CN104963008A - 一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，属于静电纺丝领域，主要包括喷头外圆筒、料流道、喷头芯棒、气流导管、热风枪、空压机、加热圈、孔电极板、静电发生器、孔绝缘板、水泵、水流入口通道、环形水槽、环形水流通道、调节螺钉、调节固定板、固定螺钉、加捻漏斗、带槽辊子和收集辊子。本发明利用高速水流在水槽中对多根纤维进行有序排列输送，然后随水流进入加捻漏斗旋转加捻，而且可以通过控制水槽倾斜角度调整加捻程度，加捻后的纤维落入带槽辊子中进行压实靠拢，最终通过收集辊子收集到紧实的加捻单束纤维。该装置能够在不影响原有纺丝装置正常纺丝的前提下，高效地梳理纤维，并可以使得聚合物熔体通过静电纺丝一次成形为捻线。

Description

一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置

技术领域

本发明涉及一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

随着科学的进步，纳米纤维由于有特殊的性能以及能够适应特殊的领域，已成为人们研究的热点。制备纳米纤维的方法有很多，有熔喷法、离心纺丝、溶液静电纺丝、熔体微分静电纺丝等，但是其中熔喷法很难成型长纤维，而离心纺丝与溶液静电纺丝有很大程度的受到材料的限制，所以熔体微分静电纺丝成为了制备纳米纤维最为理想的方式。

由于熔体微分静电纺丝制备的纤维直径很细，为了达到一定的强度与满足特定的需求，对其加捻就显得尤为重要，通过加捻能够使得多股单纤合并。而传统的加捻设备机构复杂且不能很好地适应现有的熔体静电纺丝工艺。已有的发明专利“一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺”(CN103409861 A)揭示了其纤维的加捻方式是通过空气压缩机与旋风真空发生器联合形成旋转气流实现的，但是由于吸风孔有较大的气流速度，会将纤维吸入孔内，形成堵塞，最终导致加捻失败。因此设计一种能够很好适应熔体微分静电纺丝技术的加捻纺丝装置尤为重要。

发明内容

本发明的目的是：针对现有的熔体微分静电纺丝装置不能够将纤维有效地合并为单纱，设计了一种带有高速水流辅助的熔体静电纺丝装置。该装置能够在不影响原有纺丝装置正常纺丝的前提下，高效地梳理纤维，并很好地将纳米纤维合拢为单纱，使得熔体通过静电纺丝一次成形为捻线。

本发明采用的技术方案是：一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，主要包括喷头外圆筒、料流道、喷头芯棒、气流导管、热风枪、空压机、加热圈、孔电极板、静电发生器、孔绝缘板、水泵、水流入口通道、环形水槽、环形水流通道、调节螺钉、调节固定板、固定螺钉、加捻漏斗、带槽辊子和收集辊子，喷头芯棒与喷头外圆筒通过凸台同轴固定，气流导管与喷头芯棒通过过盈配合联接，气流导管略高于喷头外圆筒下端面，同时气流导管通过气管与热风枪相连，热风枪与空压机连接；孔电极板位于喷头正下方，相距15cm，一般为10-40cm，孔绝缘板紧贴带孔电极板并同轴，孔电极板连接静电发生器；环形水槽大端位于孔绝缘板的正下方，环形水槽斜向通过调节螺钉与调节固定板固定，其倾斜角度为30°，可通过调节螺钉与调节固定板的螺纹旋转运动进行微调，调节固定板通过固定螺钉固定，环形水槽大端与水流入口通道通过挂扣形式连接，水流入口通道连接水泵；开口漏斗位于环形水槽小端的侧边，使得水槽小端刚好对准开口漏斗的侧壁；带槽辊子的最大槽位于加捻漏斗的正下方10cm，一般为5-30cm；带槽辊子最小槽正对收集辊子，距离为20cm，一般为10-40cm。

本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其气流导管与喷头芯棒通过过盈配合连接，喷头芯棒以凸台的形式与喷头外圆筒同轴过盈连接，喷头芯棒与喷头外圆筒间形成均匀的缝隙，以便料流均匀周向分布；气流导管下端超出喷头芯棒但是略低于喷头外圆筒的内锥面，保证气流辅助的有效性且不影响泰勒锥的形成及电场的分布；对喷头的加热采用内嵌于喷头外圆筒的加热方式，可以有效保证加热的均匀性。

本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其孔电极板位于喷头正下方，孔电极板接高压静电发生器，与接地的喷头外圆筒形成电场进行纺丝，而孔电极板下方紧贴一块孔绝缘板，有效隔绝了静电场，绝缘板孔洞略大于孔电极板的孔，防止了纤维的粘连。

