CN114197062B - 熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，包括纺丝***、纤维引导***、集束***、上油***和收集辊子，其中纤维引导***包括空压机、等离子体发生器、第一级抽吸风管、支架、第二级抽吸风管和第二级抽吸风管固定装置，集束***包括喇叭状吸风环、第三级抽吸风管、第四级抽吸风管和塑料管，上油***包括油嘴、油泵、储油池和油泵电机，本发明利用多个多层喷头增加长丝中纤维数量以提高长丝断裂力，利用多级气流引导纤维并对纤维进行集束，利用等离子体消除纤维的残余电荷，减弱纤维间电荷排斥，利用上油装置使纤维吸附油剂，进一步增加集束效果，利用高速旋转辊子使纤维束取向提高，从而批量化的制备取向好、强度高的微纳米纤维长丝。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，属于静电纺丝领域
背景技术
静电纺丝就是利用高压电场下的尖端效应，使流体带电或被极化，进而在电场力的作用下克服表面张力和粘滞阻力，形成超细纤维。
静电纺丝制备的超细纤维具有比表面积大，孔隙率高等优点，因此可以表现出独特的物理化学性能。但静电纺丝一般得到的是纤维随机取向的无纺布，力学性能差，极大地限制了静电纺丝技术进一步应用，尤其是在需要各向异性复杂结构的组织工程、能源及智能穿戴等方面的应用。
采用静电纺丝技术制备纳米纤维长丝解决了静电纺丝产品力学性能差的问题，并可将纳米纤维技术与传统纺织技术结合，扩展静电纺丝技术的应用领域。目前静电纺丝取向长丝的研究可以概括为：
电场自集束：其原理为高压电场下的接地针尖发生静电感应，在针尖聚集大量电荷，纤维被针尖吸引集成一束，进而被辊子收集。如[WANG X,ZHANG K,ZHU M,etal.Enhanced Mechanical Performance of Self-Bundled Electrospun Fiber Yarnsvia Post-Treatments[J].Macromolecular Rapid Communications,2008,29(10):826-31.]利用针尖集束散乱的纤维。这种方法产量低而且只适用于电导率高的纺丝溶液。
水浴集束：其原理是利用水的表面张力将纤维集成一束，再通过辊子收集。如[SMIT E,U,SANDERSON R D.Continuous yarns from electrospun fibers[J].Polymer,2005,46(8):2419-23.]将静电纺丝制备的纤维沉积到水中，利用一根塑料棒将纤维捞出，在水的表面张力下，散乱的纤维变成一束，之后用辊子收集。这种方法只适用于不溶于水的聚合物，而且是将纤维网变成丝束，丝束内纤维没有取向。
共轭电纺集束：其原理是利用带有相反电荷的纤维相互吸引的特性，将纤维集成一束。如[LI X,YAO C,SUN F,et al.Conjugate electrospinning of continuousnanofiber yarn of poly(L-lactide)/nanotricalcium phosphate nanocomposite[J].Journal of Applied Polymer Science,2008,107(6):3756-64.]连接相反电极的喷头向中心喷射纳米纤维，纤维在库仑力的作用下，相互缠结集成一束，进而被辊子收集。这种方法制备的丝束产量低，而且纤维没有取向。
上述溶液静电纺丝制备长丝的方法效率低，产量低，不适合产业化生产，而且纤维取向程度低，力学性能差。熔体静电纺丝与溶液静电纺丝相比具有绿色无溶剂，原料利用率高，可对PP、PE、PPS等难以找到溶剂的聚合物进行纺丝等优点。本技术在熔体微分静电纺丝的基础上，引入旋风集束、等离子体消静电、油剂集束等方法制备纳米纤维的取向长丝。
