CN103451754A - 一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺，属于静电纺丝领域。主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、纺丝箱体、气流加热装置、空压机、上电极板、下电极板、高压静电发生器、导向风刀、热轧装置、接收装置、铺网带和抽风***，挤出机出口接滤网，滤网和纺丝箱体入口之间通过法兰连接熔体计量泵，气流通过分流装置分为两股接通到纺丝箱体，熔体通过纺丝箱体分流导流后在波形导流板下端获得薄层均流熔体层，在高压静电作用下，熔体层自组织形成多个泰勒锥，泰勒锥在高速气流及高压静电下继续拉伸和***，在铺网带接收端固化形成超细纤维，本发明克服聚合物高粘、产量低、装置复杂等困难，可实现熔体微分静电纺丝的工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺，属于静电纺丝领域。
背景技术
熔喷纺丝工艺是采用高速热空气流对纺丝箱体喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上的过程；熔体微分静电纺丝工艺就是在微分喷头和接收装置间施加高压静电场，使被极化的聚合物熔体在电场力的作用下克服表面张力，在微分喷头端面形成射流，在接收板上获得超细纤维的过程。所述的微分喷头是指该喷头将熔体均匀细分，熔体先经流道分配后，再由喷头处均匀分成多股，每根丝的直径达到微米或纳米。电喷纺丝（electro-blowing spinning）方法就是同时结合了熔喷纺丝和静电纺丝两种工艺，对带电或被极化的聚合物熔体施加高速气流拉伸力和高压静电拉伸力，克服熔体表面张力，形成高速射流，经过高倍细化，冷却固化后在铺网带或接收电极形成超细纤维随机沉积膜或者毡的过程。
一般通过熔喷纺丝工艺可制备平均直径2-5μm的纤维，纤维一般是长度100mm内的短纤维，表面粗糙，但该工艺具有可观的纺丝效率，一个喷丝头的产量可达3-10g/min；而熔体微分静电纺丝工艺可制备平均直径200nm-10μm的纤维，纤维为直径可控的连续长纤维，表面光滑，尽管该工艺纺丝效率是普通毛细管纺丝效率的5-20倍，但仍低于熔喷工艺一个数量级。因此通过装置创新设计和工艺优化将熔喷工艺和静电纺丝工艺相结合，实现电喷纺丝有利于超高纺丝效率的亚微米纤维制备技术的开发，从而突破常规方法纤维较粗或效率过低的问题。
针对这一问题，康奈尔大学Eduard Zhmayev等人研究了气流辅助下的单根纤维细化过程，发现高速气流的增加使得纤维细化了20倍，并据此申请并获得美国专利授权（专利公开号：US2013/0040140A1）。由于没有批量化设计方案，该发明缺乏实用性，而纽约大学的Benjamin Chu等人申请了关于熔喷和静电相结合的纺丝装置及工艺专利（专利公开号：US7887311B2），但是该专利只是围绕多个毛细管组装的喷头装置和喷头熔体清理装置的技术方案，缺少熔体静电纺丝的具体实施例。
针对熔喷纺丝法获得亚微米级纤维，国外一些公司已经有所突破，Hills公司对纳米熔喷纤维作过很深的研究，已可达到产业化的阶段。其它一些企业例如Nonwoven Technologies(NTI)公司也开发了可生产的纳米熔喷纤维的工艺、技术，并已取得了专利。但是这些公司的熔喷技术都是基于其极苛刻的制备工艺和模具材料，并且一定程度上牺牲了纺丝效率，通过组装更多的纺丝箱体来实现一定的纺丝效率，大大增加了设备成本和维护成本。
因此本发明将通过装置设计和工艺设定，实现普通熔喷工艺和熔体微分静电纺丝工艺的巧妙结合，形成一种熔体微分电喷纺丝方法，将成为低成本高效率纳米纤维制备的产业化装置和工艺新选择。
发明内容
本发明提出一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺。聚合物熔体通过衣架型分流板分流后获得薄层均流熔体，熔体进入夹持有波形导流板的夹板狭缝后，在下端受到高压静电作用，自由自组织形成多个泰勒锥，泰勒锥在高速气流及高压静电下继续拉伸和***，在接收铺网端形成超细纤维无纺布。
