CN1837436A - 纳米纤维非织造布纺丝机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米纤维非织造布纺丝机，主要由高压供电装置、纺丝液储存罐、接收装置、和至少一组纺丝组件组成，所述纺丝液储存罐通过泵及管路与纺丝组件中的纺丝管连通，其中，所述接收装置包括竖直布置在运动机构上的圆筒和环绕设于圆筒外周的金属接收网，运动机构具有转轴平行于Z轴设置的旋转自由度，及沿Z轴方向的平移自由度；每组纺丝组件由纺丝组件架及固定其上的至少2个纺丝管组成，纺丝管内设有导电电极，纺丝管的喷口与金属接收网的距离为5～25厘米；相邻纺丝管喷口之间，设置有隔离电极。本发明可以保证获得的产品的均匀性，避免相邻纺丝管之间的电场干扰，防止了纺丝过程的不稳定、纤维的分散和分布的不匀。

Description

纳米纤维非织造布纺丝机

                         技术领域

本发明涉及一种采用静电纺丝方法以生成无纺织物的装置，具体涉及一种以纳米纤维构成无纺织物的纺丝机；可适用于单一聚合物溶液的纺丝，也可用于两种或两种以上聚合物溶液的复合纺丝。

                         背景技术

静电纺丝是纺制直径在几十到几百纳米范围内的纳米级纤维的新型纺丝技术。采用静电纺丝的方法可以制备得到由纳米级纤维构成的非织造布状的产品。由于纤维具有很大的比表面积和极高的表面积体积比，因此在表面吸附、吸收和过滤防护等方面的能力将有很大的增加。采用这种新型的加工方法开发的产品在生物医用材料、功能防护材料等方面将有很好的应用前景。

静电纺丝是纺丝溶液在高压静电场作用下，发生鞭动、分裂而形成纳米级纤维的过程。用于静电纺丝的装置，通常包括高压供电装置、纺丝组件和接收装置，其中的纺丝组件包括注射泵和纺丝管，接收装置通常为接地的金属接收屏，带电的纺丝液从纺丝管中喷出，在喷射过程中溶剂蒸发或者固化，纺丝材料落在接收屏上，形成纤维制品。虽然国内外的研究人员已经成功地以丝素、胶原、明胶、甲壳质等多种天然高聚物以及数十种合成高聚物为原料，采用静电纺丝的方法制备得到纳米纤维非织造布，但是静电纺丝存在着纺丝速度慢，生产效率低的致命缺陷。

为了实现静电纺丝的产业化生产，国内外的研究人员在纺丝机的研制方面做了大量的工作。美国专利US6713011报道了一种多喷头的静电纺丝装置，喷头数目为多个，接收屏可相对于喷丝头移动，采用计量液压泵控制纺丝液的流量。为解决在喷射过程中纳米纤维受静电相互作用产生飞散的问题，中国发明专利申请CN1664182A公开了一种组合式连续电纺纳米纤维膜制造装置及制备方法，采用“传送带”式接收屏、多喷头组件相对于接收屏往复移动，通过限制电极防止纤维飞散；其使用时，试图通过在相邻的喷头组件上加上相反极性的直流电压，以减少静电排斥等现象。然而，相邻的喷头组件产生的带有不同极性静电的液滴，会产生互相吸引，改变电场分布情况，进而影响纺丝过程的稳定性；同时，喷头组件的移动也会造成纺丝过程的不稳定。

因而，在静电纺丝过程中，随着电压、纺丝管上的喷丝头与接收屏之间的距离等参数的变化，会形成一定的电场分布，各喷丝头的电场之间显然会形成一定的交互作用，从而影响纺丝过程的稳定性，因此在采用多喷头纺丝时必须想办法将各喷头形成的电场进行适当的隔离。同时，纺丝过程中，空气的流动速度、纺丝组件的微小振动等，都会对纺丝过程带来影响，造成纺丝过程的不稳定，因此必须保证纺丝组件的静止、纺丝液流量的稳定。