熔体取向长丝的制备还可以采用熔融纺丝的方法，如中国专利CN101838859A，将熔体从喷丝板挤出制备纤维，经冷却通道固化后通过集丝导丝器形成长丝。但这种方法制备的纤维直径粗，不能制备纳米纤维组成的长丝。
发明内容
本发明设计了一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，该装置可以实现高度取向纳米纤维长丝的产业化制备，长丝具有高断裂强度，具有可编织性。
本发明的技术方案：一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置由纺丝***、纤维引导***、集束***、上油***和收集辊子组成，依次从上到下排列，均由支架固定。其中纺丝***由柱塞式挤出机、多层微分喷头、电极板和高压静电发生装置组成，多层微分喷头连接在柱塞式挤出机下方，电极板放在多层微分喷头下方与高压静电发生装置相连，多层微分喷头接地与电极板形成高压电场，从挤出机挤出的熔体在多层微分喷头扩展成膜，在电场力的作用下形成上百根纤维；纤维引导***由空压机、等离子体发生器、第一级抽吸风管、支架、第二级抽吸风管和第二级抽吸风管固定装置组成，第一级抽吸风管上端面与电极板相接，同轴线布置，第一级抽吸风管卡在支架上，其下方为第二级抽吸风管，由第二级抽吸风管固定装置固定。空压机产生的压缩空气通过气管，一部分直接流入第一级抽吸风管，另一部分在等离子体发生器的高压电离作用下形成等离子体，流入第二级抽吸风管；集束***由喇叭状吸风环、第三级抽吸风管、第四级抽吸风管和塑料管组成，两个抽吸风管间由塑料管粘连，第三级抽吸风管与喇叭状吸风环螺纹连接，两个相连的抽吸风管形成的加强的旋风将纤维集束。上油***由油嘴、油泵、储油池和油泵电机组成，油泵由油泵电机驱动，将储油池内的油通过导油管压入油嘴形成喷雾。
本发明的一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的使用方法为聚合物原料加入到柱塞式挤出机后在高温高压的作用下被塑化成熔融流体，经过多层微分喷头的内部流道均匀的分配到多层微分喷头的每一层锥面并均匀扩展成熔膜。电极板连接高压静电发生器，被赋予几十千伏的高压，多层微分喷头接地。在高压电场作用下使每个多层微分喷头产生上百根纤维。启动空压机向各抽吸风管通入压缩空气，打开等离子体静电发生装置，使进入第二级抽吸风管的压缩空气变为等离子体。超细纤维由纤维引导***的各级抽吸风管产生的气流牵引至喇叭状吸风环。喇叭状吸风环下方两个相连的抽吸风管产生的加强旋风将纤维吸入，并将其集束，纤维束由吸枪牵引通过油嘴，由辊子收集。启动油泵与电机，使油从储油池输送到油嘴，在压力下形成油雾，使纤维吸附油雾。启动收集辊子，集束后的纤维束由高速辊子拉伸取向并收集。
本发明的一种的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的各级抽吸风管均由抽吸风管上端外壳、抽吸风管下端外壳和抽吸风管内管组成，上端外壳、抽吸风管下端外壳与抽吸风管内管之间依靠螺钉拧紧固定，上端外壳与抽吸风管下端外壳形成外壳，外壳与抽吸风管内管之间形成一段封闭的空腔。抽吸风管内管上有多个围绕内管内壁加工的小的通孔，小通孔的外径与抽吸风管内管的内径相切，小通孔的轴线倾斜向下，与水平面成锐角，空压机产生的压缩气体进入抽吸风管上端外壳、抽吸风管下端外壳与抽吸风管的间隙空腔后，沿抽吸风管内壁上的通孔形成多股切向气流，旋风的中心产生负压，从而吸引纤维进入抽吸风管，并将纤维送出。
本发明的一种的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的第二级抽吸风管固定装置由第二级抽吸风管支架、套环、压板、螺钉和锁紧螺母组成，套环卡在第二级抽吸风管的吸风口处，与第二级抽吸风管过盈配合，套环的两端有延长的轴，可以在第二级抽吸风管支架的槽内转动，轴的一侧沿轴向均匀分布多个小孔，各小孔之间存在周向角度差，旋转套环至某一小孔竖直向上时，用螺钉连接压板与套环，将套环旋转角度固定，进而将第二级抽吸风管的旋转角度固定，第二级抽吸风管的转动角度在0～45°，拧紧锁紧螺母，将套环固定。
