CN201132866Y - 一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置，它包括接收装置，在毛细管与接收装置之间可产生平行于电场方向的磁场装置，与喷嘴采取锥面配合的毛细管，与料筒采取螺钉连接可方便拆卸的喷嘴，用于加热聚合物熔体的加热圈，钢结构的料筒，可在料筒内上下运动又不会产生漏料的活塞轴，加压装置，承载加压装置的端盖，温度传感器，温控装置，高压静电发生器。本实用新型可用于聚合物熔体的静电纺丝，它解决了溶液静电纺丝由于使用溶剂而出现的一系列问题，以及溶液静电纺丝喷嘴容易堵塞的问题，因而具有经济、环保、安全、生产率高，易于实现工业化的优点。

Description

一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置

技术领域

本实用新型涉及一种静电纺丝装置，特别是适合于聚合物熔体的静电纺丝装置。

背景技术

静电纺丝又称电纺，从其发现到现在已有将近100年的历史。早在1934年Anton Fomhals就已经在专利中报道了高压静电场纺丝，然而直到1993年，这一技术才被定义为静电纺丝技术。近些年来，随着纳米科技的升温，静电纺丝技术已成为当今最热门的研究领域之一。目前已有三十多种聚合物成功通过静电纺丝的方法制得超细的纤维，最少的纤维直径可以达到几十纳米。静电纺丝的原理可简述为，在高压静电场下，聚合物溶液或熔体在电场力的作用下，从毛细管末端形成细流飞向接收装置，细流在到达接收装置前产生高度的拉抻，溶液的溶剂蒸发或熔体固化，最后在接收装置上形成超细的纤维。目前关于静电纺丝的研究大多都集中在溶液静电纺丝上，而对于聚合物熔体的静电纺丝的研究则很少。目前国内针对聚合物熔体的静电纺丝专利还没有。

基于溶液的静电纺丝虽然可以纺出少至几十纳米的纤维，但它由于使用溶剂而出现一系列的问题：(1)溶剂的回收问题。由于用于溶液静电纺丝的溶剂一般都是有毒而且是很贵的，所以必须回收。溶剂回收困难是阻碍溶液静电纺丝工业化的原因之一。(2)应用于生物医药领域的安全问题。由于在纤维上可能有残留的溶剂，因而当其应用于生物医药领域就会出现安全的问题。(3)一些聚合物如聚丙烯和聚乙烯，在室温下找不到适当的溶剂配成溶液。这是溶液静电纺丝的局限之一。(4)溶剂的蒸发导致纤维表面不光滑，甚至出现缺陷。这会影响到静电纺丝纤维在纤维复合材料增强领域的应用。(5)产量低，0.01g/min。用于静电纺丝的溶液中溶剂占很大的比重，一般都在90％以上。静电纺丝过程，占溶液大部分的溶剂都蒸发掉了，因而产量极低。这也是溶液静电纺丝难于工业化的原因之一。6)昂贵的溶剂会增加成本。溶液静电纺丝还存在一个很严重的问题，喷丝孔极容易堵塞。这也是溶液静电纺丝不能连续大量生产的原因之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种磁场辅助的适用于聚合物熔体静电纺丝的装置。本实用新型由于不需要借助溶剂就能顺利进行纺丝，因而可以解决溶液静电纺丝由于使用溶剂而出现的一系列问题。在本实用新型中，毛细管在纺丝过程中一直处于高温的环境中，不会出现堵塞的现象，因而可以实现连续大量的生产。本实用新型提出的用于熔体的静电纺丝装置由于解决了以上问题，因而与溶液静电纺丝装置相比具有更经济、更环保、更安全、生产率高，易于实现工业化的优点。

本实用新型提供的一种磁场辅助的用于熔体静电纺丝的装置的技术方案，采用了由接收装置(1)、磁场装置(2)、毛细管(3)、喷嘴(4)、螺钉(5)、加热圈(6)、料筒(7)、活塞轴(8)、加压装置(9)、端盖(10)、温度传感器(11)、温控装置(12)、高压静电发生器(13)组成的静电纺丝装置。接收装置(1)放在毛细管(3)正下方，两者距离大于2cm，接收装置(1)连接高压静电发生器(13)的正极输出端，高压静电发生器(13)的另一电极接地。磁场装置(2)由两对N极S极相对着的永久磁铁沿一个角度在同一个平面上交错放置组成，磁场装置在毛细管与接收装置之间形成一个平行于电场的方向近似均匀的磁场。毛细管(3)与喷嘴(4)采取锥面配合，毛细管通过引出导线与大地相接。喷嘴(4)与料筒(7)通过4个在圆周方向均布的螺钉(5)连接。用于加热聚合物熔体的电加热圈(6)通过螺钉包覆在料筒(7)表面，加热圈的电源端子通过导线接到温控装置(12)的继电器上。温度传感器(11)与料筒(7)采用螺纹连接，温度传感器的接线端通过导线接到温控装置(12)的温控表上。端盖(10)与活塞轴(8)采用螺纹连接，活塞轴(8)可在料筒(7)内上下往复运动。加压装置(9)放在端盖(10)正上方。

