CN203238357U

CN203238357U - 一种熔体微分静电纺丝喷头

Info

Publication number: CN203238357U
Application number: CN 201320234107
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 钟祥烽; 李好义; 陈宏波; 阎华�; 安瑛; 谢鹏程; 焦志伟; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2023-05-03

Abstract

本实用新型公开了一种熔体微分静电纺丝喷头，属于静电纺丝领域。其主要包括料斗、料筒、喷头体、内锥面喷头、气流道进风管、气流道竖管、气流道隔热层、喷嘴内体、键、顶丝、加热装置、温度传感器、螺杆、联轴器、伺服电机、电机支架，接地电极、接收电极板和高压静电发生器。本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头采用中心进料侧进风的方式，通过顶丝调节，熔体周向分布均匀，采用内锥面喷头，单喷头可以纺几十根丝，纺丝效率高；热风辅助有利于吹薄内锥面上的熔体层，还能对丝起到牵伸作用，又能对环境温度起保温作用，减缓丝的冷却，延长丝被牵伸的时间，使纺出的丝更细。本喷头结构简单，纺出的纤维细，纺丝效率高。

Description

一种熔体微分静电纺丝喷头

技术领域

本实用新型涉及一种熔体微分静电纺丝喷头，属于静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝过程就是在喷头和接收装置间施加高压静电场，使被极化的流体在电场力的作用下克服表面张力，形成射流，在接收板上获得超细纤维的过程。

随着纳米技术的升温，利用静电纺丝制备纳米纤维成为当今实验研究和工业化应用的热点之一。目前关于静电纺丝的研究大多集中在溶液静电纺丝方面，在产业化方面也形成了多个单针头的集成和无喷头溶液静电纺丝两种路线，目前国内外都正在产业化实验，但是单个喷头易堵塞以及纺丝纤维均一性差的缺陷，后者捷克无喷头工业化纺丝设备的产量仍然有限。溶液静电纺丝虽然可以纺出小至几十纳米的纤维，但溶剂的使用使它出现了一系列的问题，如溶剂的回收问题、应用于生物医药领域的安全问题、聚合物和溶剂的搭配问题、溶剂蒸发引起纤维表面缺陷、使用溶剂的昂贵成本和产量低等问题。而熔体静电纺丝由于对加热装置、静电隔离装置、熔体均分装置的要求相对较高，纺制的纤维相对较粗，因而对于它的研究相对较少，但与溶液静电纺丝法相比，熔体静电纺丝是一种比溶液静电纺丝更加经济、环保、高效、安全的制备超细纤维的方法，因而熔体静电纺丝更有希望使静电纺丝技术走向本质安全的工业化道路。

目前关于熔体静电纺丝要解决的关键问题就是使微米级的纤维直径进一步减小至百纳米级（亚微米级），并且进一步提高其生产效率使其工业化。

日本的Naoki SHIMADA等人通过定制的线激光光源将薄膜加热到极低粘度，制备出一排纤维，在原有点光源基础上提高了纤维的产量，但成本仍然高，产量低，难以用于批量化生产。

捷克Czech Republic大学的Michal KOMáREK和Lenka MARTINOVá提出了一种狭缝式的纺丝装置，但是该纺丝装置并没有很好地解决熔体在狭缝处的均匀分布，丝的根数也不足以适合产业化应用。

美国专利US20090121379A1提出了电辅助熔喷和热风辅助的电纺丝，提出将热空气的高速拉伸和电场力的不稳定细化作用结合起来，通过热风吹拉的作用提高单根丝的射流速度，再附加电场力的作用，使得纤维细度达到了200nm左右，但是该专利中使用的喷头仍是单喷头，对单股射流的改进，而且实施例只针对溶液纺丝，熔体纺丝只提出了方法，对于工业化应用仍具有其局限性。

实用新型内容

本实用新型提出了一种熔体微分静电纺丝喷头，通过此喷头内锥面的分流可以实现单个喷嘴生产多根纤维的功能，减少了单喷针加工难度，实现了喷嘴温度的精确稳定控制；同时中心气流喷射的辅助作用，实现了对内锥面上纺丝介质的剪薄、在射流路径上对射流的加速拉伸以及对射流路径温度的间接控制，有效实现了纤维的细化，提高了单个喷嘴静电纺丝的效率。

