CN102864502A

CN102864502A - 气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴

Info

Publication number: CN102864502A
Application number: CN2012103719188A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 李好义; 焦志伟; 陈宏波; 阎华�; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102864502B

Abstract

本发明公开了气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，属于静电纺丝领域。它主要包括接收板、电加热装置、气流导流柱、螺钉、气接口块、分流板、阻流块、内锥面喷嘴体、喷嘴体定位销、温度传感器、气流喷头、接地电极、高压静电发生器。内锥面喷嘴体上端侧面留有纺丝介质入口，用以同分流板流道连接，内锥面喷嘴体与气流导流柱外表面之间的间隙用于引导纺丝介质，使其均匀分布到内锥面喷嘴体下端的内锥面上。采用内锥面结构的均匀分流，利用内锥面上的气流对纺丝介质的减薄作用、气流对射流的高速拉伸作用、热气流余热对环境温度的保持作用，很好地解决了纤维细化和高效纺丝的问题，多个喷嘴不同形式的扩展组合，可作为熔体静电纺丝产业化的基础组件。

Description

气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝装置，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，使带电或被极化的流体在电场力的作用下克服表面张力和粘滞阻力，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试水，但是单个针头存在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，但是其高成本和相对的低产量仍然难以用于批量化生产。

捷克的利贝雷茨科技大学利用狭缝式设备，实现了无喷头多根纤维的制备，但是其稳定性仍需要继续探索，并且单排纤维的产量很低。

美国专利US6616435中提到了实现静电纺丝法工业化生产非织造超细纤维的装置。但是，在该专利中还存在一些不足。该专利中描述的主要是溶液静电纺丝法，对熔体静电纺丝法只是粗略提及，并没有给出熔体静电纺丝法生产非织造材料的具体方案和装置。

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了单根丝的射流速度，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然是单喷头，对单股射流的改进，而且实施例只针对了溶液纺丝，熔体纺丝只提出了方法，对于工业化应用仍有其局限性。

中国发明专利CN201010556163.X中提到了伞形喷头，利用锥形结构很好地将单股流均匀的分散成多股流，解决了批量化难题，但是熔体射流的平均速度仍然小于2m/s，远远小于熔喷纤维每秒上百米的射流平均速度，限制了熔体静电纺丝的产量。

发明内容

本发明提出了气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，通过此喷嘴内锥面的分流可以实现单个喷嘴产生多根纤维的功能，减少了单喷针加工难度，实现了喷嘴温度的精确稳定控制；同时中心发散式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。

