CN212533224U - 一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，属于纳米材料制造技术领域。倒锥旋转体的内腔与气体助推系统和核层纺丝液供液系统连通，气体助推系统用于向倒锥旋转体内腔中的核层纺丝液施加压力；倒锥旋转体的底部设有出液口，顶部通过转动密封结构与端盖连接，倒锥旋转体与旋转动力系统连接；壳层纺丝液涂液系统正对倒锥旋转体外锥面设置；高温高速气流喷射系统和接收装置分别相对设置在倒锥旋转体底部出液口的两侧。结构设计合理、工艺流程短，能够获得不同结构与性能的核‑壳结构复合纳米纤维，效率高、产量大，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于纳米材料制造技术领域，具体涉及一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置。
背景技术
特殊结构的功能纤维具有许多优异且独特的性能，在很多应用领域具有潜在的价值。随着纳米技术的飞速发展，纳米纤维的制备技术已成为推动纤维科学技术进步的重要支柱之一。通过在轴向上将多种材料结合的核-壳结构纳米纤维，由内、外多层的多组分纤维共同形成，相较于单纺纳米纤维，在功能性、机械性、稳定性等方面更加优异。例如，如果将核层材料去掉，就可以获得中空超细纤维。此外，利用可纺性好的聚合物做壳层，可纺性差的聚合物做核层，提高了难纺聚合物的可纺性。由于核-壳纳米纤维结构上的特殊性，其在催化过滤、气体存储、药物缓释、组织工程支架和伤口敷料等方面有极其重要的应用与价值，因此也受到科学界的高度重视和广泛研究。
目前，研究与应用较为广泛的核-壳结构纳米纤维制造工艺主要有静电纺丝、熔喷纺丝和复合纺丝三种。但是这三种方法各自存在有一定问题，静电纺丝法产量低、针头易堵、存在高压静电危险；熔喷纺丝法所得纤维的直径较粗、需要较高的纺丝温度；复合纺丝法设备复杂，工艺流程长，还需要高温和化学处理等。这些方法难以满足纳米纤维批量化、低成本、一致性等的制造特征，限制了核-壳结构纳米纤维大面积的产业化应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，结构设计合理、工艺流程短，能够获得不同结构与性能的核-壳结构复合纳米纤维，效率高、产量大，具有良好的应用前景。
本实用新型通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，包括气体助推系统、倒锥旋转体、核层纺丝液供液系统、壳层纺丝液涂液系统、端盖、旋转动力系统、高温高速气流喷射系统和接收装置；
倒锥旋转体的内腔与气体助推系统和核层纺丝液供液系统连通，气体助推系统用于向倒锥旋转体内腔中的核层纺丝液施加压力；倒锥旋转体的底部设有出液口，顶部通过转动密封结构与端盖连接，倒锥旋转体与旋转动力系统连接；壳层纺丝液涂液系统正对倒锥旋转体外锥面设置；高温高速气流喷射系统和接收装置分别相对设置在倒锥旋转体底部出液口的两侧。
优选地，倒锥旋转体锥角为10°～160°。
优选地，核层纺丝液供液系统包括储液罐和供液管，供液管的一端与储液罐连接，另一端穿过端盖伸入倒锥旋转体内腔中，供液管与端盖之间设有密封装置，供液管上设有阀门。
优选地，壳层纺丝液涂液系统包括涂覆机和喷枪，涂覆机与喷枪连接，喷枪正对倒锥旋转体外锥面。
优选地，旋转动力系统包括电机、传动系统和转轴，电机与传动系统连接，传动系统与转轴连接，转轴与倒锥旋转体连接。
优选地，高温高速气流喷射系统包括依次连接的高温高速气流发生装置、连接管和若干气流喷嘴；气流喷嘴和接收装置分别相对设置在倒锥旋转体底部出液口的两侧。
进一步优选地，气流喷嘴的数量为1～5个，气流喷嘴的出气口形状为圆形、矩形、三角形或梯形。
