一种微纳米纤维无纺布的生产方法及装置的制作方法

专利名称：一种微纳米纤维无纺布的生产方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及纺织领域的非织造布技术，具体为一种通过气流与高分子溶液共同作
用制备微纳米纤维无纺布的生产方法及装置。
背景技术：
目前，世界各国的研究机构和生产企业普遍使用的微纳米纤维无纺布的生产方 法主要有熔喷法、闪蒸法和静电纺丝法等。其中，有关熔喷法的文献报道主要有《熔喷 法的设备、工艺和产品》(Edward McNally，产业用纺织品[J] ， 2008年第5期，23-25.)， 中国专利CN1446275、 CN94117940. 0、 CN1440840等；美国专利US3978185, US4238175, US4267002等；世界专利W01992/007121、W01979/001015、W01987/004195、W01992/007121、 W02000/020674等，这些熔喷方法的主要工艺原理是将熔融的聚合物经由直线排列的小 孔挤出，在呈一定角度的高速热气流喷射下形成微纳米纤维。闪蒸法的文献报道主要有 中国专利C訓42741A、 C訓53455A、 CN101565861等，美国专利US5023025、 US5032326 等，国际专利W02001/061082、 W01999/036600、 W01999/006616和W01997/041281等，闪 蒸法的主要工艺原理是将成纤聚合物在高温高压条件下溶于适当的溶剂中，制成纺丝 液，由于纺丝液在喷丝孔处压力突然降为常压，溶剂急剧蒸发，引起聚合物高度原纤化 而形成超细纤维丛丝。静电纺丝方法的文献报道主要有中国专利ZL200410025622.6、 ZL200420020596. 3、ZL200420107832. 5等，美国专利US6753454、US6616435、US6713011等， 世界专利W004074559、 W02004/016839、 W00209288A1、 W02005/073441， W02005/073442， WO 2006/018838， W02006/007287, W02005/026398和W02005/123995等，静电纺丝法的主要工 艺原理是在高压静电场中，使毛细管口的悬垂小液滴在静电力作用下顶端发出微细射流， 射流在飞行过程中溶剂挥发而固化成纤维的方法。 熔喷法和闪蒸法的生产方法及装置都需要高温或/和高压条件，生产条件要求较 高，能耗大，污染环境，而静电纺丝法也需要在高压静电场中完成射流的喷射，生产方法和 设备更为复杂，工业控制难度大，能耗高，也污染环境，都有违低碳技术的要求。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种微纳米纤维无纺 布的生产方法及装置，该生产方法及装置在常温常压环境下即可实现微纳米纤维非织造布 的连续化生产，所生产的非织造布中的微纳米纤维直径细、分布窄，产品性能优良，更重要 的是节省了大量能源，符合低碳技术要求，且工艺简单，操作方便，工业化实施容易等。
本发明解决所述生产方法技术问题的技术方案是设计一种微纳米纤维无纺布的 生产方法，该生产方法包括如下工艺步骤 (1)制备聚合物溶液将固体聚合物及其良溶剂以适当的质量百分比浓度在搅拌 机中搅拌混合均匀，静置1-2小时后，再把制备好的聚合物溶液送入贮液池中备用；所述的 固体聚合物是指可溶性聚合物，包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈或聚酯；所述的
3良溶剂包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿；所述适当的质量百分比浓度是指所述聚合物溶 液在其内部适当气压的垂直气流作用下能够使其液面产生火山口状隆起时的质量百分比 浓度； (2)微纳米射流喷射成纤利用气泵提供适当的气压，使气流从贮液池聚合物溶 液液面下的喷嘴中垂直喷出，在聚合物溶液的液面产生火山口状隆起，并在气流剪切力的 作用下使微纳米射流从所述的隆起中喷射出来，飞向接收装置，在喷射过程中，微纳米射流 中的良溶剂挥发，同时在气流力的作用下把射流拉伸细化成微纳米级纤维；所述适当的气 压是指能使聚合物液面产生所述火山口状隆起时所需要的气压； (3)无纺布成型调整聚合物溶液液面与接收装置之间的垂直距离，以及接收装
置的运动速度，使所得微纳米纤维以纤维网的形式收集在接收装置上，并依靠纤维自身间