本发明的一种的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的集束***的塑料管选用强度高、内表面粗糙度小、耐磨性好的材料，可使纤维顺利通过，塑料管长度为3-15cm，保证两个抽吸风管的旋风为相互增强的效果。
本发明的一种的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的第二级抽吸风管通入的是等离子体，等离子体会中和纤维上的电荷，降低纤维间的相互排斥作用，有利于纤维的集束。
本发明的一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，油嘴主要由油嘴主体、油嘴隔网和油嘴前盖组成。油嘴主体、油嘴隔网和油嘴前盖之间由胶粘粘。油嘴主体内的油剂入口是一个直径逐渐减小漏斗型结构，入口处油剂受到的压力急剧增加，此外，油剂出口处有拦截网即油嘴隔网，网孔大小为几百微米。可将油剂破碎成小液滴。液滴状的油剂可以充分与长丝中的纤维接触，有效利用油剂的集束性。油嘴前盖用于保护油嘴隔网不被纤维粘粘并堵塞。通过油剂的集束作用，长丝的集束性进一步增强，长丝的力学性能得到提高。
本发明的一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的辊子为高速旋转辊子，辊子线速度大于集束***的风速，在高速辊子的拉伸作用下，长丝中纤维的取向会得到大幅度提高。
本发明的一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，利用多个多层喷头增加长丝中的纤维数量，提高长丝的断裂力，利用多级气流引导纤维并对纤维进行集束，利用等离子体消除纤维的残余电荷，减弱纤维间的电荷排斥，增强纤维的集束，利用上油装置使纤维吸附油剂，进一步增加集束效果，利用高速旋转辊子使纤维束取向提高，从而批量化的制备取向好、强度高的微纳米纤维长丝。
附图说明
图1为本发明熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的示意图。
图2为图1所示装置的抽吸风管结构示意图。
图3为图1所示装置的第二级抽吸风管固定装置的示意图。
图4为图3所示装置的套环结构示意图。
图5为图1所示装置的油嘴示意图。
图6为吸枪牵引丝束示意图。
图中：1—柱塞式挤出机；2—多层微分喷头；3—电极板；4—第一级抽吸风管；4-1—抽吸风管内管；4-2—抽吸风管上端外壳；4-3—小通孔；4-4—抽吸风管下端外壳；5—第二级抽吸风管固定装置；5-1第二级抽吸风管支架；5-2压板；5-3螺钉；5-4套环；5-5—拧紧螺钉；5-6—定角度孔；6—第二级抽吸风管；7—喇叭状吸风环；8—第三级抽吸风管；9—塑料管；10—第四级抽吸风管；11—油嘴；11-1—油嘴主体、11-2—油嘴隔网、11—3油嘴前盖；12—油嘴支架；13—辊子；14—装置支架；15—高压静电发生器；16—等离子体发生器；17—储油池；18—油泵；19—油泵电机；20—空压机；21—吸枪。
具体实施方式
本发明提出一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，由纺丝***、纤维引导***、集束***、上油***和收集辊子组成，依次从上到下排列，均由装置支架14固定。如图1所示，其中纺丝***由柱塞式挤出机1、多层微分喷头2、电极板3和高压静电发生器15组成，多层微分喷头2连接在柱塞式挤出机1下方，电极板3放在多层微分喷头2下方与高压静电发生器15相连，多层微分喷头2接地与电极板3形成高压电场，从柱塞式挤出机1挤出的熔体在多层微分喷头2的各层锥面扩展成膜，在电场力的作用下形成上百根纤维；纤维引导***由空压机20、等离子体发生器16、第一级抽吸风管4、第二级抽吸风管6和第二级抽吸风管固定装置5组成，第一级抽吸风管4上端面与电极板3相接，并同轴线布置，其下方为第二级抽吸风管4，由第二级抽吸风管固定装置5固定。