优选地，接收装置为平板接收装置或滚筒接收装置；接收装置为平板接收装置时，接收装置上设有若干通孔，接收装置背对倒锥旋转体的一侧设有负压发生装置；接收装置为滚筒接收装置时，接收装置的内部连接有负压发生装置。
优选地，倒锥旋转体的顶端半径为1～50cm，底部出液口的半径为0.001～10mm；气流喷嘴与倒锥旋转体中心线的水平距离为3～50mm，与倒锥旋转体底部出液口最底端的垂直距离为0～50mm，气流喷嘴出气口的面积为0.1～100cm2；接收装置与倒锥旋转体中心线的水平距离为5～150cm。
优选地，倒锥旋转体与端盖之间的转动密封结构为迷宫密封、梳齿密封或密封圈。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开的一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，沿倒锥旋转体底部出液口流出的核层纺丝液与沿倒锥旋转体外锥面下流的壳层纺丝液形成核-壳同轴液滴，克服了现有纺丝头易堵塞的缺点，大大减少了清洗维护和更换的成本。形成的同轴液滴经高温高速气流喷射系统的吹拉细化，一步即可制备出核-壳结构的复合纳米纤维，节约了设备投入成本，提高了生产效率。装置的工艺流程简单，自动化程度高，能够大幅提高复合纳米纤维的生产效率，具有良好的应用前景。
进一步地，倒锥旋转体锥角为10°～160°，有利于控制壳层纺丝液的下流速度。
进一步地，负压发生装置能够有利于产物吸附于接收装置上。
进一步地，倒锥旋转体与端盖之间的采用迷宫密封、梳齿密封或密封圈进行密封，密封可靠。
附图说明
图1为本实用新型的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置的整体结构示意图；
图2为本实用新型实施例1制得的复合纳米纤维的透射电镜图；
图3为本实用新型实施例2制得的复合纳米纤维的透射电镜图。
图中：1-气体助推系统，2-倒锥旋转体，3-核层纺丝液供液系统，4-壳层纺丝液涂液系统，5-端盖，6-旋转动力系统，7-高温高速气流喷射系统，8-接收装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：
如图1，本实用新型的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，包括气体助推系统1、倒锥旋转体2、核层纺丝液供液系统3、壳层纺丝液涂液系统4、端盖5、旋转动力系统6、高温高速气流喷射系统7和接收装置8。
倒锥旋转体2的锥角一般为10°～160°。核层纺丝液供液系统3包括储液罐和供液管，供液管的一端与储液罐连接，另一端穿过端盖5伸入倒锥旋转体2内腔中，供液管与端盖5之间设有密封装置，供液管上设有阀门。壳层纺丝液涂液系统4包括涂覆机和喷枪(也可以为喷壶、注射器等溶液推进装置)，涂覆机与喷枪连接。高温高速气流喷射系统7包括依次连接的高温高速气流发生装置、连接管和若干气流喷嘴。气流喷嘴的数量一般为1～5个，气流喷嘴的出气口形状一般为圆形、矩形、三角形或梯形。旋转动力系统6包括电机、传动系统和转轴，电机与传动系统连接，传动系统与转轴连接。接收装置8为平板接收装置或滚筒接收装置；接收装置8为平板接收装置时，接收装置8上设有若干通孔，接收装置8背对倒锥旋转体2的一侧设有负压发生装置；接收装置8为滚筒接收装置时，接收装置8的内部与负压发生装置连通。
倒锥旋转体2的内腔与气体助推系统1和核层纺丝液供液系统3的供液管连通，气体助推系统1用于向倒锥旋转体2内腔中的核层纺丝液施加压力；倒锥旋转体2的底部设有出液口，顶部通过转动密封结构与端盖5连接，可以通过迷宫密封、梳齿密封等机械结构，也可以通过转动密封圈等实现密封。倒锥旋转体2与旋转动力系统6的转轴连接；壳层纺丝液涂液系统4的喷枪正对倒锥旋转体2外锥面设置；高温高速气流喷射系统7的气流喷嘴和接收装置8分别相对设置在倒锥旋转体2底部出液口的两侧。
