截面两侧呈圆弧形，其中，圆弧收缩的部位为气道收缩区，圆弧扩张的部位为气道扩展区，圆弧之间距离最小的部分为气流喉道。

进一步，气流加速通道包括气流汇合稳定区、下气道收缩区、平行喉道和下气道扩展区，气流汇合稳定区为圆柱形，且气流汇合稳定区的边缘与第二倾斜壁面下部端点重合，下气道收缩区的横截面两侧为对称且收缩的圆弧线设置，平行喉道的横截面两侧平行设置，下气道扩展区的横截面两侧为对称且扩张的圆弧设置。

进一步，熔融体流道下方的出丝孔与气流通道连通；其中，第一倾斜壁面与第二倾斜壁面对称设置。

进一步，出丝孔的高度高于基板的下端。

进一步，气流加速板通过螺栓固接于基板底端，且出丝孔位于气流加速通道上方，气流加速通道与气流通道连通。

本申请的有益效果是：本申请通过将喷丝板与气板之间气流通道的壁面形状设置成拉瓦尔喷嘴结构，从而增加气流通道上的气流速度；同时气流加速通道的平行喉道将喉道延长，能够减少射流的动量损失，能够维持较长距离较高的气流速度和气流温度，能够使气流更加平稳，从而使纤维能够更加稳定地更大程度地牵伸，减少粘连，最终有利于得到均匀超细的纳米纤维。

附图说明

图1为拉瓦尔喷嘴结构示意图；

图2为现有喷丝装置结构的结构示意图；

图3为一种现有超音速纺丝喷头结构的结构示意图；

图4为一种现有拉瓦尔喷嘴熔喷装置的结构示意图；

图5为现有的传统熔喷模头示意图；

图6是本申请的纳米纤维纺丝喷嘴一实施例的结构示意图；

图7是本申请的纳米纤维纺丝喷嘴一实施例的工作结构示意图；

图8是本申请的纳米纤维纺丝喷嘴另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图6-7所示，图6是本申请的纳米纤维纺丝喷嘴一实施例的结构示意图；图7是本申请的纳米纤维纺丝喷嘴一实施例的工作结构示意图。该纳米纤维纺丝喷嘴，包括：喷丝板1、基板2和气流加速板3；基板2以及气流加速板3均对称设置于喷丝板1两侧，喷丝板1的中心设有熔融体流道101；气流加速板3位于喷丝板1和基板2下方且内部设有气流加速通道5；其中，喷丝板1外侧的第一倾斜壁面102和基板2内侧的第二倾斜壁面202之间形成气流通道4，气流通道4与供气腔7相连通。上述设计中的气流加速通道5的平行喉道将喉道延长，能够减少射流的动量损失，能够维持较长距离较高的气流速度和气流温度，能够使气流更加平稳，从而使纤维能够更加稳定地更大程度地牵伸。

气流通道4设置为轴对称的拉瓦尔喷嘴结构，气流通道4的中轴与熔融体流道101的中轴呈固定角度设置。上述设计中的气流通道4可以将通过倾斜的拉瓦尔喷嘴结构，从而提高气流速度。

气流通道4包括气流稳流区415、气道收缩区414、气流喉道413、气道扩展区412和气流缓冲区411，气流稳流区415和气流缓冲区411呈圆柱形；气流稳流区415和气流缓冲区411之间的横截面两侧呈圆弧形，其中，圆弧收缩的部位为气道收缩区414，圆弧扩张的部位为气道扩展区412，圆弧之间距离最小的部分为气流喉道413。上述设计中的喷丝板1与气板之间气流通道4的壁面形状设置成拉瓦尔喷嘴结构，从而增加气流通道4上的气流速度。

气流加速通道5包括气流汇合稳定区501、下气道收缩区502、平行喉道503和下气道扩展区504，气流汇合稳定区501为圆柱形，且气流汇合稳定区501的边缘与第二倾斜壁面202下部端点重合，下气道收缩区502的横截面两侧为对称且收缩的圆弧线设置，平行喉道503的横截面两侧平行设置，下气道扩展区504的横截面两侧为对称且扩张的圆弧设置。上述设计中的气流加速通道5可以进一步加速气流。

熔融体流道101下方的出丝孔103与气流通道4连通；其中，第一倾斜壁面102与第二倾斜壁面202对称设置。上述设计中的出丝孔103正下方加装了一气流加速板3，其内部结构为拉瓦尔气流加速通道5，气流加速通道5气流汇合稳定区501的平行线段的起点与喷丝板1内侧的倾斜壁面下部的端点重合，较大程度地减小了反向回流区的反向速度和气流的不稳定，削弱了回流现象对熔融聚合物的不利影响。

出丝孔103的高度高于基板2的下端。上述设计可以便于从出丝孔103挤出的熔融聚合物向前牵伸细化，从而加快熔融聚合物的冷却成型，进入气流加速通道5。

气流加速板3通过螺栓6固接于基板2底端，且出丝孔103位于气流加速通道5上方，气流加速通道5与气流通道4连通。上述设计中的气流加速通道5使得中间再次得到高速高温气流，从而气流牵引着纤维向着气流加速板3内部的气流加速通道5前进。

