CN1876902B - 一种气氛可控的静电纺丝装置及静电纺丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气氛可控的静电纺丝装置及其工业应用，所述静电纺丝装置，包括：高压静电发生装置(1)，设有推进活塞(301)的物料室(3)，恒温箱(4)，喷头(6)，静电纺丝气室(8)，接收装置(9)，高压静电场电极和设置在恒温箱(4)中的物料分配器(5)。本发明对静电纺丝方法进行了改进，采用多个喷头的方式大大提高纺丝的效率，本发明可以显著改善静电成型产品的品质，控制溶剂的挥发速度，稳定静电成型过程的环境因素，增加可以用于静电成型的原料及溶剂种类，提高静电纺丝产能。该发明极大地降低了静电纺丝的单位成本，拓宽了应用前景。

Description

一种气氛可控的静电纺丝装置及静电纺丝方法
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝装置，及其工业应用。
背景技术
静电纺丝是利用高压静电场对液体的作用，使液体被拉伸成细流，经溶剂挥发或凝固固化，进而得到纤维。这种方法得到的纤维及其无纺布具有直径小的特点，通常在几纳米到几十微米之间。
传统的静电纺丝方法通常是在常温下，在开放条件下通过一个或两个喷丝口进行纺丝，产率较低，产品品质受环境影响较大。许多材料由于环境条件的限制，较难采用干法静电成形技术制备纤维产品。产品溶剂消耗大，产能低，难以进行工业化大生产。简单在纺丝装置外加装密封装置，虽然可以减小气流扰动的影响，但是无法克服温度、溶剂浓度变化的影响。简单通入其他气氛，会因为气流的扰动干扰铺丝，并且会因为气流的不均匀导致各部位的环境有差异，引起产品性质的不稳定。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题是公开一种静电纺丝装置及其工业应用，以克服现有技术存在的上述缺陷，满足纺织领域发展的需要。
本发明的静电纺丝装置至少包括：
高压静电发生装置；
设有推进活塞的物料室；
设置在物料室下方的恒温箱；
设置在恒温箱中与物料室相连通的物料分配器；
设置在恒温箱下方的静电纺丝气室；
设置在静电纺丝气室中通过管线与物料分配器相连接的喷头；
设置在静电纺丝气室中、下端的接收装置；
连接在喷头上和连接在接收装置上的分别与高压静电发生装置电气连接的高压静电场电极；
其特征在于，所说的物料分配器包括壳体、设置在壳体上端与物料室相连通的原液入口管、设置在原液入口管下端的扩散板、设置在扩散板下端的设有分配孔的分配板、设置在分配板下方的稳压室、设置在稳压室下端且一端与稳压室相连通、另一端与喷头相连通的原液挤出管；
所说的静电纺丝气室为密闭的容器，顶端设有气体入口，下端设有气体出口，静电纺丝气室高度为0.01～10m；
喷头的数量并没有限制，一般为1～10000个，喷头孔径可根据产品进行调节，一般为1μm～1mm，各个通道喷头排列方式可矩阵排列，环形排列，蜂窝状排列或菱形排列。
本发明的装置可以用于材料的静电纺丝成形，纺丝过程包括如下步骤：
含有物料的溶液或物料的熔体通过计量推进装置送入物料室，温度控制范围为-50～300℃，然后推动推进活塞，将含有物料的溶液或物料的熔体送入物料分配器，经扩散板扩散后、分配板分配后，进入稳压室，然后再将稳压后的含有物料的溶液或物料的熔体通过原液挤出管引入喷头，含有物料的溶液或物料的熔体通过喷头喷出，在静电纺丝气室中，在电场作用下进行静电纺丝，然后由设置在静电纺丝气室中的接收装置接收，最终得到产品，含有物料的溶液或物料的熔体的供给流速为0.01μl/h～10l/h；
在上述步骤的同时，温度为20～180℃，压力为0.3～0.7MPa，湿度为0～70％的气体，如空气或氮气等由气体入口进入静电纺丝气室，将在静电纺丝气室中，从含有物料的溶液或物料的熔体中挥发的溶剂由气体出口带出；
空气在静电纺丝气室中的线速度为0.01m/s～300m/s；
静电纺丝时采用的电压为5～80KV。
所说的物料包括聚苯乙烯，聚羟基丁酸酯及其共聚物，纤维素及其衍生物，蛋白质及其衍生物，聚间苯二甲酰间苯二胺，聚对苯酰胺，聚乙烯醇，聚丙烯腈及其共聚物，聚氧乙烯及其共聚物，海藻酸或其衍生物，甲壳素或其衍生物，聚乳酸或其共聚物，聚丙烯，聚乙烯中等的一种。
