CN116536779A - 一种环形中继熔体静电纺丝装置及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于静电纺丝技术领域，公开了一种环形中继熔体静电纺丝装置及调控方法。通过调节纺丝喷头上螺钉对喷头上组件和喷头下组件之间的间隙大小进行调节，调节初始熔体层厚度进而调节熔体供给量，与施加电压配合对纤维产出量和纤维直径等参数进行调控。所述螺钉的旋入深度调节范围0.5‑5mm。本发明可以实现对同一层熔体薄层的上和下两个方向同时纺丝，两个方向纺丝共用一层熔体薄层，本发明可以平衡熔体薄层和纤维直径的矛盾关系，在现有熔体挤出技术及熔体薄层分布条件下实现纤维直径的进一步降低和纤维产出效率的提高。
Description
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，尤其涉及一种环形中继熔体静电纺丝装置及调控方法。
背景技术
静电纺丝法是一种使带电荷的聚合物溶液或者熔体在静电场中形成射流来制备聚合物超细纤维的加工方法。在外加电场下，高分子液滴在电场诱导作用下表面聚集电荷，从而受到与表面张力相反的电场力，当电场力逐渐增强，高分子液滴由球状被拉长为锥状形成所谓的“泰勒锥”。当电场强度继续增加到临界值时，高分子液滴受到的电场力克服表面张力形成射流，射流下落过程中随着溶剂挥发或者熔体冷却固化形成纤维并以随机的方式散落在收集装置上形成无纺布。
静电纺丝法制成的无纺布具有孔隙率高，比表面积大、纤维精细程度与均一性高、长径比大等优点，具有广泛的应用潜力。根据纺丝介质的不同，静电纺丝法可以分为溶液和熔体静电纺丝两种，溶液静电纺丝不需要加热温控装置，设备较简单，但是溶剂占比大，纤维产出效率低且溶剂挥发易带来环境问题。熔体静电纺丝法原材料全部转化为纤维，效率高，是一种具有产业化前景的超细纤维制备技术。
由于熔体粘度大，导致采用静电纺丝法所制备的纤维直径一般较粗，因此，如何在有效降低纤维直径的基础上进一步提高纤维产出效率是实现熔体静电纺丝产业化的关键问题之一。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有技术熔体静电纺丝法在批量化制备纤维中的产出效率低和纤维直径较粗；(2)现有技术一层熔体薄层纺一次丝，想要降低纤维直径就必须要降低熔体薄层的厚度，但是由于熔体的高粘度特性，以及通过高精度设备实现微量挤出也比较困难，导致降低熔体薄层厚度非常困难且存在极限值，因此，通过降低熔体薄层厚度来降低熔体电纺纤维直径存在技术瓶颈。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种环形中继熔体静电纺丝装置及调控方法。
所述技术方案如下：一种环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，包括：
通过调节纺丝喷头中螺钉对喷头上组件和喷头下组件之间的间隙大小进行调节，调节初始熔体层厚度进而调节熔体供给量，与施加电压配合对纤维产出量和纤维直径等参数进行调控。
在一个实施例中，所述螺钉的旋入深度调节范围为0.5-5mm。
在一个实施例中，施加电压包括：高压静电发生器二输出的高压静电电压5-30kV，高压静电发生器一和高压静电发生器三输出极性与高压静电发生器二相同输出的电压50-100kV，或输出极性与高压静电发生器二相反电压5-50kV。
在一个实施例中，所述的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法进一步包括：
S1，环形中继体直接带电，使纺丝喷头的喷头下组件凸出环形边缘感应带电，在环形边缘处周向均匀分布的初始熔体层被极化带电后分化形成稳定均匀多股射流，射流受到电场力吸引作用朝向环形中继体内侧表面，使熔体在环形中继体内侧表面均匀平铺形成熔体薄层；
S2，通过在环形中继体的上、下环形边缘表面形成聚集电荷进而实现环形中继体上、下两面的均匀稳定纺丝。
本发明的另一目的在于提供一种环形中继熔体静电纺丝装置，该装置设置有上电极板，所述上电极板套设在纺丝喷头外侧并与纺丝喷头同轴布置，上电极板置于环形中继体上部，环形中继体与纺丝喷头同轴布置并且套设在纺丝喷头外侧；环形中继体左侧与进气管连通连接，右侧与出气管连通连接，进气管和出气管同时作为环形中继体的支架使环形中继体保持悬空位置；