本实用新型适合于聚合物熔体的静电纺丝，纺丝原料可以是聚合物颗粒料或粉料或切片，纺丝过程不需要借助溶剂就可以进行。接收装置可以采取多种形式如导电平板、导电网、卷筒等。磁场装置中的永久磁铁也可以用通电线圈来代替。毛细管由不锈钢加工而成，毛细管内径小于1mm。加压装置可以通过加砝码的方式实现或采用微量推进器。高压静电发生器(13)的输出极为正极。

本实用新型提供的一种磁场辅助的用于熔体静电纺丝的装置，在纺丝过种中借助磁场的作用，使喷射细流能在摆动区内出现更大幅度的摆动，因而可以纺出更细的纤维。具体原理如图2所示，F1为电场力，F2为洛仑兹力，F3为上部分纤维对下部分纤维的拖曳力。在纺丝过程中，当喷射流出现不稳定摆动时，就会出现有垂直于磁场的运动分量，因而会受到洛仑兹力的作用，在F1，F2，F3的共同作用下，喷射细流会在空间以螺旋线的方式运动。由于洛仑兹力与磁感应强度成正比，只要加大磁感应强度，就可以增加喷射流摆动的幅度，从而可以纺出超细的纤维。

附图说明

图1本实用新型的装置示意图

图2喷射细流在磁场作用下的受力示意图

图3喷嘴的全剖图

具体实施方式

本实用新型采取的一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置，如图1所示的装置示意图，它包括接收装置(1)，在毛细管与接收装置之间可产生平行于电场方向磁场的磁场装置(2)，与喷嘴采取锥面配合的毛细管(3)，与料筒(7)采取螺钉(5)连接可方便拆卸的喷嘴(4)，用于加热聚合物熔体的加热圈(6)，钢结构的料筒(7)，可在料筒内上下运动又不会产生漏料的活塞轴(8)，加压装置(9)，承载加压装置(9)的端盖(10)，温度传感器(11)，温控装置(12)，输出极为正极的高压静电发生器(13)。

纺丝步骤：先把料筒(7)加热到预设温度。各种聚合物的熔融温度都不一样，由于聚合物粘度是静电纺丝是否可以顺利进行的一个关键因素之一，所以需要把预先温度设置在聚合物的成型加工温度以上，尽可能降低聚合物的粘度，但又不至于使聚合物产生分解。然后往料筒里添加物料，物料可以为聚合物(聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯等热塑性材料)颗粒或粉料或切片。继续加热一段时间后，再往端盖(10)上施加压力，施加的压力应使毛细管(3)末端出现熔体滴但还不能脱落为宜。此时再打开高压静电发生器(13)的电源开关，电源的输出电压从0开始往上调，一直到毛细管末端的熔体滴变形并喷射出来形成细流为止。喷射流的不稳定区间经过磁场空间时，就会以螺旋线的方式运动，最后到达接收装置。从毛细管喷射出来的熔体细流，经过电场的拉伸和磁场的拉伸，最后可以形成超细的纤维。

通过本实用新型纺制出来的纤维，由于没有使用溶剂，不存在溶剂的蒸发现象，因而可以得到表面光滑均匀的超细纤维。而且，纺丝过程是零损耗的，与溶液静电纺丝(90％都为溶剂，在纺丝过程蒸发掉)相比，其纺丝效率高。

本实用新型的一个实施例：纺丝原料低密度聚乙烯颗粒料，纺丝温度280℃，纺丝电压0～30kv，毛细管内径0.6mm，接收距离15cm，接收方式为导电网，磁感应强度为0.0800特斯拉，收集到的纤维直径在1μm～50μm范围内。

Claims (2)

1.本实用新型提供了一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置，其特征在于它主要由接收装置(1)，在毛细管与接收装置之间可产生平行于电场方向磁场的磁场装置(2)，与喷嘴采取锥面配合的毛细管(3)，与料筒采取螺钉连接可方便拆卸的喷嘴(4)，用于加热聚合物熔体的电加热圈(6)，钢结构的料筒(7)，可在料筒内上下运动又不会产生漏料的活塞轴(8)，加压装置(9)，承载加压装置的端盖(10)，温度传感器(11)，温控装置(12)，输出极为正极的高压静电发生器(13)等组成，毛细管(3)的熔体出口与接收装置(1)之间的距离大于2cm。

2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助的用于聚合物熔体静电纺丝的装置，其特征在于，磁场装置(2)在毛细管(3)与接收装置(1)之间施加一个与电场方向平行的磁场，它可以是由永久磁铁或通电线圈等组成。

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