所说的溶剂选自纯净的或含有添加剂的N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，氯仿，二氯甲烷，二氯乙烷，丙酮，甲苯，酒精，醋酸，水，四氢呋喃，环己烷，四氯化碳，二甲基亚砜，或其中几种的混合溶剂，所说的添加剂选自可溶于溶剂的盐类，其在溶液中的质量百分比浓度为0.1％～50％，原料在溶液中的质量百分比浓度为0.1％～50％。所说的溶剂和添加剂等均为本领域常规的溶剂和添加剂，有关的技术人员可参阅聚合物溶剂手册等进行选择，本发明不再赘述。
本发明对静电纺丝方法进行了改进，采用多个喷头的方式大大提高纺丝的效率，本发明可以显著改善静电成型产品的品质，控制溶剂的挥发速度，稳定静电成型过程的环境因素，增加可以用于静电成型的原料及溶剂种类，提高静电纺丝产能。该发明极大地降低了静电纺丝的单位成本，拓宽了应用前景。
附图说明
图1为本发明的静电纺丝装置结构示意图。
图2为物料分配器结构示意图。
图3为静电纺丝气室结构示意图。
图4为接收装置结构示意图。
图5为接收装置中的一种移动机构结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的静电纺丝装置至少包括：
高压静电发生装置1；
设有推进活塞301的物料室3；
设置在物料室3下方的恒温箱4；
设置在恒温箱4中与物料室3相连通的物料分配器5；
设置在恒温箱4下方的静电纺丝气室8；
设置在静电纺丝气室8中通过管线与物料分配器5相连接的喷头6；
设置在静电纺丝气室8中、下端的接收装置9；
连接在喷头6上和连接在接收装置9上的分别与高压静电发生装置1电气连接的高压静电场电极；
其特征在于，如图2所示，所说的物料分配器5包括壳体501、设置在壳体501上端与物料室3相连通的原液入口管502、设置在原液入口管502下端的上小下大的锥型扩散板503、设置在扩散板503下端的设有分配孔504的分配板505、设置在分配板505下方的稳压室506、设置在稳压室506下端且一端与稳压室506相连通、另一端与喷头6相连通的原液挤出管507；
所说的静电纺丝气室8为密闭的容器，顶端设有气体入口801，下端设有气体出口802，静电纺丝气室8高度为0.01～10m；
喷头6的数量并没有限制，一般为1～10000个，喷头孔径可根据产品进行调节，一般为1μm～1mm，各个通道喷头排列方式可矩阵排列，环形排列，蜂窝状排列或菱形排列。
为控制物料室3的温度，物料室3设有夹套，通过循环加热介质如水或油对物料室3进行加热保温；
进一步，参见图3，所说的静电纺丝气室8包括设置在静电纺丝气室体上部的稳压腔807；
设置在稳压腔807下部的具有导流孔808的导向板809；
设置在封闭的静电纺丝气室体8下部的具有集流孔810的集流板811；
设置在集流板811下部的集流室812；
气体入口801与稳压腔807相连通，气体出口802与集流室812相连通；
导流孔808的孔径为0.1～100mm，导向板809上的开孔率为10～70％，集流孔810的孔径为0.1～100mm，集流板811上的开孔率为10～70％。
进一步，本发明的装置还包括干燥器20和气体加热器10，气体加热器10的出口与气体入口801本连接，干燥器20的出口与气体加热器10的入口相连接。气体加热器可采用为常规的列管换热器，干燥器可采用冷冻干燥器。
所说的接收装置可以是圆筒卷绕接收装置或平板旋转接收装置或循环流动水浴接收装置，优选采用图4所示的接收装置，该接收装置包括：一端敞口的收集圆筒11、收集电机12、机架14和移动机构；
所说的收集圆筒11的一端与收集电机12的输出轴相连接，高压静电场电极13插在收集圆筒11的敞口端中，收集电机12固定在机架14上，移动机构设置在机架的底部；
参见图4，所说的移动机构包括收集移动电机15、移动轮18和导轨16；
移动轮18设置在机架14的下部、并架在导轨16上，收集移动电机15的输出轴与机架14通过传动机构17与机架14相连接。
图5为另一种移动机构，所说的移动机构包括收集移动电机15、滑块19和凹型导轨20；
滑块19设置在机架14的下部、并嵌在凹型导轨20中，收集移动电机15的输出轴通过传动机构17与机架14相连接。