下电极板与纺丝喷头同轴布置并置于纺丝喷头下部，上电极板与高压静电发生器一连接，环形中继体与高压静电发生器二连接，下电极板高压静电发生器三连接，纺丝喷头接地。
在一个实施例中，所述纺丝喷头由喷头上组件、喷头下组件和螺钉组成，沿周向均匀分布的4个螺钉将喷头上组件和喷头下组件连接在一起并使喷头上组件和喷头下组件之间留有一定距离的间隙，此间隙大小通过调节螺钉的旋入深度来进行调节。
在一个实施例中，喷头上组件为圆柱回转体结构，中心有熔体通道，顶端为加料孔，底端为膨大半球形结构，喷头下组件为半球形结构，喷头下组件上表面比喷头上组件下表面直径大1-10mm，纺丝喷头为金属导电材质；
在一个实施例中，聚合物熔体通过加料孔进入喷头上组件，熔体通过喷头上组件中心通道进入喷头上组件和喷头下组件之间的间隙中形成均匀初始熔体层，打开高压静电发生器二，调节电压，环形中继体带电，喷头下组件上表面边缘凸出形成环形尖端，且靠近环形中继体内表面，环形尖端形成密集感应电荷，环形尖端上分布的初始熔体层被极化形成极化电荷，极化电荷与环形中继体上电荷极性相反，异性相吸，极化电荷受到的吸引力超过熔体表面张力后，聚合物熔体自组织形成均匀多熔体射流朝向环形中继体内侧表面，并在环形中继体内侧表面均匀分布形成熔体薄层；
高温气流从气流入口进入，通过进气管进入环形中继体内部空间，高温气流沿着环形中继体环绕后从出气管的气流出口排出，打开高压静电发生器一和高压静电发生器三，输出极性与高压静电发生器二相同，或输出极性与高压静电发生器二相反，环形中继体上、下表面环形尖端处形成集中感应电荷，吸引环形中继体内侧表面的初始熔体层分别向上、下表面环形尖端流动并激发形成稳定均匀多溶体射流分别向上、下电极板表面喷射，熔体射流在喷射过程中冷却形成纤维并被上电极板、下电极板吸引。
在一个实施例中，环形中继体整体为圆环形结构，横截面为圆形管状，环形中继体左侧与进气管连通连接，右侧与出气管连通连接，进气管和出气管同时作为环形中继体的支架使环形中继体保持悬空位置，进气管另一端为气流入口，出气管另一端为气流出口。
在一个实施例中，下电极板为圆形板状结构，下电极板与纺丝喷头同轴布置并置于纺丝喷头下部，电极板与高压静电发生器一连接，环形中继体与高压静电发生器二连接，下电极板与高压静电发生器三连接，纺丝喷头接地。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明目的在于解决熔体静电纺丝法在批量化制备纤维中的产出效率低和纤维直径粗等问题，提出一种环形中继熔体静电纺丝装置及方法，通过静电射流的方法将熔体喷射到环形中继体表面，使熔体在环形中继体表面均匀平铺形成熔体薄层，然后通过在环形中继体的上、下环形边缘表面形成聚集电荷进而实现环形中继体上、下两面的均匀稳定纺丝。
本发明可以实现对同一层熔体薄层的上和下两个方向同时纺丝，两个方向纺丝共用一层熔体薄层，以往的技术都是一层熔体薄层纺一次丝，想要降低纤维直径就必须要降低熔体薄层的厚度，但是由于熔体的高粘度特性，以及通过高精度设备实现微量挤出也比较困难，导致降低熔体薄层厚度非常困难且存在极限值，因此，通过降低熔体薄层厚度来降低熔体电纺纤维直径存在技术瓶颈，本发明可以平衡熔体薄层和纤维直径的矛盾关系，在现有熔体挤出技术及熔体薄层分布条件下实现纤维直径的进一步降低和纤维产出效率的提高。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的环形中继熔体静电纺丝装置示意图；
图2是本发明实施例提供的纺丝喷头示意图；
图3是本发明实施例提供的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法流程图；
图中：1-纺丝喷头，2-上电极板，3-环形中继体，4-进气管，5-出气管，6-下电极板，7-熔体射流，8-纤维，9-高压静电发生器一，10-高压静电发生器二，11-高压静电发生器三，101-喷头上组件，102-螺钉，103-喷头下组件，104-加料孔，105-初始熔体层，401-气流入口，501-气流出口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1，如图1、图2所示，本发明实施例提供的环形中继熔体静电纺丝装置包括：纺丝喷头1、上电极板2、环形中继体3、进气管4、出气管5、下电极板6、熔体射流7、纤维8、高压静电发生器一9、高压静电发生器二10、高压静电发生器三11、喷头上组件101、螺钉102、喷头下组件103、加料孔104、初始熔体层105、气流入口401、气流出口501。