为实现上述功能的技术方案是，气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，主要包括接收板、电加热装置、气流导流柱、螺钉、气接口块、分流板、阻流块、内锥面喷嘴体、喷嘴体定位销、温度传感器、气流喷头、接地电极、高压静电发生器，接收板固定在与内锥面喷嘴体喷丝边缘有一定距离的下方，内锥面喷嘴体通过喷嘴体定位销与分流板定位并固定连接，气流导流柱位于内锥面喷嘴体和分流板的内孔中，气流导流柱与分流板紧配合，气流导流柱外表面与内锥面喷嘴体内圆柱孔形成间隙，熔体在间隙内流动；阻流块套在气流导流柱外面，并与内锥面喷嘴体内孔配合，即气流导流柱通过阻流块和内锥面喷嘴体同心安装，内锥面喷嘴体与分流板接触的平面上斜向开有与内锥面喷嘴体内圆柱面相通的纺丝介质入口，分流板上开有分流板流道，纺丝介质入口和分流板流道相通；气接口块上有气体入口，气体入口与气流导流柱内孔相通，分流板和气接口块通过螺钉连接；在气流导流柱下端通过螺纹连接气流喷头，气流喷头通过多个均布气孔将气流引导到内锥面上的纺丝介质上，起到对纺丝介质流体减薄和保温的作用；接收板连接高压静电发生器，内锥面喷嘴体与接地电极相连，在两电极建立的电场力作用下，纺丝介质流体形成多股射流沉积到接收板上；在分流板、内锥面喷嘴体、气接口块上分别设置电加热装置和温度传感器，起到精确控温作用。本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，内锥面喷嘴体上端侧面留有纺丝介质入口，用以同分流板流道连接，内锥面喷嘴体与气流导流柱外表面之间的间隙用于引导纺丝介质，使其均匀分布到内锥面喷嘴体下端的内锥面上，在内锥面喷嘴体下端的内锥面有一定的锥度，表面光滑，锥面下端成一定的尖端。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，在内锥面喷嘴体下端的内锥面上均匀分布导流槽，或在内锥面喷嘴体下端边缘设置延长的丝刷用于导流，这些结构都有利于熔体均匀分布与引流，在内锥面喷嘴体下端的内锥面下端的尖端有利于形成电荷在纺丝介质上的聚集，有利于在其附近形成更密的电场线分布，引导射流。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其气流导流柱同轴安装在内锥面喷嘴体内腔，气流温度可以调节，在气流导流柱下端是可更换气流喷头，气流喷头周面均匀排布多个气流出口，气流喷头长度及开口方向可根据工艺需求调节，不同长度的气流喷头可将气流送到内锥面不同的高度位置，气流喷头下端均布气孔的角度可以使得气流喷到内锥面的不同位置，气流在气流喷头的出口速度可以将纺丝介质进行不同程度的减薄。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其加热装置可以是电加热装置，也可以通过气流或者热液流介质间接加热，通过温度传感器对喷嘴装置进行精确的温控，同一个喷嘴，也可以分为几部分温区，实现多段温控，使得熔体获得最佳温度控制。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，可以直接给纺丝介质入口加料，作为单个喷嘴单独纺丝，也可以通过挤出机及熔体计量泵将熔体加入到分流板，分流板以均匀一分多的形式通过多个喷嘴进行批量纺丝，其中分流板流道和内锥面喷嘴体侧面的纺丝介质入口连接。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其气接口块在分流板上端通过螺钉安装，用于供给具有设定温度的气流，如果是溶液静电纺丝，供给常温气流，起到流体减薄和辅助牵伸作用；如果是熔体静电纺丝，可以使用高温气流，起到对熔体保温及提高射流路径温度和射流喷射速度的作用，使用的气体可以是空气或其他惰性气体，惰性气体可以减少空气电离引起的静电干扰，也可以对纺丝介质起到保护作用。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其纺丝介质阻流块安装于内锥面喷嘴体的流道入口上端，防止纺丝介质向上流动，同时还起到对气流导流柱的定位作用，保证纺丝介质流道周向间隙的均一。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其接地电极用于连接零电势点，接收板连接高压静电发生器高压输出端子，构成静电纺丝***后，和高压静电发生器形成高压静电场，当喷嘴使用绝缘材料时，高压电极可以接喷嘴，接收板可接地。

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，采用内锥面结构的均匀分流，利用内锥面上的气流对纺丝介质的减薄作用、气流对射流的高速拉伸作用、热气流余热对环境温度的保持作用，很好地解决了纤维细化和高效纺丝的问题，尤其是在熔体静电纺丝批量化装置中，该结构可以作为纺丝喷嘴单元，实现多个喷嘴不同形式的扩展组合，作为熔体静电纺丝产业化的基础组件。

附图说明

图1 是本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴的剖视示意图。

图2是本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴中内锥面及气流喷头局部A的放大示意图。

图中：1-接收板；2-射流；3-内锥面；4-电加热装置；5-气流导流柱；6-纺丝介质入口；7-分流板流道；8-螺钉；9-气流入口；10-气接口块；11-分流板；12-阻流块；13-喷嘴体定位销子；14-内锥面喷嘴体；15-温度传感器；16-气流喷头；17-接地电极；18-高压静电发生器；19-均布气孔；

