CN116695266A - 气流牵伸系统、包含该气流牵伸系统的装置及应用 - Google Patents

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CN116695266A CN202310995657.5A CN202310995657A CN116695266A CN 116695266 A CN116695266 A CN 116695266A CN 202310995657 A CN202310995657 A CN 202310995657A CN 116695266 A CN116695266 A CN 116695266A
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Abstract

本发明公开了一种气流牵伸系统、包含该气流牵伸系统的装置及应用，气流牵伸系统包括自上而下间距排列的第一空气发生器、第一辐射式加热器、第二空气发生器；连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置由自上而下间距排列的纺丝系统、气流牵伸系统、上油系统和收卷系统（用于纳米纤维长丝收集）组成；应用即采用连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置制备热塑性聚合物纳米纤维预取向丝。本发明利用空气发生器形成负压区对纳米纤维进行多级气流牵伸，利用辐射式加热器对纤维进行加热，保证纳米纤维在牵伸过程中连续不分散、不断裂，使得纤维得到充分的拉伸，提高纤维的力学性能。

Description

气流牵伸系统、包含该气流牵伸系统的装置及应用
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，具体涉及一种气流牵伸系统、包含该气流牵伸系统的装置及应用。
背景技术
静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展并运行相当长的距离，最终固化成纤维，被认为是目前连续制备纳米长丝纤维最为高效的技术路线；静电纺丝这种特殊的纤维制造工艺可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。
专利CN106835387B公开了一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法，包括金属圆形靶和导纱杆，所述金属圆形靶中心和绝缘杆的一端相连，所述绝缘杆由电机Ⅰ驱动旋转，所述导纱杆前部金属尖端对准金属圆形靶中心，所述导纱杆和纱筒相互垂直布置，所述纱筒由电机Ⅱ驱动旋转，所述金属圆形靶、绝缘杆、电机Ⅰ、导纱杆布置在同一条中心直线上，所述金属圆形靶和导纱杆的左右两侧布置有相互对称的喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ，所述喷丝头Ⅰ和高压静电正极接线柱相连，所述喷丝头Ⅱ和高压静电负极接线柱相连；该发明主要通过自动输液装置向各喷丝头，分别连接高压静电正极与负极，形成的射流搭接在金属圆形靶与导纱杆前部金属尖端之间，得到取向纳米纤维束，驱动与绝缘杆相连的金属圆形靶转动，实现对取向纳米纤维束的加捻成纱线，卷绕在纱筒上，实现连续的取向纳米纤维束不间断生产。该发明虽然制备出了纳米纤维纱线，然而纤维成型过程中是通过静电的相互作用吸附加捻成股的，单根纤维没有进行取向拉伸，纤维最终的力学性能不好。
专利CN115110160B公开了一种静电纺丝装置及纳米纤维的制备方法，包括喷丝头、旋风气流辅助装置和高压静电发生器；喷丝头上喷丝孔的孔壁自喷丝孔的最下端向下延伸形成针状结构的延伸部；旋风气流辅助装置内设环向风腔和出气孔，环向风腔内导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，环向风腔的腔壁表面连接静电发生器，与喷丝头之间形成高压电场；聚合物熔体或溶液通过针状结构的喷丝孔，在异形高压电场与涡旋气流场的作用下拉伸、收集，制备出单根纤维直径为200~2000nm的纳米纤维长丝。该发明实现了单台静电纺丝设备的溶液静电纺丝法与熔体静电纺丝法的一体化应用，纳米纤维长丝制备过程连续、稳定，减少了纳米纤维断头与毛丝现象，该发明中使用的旋风气流辅助装置，其通过产生旋风气流对纤维进行一段拉伸加捻后进行收卷，但纤维加捻后具有了一定捻度，部分纤维就无法进行充分的拉伸；同时，旋风气流会对熔体产生初步凝固成非熔体状态的初生纤维，此时高分子链被冻结，纤维更加无法进一步的牵伸；这些缺点使得该发明制得的纤维出现拉伸不充分的问题，力学性能仍有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的技术问题，提供一种气流牵伸系统、包含该气流牵伸系统的装置及应用。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
气流牵伸系统，包括自上而下间距排列的第一空气发生器、第一辐射式加热器和第二空气发生器；
第一空气发生器由外管a、内管a和供气装置a组成；外管a和内管a均竖直布置；
内管a位于外管a内，内管a的上端与外管a的上端齐平且密封连接，内管a的其它位置与外管a不接触，内管a的下端位于外管a的下端的上方；内管a与外管a共同围成气体流道a，气体流道a自上而下先收窄再扩张；
气体流道a的顶部与供气装置a连通；
第一辐射式加热器内设有竖直布置的辐射室；
第二空气发生器的结构同第一空气发生器，第二空气发生器的气体流道a内气体流量大于第一空气发生器的气体流道a内气体流量；
第一辐射式加热器的辐射室位于第一空气发生器的内管a的中空部分的正下方，同时位于第二空气发生器的内管a的中空部分的正上方。