另一方面，单喷头纺丝的实践证明，静电纺丝得到的纳米纤维非织造织物存在着厚度的不均匀性，由于电场强度以电极为原点呈一定的分布，因此一般是中间厚、边上薄，这严重影响了产品的使用。为了保证产品厚度的均匀性，必须使接收装置相对于喷丝头按一定的方式运动。

只有解决上述问题，才能实现静电纺纳米纤维非织造织物的产业化生产。

                          发明内容

本发明目的是提供一种快速、连续、稳定且方便易操作的纳米纤维非织造布纺丝机，以保证静电纺丝过程的稳定，提高产品的均匀性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纳米纤维非织造布纺丝机，主要由高压供电装置、纺丝液储存罐、接收装置、和至少一组纺丝组件组成，所述纺丝液储存罐通过泵及管路与纺丝组件中的纺丝管连通，所述接收装置包括竖直布置在运动机构上的圆筒，和环绕设于圆筒外周的金属接收网，所述运动机构具有转轴平行于Z轴设置的旋转自由度，以及沿Z轴方向的平移自由度；所述每组纺丝组件由纺丝组件架及固定其上的至少2个纺丝管组成，纺丝管内设有导电电极，纺丝管的喷口与金属接收网的距离为5～25厘米；相邻纺丝管喷口之间，设置有隔离电极。

上述技术方案中，纺丝液储存罐至管路之间，根据现有技术，设置有一级流量调节器，用以调节流量。所述的运动机构由旋转运动机构和升降运动机构构成，通常地，旋转运动机构可以由旋转电机、传动齿轮和旋转底盘构成，升降动机构可以由升降托盘、升降电机及丝杆传动机构构成。所述圆筒和金属接收网构成接收装置，为较好地提供接地电平，可以在圆筒表面设置导电接地膜，通过接地引出触头接地；金属接收网的目数根据纺丝液的种类确定。圆筒的直径和高度和每一纺丝组件上的纺丝管数目可以根据产品的需要进行调节。纺丝液储存罐根据所使用的高聚物的种类可以方便的进行增减。

上述技术方案中，所述管路包括与纺丝液储存罐连接的导液管，以及分别连接每个纺丝管的分流管，所述导液管上设置有多个快接头，分流管端部设有与所述快接头配合的连接结构，通过快接头与导液管连通。

进一步的技术方案，设有至少2组所述纺丝组件，以圆筒的轴心为中轴，所述纺丝组件沿周向均匀分布，纺丝管口对着中轴方向。

上述技术方案中，在每组纺丝组件中，所述纺丝管的管轴水平布置，各纺丝管沿竖直方向分布，相邻纺丝管间的距离为3～10厘米。

为适应不同粘度的纺丝液，在所述每一纺丝管上设置有二级流量调节器。

上述技术方案中，所述圆筒的直径在5～20厘米之间，高度在15～100厘米之间。

本发明的工作原理是：将纺丝溶液密闭储存在储液罐内，通过导流管和分流管分配到各纺丝管中，用一级流量调节器调节纺丝液的流量至合适的数值，根据产品的需要，用二级流量调节器调节各纺丝管的流量，使它们具有相同或不同的数值。将导电电极与高压电源相连，接地电极与电源接地线相连。启动连接圆筒的旋转电机和升降电机，调节旋转与移动的速度使圆筒均匀、平稳地以一定的速度转动和移动。调整纺丝组件与接收圆筒之间的距离和高压电源的电压值，纺丝溶液在高压静电场的作用下，形成纳米级的纤维并均匀地沉积在接收网上，形成纳米纤维非织造布。