为实现上述目的采取的技术方案是：一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、纺丝箱体、气流加热装置、空压机、上电极板、下电极板、高压静电发生器、导向风刀、热轧装置、接收装置、铺网带和抽风***，挤出机出口接滤网，滤网和纺丝箱体入口之间通过法兰连接熔体计量泵，空压机出口连接气流加热装置，然后通过分流装置分为两股气流接通到纺丝箱体，纺丝箱体下方安置上电极板，距离上电极板一定距离处安置下电极板，铺网带穿过上电极板和下电极板之间并贴着下电极板，在纺丝箱体和上电极板之间安装导向风刀，抽风装置紧贴在下电极板正下方。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其中纺丝箱体主要由衣架型分流板、过渡板、波形导流板和导流板夹板组成，衣架型分流板、过渡板和导流板夹板均通过螺钉连接，组合后即形成异型截面气流道。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其中波形导流板夹在导流板夹板中间，波浪形的导流板截面呈波形曲线，其波形可以是正弦波或矩形波，实现对熔体的分割和导流，避免了大长径比微孔加工的复杂性，波形导流板的左右两端焊接楔形块，波形导流板具有一定的弹性，通过夹紧导流板夹板调整夹板间隙，从而压缩波形导流板，同时和楔形块相连接的调节弹簧提供预紧力，以保证楔形块和导流板夹板楔形面的密封，安装调节弹簧的弹簧承压板通过调节螺钉与导流板夹板连接，确保不影响导流板夹板的调节。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，高压静电的产生采用双电极设计，即上电极板置于纺丝箱体和铺网带中间，在上电极板和波形导流板正对的位置开30-100mm的长条线形通孔，并连接高压静电发生器高压输出端；下电极板置于铺网带正下方0.2-5cm处，下电极板上均匀钻10-200目的均布细孔，便于抽风***气流顺利通过。纺丝箱体接地，上电极板距离纺丝箱体下端2-8cm，上电极板电压为10-60kv，下电极板距离上电极板5-45cm，电压为20-160kv。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，上电极板上方左右两侧安装导向风刀，引导气流顺利通过上电极板，同时对纤维产生牵伸细化作用，该导向风刀气流速度可在10-100m/s内调节，气流温度-5-160℃可调。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置的纺丝工艺步骤如下：先将挤出机、纺丝箱体、热轧装置等预热到设定温度；按照预设纺丝速度开始挤料直到熔体挤出压力稳定；上电极板和下电极板先后加电；待聚合物熔体均布射流出现后按照预设参数开启空压机气流供给、气流加热装置及抽风***；待纺丝过程稳定后，开始铺网带运行，无纺布通过热轧装置利用收卷辊子收卷。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺，由于改变了传统的静电纺丝毛细管的结构，将静电纺丝由单根的出丝方式，利用成排的波形薄片引导为可自组织的多根直线排列的泰勒锥体，然后利用高速气流和高压电场作用，实现了平均直径为200-800nm聚合物纳米纤维的批量化制备，使得制备效率接近于工业化生产的熔喷技术，为我国超细纤维制备及其在高效过滤、锂电池隔膜、医用材料应用提供了材料基础和技术支撑。可克服聚合物高粘、产量低、装置复杂等困难，实现熔体微分静电纺丝的工业化生产。
附图说明
图1是本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置的总体装配示意图。
图2是图1所示的本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置的纺丝箱体横截面示意图。
图3是图2所示的纺丝箱体内衣架型分流板剖面示意图。
图4是图2所示的纺丝箱体内导流板夹板的等轴示意图。
图5是图2所示的纺丝箱体内导流板夹板的正视图。
图6是图4和图5所示的波形导流板等轴示意图。
图7是图1所示的导向风刀剖面示意图。
图中：1-挤出机；2-滤网；3-熔体计量泵；4-纺丝箱体；5-气流加热装置；6-空压机；7-上电极板；8-下电极板；9-高压静电发生器；10-导向风刀；11-热轧装置；12-收卷辊子；13-铺网带；14-抽风***；15-衣架型分流板；16-过渡板；17-波形导流板；18-导流板夹板；19-气流道；20-螺钉；21-调节弹簧；22-调节螺钉；23-弹簧承压板；24-楔形块；25-紧定螺钉。
具体实施方式
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，如图1～7所示的示意图，纺丝装置主要包括挤出机1、滤网2、熔体计量泵3、纺丝箱体4、气流加热装置5、空压机6、上电极板7、下电极板8、高压静电发生器9、导向风刀10、热轧装置11、收卷辊子12、铺网带13及抽风***14，挤出机1出口接滤网2，滤网2和纺丝箱体4入口之间通过法兰连接熔体计量泵3，空压机6出口连接气流加热装置5，然后通过分流装置分为两个管道，接通到纺丝箱体4，纺丝箱体4下方安置上电极板7，距离上电极板7下方一定距离处安置下电极板8，铺网带13穿过上电极板7和下电极板8之间并贴着下电极板8，在纺丝箱体4和上电极板7之间安装导向风刀10，抽风***14紧贴在下电极板8正下方,其中纺丝箱体4主要由衣架型分流板15、过渡板16、波形导流板17和导流板夹板18组成，衣架型分流板15、过渡板16和导流板夹板18均通过螺钉20连接，组合后即形成曲线气流道19，波形导流板17夹在导流板夹板18中间，波形导流板17的左右两端焊接楔形块24，同时和楔形块24相连接的调节弹簧21提供预紧力以保证楔形块24和导流板夹板楔形面的密封,安装弹簧的弹簧承压板23通过调节螺钉22与导流板夹板18连接，确保不影响导流板夹板的调节，衣架型分流板15为对称式结构，通过紧定螺钉25组装。