专利CN115110160A公开了一种气流牵伸系统，即旋风气流辅助装置，其通过产生旋风气流对纤维进行一段拉伸加捻后直接收卷，其存在纤维拉伸不充分的问题，主要原因在于：纤维加捻后部分纤维不能进行更充分拉伸；熔体凝固成初生纤维后，高分子链被冻结，纤维无法进一步的牵伸；
本发明在气流牵伸过程中，通过上下游的空气流速调节纤维的牵伸倍数，纤维牵伸倍数是通过上下两个空气发生器的风速大小进行调节的，例如，纤维先进入风速为V0的第一空气发生器中，再通过第一辐射式加热器加热到牵伸温度T0，再进入风速为V1的第二空气发生器中，纤维进入第一空气发生器后被加速到相应的速度V0纤维，纤维进入第二空气发生器后被加速到相应的速度V1纤维，通过调节第一、第二空气发生器中的风速大小可控制纤维的牵伸倍数N，N=（V1纤维-V0纤维）/V0纤维；
本发明的气流牵伸系统中所有的空气发生器的上端产生负压往下进气，下端向下吹气，保证纳米纤维在牵伸过程中连续不分散、不加捻，避免由于纤维具有一定的捻度，不利于后序拉伸，工作原理为：气体经供气装置a送入气体流道a后，气体先以一定速度进入气体流道a的收窄段，在此过程中气体流道a的截面逐渐减小，气流流速逐渐增大，当气体在窄部达到最大速度后，到达临界点，截面减小气流不会再加速，此时气体再以一定速度进入气体流道a的扩张段，可以让气体上方的压力减少，瞬间释放，气体的横截面变大，从而起到加速的效果，气流流速升高，由于文丘里效应，气流在出口的后侧形成一个“真空”区，从而使得内管a的上端能够形成负压区，对纳米纤维产生一定的吸附作用；本发明的空气发生器对现有技术的旋风气流辅助装置进行了优化，可产生向下的平行气流，通过结构优化增大了内管a的上端的负压，通过较小的气压产生较大的负压，对纳米纤维进行集束；
现有技术在纤维经过静电场力牵伸之后，已形成初生纤维而非熔体状态，难以对纤维进一步的牵伸，本发明在相邻两个空气发生器之间设置辐射式加热器后，可对纤维进行加热，冻结的高分子链受热活动，采用上下两端的气流速度差对纳米纤维进行牵伸，牵伸过程中高分子链舒展，纤维沿牵伸方向取向，得到了进一步地拉伸。
作为优选的技术方案：
如上所述的气流牵伸系统，第一空气发生器中，内管a的壁厚均匀，内管a由自上而下顺序排列A段、B段和C段组成，A段和C段均为倒圆台状结构，B段为圆台状结构；B段的上端内径同A段的下端内径，B段的下端内径同C段的上端内径；
外管a由自上而下顺序排列的a段、b段、c段和d段组成，a段和c段的中空部分均为倒圆台状结构，b段和d段的中空部分均为圆柱状结构；a段的下端内径以及c段的上端内径均同b段的内径，c段的下端内径同d段的内径；
c段和d段相交的位置与A段和B段相交的位置齐平；a段的内壁与A段的外壁密封连接；C段的下端位于d段的下端的上方；
b段上设有气流入口，气体流道a的顶部通过气流入口与供气装置a连通。
第一空气发生器的结构如此设计使得：①气体流道a的收窄段整体呈V形，可降低气流在气体流道a的收窄段的阻力，同时避免气流在气体流道a内形成湍流；②走丝通道的入口为喇叭口，有利于对喷头出来向下的纤维进行收集；③气体流道a的出口平行于轴线向下，可对纤维进行气流速度的方向的平行牵伸；④气体流道a的出口沿腔体内壁避免气体在拉伸纤维过程中形成湍流。
如上所述的气流牵伸系统，第一空气发生器中，A段的上端内径为100-300mm，下端内径为40-200mm，高度为30-100mm；A段的上端内径设置合理，既可以避免由于A段的下端内径过大导致同等气流在上端面产生的负压较小，不利于纤维收集，又可以避免由于A段的上端内径过小导致的对应上端喷丝头的尺寸减小，纤维头数减少；
B段的高度为20-80mm；高度的合理设置，既可以避免由于B段的高度过高导致负压空气流道加长，气流易发生湍流，纤维在向下拉伸过程中不稳定，又可以避免由于B段的高度过小导致的内部气流通道较短，气流在通道中不能得到充分压缩；
C段的上端内径为50-220mm，下端内径为40-200mm，高度为10-60mm；上端的内径的合理设置，既可以避免由于上端的内径过小导致气流通道中的窄喉较大，气体流量较低，产生的负压较小，又可以避免由于下端的内径过小导致影响在纤维向下牵伸的丝路上影响纤维的稳定性；
内管a的壁厚为1-8mm；内管a的壁厚的合理设置，既可以避免由于内管a的壁厚过大导致气流出口处的壁厚不利于负压向下吸附纤维，又可以避免由于壁厚过小，导致气腔的内部不耐压，容易产生破裂；
a段的上端内径为100-300mm，下端内径为80-280mm，高度为5-20mm；a段的上端与A段的上端齐平；当a段的下端内径过大时，气源接口的厚度变薄，会导致接口牢固性差；当a段的下端内径过小时，接口接头占用内部腔体空间；当a段的高度过小时，内腔与外壁的连接部分过少，内外连接强度变低；
b段的高度为10-30mm；若b段的高度过低，气体进气口的接口缩小，不易连接；若b段的高度过高，其内部腔体变大，整体结构过大；
c段的下端内径为60-250mm，高度为15-50mm；若c段的上端内径过大，将使A段整体上端面变大，导致上端面的负压较小；若c段的上端内径过小，将导致内部腔体变小，不利于气流在通道中压缩；若c段的下端内径过大，其外壁会变薄，导致结构强度变差；若c段的下端内径过小，则内部气流向下时转向过窄，不利于气体流动；
d段的高度为15-100mm；若d段的高度过高，则整体工件变长，纤维将不能及时进入下一段处理工艺；若d段的高度过低，则气流在内部流动的距离变短，内部产生的负压会减小。
如上所述的气流牵伸系统，第二空气发生器的尺寸同第一空气发生器。
如上所述的气流牵伸系统，第一辐射式加热器与第一空气发生器的间距为20-50mm，第一辐射式加热器与第二空气发生器的间距为20-50mm；间距如此设置，既可以避免由于间距过大导致的纤维从空气发生器出来后，容易在辐射加热器上面堆积，从而导致断丝、出丝不畅，又可以避免由于间距过小导致纤维堆积在相邻两个器件中间难清理。