的粘接作用和空气冷却作用，使收集的纤维网制成所述的微纳米纤维无纺布。 本发明解决所述生产装置技术问题的技术方案是设计一种微纳米纤维无纺布的
生产装置，该生产装置适用于本发明所述的微纳米纤维无纺布的生产方法，主要包括纺丝
系统、供液系统、传动系统和控制系统，其中，所述纺丝系统包括贮液池、喷气管、气泵、气流
分布装置和接收装置，喷气管的喷口向上垂直安装在贮液池的底部，喷气管依次经气流分
布装置、供气阀门与气泵管接；所述供液系统包括供液池、供液阀和供液管，供液池依次经
供液阀和供液管与贮液池管接；所述传动系统为接收装置提供常规驱动；所述控制系统主
要包括常规的供液控制、供气控制和传动控制。 与现有技术相比，本发明是通过气流与高分子溶液共同作用来制备微纳米纤维无 纺布的生产方法和装置，可在常温常压下实现聚合物溶液制备无纺布的连续化生产，大大 降低了生产成本，节约了能源；该生产装置采用喷气管在纺丝溶液中向上释放压縮气体的 方法，避免了其它方法需要高温或/和高压条件下的设备复杂性问题；该生产方法和装置 无需传统纺丝方法的喷丝头，避免了喷丝头易堵塞和清洗困难等缺陷；该生产装置制造简 单，操作方便，可满足低碳生产要求，实施成本低，工业化推广容易。


图1为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法一种实施例及所述接收装置为接 收网帘的微纳米纤维无纺布生产装置的结构示意图； 图2为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法另一种实施例及所述接收装置为 接收辊筒的微纳米纤维无纺布生产装置的结构示意图； 图3为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例的多个喷气管 (11个)以同心圆方式均布排列的形状结构示意图； 图4为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例的多个喷气管 (9个)以矩阵方式排列的形状结构示意图； 图5为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置在所述聚合物液面上产生 火山口状隆起及喷射微纳米射流的结构示意图； 图6为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例在实际纺丝时 产生火山口状隆起及喷射微纳米射流的照片图； 图7为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例(图1所示)引入静电场的结构示意图； 图8为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例(图2所示)引 入静电场的结构示意图； 图9为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例在同心圆方式 排列的多个喷气管(7个)中加入金属电极的结构示意图； 图10为本发明微纳米纤维非织造布的生产方法及装置一种实施例在矩形方式排 列的多个喷气管(6个)中加入金属电极的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及其附图进一步阐述本发明。 本发明设计的微纳米纤维无纺布(非织造布)的生产方法(简称生产方法，参见 图1-10)主要包括以下工艺步骤 (1)制备聚合物溶液将固体聚合物及其良溶剂以适当的质量百分比浓度在搅拌 机中搅拌混合均匀，静置l-2小时后，即制备好聚合物溶液(纺丝液)；再把制备好的聚合 物溶液送入贮液池中备用；所述的固体聚合物是可溶性聚合物，包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙 烯醇、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶剂包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿；所述适当的质 量百分比浓度是指所述聚合物溶液在其内部适当气压的垂直气流作用下能够使其液面产 生火山口状隆起时的质量百分比浓度； (2)微纳米射流喷射成纤利用气泵提供适当气压的气流，使其从贮液池聚合物 溶液液面下的喷嘴中垂直喷出，导致聚合物溶液液面在所述气流作用下产生火山口状隆 