具体实施方式

本发明气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴如图1和图2所示，主要包括接收板1、电加热装置4、气流导流柱5、螺钉8、气接口块10、分流板11、阻流块12、内锥面喷嘴体14、喷嘴体定位销13、温度传感器15、气流喷头16、接地电极17、高压静电发生器18，接收板1固定在和内锥面喷嘴体14有一定距离的下方，内锥面喷嘴体14通过喷嘴体定位销子13和分流板11定位并固定连接，接通纺丝介质入口6和分流板流道7，分流板11和气接口块10通过螺钉8连接，气流导流柱5通过阻流块12和内锥面喷嘴体14同心安装，在气流导流柱5下端通过螺纹连接气流喷头16，气流喷头16通过多个均布气孔19将热气流作用于引导到内锥面3上的纺丝介质上，起到对纺丝介质减薄及保温的作用，接收板1连接高压静电发生器18，内锥面喷嘴体14接接地电极17，在两电极建立的电场力作用下，纺丝介质形成多股射流2沉积到接收板1，在分流板11、内锥面喷嘴体14、气接口快10上分别设置电加热装置4和温度传感器15，起到精确控温作用。

一个实施例如图1所示，内锥面喷嘴体14下端内锥面3半锥角为37°，内锥面喷嘴体14高60mm，气流导流柱5内径为8mm，电加热装置4对内锥面喷嘴体14精确控温，分流板流道7直径为6mm，纺丝介质入口6直径为4mm，内锥面喷嘴体14与气流导流柱5外表面之间的间隙0.5mm，用于纺丝介质的导流，内锥面喷嘴体14和分流板11用喷嘴体定位销子13定位，气流供给的气接口块10使用DN15的接口，纺丝时利用分流板11沿内锥面喷嘴体14侧面纺丝介质入口6加入熔喷用聚丙烯（PP6315）熔体，熔体温度200℃，熔体通过内锥面喷嘴体14与气流导流柱5外表面之间的间隙在内锥面3上形成1mm厚的熔体层，在气流喷头16上有72小孔内径为0.2mm的均布气孔喷出的300m/s的300℃的热空气作用下，熔体层被减薄到了0.25-0.5mm，此时将内锥面喷嘴体14下端和接收板1间距调整为13cm，高压静电发生器18加电50kv，在电场力及热空气气流作用下，60-80根超细射流沿着内锥面3切线方向喷出，在高压静电发生器接收板沉积。此时纺丝射流2平均速度可达10-20m/s，纤维直径可达500nm左右，纺丝效率约为350g/h。

Claims

1.气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其特征在于：主要包括接收板、电加热装置、气流导流柱、螺钉、气接口块、分流板、阻流块、内锥面喷嘴体、喷嘴体定位销、温度传感器、气流喷头、接地电极、高压静电发生器，接收板固定在与内锥面喷嘴体喷丝边缘有一定距离的下方，内锥面喷嘴体通过喷嘴体定位销与分流板定位并固定连接，气流导流柱位于内锥面喷嘴体和分流板的内孔中，气流导流柱与分流板紧配合，气流导流柱外表面与内锥面喷嘴体内圆柱孔形成间隙，熔体在间隙内流动；阻流块套在气流导流柱外面，并与内锥面喷嘴体内孔配合，内锥面喷嘴体与分流板接触的平面上斜向开有与内锥面喷嘴体内圆柱面相通的纺丝介质入口，分流板上开有分流板流道，纺丝介质入口和分流板流道相通；气接口块上有气体入口，气体入口与气流导流柱内孔相通，分流板和气接口块通过螺钉连接；在气流导流柱下端通过螺纹连接气流喷头，气流喷头通过多个均布气孔将气流引导到内锥面上的纺丝介质上；接收板连接高压静电发生器，内锥面喷嘴体与接地电极相连，在两电极建立的电场力作用下，纺丝介质流体形成多股射流沉积到接收板上；在分流板、内锥面喷嘴体、气接口块上分别设置电加热装置和温度传感器；内锥面喷嘴体上端侧面留有纺丝介质入口，用以同分流板流道连接，内锥面喷嘴体与气流导流柱外表面之间的间隙用于引导纺丝介质，使其均匀分布到内锥面喷嘴体下端的内锥面上，在内锥面喷嘴体下端的内锥面有一定的锥度，表面光滑，锥面下端成一定的尖端。

2.根据权利要求1所述的气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其特征在于：在内锥面喷嘴体下端的内锥面上均匀分布导流槽，或在内锥面喷嘴体下端边缘设置延长的丝刷用于导流。

3.根据权利要求1所述的气流辅助内锥面分流式静电纺丝喷嘴，其特征在于：气流温度能够调节。