其中，上电极板2为中心带圆孔的环形板状结构零件，上电极板2材质为铜等金属导电材质，上电极板2套设在纺丝喷头1外侧并与纺丝喷头1同轴布置，上电极板2置于环形中继体3上部，与环形中继体3中心截面高度差为50-200mm；环形中继体3与纺丝喷头1同轴布置并且套设在纺丝喷头1外侧，环形中继体3中心截面与初始熔体层105下表面置于同一平面，环形中继体3整体为圆环形结构，横截面为圆形管状，环形中继体3左侧与进气管4连通连接，右侧与出气管5连通连接，进气管4和出气管5同时作为环形中继体3的支架使环形中继体保持悬空位置，环形中继体3为铜等金属导电材质，进气管4和出气管5为聚四氟乙烯等耐热绝缘材质，进气管4另一端为气流入口401，出气管5另一端为气流出口501；
下电极板6为圆形板状结构，材质为铜等金属导电材质，下电极板6与纺丝喷头1同轴布置并置于纺丝喷头1下部，与环形中继体3高度差为50-200mm；上电极板2与高压静电发生器一9连接，环形中继体3与高压静电发生器二10连接，下电极板6与高压静电发生器三11连接，纺丝喷头1接地。纺丝喷头1由喷头上组件101、喷头下组件103和螺钉102组成，沿周向均匀分布的4个螺钉102将喷头上组件101和喷头下组件103连接在一起并使喷头上组件101和喷头下组件103之间留有一定距离的间隙，此间隙大小可以通过调节螺钉102的旋入深度来进行调节，调节范围为0.5-5mm，间隙调节尺寸与熔体粘度和所需纤维8直径相关，在所需同等直径纤维8时，粘度高的高分子材料熔体则需要间隙开口较大，因为粘度大的熔体流动性较差，为了便于熔体流出则需要开口较大，此间隙调控范围是为适应大部分高分子材料熔体粘度所设；在熔体粘度固定而需要改变纤维8直径时可以通过改变间隙大小实现，缩小间隙则熔体供给速率变小，熔体薄层厚度变小则纤维8变细，反之则对应纤维8变粗。
在本发明实施例中，喷头上组件101为圆柱回转体结构，中心有熔体通道，顶端为加料孔104，底端为膨大半球形结构，喷头下组件103为半球形结构，喷头下组件103上表面比喷头上组件101下表面直径大1-10mm，纺丝喷头1为铜等金属导电材质。
聚合物熔体通过加料孔104进入喷头上组件101，熔体通过喷头上组件101中心通道进入喷头上组件101和喷头下组件103之间的间隙中形成均匀初始熔体层105，打开高压静电发生器二10，调节电压至5-30kV，环形中继体3直接带电，由于喷头下组件103上表面比喷头上组件101下表面直径大，喷头下组件103上表面边缘凸出形成环形尖端，且靠近环形中继体3内表面，环形尖端形成密集感应电荷，环形尖端上分布的初始熔体层105被极化形成极化电荷，极化电荷与环形中继体3上电荷极性相反，异性相吸，极化电荷受到的吸引力超过熔体表面张力后，聚合物熔体自组织形成均匀多熔体射流7朝向环形中继体3内侧表面，并在环形中继体3内侧表面均匀分布形成熔体薄层；高温气流从气流入口401进入，通过进气管4进入环形中继体3内部空间，高温气流沿着环形中继体3环绕后从出气管5的气流出口501排出，高温气流用以保持环形中继体3的温度以使其上部的初始熔体层105保持良好流动状态，然后打开高压静电发生器一9和高压静电发生器三11，输出极性与高压静电发生器二10相同，调节其输出电压为50-100kV；也可以输出极性与高压静电发生器二10相反，调节其输出电压为5-50kV，此时环形中继体3上、下表面环形尖端处形成集中感应电荷，进而吸引环形中继体3内侧表面的初始熔体层105分别向上、下表面环形尖端流动并激发形成稳定均匀多溶体射流7分别向上、下电极板6表面喷射，熔体射流7在喷射过程中冷却形成纤维8并被上、下电极板6吸引。
喷头上组件101和喷头下组件103之间的间隙大小通过螺钉102进行调节，进而调节初始熔体层105厚度以达到调节熔体供给量的目的，与施加电压配合最终实现对纤维8产出量和纤维8直径等产品参数的调控。