为了实现上述功能，本实用新型采用的技术方案如下：一种熔体微分静电纺丝喷头，主要包括料斗、料筒、喷头体、内锥面喷头、气流道进风管、气流道竖管、气流道隔热层、喷嘴内体、键、顶丝、加热装置、温度传感器、螺杆、联轴器、伺服电机、电机支架，接地电极、接收电极板、高压静电发生器，气流道竖管与喷嘴内体通过螺纹相连，并安装于喷头体内，键安装于气流道竖管与喷头体间，使得气流道竖管与喷头体间定位，防止气流道竖管转动和装偏错位，气流道进风管穿过喷头体与气流道竖管通过螺纹相连，气流道隔热层位于气流道竖管与喷嘴内体里面，以隔绝热空气快速流动对喷头体温度的影响，内锥面喷头与喷头体通过螺纹相连，在喷头体上安装有顶丝，顶丝的个数为三个或三个以上，顶丝沿周向均布，顶丝顶在喷嘴内体上，用来调节喷头体与喷嘴内体之间的环形间隙的均匀性，料筒与喷头体通过螺钉相连，料斗与料筒通过螺纹相连，螺杆位于料筒内，螺杆通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机安装在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在料筒的平板上；内锥面喷头与接地电极相连，接收电极板固定在内锥面喷头正下方一定距离处，接收电极板与高压静电发生器的高压正极端子相连，气流道进风管与外接热气源相连，加热装置和温度传感器与温控箱相连。

纺丝工作时，打开加热装置，在温度传感器的控制下，加热料筒和喷头体；待料筒和喷头体升温到设定的工作温度后，打开伺服电机，带动螺杆以设定的转速转动，向料斗内加入塑料，塑料在螺杆的作用下熔融并向前流动，塑料熔体通过气流道竖管与喷嘴内体和喷头体间形成的环形间隙，到达内锥面喷头的内锥面上，通过调节顶丝，使得到达内锥面上的熔体分布均匀；打开外接热气源，向气流道进风管送一定温度的热空气；打开高压静电发生器，使得接收电极板带电，接收电极板与内锥面喷头间形成静电场，熔体在电场与风场的共同作用下形成泰勒锥，此时在内锥面喷头的棱上将挂满一圈泰勒锥，形成熔体微分结构，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥便形成射流，进而纺成丝，在接收电极板上接收到微纳米级的纤维。

本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头，其内锥面喷头与喷头体间采用螺纹连接，可对内锥面喷头进行替换，选用不同的锥角的内锥面喷头，内锥面喷头的内锥面表面可以做成光滑的，也可以做成均匀的带密集排布的一道道槽，对熔体流动进行引导。

本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头，其加热装置可以是电加热装置，也可以是电磁加热装置，也可以通过气体或热液流介质进行间接加热，一般对料筒与喷头体及内锥面喷头进行分段多段加热，通过温度传感器对各段温度进行精确控制，使熔体达到最佳的工作温度。

本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头，其加料方式可以采用螺杆，也可以采用柱塞，还可以采用小型挤出机供料，也可利用熔体的自重供料。

本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头，采用料筒中心进料和料筒侧边进风，流熔体的环形间隙可通过顶丝来调节，熔体的环形分布均匀性容易保证；侧进的风通过气流道竖管后竖直吹下，吹到内锥面上，可以对内锥面上的熔体层吹薄，利于纺出更细的丝；竖直吹下的风还能对纺出的丝在下落过程中起到一定的牵伸作用，使丝更细；风还能对丝的下落起一定的引导作用。

本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头，采用中心进料侧进风的方式，采用内锥面对熔体均匀分流，并利用热风对内锥面上的熔体进行吹薄，并利用热风对丝进行牵伸和下落引导，热风可使丝周围的环境进行一定的保温作用，使丝的冷却减缓，延长丝被牵伸的作用时间，使丝更细；在内锥面喷头的棱上可形成多个泰勒锥，一个喷头一次可纺出多根丝，实现单喷头的高效纺丝。

附图说明

图1是本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头的结构示意图

图2是图1中的A-A断面图

1-伺服电机，2-联轴器，3-电机支架，4-料斗，5-料筒，6-螺杆，7-气流道进风管，8-气流道竖管，9-喷头体，10-喷嘴内体，11-接地电极，12-高压静电发生器，13-接收电极板，14-内锥面喷头，15-加热装置，16-温度传感器，17-气流道隔热层，18-键，19-顶丝