如上所述的气流牵伸系统，第一辐射式加热器由两块竖直布置、相对且间距排列的加热板组成；两块加热板的上下两端齐平，间距为20-50mm；间距如此设置，既可以避免由于间距过大导致的辐射距离增大，纤维受热不均匀，又可以避免由于间距过小导致的纤维通过辐射加热板时，气流抖动，纤维接触加热板熔融，造成断丝。
本发明通过两侧的加热板的热辐射对纤维进行加热，避免纤维与加热板之间的接触，防止纳米纤维摩擦断裂，同时保证上端空气发生器向下的气流可以通过，使纳米纤维在连续向下的气流中进行拉伸。
如上所述的气流牵伸系统，第一辐射式加热器的两个加热板的相对面为不锈钢面，或表面经过镀铬处理，如此可增加表面的光滑性。
如上所述的气流牵伸系统，还包括自上而下间距排列的第二辐射式加热器和第三空气发生器；
第二辐射式加热器的结构和尺寸同第一辐射式加热器，第三空气发生器的结构和尺寸同第二空气发生器，第三空气发生器的气体流道a内气体流量大于第二空气发生器的气体流道a内气体流量；
第二辐射式加热器的辐射室位于第二空气发生器的内管a的中空部分的正下方，同时位于第三空气发生器的内管a的中空部分的正上方；
第二辐射式加热器与第二空气发生器的间距为20-50mm，第二辐射式加热器与第三空气发生器的间距为20-50mm；间距如此设置，既可以避免由于间距过大导致的纤维从空气发生器出来后，容易在辐射加热器上面堆积，从而导致断丝、出丝不畅，又可以避免由于间距过小导致纤维堆积在相邻两个器件中间难清理。
如上所述的气流牵伸系统，还包括自上而下间距排列的第三辐射式加热器和第四空气发生器；
第三辐射式加热器的结构和尺寸同第二辐射式加热器；
第四空气发生器由外管b、内管b和供气装置b组成；外管b和内管b均竖直布置；
内管b位于外管b内，内管b的上端与外管b的上端齐平且密封连接，内管b的下端沿径向向外延伸形成挡板，挡板与外管b密封连接，内管b的下端位于外管b的下端的上方；内管b、外管b、挡板共同围成气体流道b，气体流道b自上而下先收窄再扩张；挡板上设有用于连通气体流道b与其下方空间的出气孔，出气孔倾斜向下，且与竖直方向呈30-60°的夹角，气流从出气孔以一定角度吹出，纤维通过后，在旋转向下的气流作用下，纤维加捻，相互之间更好的报合，有利于下一步的上油和卷绕生头；
气体流道b的顶部与供气装置b连通；
第四空气发生器的尺寸同第三空气发生器；
第三辐射式加热器的辐射室位于第三空气发生器的内管a的中空部分的正下方，同时位于第四空气发生器的内管a的中空部分的正上方；
第三辐射式加热器与第三空气发生器的间距为20-50mm，第三辐射式加热器与第四空气发生器的间距为20-50mm；间距如此设置，既可以避免由于间距过大导致的纤维从空气发生器出来后，容易在辐射加热器上面堆积，从而导致断丝、出丝不畅，又可以避免由于间距过小导致纤维堆积在相邻两个器件中间难清理。
如上所述的气流牵伸系统，第一空气发生器的气体流道a内气体流量为20-500L/min，第二空气发生器的气体流道a内气体流量为第一空气发生器的气体流道a内气体流量的1-2倍，第三空气发生器的气体流道a内气体流量为第二空气发生器的气体流道a内气体流量的1-2倍，第四空气发生器的气体流道b内气体流量不超1000L/min。
气体流量在最开始时流量设计小，保证纤维能够进入空气发生器，往后下一级的空气发生器气体流量递增，保证上一级空气发生器产生的气流能够及时抽走，同时在两个空气发生器之间形成牵伸比，对纳米纤维长丝进行拉伸，若上一级气流大于下一级气流会造成纤维不能顺利牵走，纤维不能进行有效牵伸。
如上所述的气流牵伸系统，还包括环状导丝器，环状导丝器位于第四空气发生器的下方，用于导丝，同时保证纤维在上油前集成一束，保证通过上油系统，使单根纳米纤维上油后可以相互抱合更充分；环状导丝器可采用摩擦系数小于0.1的四氟、尼龙、陶瓷等材质。
本发明还提供了一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，由自上而下间距排列的纺丝系统、气流牵伸系统、上油系统和收卷系统（用于纳米纤维长丝收集）组成；气流牵伸系统为如上任一项所述的气流牵伸系统。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，上油系统由供气装置a、油雾发生器和圆柱管组成；圆柱管竖直布置，具有夹层结构，且内壁上设有油雾排出孔；供气装置a、油雾发生器、圆柱管的夹层依次连通。
常规的上油方法主要是用油嘴或者油轮接触式上油，油液通过油嘴上的微孔喷出，然后浸润纤维。这种上油方式无法应用于纳米纤维长丝，纳米纤维单丝纤维强度低，纤维在接触油液前已经跟硬质的油嘴或油液产生了摩擦，单丝纤维极易拉断纤维受损，油嘴周围覆盖的短细纤维；其次，油嘴上油是纤维单面接触上油，上油的均匀性、油剂的侵入程度不高。
本发明通过压缩空气，将油雾发生器中的液体油剂雾化，通过管路将油雾送进具有夹层结构的圆柱管，油雾从圆柱管中的油雾排出孔吹出，吸附在纳米纤维表面，完成上油。
本发明的上油系统采用非接触式上油方式，增加纤维的集束性、平滑性及抗静电性能，能大大避免纳米纤维上油过程中的断丝、毛丝、毛絮的产生，提高生产效率及成品质量。
现有技术也有一些上油系统采用非接触式上油方式，其主要通过上口内壁的出油口喷出油雾对纤维上油，上口大，下口小内腔主体呈喇叭状，较适合熔体长丝的上油，而对于纳米纤维长丝，纤维强度低，纤维在纺丝气流牵伸过程中发生抖动或震动时，纤维易粘在上油腔内壁，造成断丝。
本发明将纤维的进出口设置成等径，以及在整个内壁设置油雾排出孔，通过向内腔喷出油雾，防止纳米纤维在腔体内壁的粘附。
如上所述的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，纺丝系统由熔体输送装置、过滤器、计量泵、喷丝头、高压电极板和高压静电发生器组成，熔体输送装置、过滤器、计量泵、喷丝头顺序连接，高压电极板位于喷丝头的下方且与高压静电发生器连接。