本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其环形水槽固定于孔绝缘板的下方，大端正对于孔绝缘板的孔洞；环形水槽的大端开口为180°，然后在直径减小的同时开口角度逐渐变为60°，有利于纤维更好地聚拢；环形水槽两边的侧壁开有内嵌的环形水流通道，环形水流通道的入口更靠近大端一些，在高速水流的情况下，水会从通道的入口进入，然后从上端的出口喷射出来，可以将水流表面的纤维压入水流中，使之随水流向前运动；同时水流也可以有效地去除纤维中所带的电荷，保证纤维不会粘连在环形水槽的侧壁，防止结团阻塞向下运动。环形水槽的大端与水流入口通道通过卡扣的形式连接，水泵中的水在水流入口通道中形成平面水流而后进入水槽。环形水槽是倾斜固定的，倾斜角度可以由其下方两个调节螺钉调节，向上或是向下调节大端和小端的高度，可以间接地改变水槽的倾斜角度，以适应后续不同的加捻情况。

本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其加捻漏斗位于环形水槽小端的斜下方，使得环形水槽的小端对准加捻漏斗的侧壁；当水从环形水槽经侧壁流入漏斗时，会由于漏斗的流道面积的缩小在其内部形成环状水流，能够将比较平整进入漏斗中的纤维进行一定程度的加捻，然后再通过漏斗的小端再次聚拢并随水流流出。

本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其带槽辊子位于加捻漏斗的正下方，最大的槽正对于漏斗的出口；带槽辊子上的槽呈右螺旋状，并且槽宽不断减小，槽深逐渐加深，可对加捻后的纤维束进一步进行聚拢；每个槽的表面都进行抛光处理，可防止纤维的粘连；带槽辊子在电机的带动下由里向外旋转，并通过电机调节其转速与纤维下落的速度一致。

本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其收集辊子正对于带槽辊子，与带槽辊子平行，其表面光滑，在步进电机的驱动下保持与带槽辊子相同的线速度，对加捻后的纤维进行卷绕收取。

由以上技术方案可知，本发明与现有的技术相比具有如下优点：

1.采用倾斜环形水槽的快速水流辅助，水槽中的水有利于纤维释放掉静电荷，同时在水槽中开设的环形水流通道通过向水槽中部射出水流有助于将纤维压入水中，随水流一起向下运动，同时调节水流的速度可以防止纤维的堆积，使得纤维比较有序的排列；环形水槽截面的不断减小也有利于纤维的预聚拢；在水槽下方的调节螺钉，可以调节水槽的倾斜角度，不但可以微调水流的速度，更可以根据接下来的纤维加捻情况对纤维与水流的下落角度进行及时调整。

2.加捻漏斗形式的加捻方式，参考了马桶环形水流的形式，通过截面的急剧变化，使得从漏斗侧面流入的水流进行环向流动，水中的纤维在环形流动过程中会有一定程度的缠绕，然后急速进入狭窄通道，实现纤维的加捻。

3.采用渐变槽宽与槽深的带槽辊子，由于槽宽渐渐变窄，槽深渐渐变深，加捻后的纤维束通过牵引线的牵引作用，在不断转动的辊子中向前运动，而在槽中实现更进一步的聚拢。

4.在整个过程中保证了水流的速度与纤维的下落的速度一致，带槽辊子与纤维束的速度一致，收集辊子与加捻聚拢后的纤维束速度一致，保证了静电纺丝长纤维的优良特性，也保证了加捻过程的持续进行。

附图说明

图1为本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置的示意图。

图2为图1所示本发明一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置中环形水槽的A-A截面图。

图中：1-喷头外圆筒，2-料流道，3-喷头芯棒，4-气流导管，5-热风枪，6-空压机，7-加热圈，8-孔电极板，9-静电发生器，10-孔绝缘板，11-水泵，12-水流入口通道，13-环形水槽，14-环形水流通道，15-调节螺钉，16-调节螺钉固定块，17-固定螺钉，18-加捻漏斗，19-带槽辊子，20-收集辊子。

具体实施方式

本发明提出一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，如图1所示，其中主要包括：喷头外圆筒1、料流道2、喷头芯棒3、气流导管4、热风枪5、空压机6、加热圈7、孔电极板8、静电发生器9、孔绝缘板10、水泵11、水流入口通道12、环形水槽13、环形水流通道14、调节螺钉15、调节螺钉固定块16、固定螺钉17、加捻漏斗18、带槽辊子19和收集辊子20。喷头外圆筒1与喷头芯棒3通过凸台定位同轴连接，料流道2穿透喷头外圆筒连通到喷头外圆筒1与喷头芯棒3形成的间隙，气流导管4与喷头芯棒3通过过盈配合连接固定，加热圈7包覆在喷头外圆筒1的外表面，对喷头外圆筒和喷头芯棒进行加热，塑料通过料流道2进入喷头外圆筒1与喷头芯棒3的间隙中，然后周向均匀分布，塑料熔体流到底端在喷头外圆筒1的内锥面上形成薄的料流；孔电极板8连接静电发生器9，孔电极板8与孔绝缘板10位于喷头的正下方，孔电极板8与喷头外圆筒1之间形成均匀电场，致使在喷头外圆筒1的内锥面形成泰勒锥，并与热风的共同作用纺出纳米纤维；环形水流通道内嵌在环形水槽13的侧壁内，环形水槽13位于孔绝缘板10的下方，环形水槽13大端连接水流入口通道12，环形水槽13通过调节螺钉15倾斜固定在调节固定板16上，而调节固定板16通过固定螺钉17固定在基座上，调整调节螺钉15的上下位置控制水槽13的倾斜角度；开口漏斗18的斜面针对于环形水槽13的小端，而加捻漏斗18的出水口正下方是带槽辊子19的大槽端，而其小槽端正下方是收集辊子20。