进一步，所说的专用收集装置还包括接收电极移动机构，所述接收电极移动机构包括电极移动电机、与电极移动电机相连接的移动电机传动机构，所说的接收电极连接在移动电机传动机构上，从而可以使接收电极根据需要左右移动。
实施例1
采用如图1～图5所示的装置进行纺丝。其中：
所说的静电纺丝气室(8)高度为1m；
喷头6的为10000个，喷头孔径为1μm，喷头排列方式为环形，
导流孔808的孔径为50mm，导向板809上的开孔率为40％，集流孔810的孔径为50mm，集流板811上的开孔率为40％。
采用压缩空气，温度60℃，相对湿度30％，压力0.5MPa，空气在静电纺丝气室8中的线速度为0.3米/秒，电压为15KV。
纺丝物料：质量百分比浓度为1.5％wt的聚羟基丁酸-羟基戊酸共聚酯/氯仿溶液；供给流速为1ml/h；
纺丝结果如下，纤维平均直径为100nm，溶剂回收率70％。
实施例2
采用如图1～图5所示的装置进行纺丝。其中：
所说的静电纺丝气室(8)高度为0.7m；
喷头6的为100个，喷头孔径为10mm，喷头排列方式为菱形；
导流孔808的孔径为100mm，导向板809上的开孔率为70％，集流孔810的孔径为100mm，集流板811上的开孔率为70％。
采用氮气，温度60℃，相对湿度0％，压力0.8MPa，空气在静电纺丝气室8中的线速度为0.2米/秒，电压为25KV。
纺丝物料：质量百分比浓度为10％wt的聚间苯二甲酰间苯二胺/N，N-二甲基甲酰胺溶液，含有2％wtCaCl2作为添加剂；供给流速为1.2ml/h；
纺丝条件为气室高度，气氛温度70℃，相对湿度0％，施加电压25KV，气氛压力，流量10cm3/s。推进速度1ml/min。
纤维由往复式转鼓收集装置收集。纺丝结果如下，纤维平均直径为150nm，溶剂回收率93％。
实施例3
采用如图1所示的装置进行纺丝。其中：
所说的静电纺丝气室8高度为0.8m；
喷头6的为1个，喷头孔径为100mm，喷头排列方式为环形；
导流孔808的孔径为10mm，导向板809上的开孔率为40％，集流孔810的孔径为50mm，集流板811上的开孔率为40％。
采用压缩空气，温度60℃，相对湿度30％，压力0.8MPa，空气在静电纺丝气室8中的线速度为2米/秒，电压为25KV。
纺丝物料：质量百分比浓度为8％wt的丝朊蛋白/水溶液，含有40％wtZnCl2作为添加剂；供给流速为1.5ml/h；
纤维由往复式转鼓收集装置收集，纺丝结果如下，纤维平均直径为1.3μm，溶剂回收率83％。

Claims (10)

1.一种气氛可控的静电纺丝装置，包括：
高压静电发生装置(1)；
设有推进活塞(301)的物料室(3)；
设置在物料室(3)下方的恒温箱(4)；
设置在恒温箱(4)中与物料室(3)相连通的物料分配器(5)；
设置在恒温箱(4)下方的静电纺丝气室(8)；
设置在静电纺丝气室(8)中通过管线与物料分配器(5)相连接的喷头(6)；
设置在静电纺丝气室(8)中、下端的接收装置(9)；
连接在喷头(6)上和连接在接收装置(9)上的分别与高压静电发生装置(1)电气连接的高压静电场电极；
其特征在于，所说的物料分配器(5)包括壳体(501)、设置在壳体(501)上端与物料室(3)相连通的原液入口管(502)、设置在原液入口管(502)下端的上小下大的锥型扩散板(503)、设置在扩散板(503)下端的设有分配孔(504)的分配板(505)、设置在分配板(505)下方的稳压室(506)、设置在稳压室(506)下端且一端与稳压室(506)相连通、另一端与喷头(6)相连通的原液挤出管(507)。
2.根据权利要求1所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，所说的静电纺丝气室(8)为密闭的容器，顶端设有气体入口(801)，下端设有气体出口(802)，静电纺丝气室(8)高度为0.01～10m。
3.根据权利要求1所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，喷头(6)的数量为1～10000个，喷头孔径为1μm～1mm。