如上所述的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，熔体输送装置为微型多螺杆挤出机。
现有技术熔融静电纺丝采用的是柱塞式的进料方式或通过连杆进行二次吸入进料，此方式不能完全实现连续稳定的进料，每一柱塞筒之间存在批次差，难以连续化生产，同时原料在料筒中静置，受热易分解的聚合物容易在料筒中分解，因此对大部分聚合物纺丝不适合。例如CN201810326817.6公开了一种丝杆滑动柱塞式阶梯控温熔融静电纺丝设备，通过丝杆传动单元向熔融加热单元施加压力，使熔融物料从出料口喷丝头挤出，熔融物料在电场力作用下形成纺丝；CN201310288526.X公开了一种聚合物熔融静电纺丝装置，通过料筒内的活塞且与料筒滑动配合，推动料进行挤出；CN202210894613.9公开了一种熔融静电纺丝设备，通过设置上料机构，反向拉动活塞后，在气压的作用下，进料管内的熔融纺丝材料通过连接管能够推动翻板二被吸入注射管内，通过带动活塞移动，能够控制熔融纺丝材料排出以及添加，此加料过程可以做到一定程度的连续，但是活塞每次来回的行程存在一定断料空间，不能完全控制稳定进料。
现有技术熔融纺丝有使用螺杆挤出系统将物料输送到纺丝组件中，但目前现有实验生产过程中的螺杆基本为单螺杆挤出系统，螺杆直径大于25mm。如果将单螺杆挤出系统用于熔融静电纺丝将难以制得纳米纤维，因为纳米纤维本身纤维直径小，单位时间内的产量低，若采用常规的单螺杆挤出系统，输料量大，大量熔体进入纺丝组件后未来得及在电场力作用下形成泰勒锥射流，就在压力作用下直接挤出，类似常规熔融纺丝，形成的初生纤维较粗，需要靠后续热辊牵伸细化，纤维直径无法做到纳米级。
本发明在熔融静电纺丝时采用微型多螺杆挤出机（螺杆直径小于20mm，螺杆结构设有剪切段），可以保证不同形式（粉体、固体、在线添加等形式）的进料，同时微型多螺杆挤出机的高剪切力会使原料在螺杆中充分混炼剪切稀化，降低熔体的粘度，使熔体更容易在电场力作用下形成射流，形成的初生纤维直径较小，同时过滤器、计量泵可进行稳压保证进料的连续稳定。
本发明还提供了一种热塑性聚合物纳米纤维预取向丝，采用如上任一项所述的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置制得，具体过程为：将热塑性聚合物切片加入到熔体输送装置中加热到纺丝温度，依次经过滤器、计量泵从喷丝头（纺丝前端压力为0.1-1MPa，以保证熔体在喷丝头形成连续泰勒锥）熔融挤出，再通过喷丝头与高压电极板之间的电场力形成稳定射流，射流经过气流牵伸系统拉伸形成纤维束，纤维束通过上油系统上油后，通过收卷系统进行收卷，即得热塑性聚合物纳米纤维预取向丝；热塑性聚合物纳米纤维预取向丝的单丝平均直径为1μm以下，目前的常规纤维的单丝直径为12微米左右，细旦纤维长丝的单丝直径为6微米左右，本发明的长丝的单丝直径可以做到1微米以下，填补了现有技术的空白。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种热塑性聚合物纳米纤维预取向丝，热塑性聚合物纳米纤维预取向丝的单丝直径差值最大值为0.3-5μm，平均取向度为30%-40%，断裂伸长率为30%-60%；热塑性聚合物为聚酯、聚乳酸、PP等，现以热塑性聚合物切片为聚乳酸切片为例进行说明，聚乳酸切片为干燥后的聚乳酸切片，干燥过程为：将聚乳酸切片投入到真空干燥箱中，在50℃-130℃的条件下进行真空干燥4-20h；纺丝温度为190℃-230℃；纺丝电压为20-100KV；收卷速度为1000-5000m/min；聚乳酸纳米纤维预取向丝的取向度为5%-40%，单丝平均直径为200-1000nm。
有益效果：
本发明的装置中气体经供气装置a送入气体流道a后，气体先以一定速度进入气体流道a的收窄段，在此过程中气体流道a的截面逐渐减小，气流流速逐渐增大，当气体在窄部达到最大速度后，到达临界点，截面减小气流不会再加速，此时气体再以一定速度进入气体流道a的扩张段，可以让气体上方的压力减少，瞬间释放，气体的横截面变大，从而起到加速的效果，气流流速升高，由于文丘里效应，气流在出口的后侧形成一个“真空”区，从而使得内管a的上端能够形成负压区，对纳米纤维产生一定的吸附作用，保证纳米纤维在牵伸过程中连续不分散、不加捻利于后序拉伸；
本发明的装置包含四个自上而下间距排列的空气发生器，可进行多级气流牵伸；相邻两个空气发生器之间均设有一个辐射式加热器，可对纤维进行加热，冻结的高分子链受热活动，采用上下两端的气流速度差对纳米纤维进行牵伸，牵伸过程中高分子链舒展，纤维沿牵伸方向取向，得到了进一步地拉伸，不会使纤维断裂，保证纤维的拉伸效果，进而提高纤维的力学性能；
本发明的装置使用微型多螺杆挤出机将原料融化，可以保证不同形式（粉体、固体、在线添加等形式）的进料，同时微型多螺杆挤出机的高剪切力会使原料在螺杆中充分混炼剪切稀化，降低熔体的粘度，使熔体更容易在电场力作用下形成射流，形成的初生纤维直径较小，同时过滤器、计量泵可进行稳压保证进料的连续稳定；
本发明的装置在气流牵伸过程中，能够通过调节上下两个空气发生器的风速大小进而调节纤维的牵伸倍数；
本发明的装置中气流辅助牵伸同时作用在阶段和阶段，保证了纤维能够得到充分的拉伸，进而导致纤维的强度较高。
附图说明
图1为本发明中的第一空气发生器沿轴向的剖面结构示意图；图中箭头方向为气流运动方向；
图2为本发明中的第一辐射式加热器沿竖直向的剖面结构示意图；图中箭头方向为气流运动方向；
图3为本发明中的第四空气发生器沿轴向的剖面结构示意图；图中箭头方向为气流运动方向；
图4为本发明中的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置的结构示意图；
图5为本发明中的上油系统的结构示意图；
图6~7为本发明实施例1中第一空气发生器的尺寸示意图；