下面结合具体实施案例对本发明作进一步的详细阐述。

本发明涉及一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，例如制备聚丙烯(PP6820)纳米捻线，在制备时，提前打开加热***，并待温度达到设定温度后，聚丙烯熔体经料流道2进入喷头外圆筒1与喷头芯棒3的间隙，经过3分钟后，流到内锥面底部并均匀分布，然后启动空压机6，调节气流导管4中的热风速度为5m/s，而后启动静电发生器9，调节电压为40Kv，就在孔电极板8与相距10cm的喷头间形成均匀电场，均匀分布在内锥面的聚合物熔体在电场力的作用下形成泰勒锥并喷射出纤维射流，纤维通过孔电极板8和孔绝缘板10后落入环形水槽13中，在高速水流与环形水流道14中水的共同作用下，纤维有序的随水流向下运动并初步聚拢，如图2所示，环形水槽13的倾斜角度随现实状况调节调节螺钉15，而后纤维随水流落入加捻漏斗18的侧壁，并在其内部形成环向水流，对整齐的纤维进行进一步的加捻聚拢，并通过下部的小截面流道，再次加捻聚拢；最后已经加捻后的纤维落入带槽辊子19的槽中，在预先已经缠绕在带槽辊子19中的牵引线的引导下，随带槽辊子19的旋转，纤维再次在槽中聚拢压实，最后落在收集辊子20上进行卷取收集。

Claims (10)

1.一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：主要包括喷头外圆筒、料流道、喷头芯棒、气流导管、热风枪、空压机、加热圈、孔电极板、静电发生器、孔绝缘板、水泵、水流入口通道、环形水槽、环形水流通道、调节螺钉、调节固定板、固定螺钉、加捻漏斗、带槽辊子和收集辊子，喷头芯棒与喷头外圆筒通过凸台同轴固定，气流导管与喷头芯棒通过过盈配合联接，气流导管略高于喷头外圆筒下端面，同时气流导管通过气管与热风枪相连，热风枪与空压机连接；孔电极板位于喷头正下方，孔绝缘板紧贴带孔电极板并同轴，孔电极板连接静电发生器；环形水槽大端位于孔绝缘板的正下方，环形水槽斜向通过调节螺钉与调节固定板固定，可通过调节螺钉与调节固定板的螺纹旋转运动进行微调，调节固定板通过固定螺钉固定，环形水槽大端与水流入口通道通过挂扣形式连接，水流入口通道连接水泵；开口漏斗位于环形水槽小端的侧边，使得水槽小端刚好对准开口漏斗的侧壁；带槽辊子的最大槽位于加捻漏斗的正下方；带槽辊子最小槽正对收集辊子，距离为20cm，一般为10-40cm。

2.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：孔电极板位于喷头正下方10-40cm。

3.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：环形水槽斜向倾斜角度为30°。

4.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：带槽辊子的最大槽位于加捻漏斗的正下方5-30cm。

5.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：带槽辊子最小槽正对收集辊子距离为10-40cm。

6.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：气流导管与喷头芯棒通过过盈配合连接，喷头芯棒以凸台的形式与喷头外圆筒同轴过盈连接，喷头芯棒与喷头外圆筒间形成均匀的缝隙；气流导管下端超出喷头芯棒并略低于喷头外圆筒的内锥面；对喷头的加热采用内嵌于喷头外圆筒的加热方式。

7.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：孔电极板位于喷头正下方，孔电极板接高压静电发生器，与接地的喷头外圆筒形成电场进行纺丝，而孔电极板下方紧贴一块孔绝缘板，绝缘板孔洞略大于孔电极板的孔。

8.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：环形水槽固定于孔绝缘板的下方，大端正对于孔绝缘板的孔洞；环形水槽的大端开口为180°，然后在直径减小的同时开口角度逐渐变为60°；环形水槽两边的侧壁开有内嵌的环形水流通道，环形水流通道的入口更靠近大端一些，环形水槽的大端与水流入口通道通过卡扣的形式连接，水泵中的水在水流入口通道中形成平面水流而后进入水槽。

9.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：加捻漏斗位于环形水槽小端的斜下方，使得环形水槽的小端对准加捻漏斗的侧壁。

10.根据权利要求1所述的一种高速水流辅助加捻的熔体微分电纺装置，其特征在于：带槽辊子上的槽呈右螺旋状，并且槽宽不断减小，槽深逐渐加深，每个槽的表面都进行抛光处理，带槽辊子在电机的带动下由里向外旋转，并通过电机调节其转速与纤维下落的速度一致。