各部件的相关参数可以参考以下数据：
倒锥旋转体2可以采用金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料等制成，倒锥旋转体2的顶端半径为1～50cm，底部出液口的半径为0.001～10mm。气流喷嘴与倒锥旋转体2中心线的水平距离为3～50mm，与倒锥旋转体2底部出液口最底端的垂直距离为0～50mm，气流喷嘴出气口的面积为0.1～100cm2。接收装置8与倒锥旋转体2中心线的水平距离为5～150cm。核层纺丝液和壳层纺丝液为包括多种有机聚合物、无机粉体以及有机、无机纳米材料的前驱体溶液。
上述制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：打开旋转动力系统6，使倒锥旋转体2旋转直至达到预设转速；打开高温高速气流喷射系统7，使气流喷射直至平稳，并达到预设的温度和速度；
步骤2：打开核层纺丝液供液系统3，使核层纺丝液充入倒锥旋转体2的内腔，打开气体助推系统1，使核层纺丝液由倒锥旋转体2底部的出液口持续流出；打开壳层纺丝液涂液系统4，使壳层纺丝液涂覆至倒锥旋转体2外锥面并沿倒锥旋转体2外锥面下流；
步骤3：壳层纺丝液将核层纺丝液包裹后形成同轴液滴，经高温高速气流喷射系统7喷射出的气流吹拉细化后飞落至接收装置8上，形成复合纳米纤维。
倒锥旋转体2的转速为10～3600r/min；核层纺丝液由倒锥旋转体2底部的出液口流出的速度为0.1～10ml/min；壳层纺丝液的涂覆速率为0.01～10ml/min；高温高速气流喷射系统7喷射出的气流温度为10～500℃，速度为5～300m/s。
实施例1
倒锥旋转体2采用有机工程塑料材质，顶端半径为5cm，底部出液口半径为0.5mm，锥角为30℃，倒锥旋转体2的自转转速为600r/min；核层纺丝液为质量分数为10％的聚丙烯腈(PAN)，壳层纺丝液为质量分数为22％的聚苯乙烯(PS)；气体助推系统1输出气压为0.1MPa，核层纺丝液的流出速率为0.2ml/min；壳层纺丝液的涂覆速率为0.2ml/min；气流喷嘴喷射出的气流温度为70℃，速度为120m/s，气流喷嘴与倒锥旋转体2中心线的水平距离为8mm，与倒锥旋转体2底部出液口最底端的垂直距离为3mm，气流喷嘴的数量为1，气流喷嘴出气口为圆形，气流喷嘴出气口的面积为0.28cm2；接收装置8为平板接收装置，开设有孔，目数为100目，无负压发生装置，接收装置8与倒锥旋转体2中心线的水平距离为80cm.
制得的核壳结构PAN-PS纳米纤维如图2，其中核层纤维平均直径为280nm，壳层纳米纤维平均直径为550nm。
实施例2
倒锥旋转体2采用有机工程塑料材质，顶端半径为5cm，底部出液口半径为0.5mm，锥角为60℃，倒锥旋转体2的自转转速为500r/min；核层纺丝液为质量分数为5％的纳米二氧化钛(25nmTiO2)，壳层纺丝液为质量分数为20％的聚苯乙烯(PS)；气体助推系统1输出气压为0.08MPa，核层纺丝液的流出速率为0.15ml/min；壳层纺丝液的涂覆速率为0.22ml/min；气流喷嘴喷射出的气流温度为80℃，速度为150m/s，气流喷嘴与倒锥旋转体2中心线的水平距离为10mm，与倒锥旋转体2底部出液口最底端的垂直距离为5mm，气流喷嘴的数量为1，气流喷嘴出气口为圆形，面积为0.5cm2；接收装置8为平板接收装置，开设有孔，目数为80目，背面有负压发生装置，接收装置8与倒锥旋转体2中心线的水平距离为65cm.