图8~9为本发明实施例2中第一空气发生器的尺寸示意图；
图10~11为本发明实施例3中第一空气发生器的尺寸示意图；
图12为本发明的喷丝孔为圆形孔时喷丝头的B部分的仰视图；其中，c为相邻两个喷丝孔出口的间距；
图13和图14为本发明的喷丝头的B部分的剖视图；其中，a为喷丝孔出口与倒圆台结构的小端边缘的距离，b为喷丝孔出口与圆锥结构的底面边缘的距离；
图15为本发明的喷丝孔为类扇面形时喷丝头的B部分的仰视图；其中，c为相邻两个喷丝孔出口的间距；
图16为本发明的喷丝头的剖视图；
其中，1-第一空气发生器，101-A段，102-B段，103-C段，104-a段，105-b段，106-c段，107-d段，108-气流入口，2-第一辐射式加热器，201-加热板，3-第二空气发生器，4-第二辐射式加热器，5-第三空气发生器，6-第三辐射式加热器，7-第四空气发生器，701-外管b，702-内管b，703-挡板，704-出气孔，8-环状导丝器，9-上油系统，10-收卷系统，11-熔体输送装置，12-喷丝头，13-高压电极板，14-计量泵，15-油雾发生器，16-圆柱管，17-油雾排出孔，18-滤网，19-滤网支撑件，20-熔体流道，21-喷丝孔，22-凹槽，23-倒圆台结构。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种气流牵伸系统，如图4所示，包括自上而下间距排列的第一空气发生器1、第一辐射式加热器2、第二空气发生器3、第二辐射式加热器4、第三空气发生器5、第三辐射式加热器6、第四空气发生器7和环状导丝器8；
如图1所示，第一空气发生器1由外管a、内管a和供气装置a组成；
内管a的壁厚均匀，内管a由自上而下顺序排列A段101、B段102和C段103组成，A段101和C段103均为倒圆台状结构，B段102为圆台状结构；B段102的上端内径同A段101的下端内径，B段102的下端内径同C段103的上端内径；其中，内管a的壁厚为1-8mm；A段101的上端内径为100-300mm，下端内径为40-200mm，高度为30-100mm；B段102的高度为20-80mm；C段103的上端内径为50-220mm，下端内径为40-200mm，高度为10-60mm；
外管a由自上而下顺序排列的a段104、b段105、c段106和d段107组成，a段104和c段106的中空部分均为倒圆台状结构，b段105和d段107的中空部分均为圆柱状结构；a段104的下端内径以及c段106的上端内径均同b段105的内径，c段106的下端内径同d段107的内径；其中，a段104的上端内径为100-300mm，下端内径为80-280mm，高度为5-20mm；b段105的高度为10-30mm；c段106的下端内径为60-250mm，高度为15-50mm；d段107的高度为35-200mm；
如图1所示，内管a位于外管a内；c段106和d段107相交的位置与A段101和B段102相交的位置齐平；C段103的下端位于d段107的下端的上方；
如图1所示，a段104的内壁与A段101的外壁密封连接，内管a的其它位置与外管a不接触；内管a与外管a的b段105、c段106和d段107共同围成气体流道a，b段105上设有气流入口，气体流道a的顶部通过气流入口与供气装置a连通；
如图2所示，第一辐射式加热器2由两块竖直布置、相对且间距排列的加热板201组成；两块加热板201的上下两端齐平，间距为20-50mm；两块加热板201的相对面为不锈钢面，或表面经过镀铬处理，两块加热板201之间的空间为辐射室；
第二空气发生器3的结构和尺寸同第一空气发生器1；
第二辐射式加热器4的结构和尺寸同第一辐射式加热器2；
第三空气发生器5的结构和尺寸同第二空气发生器3；
第三辐射式加热器6的结构和尺寸同第二辐射式加热器4；
如图3所示，第四空气发生器7由外管b 701、内管b 702和供气装置b组成；
外管b 701和内管b 702均竖直布置；内管b 702位于外管b 701内，内管b 702的上端与外管b 701的上端齐平且密封连接，内管b 702的下端沿径向向外延伸形成挡板703，挡板703与外管b 701密封连接，内管b 702的下端位于外管b 701的下端的上方；内管b 702、外管b 701、挡板703共同围成气体流道b，气体流道b自上而下先收窄再扩张；挡板703上设有用于连通气体流道b与其下方空间的出气孔704，出气孔704倾斜向下，且与竖直方向呈30-60°的夹角；气体流道b的顶部与供气装置b连通；
第四空气发生器7尺寸同第三空气发生器5；
第一辐射式加热器2的辐射室位于第一空气发生器1的内管a的中空部分的正下方，间距为20-50mm，同时位于第二空气发生器3的内管a的中空部分的正上方，间距为20-50mm；
第二辐射式加热器4的辐射室位于第二空气发生器3的内管a的中空部分的正下方，间距为20-50mm，同时位于第三空气发生器5的内管a的中空部分的正上方，间距为20-50mm；
第三辐射式加热器6的辐射室位于第三空气发生器5的内管a的中空部分的正下方，间距为20-50mm，同时位于第四空气发生器7的内管a的中空部分的正上方，间距为20-50mm；
环状导丝器8位于第四空气发生器7的下方；
第一空气发生器1的气体流道a内气体流量为20-500L/min，第二空气发生器3的气体流道a内气体流量为第一空气发生器1的气体流道a内气体流量的1-2倍，第三空气发生器5的气体流道a内气体流量为第二空气发生器3的气体流道a内气体流量的1-2倍，第四空气发生器7的气体流道b内气体流量不超1000L/min。
一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，如图4所示，由自上而下间距排列的纺丝系统、气流牵伸系统、上油系统9和收卷系统10组成；气流牵伸系统上述的气流牵伸系统；