具体工作原理，在熔喷加工过程中，高速高温气体由外部供气设备进入供气腔7流入气流通道4，高速高温气流在进入气流通道4时，首先进入气流稳流区415，使气流均匀减少紊流，接着气流进入气道收缩区414，使得气流加速,同时保证收缩段的出口气流均匀、平直且稳定，接着进入气流喉道413，将气流由亚音速转变为超音速的过渡段，随后进入气道扩张区412再到气流缓冲区411，将气流加速到超音速甚至超高音速，紧接着气流会迅速衰减，速度减小，同时另一边对称的气流通道4中射出的也高速高温气体，在出丝孔103处两道气流汇合，对出丝孔103挤出的熔融聚合物向前牵伸细化，为了能够再次得到高速高温气流，出丝孔103下方不远处在加速板中再设置一拉瓦尔喷嘴结构，从而气流牵引着纤维向着气流加速板3内部的气流加速通道5前进，两股气流汇合后进入到气流加速通道5的气流汇合稳定区501，使汇合后气流均匀并减少紊流，接着气流进入下气道收缩区502，使气流加速,同时保证收缩段的出口气流均匀、平直且稳定，接着进入平行气流喉道503，气流速度继续上升为超音速，在此平行喉道内能够气流处于较长的距离内保持高速高温状态，有利于气流对纤维的细化拉伸，最后气流进入下气道扩展区504，使气流进一步加速后衰减从气流出口处射出。

如图8所示，图8是本申请的纳米纤维纺丝喷嘴另一实施例的结构示意图。气流通道4中也可以设置两个上下依次连接的拉瓦尔喷嘴结构，第二拉瓦尔喷嘴42和第一拉瓦尔喷嘴41结构相同，尺寸不同，第二拉瓦尔喷嘴42位于第一拉瓦尔喷嘴41的上方，第二拉瓦尔喷嘴42的气道扩展区412末端和第一拉瓦尔喷嘴41的气流稳流区415上部的进气端相连接。高速高温的气流从外部供气设备进入供气腔7，再流入第二气流通道4，实现第一次气流加速，气流进入到第一气流通道4，实现第二次气流加速，然后与另一侧面的气流通道4的高速高温气流汇合进入气流加速板3中，气流实现第三次加速，最终从气流加速板3的出口处射出。

通过在气流通道4中设置多个拉瓦尔喷嘴结构，使得气流速度得到大幅提升，气流温度得到较长时间的保持，气流更加均匀平稳，使得更大的动能和较高的热量作用在熔融体上，进而使较高的气流速度和温度能够有效减小纤维的直径，利于获得均匀的纳米纤维。

实施例1

从喷丝板1熔融体流道101中的出丝孔103处挤出熔融聚合物体，同时高速高温气流从喷丝板11两侧的气流通道4中的出口端喷射汇合，高速高温气流对熔喷细丝进行拉伸细化。

本实施例中的喷丝模头为普通熔喷模头，如图5所示，具体尺寸值，气道角为60°，气槽的出口宽度为0.6mm，，喷丝头顶部宽度f＝1mm，气槽上部入口气体的压力为1.3atm，壁面温度540K,气体温度为500K。经过模拟分析，沿着熔融体运动的中心线方向上，最大气流速度为175m/s，在距离喷丝孔顶部25mm范围内的纤维拉伸区域，气体的平均速度为105.8m/s，气体平均温度为421K。

实施例2

从喷丝板1熔融体流道101的出丝孔103处挤出熔融聚合物，同时高速高温气流从喷丝板1右侧的气流通道4和左侧的气流通道4中的出口端喷射汇合，高速高温气流对熔喷细丝进行拉伸细化。

本实施例中的喷丝模头结构，本实施例中的模头是未安装加速板3且为单个拉瓦尔喷嘴气流通道的情况下，气流缓冲区411的长度为0.5mm,宽度为2.5mm,气流喉道413的宽度为2mm，气道收缩区414的长度为5mm，气流稳流区415的宽度为7.5mm，长度为5mm；气槽上部入口气体的压力为1.3atm，壁面温度540K,气体温度为500K。经过模拟分析，沿着熔融体运动的中心线方向上，最大气流速度为264.6m/s，在距离喷丝孔顶部25mm范围内的纤维拉伸区域，气体的平均速度为227.7m/s，气体平均温度为502K，本实施例中的模头结构比实施例1中传统模头的最大气流速度提高了51.2％，主拉伸区的平均速度提高了115.2％，平均气体温度提高了19.2％。

实施例3

从喷丝板1熔融体流道101的出丝孔103处挤出熔融聚合物，同时高速高温气流从喷丝板1右侧的气流通道和左侧的气流通道中的出口端喷射汇合，高速高温气流对熔喷细丝进行拉伸细化，并进入到气流加速板3的气流加速通道5中进一步细化纤维，最终得到均匀的纳米纤维。