本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝工艺步骤如下：挤出机1、纺丝箱体4、热轧装置11等预热到设定温度；按照预设纺丝速度开始挤料直到熔体挤出压力稳定；对上电极板7和下电极板8先后通过高压静电发生器9高压端子通电；待波形导流板17下端聚合物熔体均布射流出现后按照预设参数开启空压机6气流供给、气流加热装置5及抽风***14；待纺丝过程稳定后，开始铺网运行，无纺布通过热轧装置11利用收卷辊子12收卷。
一个实施例如图1、2、5所示，挤出机1采用螺杆直径为65mm，滤网2为240目，纺丝箱体4幅宽1m，波形导流板17为正弦波导流板，板厚1mm，波峰到波谷宽度3.5mm，通过调节弹簧21及调节螺钉22调节导流板夹板间隙为2mm，空压机6气流量为500m3/h，纺丝材料为pp6820(熔体流动速率2000g/10min)，熔体计量泵3温度设定为185℃，纺丝箱体流道温度230℃，夹板18及导流板17设定温度为260℃，气流速度150m-200m/s，气流加热装置5调定温度280℃，上电极板7距离纺丝箱体间距50mm，电压30Kv，上电极板7同下电极板8间距400mm，下电极板8电压65Kv，导向风刀10气流速度80m/s，温度80℃，熔体流量0.4Kg/min，可以批量得到1微米以下的细丝。
Claims (6)
1.一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其特征在于：主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、纺丝箱体、气流加热装置、空压机、上电极板、下电极板、高压静电发生器、导向风刀、热轧装置、接收装置、铺网带和抽风***，挤出机出口接滤网，滤网和纺丝箱体入口之间通过法兰连接熔体计量泵，空压机出口连接气流加热装置，气流通过分流装置分为两股接通到纺丝箱体，纺丝箱体下方安置上电极板，距离上电极板一定距离处安置下电极板，铺网带穿过上电极板和下电极板之间并贴着下电极板，在纺丝箱体和上电极板之间安装导向风刀，抽风装置紧贴在下电极板正下方；纺丝箱体主要由衣架型分流板、过渡板、波形导流板和导流板夹板组成，衣架型分流板、过渡板和导流板夹板均通过螺钉连接，衣架型分流板、过渡板和导流板夹板组合后形成异型截面气流道；波形导流板夹在导流板夹板中间，波浪形的导流板截面呈波形曲线，波形导流板的左右两端焊接楔形块，波形导流板具有弹性，通过夹紧导流板夹板调整夹板间隙，楔形块与调节弹簧相连接；在上电极板和波形导流板正对的位置开长条线形通孔，下电极板置于铺网带正下方处，纺丝箱体接地，上电极板和下电极板都连接高压静电发生器高压输出端。
2.根据权利要求1所述的一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其特征在于：波形是正弦波或矩形波。
3.根据权利要求1所述的一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其特征在于：下电极板上均匀钻10-200目的孔。
4.根据权利要求1所述的一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其特征在于：下电极板距离上电极板5-45cm。
5.根据权利要求1所述的一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其特征在于：上电极板上方左右两侧安装导向风刀。
6.采用权利要求1所述的一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置的纺丝工艺，其特征在于：先将挤出机、纺丝箱体、热轧装置等预热到设定温度；按照预设纺丝速度开始挤料直到熔体挤出压力稳定；上电极板和下电极板先后加电；待聚合物熔体均布射流出现后按照预设参数开启空压机气流供给、气流加热装置及抽风***；待纺丝过程稳定后，开始铺网带运行，无纺布通过热轧装置利用收卷辊子收卷。
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