如图4所示，纺丝系统由熔体输送装置11、过滤器、计量泵14、喷丝头12、高压电极板13和高压静电发生器组成，熔体输送装置11、过滤器、计量泵14、喷丝头12顺序连接，高压电极板13位于喷丝头12的下方且与高压静电发生器连接；熔体输送装置11优选为微型多螺杆挤出机；
喷丝头由A部分和B部分组成，如图16所示；
A部分中设有熔体流道20，熔体流道20由主流道以及同时与主流道连通的多个支流道构成，主流道内设有滤网支撑件19，滤网支撑件19上安装有滤网18；
B部分由上部分和下部分组成；
上部分为中空圆柱结构，其内径为50-150mm，高度为15-25mm；
如图13、图16所示，下部分为倒圆台结构23，中空圆柱结构与倒圆台结构23共轴，中空圆柱结构的外径等于倒圆台结构23的大端直径，中空圆柱结构的内径大于倒圆台结构23的小端直径；
倒圆台结构23的底部的下表面设有凹槽22和环绕凹槽22分布的喷丝孔出口；
倒圆台结构23的大端直径为60-200mm，小端直径为30-100mm，高度为20-50mm；
凹槽22为圆锥结构，高度为10-50mm，倒圆台结构23和圆锥结构共轴，倒圆台结构23的小端和圆锥结构的底面共面；
喷丝孔21为毛细管结构且竖直布置，其长度等于倒圆台结构的高度，由上段、过渡段和下段组成，上段、下段的长度比为10-30:0.5-5，上段各个横截面的尺寸相同，下段各个横截面的尺寸相同；
喷丝孔入口的直径或等效圆直径为2-5mm；
喷丝孔出口的形状为圆形或类扇面形，如图12、图15所示，类扇面形与扇面形的区别在于两条直边相互平行，类扇面形的两条弧边分别与倒圆台结构的小端边缘、圆锥结构的底面边缘重合，喷丝孔各个横截面的形状相同，所有的喷丝孔出口的中心点位于同一圆上，相邻两个喷丝孔出口的间距c为0.1-2mm，圆的中心位于倒圆台结构的中心轴上；
喷丝孔出口的直径或等效圆直径为0.06-0.8mm；
如图14所示，喷丝孔出口与倒圆台结构的小端边缘的距离a不超过4mm，喷丝孔出口与圆锥结构的底面边缘的距离b不超过4mm；
A部分的下端插入B部分的中空圆柱结构内，支流道与喷丝孔一一对应连通；
如图5所示，上油系统9由供气装置a、油雾发生器15和圆柱管16组成；圆柱管16竖直布置，具有夹层结构，且内壁上设有油雾排出孔17；供气装置a、油雾发生器15、圆柱管16的夹层依次连通。
以下各实施例和对比例所用的聚乳酸均为美国NatureWorks ingeo PLA 3251D。
以下各实施例和对比例中平均取向度依照光学双折射法测定，断裂伸长率依照GBT 14344-2008 化学纤维 长丝拉伸性能试验方法进行测试。
实施例1
一种聚乳酸纳米纤维预取向丝的制备方法，采用上述连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，其中，装置的相关参数如下：
第一空气发生器中，内管a的壁厚为1mm，其它尺寸如图6~7所示；
第四空气发生器中，出气孔倾斜向下，且与竖直方向呈30°的夹角；
第一辐射式加热器中，两块加热板的间距为20mm；
第一辐射式加热器与第一空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为20mm，与第二空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为50mm；
第二辐射式加热器与第二空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为20mm，与第三空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为20mm；
第三辐射式加热器与第三空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为50mm，与第四空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为20mm；
喷丝头中的中空圆柱结构的内径为50mm，高度为15mm；倒圆台结构的大端直径为60mm，小端直径为30mm，高度为20mm；凹槽的高度为10mm；喷丝孔上段、下段的长度比为10:0.5；喷丝孔出口的形状为圆形，直径为0.06mm，相邻两个喷丝孔出口的间距c为0.1mm；喷丝孔入口的直径为2mm；喷丝孔出口与倒圆台结构的小端边缘的距离a为4mm，喷丝孔出口与圆锥结构的底面边缘的距离b为4mm；
纺丝工艺参数如下：
第一空气发生器的气体流道a内气体流量为20L/min，第二空气发生器的气体流道a内气体流量为30L/min，第三空气发生器的气体流道a内气体流量为50L/min，第四空气发生器的气体流道b内气体流量为80L/min；第一辐射式加热器温度50℃，第二辐射式加热器温度70℃，第三辐射式加热器温度100℃。
最终制得的聚乳酸纳米纤维预取向丝的单丝平均直径为1μm，单丝直径差值最大值为0.3μm，聚乳酸纳米纤维预取向丝的平均取向度为30%，断裂伸长率为60%。
对比例1
一种聚乳酸纳米纤维预取向丝的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于：实施例1中的气流牵伸系统被替换为专利CN115110160B中的旋风气流辅助装置；
旋风气流辅助装置内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为40cm，下端直径为10cm，高度为26cm；
环向风腔的腔壁上设有12个导流板和12个出气孔；
各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的15%；
各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，为30°，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由5cm减小至0；