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型一种熔体微分静电纺丝喷头，主要包括料斗4、料筒5、喷头体9、内锥面喷头14、气流道进风管7、气流道竖管8、气流道隔热层17、喷嘴内体10、键18、顶丝19、加热装置15、温度传感器16、螺杆6、联轴器2、伺服电机1、电机支架3，接地电极11、接收电极板13、高压静电发生器12，气流道竖管8与喷嘴内体10通过螺纹相连，并安装于喷头体9内，键18安装于气流道竖管8与喷头体9间，使得气流道竖管8与喷头体9间定位，防止气流道竖管8转动和装偏错位，气流道进风管7穿过喷头体9与气流道竖管8通过螺纹相连，气流道隔热层17位于气流道竖管8与喷嘴内体10里面，以隔绝热空气快速流动对喷头体9温度的影响，内锥面喷头14与喷头体9通过螺纹相连，在喷头体9上安装有三个顶丝19，三个顶丝19沿周向均布，顶丝19顶在喷嘴内体10上，用来调节喷头体9与喷嘴内体10之间的环形间隙的均匀性，料筒5与喷头体9通过螺钉相连，料斗4与料筒5通过螺纹相连，螺杆6位于料筒5内，螺杆6通过联轴器2与伺服电机1相连，伺服电机1安装在电机支架3上，电机支架3通过螺钉固定在料筒5的平板上；内锥面喷头14与接地电极11相连，接收电极板13固定在内锥面喷头14正下方一定距离处，接收电极板13与高压静电发生器12的高压正极端子相连，气流道进风管7与外接热气源相连，加热装置15和温度传感器16与温控箱相连。

纺丝工作时，打开加热装置15，在温度传感器16的控制下，加热料筒5和喷头体9；待料筒5和喷头体9升温到设定的工作温度后，打开伺服电机1，带动螺杆6以设定的转速转动，向料斗4内加入塑料，塑料在螺杆6的作用下熔融并向前流动，塑料熔体通过气流道竖管8与喷嘴内体10和喷头体9之间形成的环形间隙，到达内锥面喷头14的内锥面上，通过调节三个顶丝19，使得到达内锥面上的熔体分布均匀；打开外接热气源，向气流道进风管7送一定温度的热空气；打开高压静电发生器12，使得接收电极板13带电，接收电极板13与内锥面喷头14间形成静电场，熔体在电场与风场的共同作用下形成泰勒锥，此时在内锥面喷头14的棱上将挂满一圈泰勒锥，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥便形成射流，进而纺成丝，在接收电极板13上接收到微纳米级的纤维。

一个实施例如图1所示，喷头体9外径36mm，设定料筒5温度200℃，喷头体9温度240℃，向料斗4内加入熔喷用聚丙烯（pp6315），设定螺杆6转速为20r/min，热风设定温度为80℃，热风流速200m/s，设置接收电极板13与内锥面喷头14的距离为15cm，高压静电发生器12加电压60kv，在电场力和热风的共同作用下，内锥面喷头14上将同时纺出30-40根丝，丝的直径可达到500nm-1μm左右，纺丝效率约为20g/h。

Claims

1.一种熔体微分静电纺丝喷头，其特征在于：主要包括料斗、料筒、喷头体、内锥面喷头、气流道进风管、气流道竖管、气流道隔热层、喷嘴内体、键、顶丝、加热装置、温度传感器、螺杆、联轴器、伺服电机、电机支架、接地电极、接收电极板和高压静电发生器，气流道竖管与喷嘴内体通过螺纹相连，并安装于喷头体内，键安装于气流道竖管与喷头体间，使得气流道竖管与喷头体间定位，气流道进风管穿过喷头体与气流道竖管通过螺纹相连，气流道隔热层位于气流道竖管与喷嘴内体里面，内锥面喷头与喷头体通过螺纹相连，在喷头体上安装有顶丝，顶丝沿周向均布，顶丝顶在喷嘴内体上，用来调节喷头体与喷嘴内体之间的环形间隙的均匀性，料筒与喷头体通过螺钉相连，料斗与料筒通过螺纹相连，螺杆位于料筒内，螺杆通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机安装在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在料筒的平板上；内锥面喷头与接地电极相连，接收电极板固定在内锥面喷头正下方一定距离处，接收电极板与高压静电发生器的高压正极端子相连，气流道进风管与外接热气源相连，加热装置和温度传感器与温控箱相连。

2.根据权利要求1所述的一种熔体微分静电纺丝喷头，其特征在于：内锥面喷头与喷头体间采用螺纹连接，可对内锥面喷头进行替换，选用不同的锥角的内锥面喷头，内锥面喷头的内锥面表面可以做成光滑的，也可以做成均匀的带密集排布的一道道槽。

3.根据权利要求1所述的一种熔体微分静电纺丝喷头，其特征在于：加热装置可以是电加热装置，也可以是电磁加热装置，也可以通过气体或热液流介质进行间接加热，一般对料筒与喷头体及内锥面喷头进行分段多段加热，通过温度传感器对各段温度进行精确控制。

4.根据权利要求1所述的一种熔体微分静电纺丝喷头，其特征在于：加料方式采用螺杆，或采用柱塞，或小型挤出机供料，或利用熔体的自重供料。

5.根据权利要求1所述的一种熔体微分静电纺丝喷头，其特征在于：采用料筒中心进料和料筒侧边进风，侧进的风通过气流道竖管后竖直吹下，吹到内锥面上。