在实际使用时，对于每一纺丝组件，设置的纺丝管的数目不少于两个，具体可以根据产品的宽度要求和纺丝管之间的距离进行调整。相邻纺丝管之间的距离为3～10厘米。

纺丝组件可以沿纺丝机的机架对称地分布在接收圆筒的周围，相邻纺丝组件之间的距离大于15厘米。

圆筒的直径和高度根据产品的尺寸进行调整，直径范围为5～20厘米，高度为15～100厘米。

圆筒的运动速度：

旋转速度：4～0.1转/分

移动速度：1～0.025mm/分

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明的接收装置采用圆筒结构，可以同时作旋转运动和Z轴方向的平移，可以保证获得的产品的均匀性；

2.本发明的导液管与分流管之间设置了快接头，从而可以采用即插即用并带有流量调节器的纺丝管，使纺丝组件上的喷头数目可以根据产品的需要方便地进行调整。对各纺丝管的流量可进行独立控制的功能，有利于复合纳米纤维非织造织物的生产。

3.相邻纺丝管之间的隔离电极避免了相邻纺丝管之间的电场干扰，防止了纺丝过程的不稳定、纤维的分散和分布的不匀。

4.采用两级流量调节器，可以更好地根据纺丝液的粘度调节纺丝液流量以使纺丝射流稳定，无液滴垂落或被喷射到接收网上而影响产品的质量。

                       附图说明

附图1为本发明实施例一的结构示意图；

附图2为本发明实施例二获得的再生蜘蛛包卵丝纤维的扫描电镜图；

附图3为不同参数条件下获得的再生蜘蛛包卵丝纤维的扫描电镜图；

附图4为本发明实施例三获得的纳米锦纶6纤维的扫描电镜图；

附图5为实施例三中不同参数条件下获得的纳米锦纶6纤维的扫描电镜图。

其中：[1]、底座；[3]、距离调节器；[4]、二级流量调节器；[5]、高压接入导线；[6]、导液管；[7]、分流管；[8]、快接头；[9]、一级流量调节器；[10]、导电接地膜；[11]、圆筒；[12]、接地电极引出触头；[13]、旋转底盘；[14]、升降托盘；[15]、旋转电机；[16]、齿轮；[18]、升降电机；[19]、丝杆；[20]、导电电极；[21]、纺丝管；[22]、隔离电极；[23]、金属接收网；[24]、纺丝组件架。

                         具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种纳米纤维非织造布纺丝机，主要由高压供电装置、纺丝液储存罐、接收装置、和至少一组纺丝组件组成，所述纺丝液储存罐通过泵及管路与纺丝组件中的纺丝管连通，纺丝液储存罐出口处设有一级流量调节器9，其中的管路包括与纺丝液储存罐连接的导液管6，以及分别连接每个纺丝管的分流管7，所述导液管6上设置有多个快接头8，分流管7端部设有与所述快接头8配合的连接结构，通过快接头8与导液管6连通。其中的高压供电装置至少包括分别与各个导电电极20以接地电极引出触头12电连接的高压接入导线5，而高压发生装置既可以是本装置的一部分，也可以采用配置其它参数相符的高压发生装置的方式。

整套装置安装于底座1上，纺丝组件通过距离调节器3与底座1连接，所述接收装置包括竖直布置在运动机构上的圆筒11，和环绕设于圆筒11外周的金属接收网23，圆筒11的直径在5～20厘米之间，高度在15～100厘米之间。为较好地提供接地电平，可以在圆筒11表面设置导电接地膜10，通过接地引出触头12接地；所述运动机构由旋转运动机构和升降运动机构构成，通常地，旋转运动机构可以由旋转电机15、传动齿轮16和旋转底盘13构成，升降动机构可以由升降托盘14、升降电机18及包括丝杆19的传动机构构成。所述每组纺丝组件由纺丝组件架24及固定其上的至少2个纺丝管21组成，纺丝管21内设有导电电极20，纺丝管的喷口与金属接收网23的距离为5～25厘米；相邻纺丝管喷口之间，设置有隔离电极22。在每组纺丝组件中，所述纺丝管21的管轴水平布置，各纺丝管沿竖直方向分布，相邻纺丝管21间的距离为3～10厘米。每一纺丝管上设置有二级流量调节器4。