12个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；12个出气孔与12个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，与其对应的导流板的水平距离相同，都为1.5cm，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30°；12个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，12个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的7%；气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流；
环向风腔的外壁上设有进气孔，进气孔与出气孔连通，进气孔与送风装置连接；
纺丝时，向进气孔通入1000L/min的高速气流。
最终制得的聚乳酸纳米纤维预取向丝的单丝平均直径为2μm，同一束丝中单丝直径差值最大值为5.5μm，聚乳酸纳米纤维预取向丝的平均取向度为5%，断裂伸长率为80%。
将对比例1与实施例1对比可以看出，对比例1制备的聚乳酸纳米纤维预取向丝的单丝平均直径较大，同一束丝中单丝直径差值最大值较大，平均取向度较低，这是因为纳米纤维在制备成型过程中，旋风气流集束将整束纤维通过旋风气流加捻到一起，单根纤维未能及时进行充分的牵伸，同时旋风气流在集束的过程中对各单根丝的牵伸程度不同，因此将使得一束纤维中单纤维直径差异较大，同时纤维未能充分牵伸导致取向度较低。
实施例2
一种聚乳酸纳米纤维预取向丝的制备方法，采用上述连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，其中，装置的相关参数如下：
第一空气发生器中，内管a的壁厚为8mm，其它尺寸如图8~9所示；
第四空气发生器中，出气孔倾斜向下，且与竖直方向呈50°的夹角；
第一辐射式加热器中，两块加热板的间距为50mm；
第一辐射式加热器与第一空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为38mm，与第二空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为20mm；
第二辐射式加热器与第二空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为50mm，与第三空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为38mm；
第三辐射式加热器与第三空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为20mm，与第四空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为50mm；
喷丝头中的中空圆柱结构的内径为100mm，高度为20mm；倒圆台结构的大端直径为110mm，小端直径为50mm，高度为35mm；凹槽的高度为30mm；喷丝孔上段、下段的长度比为20:3；喷丝孔出口的形状为类扇面形，等效圆直径为0.4mm，相邻两个喷丝孔出口的间距c为1.2mm；喷丝孔入口的等效圆直径为3mm；喷丝孔出口与倒圆台结构的小端边缘的距离a为3mm，喷丝孔出口与圆锥结构的底面边缘的距离b为3mm；
纺丝工艺参数如下：
第一空气发生器的气体流道a内气体流量为500L/min，第二空气发生器的气体流道a内气体流量为600L/min，第三空气发生器的气体流道a内气体流量为720L/min，第四空气发生器的气体流道b内气体流量为850L/min；第一辐射式加热器温度70℃，第二辐射式加热器温度90℃，第三辐射式加热器温度120℃。
最终制得的聚乳酸纳米纤维预取向丝的单丝平均直径为0.8μm，单丝直径差值最大值为5μm，聚乳酸纳米纤维预取向丝的平均取向度为40%，断裂伸长率为30%。
实施例3
一种聚乳酸纳米纤维预取向丝的制备方法，采用上述连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，其中，装置的相关参数如下：
第一空气发生器中，内管a的壁厚为4mm，其它尺寸如图10~11所示；
第四空气发生器中，出气孔倾斜向下，且与竖直方向呈60°的夹角；
第一辐射式加热器中，两块加热板的间距为45mm；
第一辐射式加热器与第一空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为50mm，与第二空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为35mm；
第二辐射式加热器与第二空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为45mm，与第三空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为50mm；
第三辐射式加热器与第三空气发生器的内管a的中空部分的正下方的间距为35mm，与第四空气发生器的内管a的中空部分的正上方的间距为45mm；
喷丝头中的中空圆柱结构的内径为150mm，高度为25mm；倒圆台结构的大端直径为200mm，小端直径为100mm，高度为50mm；凹槽的高度为50mm；喷丝孔上段、下段的长度比为30:5；喷丝孔出口的形状为类扇面形，等效圆直径为0.8mm，相邻两个喷丝孔出口的间距c为2mm；喷丝孔入口的等效圆直径为5mm；喷丝孔出口与倒圆台结构的小端边缘的距离a为1mm，喷丝孔出口与圆锥结构的底面边缘的距离b为1mm；