实施例2，将聚丙烯(PP)熔体从加料孔104通入喷头上组件101，熔体在喷头上组件101和喷头下组件103的间隙形成初始熔体层105，调节初始熔体层105厚度为2mm，在气流入口401通入260℃高温气流，高温气流用以使环形中继体3的表面温度维持在250℃左右，打开高压静电发生器二10，调节其电压至15kV，此时从初始熔体层105环形边缘处形成约30股均匀稳定射流并喷射至环形中继体3内侧表面，在环形中继体3内侧表面形成聚丙烯熔体薄膜，同时打开高压静电发生器一9和高压静电发生器三11，调节高压静电发生器一9电压为45kV，调节高压静电发生器三11的电压为70kV，此时环形中继体3的上、下表面环形尖端各形成均匀稳定的约120根纤维8分别喷射至上、下电极板6的表面进行收集，纤维8直径范围为600nm-1μm，该技术可以实现在提高纤维8产出效率的同时降低纤维8平均直径并实现纤维8直径可调，可实现熔体静电纺丝超细纤维8批量化制备。
实施例3，本发明实施例提供一种环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，包括：
通过调节纺丝喷头1中螺钉102对喷头上组件101和喷头下组件103之间的间隙大小进行调节，调节初始熔体层105厚度进而调节熔体供给量，与施加电压配合对纤维8产出量和纤维8直径产品参数的调控。
所述螺钉102的旋入深度调节范围为0.5-5mm。
施加电压包括：高压静电发生器二10输出的高压静电电压5-30kV，高压静电发生器一9和高压静电发生器三11输出极性与高压静电发生器二10相同输出的电压50-100kV，或输出极性与高压静电发生器二10相反电压5-50kV。
如图3所示，本发明实施例提供的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法包括：
S1，环形中继体3直接带电，使纺丝喷头1的喷头下组件103凸出环形边缘感应带电，在环形边缘处周向均匀分布的初始熔体层105被极化带电后分化形成稳定均匀多股射流7，射流7受到电场力吸引作用朝向环形中继体3内侧表面，使熔体在环形中继体3内侧表面均匀平铺形成熔体薄层；
S2，通过在环形中继体3的上、下环形边缘表面形成聚集电荷进而实现环形中继体3上、下两面的均匀稳定纺丝。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
实验表明：本发明所述技术方案转化后可以应用于微纳米纤维的批量化生产，用于高效稳定生产聚合物材料的微纳米纤维，微纳纤维材料在汽车、医疗和航空等多个领域已得到广泛应用，未来市场前景广阔。纳米纤维技术还有很多有待开发的潜力，未来将会有更多应用领域出现。本发明可以实现同一时间内一层熔体薄层的两次静电纺丝，在增加纤维产出效率的同时降低纤维直径。
本发明解决了静电纺丝行业纤维生产效率和直径不能兼顾的技术难题。本发明克服了静电纺丝技术一次只能朝一个方向纺丝的技术偏见。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，其特征在于，该方法包括：
通过调节纺丝喷头(1)中螺钉(102)对喷头上组件(101)和喷头下组件(103)之间的间隙大小进行调节，调节初始熔体层(105)厚度进而调节熔体供给量，与施加电压配合对纤维(8)产出量和纤维(8)直径参数进行调控。
2.根据权利要求1所述的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，其特征在于，所述螺钉(102)的旋入深度调节范围为0.5-5mm。
3.根据权利要求1所述的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，其特征在于，施加电压包括：高压静电发生器二(10)输出的高压静电电压5-30kV，高压静电发生器一(9)和高压静电发生器三(11)输出极性与高压静电发生器二(10)相同输出的电压50-100kV，或输出极性与高压静电发生器二(10)相反电压5-50kV。
4.根据权利要求1所述的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，其特征在于，所述的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法进一步包括：
S1，环形中继体(3)直接带电，使纺丝喷头(1)的喷头下组件(103)凸出环形边缘感应带电，在环形边缘处周向均匀分布的初始熔体层(105)被极化带电后分化形成稳定均匀多股射流(7)，射流(7)受到电场力吸引作用朝向环形中继体(3)内侧表面，使熔体在环形中继体(3)内侧表面均匀平铺形成熔体薄层；