空压机20产生的压缩空气一部分直接流入第一级抽吸风管4，另一部分在等离子体发生器16的高压电离作用下形成等离子体，流入第二级抽吸风管6；集束***由喇叭状吸风环7、第三级抽吸风管8、第四级抽吸风管10和塑料管9组成，两个抽吸风管4间由塑料管9粘连，第三级抽吸风管8上端面连接喇叭状吸风环7，第三级抽吸风管8、第四级抽吸风管10和塑料管9形成了加强的旋风可将纤维集束。上油***由油嘴11、油嘴支架12、油泵18、储油池17和油泵电机19组成，油泵18由油泵电机19驱动，油嘴支架12将油嘴11固定在给成束纤维上油的位置，油泵18将储油池17内的油压入油嘴11形成喷雾。
本发明的一种的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，各级抽吸风管均由抽吸风管上端外壳4-2、抽吸风管下端外壳4-4和抽吸风管内管4-1组成，如图2所示，抽吸风管上端外壳4-2、抽吸风管下端外壳4-4与抽吸风管内管4-1之间依靠螺钉拧紧固定，抽吸风管上端外壳4-2与抽吸风管下端外壳4-4形成外壳，外壳与抽吸风管内管4-1之间形成一段封闭的空腔。抽吸风管内管4-1上有多个围绕内管内壁加工的小通孔4-3，小通孔4-3的外径与抽吸风管内管4-1的内径相切，小通孔4-3的轴线倾斜向下，与水平面成锐角，空压机20产生的压缩气体进入抽吸风管上端外壳4-2、抽吸风管下端外壳4-4与抽吸风管4-1的间隙空腔后，沿抽吸风内管4-1内壁上的小通孔4-3形成多股切向气流，旋风的中心产生负压，从而吸引纤维进入抽吸风管，并将纤维送出。
本发明的一种的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，第二级抽吸风管固定装置5由第二级抽吸风管支架5-1，套环5-4，压板5-2，螺钉5-3和锁紧螺母5-5组成，见图3所示。套环5-4与第二级抽吸风管5-1过盈配合，套环5-4的两端有延长的轴，见图4所示，可以在第二级抽吸风管支架5-1的槽内转动，轴的一侧沿轴向均匀分布多个小孔定角度孔5-6，各定角度孔5-6之间存在周向角度差，旋转套环5-4至某一小孔竖直向上时，用螺钉5-3连接压板5-2与套环5-4，将套环5-4旋转角度固定，进而将第二级抽吸风管5-4的旋转角度固定，拧紧锁紧螺母5-5，将套环5-4固定。
本发明的一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，油嘴的油剂入口是一个直径逐渐减小漏斗型结构油嘴主体11-1，见图5所示，入口处油剂受到的压力急剧增加，此外，油剂出口处有油嘴隔网11-2做为拦截网，油嘴前盖11-3压住油嘴隔网11-2，油嘴隔网11-2的网孔大小为几百微米，可将油剂破碎成小液滴。液滴状的油剂可以充分与长丝中的纤维接触，有效利用油剂的集束性。通过油剂的集束作用，长丝的集束性进一步增强，长丝的力学性能得到提高。
本发明的一种熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置的使用方法为聚合物原料加入到柱塞式挤出机1后在高温高压的作用下被塑化成熔融流体，经过多层微分喷头2的内部流道均匀的分配到多层微分喷头2的每一层锥面并均匀扩展成熔膜。电极板3连接高压静电发生器11，被赋予几十千伏的高压，多层微分喷头2接地。在高压电场作用下使每个多层微分喷头2产生上百根纤维。启动空压机20向第一级抽吸风管4、第二级抽吸风管6、第三级抽吸风管8和第四级抽吸风管10通入压缩空气，打开等离子体发生器16，使进入第二级抽吸风管6的压缩空气变为等离子体。超细纤维由纤维引导***的第一级抽吸风管4和第二级抽吸风管6产生的气流牵引至喇叭状吸风环7。喇叭状吸风环7下方的第三级抽吸风管8和第四级抽吸风管10由塑料管8连接，产生的加强旋风将纤维吸入，并将其集束，纺丝开始时，纤维束由吸枪21牵引通过油嘴11，见图6所示，由辊子13收集。连续集束稳定后，启动油泵18与电机19，使油从储油池17输送到油嘴11，在压力下形成油雾，使纤维吸附油雾。启动辊子13，集束后的纤维束由高速辊子13拉伸取向并收集。