起，并在气流剪切力的作用下使微纳米射流从所述的隆起中喷射出来(参见图5、6)，飞向 接收装置，在喷射过程中射流中的良溶剂挥发，使射流固化为纤维；在这一过程中，除溶剂 挥发会降低射流直径外，气流力的作用对射流也有一定的拉伸细化作用，使射流最终固化 为直径从几十纳米到几微米不等的微纳米纤维，同时气流还具有较强的推进作用，使微纳 米射流飞向接收装置；所述适当的气压是指能使聚合物液面产生所述火山口状隆起时所需 要的气压； (3)无纺布成型调整聚合物溶液液面与接收装置之间的垂直距离，以及接收装 置的运动速度，即可使所得微纳米纤维以纤维网的形式收集在接收装置上，并依靠纤维自 身间的粘接作用和空气冷却作用，即制成所述的微纳米纤维无纺布。 本发明生产方法中，所述纺丝液的适当质量百分比浓度主要与高分子聚合物材料 及其分子量和所用良溶剂有关，例如，所述的聚合物选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)时，其 在水和乙醇以质量比为l : 9比例的混合溶剂中溶解，当质量百分比浓度达到36%以上时， 才可以满足所述工艺要求，；而当聚合物材料选用聚丙烯腈(分子量为70000g/mo1)时，在 二甲基甲酰胺溶剂中的质量百分比为12%及以上，即可满足所述工艺要求。换言之，对于聚 乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)而言，所述适当的质量百分比浓度应当是^36%;而对于聚丙烯 腈(分子量为70000g/mo1)而言，所述适当的质量百分比浓度则是^ 12%。这一满足工艺 要求的最低的适当浓度可称为临界(质量百分比)浓度。所述不同的聚合物材料适用于不 同的良溶剂，同时也有不同的临界浓度。对于同一种聚合物而言，虽然高于其临界浓度值都 可以满足纺丝工艺要求，但考虑到较高的适当浓度有较高的溶液粘度，纺丝时需要较大的CN 101775706 A 气流喷射压力，因此，较好的适当浓度的工艺设计是选用聚合物其临界浓度或略高于其临
界浓度的适当浓度。所述聚合物材料及其良溶剂为本领域技术人员公知的技术。 本发明所述的适当气压是指能使聚合物溶液液面产生火山口状隆起时所对应的
喷射气流压力。该气压值与聚合物溶液粘度、喷气管的直径、喷气管的喷嘴口距离聚合物溶
液液面的高度等因素有关。但一般的适当气压范围值可设计为0. 01Mpa 5Mpa。 本发明所述的聚合物溶液液面与接收装置工作表面的垂直距离一般设计为4
50cm，并可根据工艺需要进行调节。 本发明生产方法的进一步特征是，在所述喷气管2与接收装置4之间引入静电场。 具体做法是在喷气管2中加入金属电极16，并使金属电极16与高压静电发生器15电相 连；把接收装置4接地，使金属电极16与接收装置4之间形成入静电场。静电场的强度等 工艺同于现有技术。这种方法可以大幅提高微纳米纤维无纺布的产量。
本发明按照所述的微纳米纤维无纺布的生产方法，同时设计了微纳米纤维无纺布 的生产装置(简称生产装置，参见图l-4)，该生产装置主要包括纺丝系统、供液系统、传动 系统和控制系统，其中，所述纺丝系统包括贮液池1、喷气管2、气泵3、气流分布装置8、接收 装置4，喷气管2的喷口向上垂直安装在贮液池1的底部，喷气管2依次经气流分布装置8、 供气阀门21与气泵3管接；所述供液系统包括供液池11、供液阀12和供液管13，供液池11 依次经供液阀12和供液管13与贮液池1管连接；所述传动系统5为接收装置4提供驱动。 所述控制系统14主要包括供液控制、供气控制和传动控制。 本申请的生产方法和装置中，所述的喷气管2可以是一个或两个以上，当喷气管2 为两个以上时，可以采用不同的排列方式，例如一字形、三角形、圆形或环形排列(参见图 3)，也可以直线、方形或矩阵排列(参见图4);喷气管2数量的选择取决于产品设计的要 求。所述的气流分布装置8的作用是均匀分配气流压力，使采用两个以上喷气管2时的各 喷气管2的气压尽量相等。为了控制工艺和使用方便，所述喷气管2在贮液池1内的安装 高度可以调节。 所述接收装置4实施例包括接收网帘41和接收辊筒42两种设计。接收网帘41 在工作区平行移动，并经网帘传动装置51(如退绕辊7)连续退绕网帘和巻绕(如巻绕辊6) 无纺布；接收辊筒42经辊筒传动装置52直接巻绕无纺布。接收网帘41或接收辊筒42的 选择取决于产品设计的要求，并应考虑与喷气管2的数量和排布方式的配合。接收装置4 安装在贮液池1上端口上方的一定高度或距离上。该高度或距离以妥善接收到所述微纳米 纤维为依据。聚合物溶液液面与贮液池l上端口面的垂直距离一般控制为l-10cm。