4.根据权利要求2所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，所说的静电纺丝气室(8)包括设置在其上部的稳压腔(807)，设置在稳压腔(807)下部的具有导流孔(808)的导向板(809)，设置在封闭的静电纺丝气室(8)下部的具有集流孔(810)的集流板(811)，设置在集流板(811)下部的集流室(812)，气体入口(801)与稳压腔(807)相连通，气体出口(802)与集流室(12)相连通，导流孔(808)的孔径为0.1～100mm，导向板(809)上的开孔率为10～70％，集流孔(810)的孔径为0.1～100mm，集流板(811)上的开孔率为10～70％。
5.根据权利要求2所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，还包括干燥器(20)和气体加热器(10)，气体加热器(10)的出口与气体入口(801)相连接，干燥器(20)的出口与气体加热器(10)的入口相连接。
6.根据权利要求1所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，接收装置包括：一端敞口的收集圆筒(11)、收集电机(12)、机架(14)和移动机构，所说的收集圆筒(11)的一端与收集电机(12)的输出轴相连接，高压静电场电极(13)插在收集圆筒(11)的敞口端中，收集电机(12)固定在机架(14)上，移动机构设置在机架的底部。
7.根据权利要求6所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，所说的移动机构包括收集移动电机(15)、移动轮(18)和导轨(16)，移动轮(18)设置在机架(14)的下部、并架在导轨(16)上，收集移动电机(15)的输出轴与机架(14)通过传动机构(17)与机架(14)相连接。
8.根据权利要求1所述的气氛可控的静电纺丝装置，其特征在于，还包括接收电极移动机构，所述接收电极移动机构包括电极移动电机、与电极移动电机相连接的移动电机传动机构，所说的接收电极连接在移动电机传动机构上，从而可以使接收电极根据需要左右移动。
9.采用权利要求1～8任意项所述的装置进行静电纺丝成形的方法，其特征在于，纺丝过程包括如下步骤：
含有物料的溶液或物料的熔体通过计量推进装置(2)送入物料室(3)，温度控制范围为-50～300℃，然后推动推进活塞(301)，将含有物料的溶液或物料的熔体送入物料分配器(5)，经扩散板(503)扩散后、分配板(505)分配后，进入稳压室(506)，然后再将稳压后的含有物料的溶液或物料的熔体通过原液挤出管(507)引入喷头(6)，含有物料的溶液或物料的熔体通过喷头(6)喷出，在静电纺丝气室(8)中，在电场作用下进行静电纺丝，然后由设置在静电纺丝气室(8)中的接收装置(9)接收，最终得到产品，含有物料的溶液或物料的熔体的供给流速为0.01μl/h～101/h；
在上述步骤的同时，温度为50～70℃，压力为0.3～0.7MPa，湿度为25～40％的空气或氮气由气体入口(801)进入静电纺丝气室(8)，将在静电纺丝气室(8)中，从含有物料的溶液或物料的熔体中挥发的溶剂由气体出口(802)带出；
空气在静电纺丝气室(8)中的线速度为0.01～300米/秒；
静电纺丝时采用的电压为5～80KV。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所说的物料包括聚苯乙烯，聚羟基丁酸酯及其共聚物，纤维素及其衍生物，蛋白质及其衍生物，聚间苯二甲酰间苯二胺，聚对苯酰胺，聚乙烯醇，聚丙烯腈及其共聚物，聚氧乙烯及其共聚物，海藻酸或其衍生物，甲壳素或其衍生物，聚乳酸或其共聚物，聚丙烯或聚乙烯中的一种，所说的溶剂选自纯净的或含有添加剂的N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，氯仿，二氯甲烷，二氯乙烷，丙酮，甲苯，酒精，醋酸，水，四氢呋喃，环己烷，四氯化碳，二甲基亚砜，或其中几种的混合溶剂，所说的添加剂选自可溶于溶剂的盐类，其在溶液中的质量百分比浓度为0.1％～50％，原料在溶液中的质量百分比浓度为0.1％～50％。
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