S2，通过在环形中继体(3)的上、下环形边缘表面形成聚集电荷进而实现环形中继体(3)上、下两面的均匀稳定纺丝。
5.一种环形中继熔体静电纺丝装置，其特征在于，实施权利要求1-4任意一项所述的环形中继熔体静电纺丝装置的调控方法，该装置设置有上电极板(2)，所述上电极板(2)套设在纺丝喷头(1)外侧并与纺丝喷头(1)同轴布置，上电极板(2)置于环形中继体(3)上部，环形中继体(3)与纺丝喷头(1)同轴布置并且套设在纺丝喷头(1)外侧；环形中继体(3)左侧与进气管(4)连通连接，右侧与出气管(5)连通连接，进气管(4)和出气管(5)同时作为环形中继体(3)的支架使环形中继体(3)保持悬空位置；
下电极板(6)与纺丝喷头(1)同轴布置并置于纺丝喷头(1)下部，上电极板(2)与高压静电发生器一(9)连接，环形中继体(3)与高压静电发生器二(10)连接，下电极板(6)与高压静电发生器三(11)连接，纺丝喷头(1)接地。
6.根据权利要求5所述的环形中继熔体静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝喷头(1)由喷头上组件(101)、喷头下组件(103)和螺钉(102)组成，沿周向均匀分布的4个螺钉将喷头上组件(101)和喷头下组件(103)连接在一起并使喷头上组件(101)和喷头下组件(103)之间留有一定距离的间隙，此间隙大小通过调节螺钉(102)的旋入深度来进行调节。
7.根据权利要求6所述的环形中继熔体静电纺丝装置，其特征在于，喷头上组件(101)为圆柱回转体结构，中心有熔体通道，顶端为加料孔(104)，底端为膨大半球形结构，喷头下组件(103)为半球形结构，喷头下组件(103)上表面比喷头上组件(101)下表面直径大1-10mm，纺丝喷头(1)为金属导电材质。
8.根据权利要求6所述的环形中继熔体静电纺丝装置，其特征在于，聚合物熔体通过加料孔(104)进入喷头上组件(101)，熔体通过喷头上组件(101)中心通道进入喷头上组件(101)和喷头下组件(103)之间的间隙中形成均匀初始熔体层(105)，打开高压静电发生器二(10)，调节电压，环形中继体(3)带电，喷头下组件(103)上表面边缘凸出形成环形尖端，且靠近环形中继体(3)内表面，环形尖端形成密集感应电荷，环形尖端上分布的初始熔体层(105)被极化形成极化电荷，极化电荷与环形中继体(3)上电荷极性相反，异性相吸，极化电荷受到的吸引力超过熔体表面张力后，聚合物熔体自组织形成均匀多熔体射流(7)朝向环形中继体(3)内侧表面，并在环形中继体(3)内侧表面均匀分布形成熔体薄层；
高温气流从气流入口(401)进入，通过进气管(4)进入环形中继体(3)内部空间，高温气流沿着环形中继体(3)环绕后从出气管(5)的气流出口(501)排出，打开高压静电发生器一(9)和高压静电发生器三(11)，输出极性与高压静电发生器二(10)相同，或输出极性与高压静电发生器二(10)相反，环形中继体(3)上、下表面环形尖端处形成集中感应电荷，吸引环形中继体(3)内侧表面的初始熔体层(105)分别向上、下表面环形尖端流动并激发形成稳定均匀多溶体射流(7)分别向上、下电极板(6)表面喷射，熔体射流(7)在喷射过程中冷却形成纤维(8)并被上电极板(2)、下电极板(6)吸引。
9.根据权利要求6所述的环形中继熔体静电纺丝装置，其特征在于，环形中继体(3)整体为圆环形结构，横截面为圆形管状，环形中继体(3)左侧与进气管(4)连通连接，右侧与出气管(5)连通连接，进气管(4)和出气管(5)同时作为环形中继体(3)的支架使环形中继体(3)保持悬空位置，进气管(4)另一端为气流入口(401)，出气管(5)另一端为气流出口(501)。
10.根据权利要求6所述的环形中继熔体静电纺丝装置，其特征在于，下电极板(6)为圆形板状结构，下电极板(6)与纺丝喷头(1)同轴布置并置于纺丝喷头(1)下部，电极板(2)与高压静电发生器一(9)连接，环形中继体(3)与高压静电发生器二(10)连接，下电极板(6)与高压静电发生器三(11)连接，纺丝喷头(1)接地。
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