显然， 可调垂直高度的接收装置4是比较理想的设计。可调垂直高度的接收装置4不仅可以满足 聚合物溶液液面与接收装置4工作表面(接收表面)垂直距离的要求，同时也可以适应贮 液池l内聚合物溶液液面高度变化的要求。当设计接收装置4为接收辊筒42时，其直径应 等于或大于圆形贮液池1的内径或方形贮液池1的边长，同时接收辊筒42的辊筒传动装置 52应当驱动接收辊筒42不仅绕其自身轴向旋转，而且要沿其轴向(左右)往复移动。这 种传动设计可以使接收辊筒42上接收的无纺布结构更均匀。所述接收网帘41和接收辊筒 42及其驱动为常规技术。 所述控制系统14通过相应的阀门、开关和连接管线等分别控制供液、控制供气和 控制传动。供液控制、供气控制和传动控制相应的阀门及其连接管线等均系现有技术。利
6用控制系统14控制所述气泵3和气流分布装置8之间的气流压力，控制供液池11和贮液 池1之间管路中的聚合物溶液的液体流量，或者说控制贮液池1中的聚合物溶液液面高度， 以及控制传动装置5驱动接收网帘41的移动速度，或者驱动接收辊筒42的转动速度，以满 足所述生产方法的工艺要求。 本发明微纳米纤维无纺布的生产方法及装置的工作原理和过程是(参见图1-2): 工作时，先在供液池11中装入按要求配好的适当浓度的聚合物溶液(纺丝液)，由供液池 11向贮液池1供液，并使聚合物溶液液面高度至少高于喷气管2的喷嘴口高度，但低于贮液 池l的上端口 ；然后打开气泵3，利用所述的喷气管2将压縮气体注入在聚合物溶液中，并 调节气流压力，使其在适当压力条件下将聚合物溶液的表面形成火山口状隆起9，这时会有 气流从火山口中心喷射出，在气流剪切力作用下，导致大量微纳米液体射流10射出，喷射 出的射流10在运动时由于受气流的推进和拉伸细化作用，从而向上运动，飞向接收装置4， 并不断细化，同时由于所述良溶剂具有挥发性，因而使溶剂在射流的运动过程中不断挥发， 导致射流10的进一步细化，并最终以杂乱无章排列的微纳米纤维无纺布的形式固化沉积 在位于贮液池1上方的接收装置4的工作表面上，待积累到一定厚度后由传动系统或装置 5的作用下被带离纺丝区。在纺丝过程中，通过控制装置5可以适当调节供液池11的流量， 以保证贮液池1中的聚合物溶液量稳定；适当调节气泵3的供气压力，以保证喷射气流力的 大小满足工艺要求；调节传动装置5的驱动速度，以协调控制接收网帘41的移动速度或接 收辊筒42的转动速度，从而保证稳定的纺丝条件，并实现微纳米纤维无纺布的连续生产。
本发明生产装置的进一步特征是，在所述喷气管2中加入金属电极16，并使金属 电极16与高压静电发生器15电相连；在接收装置4上加入接地电极，从而在金属电极16 和接收装置4之间形成静电场。所加入的静电场装置本身为现有技术。这种装置设计可以 大幅提高微纳米纤维无纺布的产量。
本发明未述及之处适用于现有技术。 下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步说明本发明，不构成对
本发明申请权利要求的限制。
实施例1 设计一种微纳米纤维无纺布生产装置(参见图1、3)，包括一个直径80mm上开口的 圆形贮液池1、喷气管2、气泵3和平面无纺布接收网帘41。其中，喷气管2垂直安装在贮 液池1的底部，本实施例采用11个喷气管2，并以同心圆的方式交错排列(参见图3);喷气 管2在贮液池1的底部，并与气流分布装置8相连通，气流分布装置8安装在贮液池1的底 面，并通过导气管、供气阀21与气泵3连接，且喷气管2在贮液池1内的高度可以调节；贮 液池1的侧面经供液阀12和供液管13与供液池11相连；贮液池1的上方5cm距离处安装 有平面无纺布接收网帘41 ;该接收网帘41由传动系统5的巻绕辊6和退绕辊7传动；纺丝 时，气压大小、供液量大小和接收网帘41移动速度由控制系统14进行调节和控制。
纺丝前，先称取高分子聚合物——聚乙烯吡咯烷酮(型号k-30)粉末120克，并 与混合溶剂(蒸馏水与无水乙醇以1 : 9的质量比混合构成)以38%的质量比浓度混合， 搅拌均匀后，静置2小时，制得聚乙烯吡咯烷酮纺丝液；然后将配制好的聚乙烯吡咯烷酮溶 液(纺丝液)，装入供液池11中，并开始向贮液池1内供液，直至贮液池1内的纺丝液的液 面高度高于喷气管2顶部(喷嘴口 )3cm ;纺丝时，先打开气泵3，并缓慢调节供气阀21，增6/8页