本实施例中的喷丝模头结构，如图6所示，本实施例中的模头是安装加速板且为单个拉瓦尔喷嘴气流通道的情况下，气流缓冲区411411的长度为0.5mm,宽度为2.5mm,气流喉道413413的宽度为2mm，气道收缩区414的长度为5mm，气流稳流区415的宽度为7.5mm，长度为5mm，气流汇合稳定区501长度为3mm，宽度为2.14mm，下气道收缩区502长度为3mm，平行喉道503长度为11mm，宽度为1.5mm，下气道扩展区504长度为12.4mm，其出口段宽度为2.5mm；气槽上部入口气体的压力为1.3atm，壁面温度540K,气体温度为500K。经过模拟分析，沿着熔融体运动的中心线方向上，最大气流速度为442.8m/s，在距离喷丝孔顶部25mm范围内的纤维拉伸区域，气体的平均速度为327.2m/s，气体平均温度为506K，本实施例中的模头结构比实施例1中传统模头的最大气流速度提高了152.6％，主拉伸区平均速度提高了209.3％，平均气体温度提高了20.2％。

实施例4

从喷丝板1熔融体流道101的出丝孔103处挤出熔融聚合物，同时高速高温气流从喷丝板1右侧的第一气流通道、第二气流通道和左侧的第三气流通道、第四气流通道中的出口端喷射汇合，高速高温气流对熔喷细丝进行拉伸细化，并进入到气流加速板3的气流加速通道5中进一步细化纤维，最终得到均匀的纳米纤维。

本实施例中的喷丝模头结构，如图8所示，本实施例中的模头是安装加速板且为双个拉瓦尔喷嘴气流通道的情况下，第一拉瓦尔气道41气流缓冲区411的长度为1mm,宽度为1mm,气流喉道413的宽度为0.8mm，气道收缩区414的长度为2mm，气流稳流区415的宽度为2.5mm，长度为2mm，第二拉瓦尔气道42的气流扩展区412长度为1.7mm，气流喉道413的宽度为2mm，气道收缩区414的长度为5mm，气流稳流区415的宽度为7.5mm，长度为5mm，气流汇合稳定区501长度为3mm，宽度为2.14mm，下气道收缩区502长度为3mm，平行喉道503长度为11mm，宽度为1.5mm，下气道扩展区504长度为12.4mm，其出口段宽度为2.5mm；气槽上部入口气体的压力为1.3atm，壁面温度540K,气体温度为500K。经过模拟分析，沿着熔融体运动的中心线方向上，最大气流速度为576.5m/s，在距离喷丝孔顶部25mm范围内的纤维拉伸区域，气体的平均速度为264.2m/s，气体平均温度为509K，本实施例中的模头结构比实施例1中传统模头的最大气流速度提高了229.4％，主拉伸区的平均速度提高了149.2％，平均气体温度提高了20.9％。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，包括：

喷丝板、基板和气流加速板；

所述基板以及所述气流加速板均对称设置于所述喷丝板两侧，所述喷丝板的中心设有熔融体流道；所述气流加速板位于所述喷丝板和基板下方且内部设有气流加速通道；其中，所述喷丝板外侧的第一倾斜壁面和所述基板内侧的第二倾斜壁面之间形成气流通道，所述气流通道与供气腔相连通。

2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，所述气流通道和所述气流加速通道均设置为轴对称的拉瓦尔喷嘴结构，所述气流通道的中轴与所述熔融体流道的中轴呈固定角度设置。

3.根据权利要求2所述的一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，所述气流通道包括气流稳流区、气道收缩区、气流喉道、气道扩展区和气流缓冲区，所述气流稳流区和所述气流缓冲区呈圆柱形；所述气流稳流区和气流缓冲区之间的横截面两侧呈圆弧形，其中，圆弧收缩的部位为所述气道收缩区，圆弧扩张的部位为所述气道扩展区，圆弧之间距离最小的部分为所述气流喉道。

4.根据权利要求2所述的一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，所述气流加速通道包括气流汇合稳定区、下气道收缩区、平行喉道和下气道扩展区，所述气流汇合稳定区为圆柱形，且所述气流汇合稳定区的边缘与所述第二倾斜壁面下部端点重合，所述下气道收缩区的横截面两侧为对称且收缩的圆弧线设置，所述平行喉道的横截面两侧平行设置，所述下气道扩展区的横截面两侧为对称且扩张的圆弧设置。

5.根据权利要求3所述的一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，所述熔融体流道下方的出丝孔与所述气流通道连通；其中，所述第一倾斜壁面与所述第二倾斜壁面对称设置。

6.根据权利要求5所述的一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，所述出丝孔的高度高于所述基板的下端。

7.根据权利要求5所述的一种纳米纤维纺丝喷嘴，其特征在于，所述气流加速板通过螺栓固接于所述基板底端，且所述出丝孔位于所述气流加速通道上方，所述气流加速通道与所述气流通道连通。

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