实施例二：采用实施例一的纺丝机制备纳米再生蜘蛛包卵丝纤维非织造织物。

将蜘蛛包卵丝纤维溶解在六氟异丙醇中，得到浓度为1.0wt％的再生蜘蛛包卵丝溶液。每一纺丝组件用四个纺丝管，两组纺丝组件以接收圆筒的轴线为对称轴相对排列，相邻纺丝管之间的距离为5厘米，接收圆筒的直径为10厘米。在喷丝口到接收金属网之间的距离C-SD分别取12厘米和8厘米，电压为16KV的条件下进行静电纺丝，得到图示的纳米再生蜘蛛包卵丝纤维，它们均匀地交络形成非织造织物。

附图2是喷丝口到接收金属网距离为12厘米时获得的织物，其纤维平均直径为69.64±14.17nm。

附图3是喷丝口到接收金属网距离为8厘米时获得的织物，其纤维平均直径为59.73±12.40nm。

实施例三：采用实施例一的纺丝机制备纳米锦纶6纤维非织造织物。

将锦纶6切片溶解在88％甲酸中，得到浓度为12wt％的锦纶6溶液。每一纺丝组件用七个纺丝管，四组纺丝组件以接收圆筒的轴线为对称轴对称排列，相邻纺丝管之间的距离为3厘米，接收圆筒的直径为10厘米。在喷丝口到接收金属网之间的距离C-SD和电压分别取15厘米、22.5KV时进行静电纺丝，得到图4所示的纳米锦纶6纤维，平均直径为77.55±15.75nm。在喷丝口到接收金属网之间的距离C-SD和电压分别取10厘米、15KV的条件下进行静电纺丝，得到图5所示的纳米锦纶6纤维，平均直径为86.54±16.34nm。它们均匀地交络形成非织造织物。

Claims (6)

1.一种纳米纤维非织造布纺丝机，主要由高压供电装置、纺丝液储存罐、接收装置、和至少一组纺丝组件组成，所述纺丝液储存罐通过泵及管路与纺丝组件中的纺丝管连通，其特征在于：所述接收装置包括竖直布置在运动机构上的圆筒[11]，和环绕设于圆筒[11]外周的金属接收网[23]，所述运动机构具有转轴平行于Z轴设置的旋转自由度，以及沿Z轴方向的平移自由度；所述每组纺丝组件由纺丝组件架[24]及固定其上的至少2个纺丝管[21]组成，纺丝管[21]内设有导电电极[20]，纺丝管[21]的喷口与金属接收网[23]的距离为5～25厘米；相邻纺丝管[21]喷口之间，设置有隔离电极[22]。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维非织造布纺丝机，其特征在于：所述管路包括与纺丝液储存罐连接的导液管[6]，以及分别连接每个纺丝管[21]的分流管[7]，所述导液管[6]上设置有多个快接头[8]，分流管[7]端部设有与所述快接头[8]配合的连接结构，通过快接头[8]与导液管[6]连通。

3.根据权利要求1所述的纳米纤维非织造布纺丝机，其特征在于：设有至少2组所述纺丝组件，以圆筒[11]的轴心为中轴，所述纺丝组件沿周向均匀分布，纺丝管[21]口对着中轴方向。

4.根据权利要求1或3所述的纳米纤维非织造布纺丝机，其特征在于：在每组纺丝组件中，所述纺丝管[21]的管轴水平布置，各纺丝管[21]沿竖直方向分布，相邻纺丝管[21]间的距离为3～10厘米。

5.根据权利要求4所述的纳米纤维非织造布纺丝机，其特征在于：所述每一纺丝管[21]上设置有二级流量调节器[4]。

6.根据权利要求1所述的纳米纤维非织造布纺丝机，其特征在于：所述圆筒[11]的直径在5～20厘米之间，高度在15～100厘米之间。

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