制得的核壳结构TiO2-PS纳米纤维如图3，其中核层纳米TiO2平均直径为25nm，壳层纳米纤维平均直径为450nm。
需要说明的是，以上所述仅为本实用新型实施方式的一部分，根据本实用新型所描述的系统所做的等效变化，均包括在本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，包括气体助推系统(1)、倒锥旋转体(2)、核层纺丝液供液系统(3)、壳层纺丝液涂液系统(4)、端盖(5)、旋转动力系统(6)、高温高速气流喷射系统(7)和接收装置(8)；
倒锥旋转体(2)的内腔与气体助推系统(1)和核层纺丝液供液系统(3)连通，气体助推系统(1)用于向倒锥旋转体(2)内腔中的核层纺丝液施加压力；倒锥旋转体(2)的底部设有出液口，顶部通过转动密封结构与端盖(5)连接，倒锥旋转体(2)与旋转动力系统(6)连接；壳层纺丝液涂液系统(4)正对倒锥旋转体(2)外锥面设置；高温高速气流喷射系统(7)和接收装置(8)分别相对设置在倒锥旋转体(2)底部出液口的两侧。
2.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，倒锥旋转体(2)锥角为10°～160°。
3.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，核层纺丝液供液系统(3)包括储液罐和供液管，供液管的一端与储液罐连接，另一端穿过端盖(5)伸入倒锥旋转体(2)内腔中，供液管与端盖(5)之间设有密封装置，供液管上设有阀门。
4.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，壳层纺丝液涂液系统(4)包括涂覆机和喷枪，涂覆机与喷枪连接，喷枪正对倒锥旋转体(2)外锥面。
5.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，旋转动力系统(6)包括电机、传动系统和转轴，电机与传动系统连接，传动系统与转轴连接，转轴与倒锥旋转体(2)连接。
6.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，高温高速气流喷射系统(7)包括依次连接的高温高速气流发生装置、连接管和若干气流喷嘴；气流喷嘴和接收装置(8)分别相对设置在倒锥旋转体(2)底部出液口的两侧。
7.根据权利要求6所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，气流喷嘴的数量为1～5个，气流喷嘴的出气口形状为圆形、矩形、三角形或梯形。
8.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，接收装置(8)为平板接收装置或滚筒接收装置；接收装置(8)为平板接收装置时，接收装置(8)上设有若干通孔，接收装置(8)背对倒锥旋转体(2)的一侧设有负压发生装置；接收装置(8)为滚筒接收装置时，接收装置(8)的内部连接有负压发生装置。
9.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，倒锥旋转体(2)的顶端半径为1～50cm，底部出液口的半径为0.001～10mm；气流喷嘴与倒锥旋转体(2)中心线的水平距离为3～50mm，与倒锥旋转体(2)底部出液口最底端的垂直距离为0～50mm，气流喷嘴出气口的面积为0.1～100cm2；接收装置(8)与倒锥旋转体(2)中心线的水平距离为5～150cm。
10.根据权利要求1所述的制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置，其特征在于，倒锥旋转体(2)与端盖(5)之间的转动密封结构为迷宫密封、梳齿密封或密封圈。
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| CN202020864275.0U CN212533224U (zh) | 2020-05-21 | 2020-05-21 | 一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置 |
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| CN (1) | CN212533224U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111441093A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-07-24 | 西安工程大学 | 一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置及其工作方法 |
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2020
- 2020-05-21 CN CN202020864275.0U patent/CN212533224U/zh active Active
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| CN111441093A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-07-24 | 西安工程大学 | 一种制备复合纳米纤维的无针式气流纺装置及其工作方法 |
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