纺丝工艺参数如下：
第一空气发生器的气体流道a内气体流量为100L/min，第二空气发生器的气体流道a内气体流量为150L/min，第三空气发生器的气体流道a内气体流量为200L/min，第四空气发生器的气体流道b内气体流量为250L/min；第一辐射式加热器温度60℃，第二辐射式加热器温度80℃，第三辐射式加热器温度110℃。
最终制得的聚乳酸纳米纤维预取向丝的单丝平均直径为0.9μm，单丝直径差值最大值为2.5μm，聚乳酸纳米纤维预取向丝的平均取向度为35%，断裂伸长率为45%。

Claims (10)

1.气流牵伸系统，其特征在于，包括自上而下间距排列的第一空气发生器、第一辐射式加热器和第二空气发生器；
第一空气发生器由外管a、内管a和供气装置a组成；外管a和内管a均竖直布置；
内管a位于外管a内，内管a的上端与外管a的上端齐平且密封连接，内管a的其它位置与外管a不接触，内管a的下端位于外管a的下端的上方；内管a与外管a共同围成气体流道a，气体流道a自上而下先收窄再扩张；
气体流道a的顶部与供气装置a连通；
第一辐射式加热器内设有竖直布置的辐射室；
第二空气发生器的结构同第一空气发生器，第二空气发生器的气体流道a内气体流量大于第一空气发生器的气体流道a内气体流量；
第一辐射式加热器的辐射室位于第一空气发生器的内管a的中空部分的正下方，同时位于第二空气发生器的内管a的中空部分的正上方。
2.根据权利要求1所述的气流牵伸系统，其特征在于，第一空气发生器中，内管a的壁厚均匀，内管a由自上而下顺序排列A段、B段和C段组成，A段和C段均为倒圆台状结构，B段为圆台状结构；B段的上端内径同A段的下端内径，B段的下端内径同C段的上端内径；
外管a由自上而下顺序排列的a段、b段、c段和d段组成，a段和c段的中空部分均为倒圆台状结构，b段和d段的中空部分均为圆柱状结构；a段的下端内径以及c段的上端内径均同b段的内径，c段的下端内径同d段的内径；
c段和d段相交的位置与A段和B段相交的位置齐平；a段的内壁与A段的外壁密封连接；C段的下端位于d段的下端的上方；
b段上设有气流入口，气体流道a的顶部通过气流入口与供气装置a连通。
3.根据权利要求1所述的气流牵伸系统，其特征在于，第一辐射式加热器与第一空气发生器的间距为20-50mm，第一辐射式加热器与第二空气发生器的间距为20-50mm；
第一辐射式加热器由两块竖直布置、相对且间距排列的加热板组成；两块加热板的上下两端齐平，间距为20-50mm。
4.根据权利要求3所述的气流牵伸系统，其特征在于，还包括自上而下间距排列的第二辐射式加热器和第三空气发生器；
第二辐射式加热器的结构同第一辐射式加热器，第三空气发生器的结构同第二空气发生器，第三空气发生器的气体流道a内气体流量大于第二空气发生器的气体流道a内气体流量；
第二辐射式加热器的辐射室位于第二空气发生器的内管a的中空部分的正下方，同时位于第三空气发生器的内管a的中空部分的正上方；
第二辐射式加热器与第二空气发生器的间距为20-50mm，第二辐射式加热器与第三空气发生器的间距为20-50mm。
5.根据权利要求4所述的气流牵伸系统，其特征在于，还包括自上而下间距排列的第三辐射式加热器和第四空气发生器；
第三辐射式加热器的结构同第二辐射式加热器；
第四空气发生器由外管b、内管b和供气装置b组成；外管b和内管b均竖直布置；
内管b位于外管b内，内管b的上端与外管b的上端齐平且密封连接，内管b的下端沿径向向外延伸形成挡板，挡板与外管b密封连接，内管b的下端位于外管b的下端的上方；内管b、外管b、挡板共同围成气体流道b，气体流道b自上而下先收窄再扩张；挡板上设有用于连通气体流道b与其下方空间的出气孔，出气孔倾斜向下，且与竖直方向呈30-60°的夹角；
气体流道b的顶部与供气装置b连通；
第三辐射式加热器的辐射室位于第三空气发生器的内管a的中空部分的正下方，同时位于第四空气发生器的内管a的中空部分的正上方；
第三辐射式加热器与第三空气发生器的间距为20-50mm，第三辐射式加热器与第四空气发生器的间距为20-50mm。
6.根据权利要求5所述的气流牵伸系统，其特征在于，第一空气发生器的气体流道a内气体流量为20-500L/min，第二空气发生器的气体流道a内气体流量为第一空气发生器的气体流道a内气体流量的1-2倍，第三空气发生器的气体流道a内气体流量为第二空气发生器的气体流道a内气体流量的1-2倍，第四空气发生器的气体流道b内气体流量不超1000L/min。
7.根据权利要求5所述的气流牵伸系统，其特征在于，还包括环状导丝器，环状导丝器位于第四空气发生器的下方。
8.一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，其特征在于，由自上而下间距排列的纺丝系统、气流牵伸系统、上油系统和收卷系统组成；气流牵伸系统为权利要求1-7任一项所述的气流牵伸系统。
9.根据权利要求8所述的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置，其特征在于，上油系统由供气装置a、油雾发生器和圆柱管组成；圆柱管竖直布置，具有夹层结构，且内壁上设有油雾排出孔；供气装置a、油雾发生器、圆柱管的夹层依次连通；
纺丝系统由熔体输送装置、过滤器、计量泵、喷丝头、高压电极板和高压静电发生器组成，熔体输送装置、过滤器、计量泵、喷丝头顺序连接，高压电极板位于喷丝头的下方且与高压静电发生器连接；
熔体输送装置为微型多螺杆挤出机。
10.一种热塑性聚合物纳米纤维预取向丝，其特征在于，采用如权利要求8或9所述的一种连续熔融静电纺纳米纤维长丝的装置制得；热塑性聚合物纳米纤维预取向丝的单丝平均直径为1μm以下。
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