Claims (5)
1.熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，其特征在于：由纺丝***、纤维引导***、集束***、上油***和收集辊子组成，依次从上到下排列，均由装置支架固定；其中纺丝***由柱塞式挤出机、多层微分喷头、电极板和高压静电发生装置组成，多层微分喷头连接在柱塞式挤出机下方，电极板放在多层微分喷头下方与高压静电发生装置相连，多层微分喷头接地与电极板形成高压电场，从挤出机挤出的熔体在多层微分喷头扩展成膜，在电场力的作用下形成上百根纤维；纤维引导***由空压机、等离子体发生器、第一级抽吸风管、支架、第二级抽吸风管和第二级抽吸风管固定装置组成，第一级抽吸风管上端面与电极板相接，同轴线布置，第一级抽吸风管卡在支架上，其下方为第二级抽吸风管，由第二级抽吸风管固定装置固定；空压机产生的压缩空气通过气管，一部分直接流入第一级抽吸风管，另一部分在等离子体发生器的高压电离作用下形成等离子体，流入第二级抽吸风管；集束***由喇叭状吸风环、第三级抽吸风管、第四级抽吸风管和塑料管组成，两个抽吸风管间由塑料管粘连，第三级抽吸风管与喇叭状吸风环螺纹连接，两个相连的抽吸风管形成的加强的旋风将纤维集束；上油***由油嘴、油泵、储油池和油泵电机组成，油泵由油泵电机驱动，将储油池内的油通过导油管压入油嘴形成喷雾。
2.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，其特征在于：各级抽吸风管均由抽吸风管上端外壳、抽吸风管下端外壳和抽吸风管内管组成，上端外壳、抽吸风管下端外壳与抽吸风管内管之间依靠螺钉拧紧固定，上端外壳与抽吸风管下端外壳形成外壳，外壳与抽吸风管内管之间形成一段封闭的空腔；抽吸风管内管上有多个围绕内管内壁加工的小的通孔，小通孔的外径与抽吸风管内管的内径相切，小通孔的轴线倾斜向下，与水平面成锐角，空压机产生的压缩气体进入抽吸风管上端外壳、抽吸风管下端外壳与抽吸风管的间隙空腔后，沿抽吸风管内壁上的通孔形成多股切向气流，旋风的中心产生负压。
3.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，其特征在于：第二级抽吸风管固定装置由第二级抽吸风管支架、套环、压板、螺钉和锁紧螺母组成，套环卡在第二级抽吸风管的吸风口处，与第二级抽吸风管过盈配合，套环的两端有延长的轴，可以在第二级抽吸风管支架的槽内转动，轴的一侧沿轴向均匀分布多个小孔，各小孔之间存在周向角度差，旋转套环至某一小孔竖直向上时，用螺钉连接压板与套环，将套环旋转角度固定，进而将第二级抽吸风管的旋转角度固定，第二级抽吸风管的旋转角度在0-45°之间确定，拧紧锁紧螺母，将套环固定。
4.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，其特征在于：塑料管长度为3-15cm。
5.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝预取向长丝连续制备装置，其特征在于：油嘴主要由油嘴主体、油嘴隔网和油嘴前盖组成，油嘴主体、油嘴隔网和油嘴前盖之间由胶粘连；油嘴主体内的油剂入口是一个直径逐渐减小漏斗型结构，入口处油剂受到的压力急剧增加，油剂出口处有油嘴隔网，网孔大小为几百微米，油嘴前盖用于保护油嘴隔网不被纤维粘连并堵塞。
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