大气流和压力，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再适当调节气压为0. 5Mpa，使纺丝液 的液面形成中间空心的火山口形状的隆起9(参见图1、2、5、6)，此时在气流剪切力的作用 下会有射流10射出(参见图1、2、5、6)，射流10在气流推动作用下，飞向平面接收网帘41， 射流10在喷射过程中所述的混合溶剂挥发，同时射流10在气流推进和拉伸细化作用下固 化成微纳米级纤维，进而在纤维自身粘合力和气流推进作用下沉积在接收网帘41上，形成 微纳米纤维无纺布；然后，接收网帘41连同其接收到的微纳米纤维无纺布由巻绕辊6和退 绕辊7的作用带离沉积或工作区，并巻装成聚乙烯吡咯烷酮微纳米纤维无纺布成品。
经电子扫描电镜检验，所得无纺布的纤维直径分布范围从50纳米到3微米不等。
实施例2 本实施例的微纳米纤维无纺布生产装置(参见图2、4)，包括一个顶端开口向上的 矩形贮液池(长X宽=80mmX60mm) 1、喷气管2、气泵3、辊筒无纺布接收网帘42、辊筒传 动装置52和控制装置14等。本实施例采用9个喷气管2，并以矩阵的方式平行排列(参 见图4);喷气管2安装在贮液池1的底部，并与气流分布装置8相连通，气流分布装置8安 装在贮液池1的底面，并通过导气管、供气阀21与气泵3连接，且喷气管2在贮液池1内的 高度可以调节；贮液池1的侧面经供液阀12和供液管13与供液池11相连；贮液池1的上 方20cm距离处安装有旋转接收辊筒42 ;该接收辊筒42由传动装置52传动；纺丝时，气压 大小、供液量大小和接收辊筒42的旋转和移动速度由控制系统14进行调节和控制。
纺丝前，先称取聚丙烯腈(分子量为70000g/mo1)粉末50克，并与溶剂二甲基乙 酰胺以12%的质量比浓度混合，搅拌均匀后，静置2小时，制得聚丙烯腈/二甲基乙酰胺纺 丝液；然后将配制好的聚丙烯腈溶液，装入供液池11中，并开始向贮液池1内供液，直至贮 液池1内的纺丝液的液面高度高于喷气管2的喷嘴口 4cm ;纺丝时，先打开气泵3，并缓慢 调节供气阀21，增大压力和气流，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再适当调节气压为 0. 9Mpa，使纺丝液的液面形成中间空心的火山口形状的隆起9 (参见图1、2、5、6)，此时在气 流剪切力的作用下会有射流10射出(参见图1、2、5、6)，射流10在气流推动作用下，飞向以 500转/分钟速度旋转的接收辊筒42，射流10在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时射流10 在气流推进和拉伸细化作用下固化成微纳米级纤维，进而在纤维自身粘合力和气流推进作 用下沉积在接收辊筒42上，形成微纳米纤维无纺布；接收辊筒42在绕轴旋转的同时在传动 系统52带动下向左右往复运动，使射流反复多次沉积在不同的纺丝区，以获得均匀结构的 微纳米纤维管状产品，该产品可以用作管状无纺布织物，也可沿其轴向剪开，以矩形无纺织 物应用。 经电子扫描电镜检验，所得无纺布的纤维直径分布范围从20纳米到2微米不等。
实施例3 本实施例采用与实例2相同的装置。 纺丝前，先称取聚乙烯醇(聚合度为1750±50)粉末IOO克，并与溶剂——蒸馏水 以12. 5%的质量比浓度混合，在85t:水浴锅中搅拌均匀后，静置2小时，制得聚乙烯醇/蒸 馏水纺丝液；然后将配制好的聚乙烯醇纺丝液，装入供液池11中，并开始向贮液池1内供 液，直至贮液池1内的纺丝液的液面高度高于喷气管2喷嘴口 2. 5cm ;纺丝时，先打开气泵 3，并缓慢调节供气阀21，增大压力和气流，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再适当调 节气压为1. 2Mpa，使纺丝液的液面形成中间空心的火山口形状的隆起9 (参见图1、2、5、6)，见图1、2、5、6)，射流10在气流推动作用 下，飞向以1000-3000转/分钟速度旋转的接收辊筒42，射流IO在喷射过程中所述的溶剂 挥发，同时射流10在气流推进和拉伸细化作用下固化成微纳米级纤维，进而在纤维自身粘 合力和气流推进作用下沉积在接收辊筒42上，形成微纳米纤维毡。 本实施例所得纤维毡中的微纳米纤维随着辊筒旋转速度的增加而成良好的取向
排列，可以用于增强材料或者生物细胞如神经元等的导向生长基质材料。
实施例4 本实施例采用与实施例1基本相同的装置和工艺。其主要变化是(参见图7、9): 本实施例使用7个喷气管2，以同心圆形式交错排列布置(参见图9)，并在每个喷气管2的 中心位置安装了直径lmm的金属电极16，金属电极16在气流分布装置8的内部电连接，且 在不影响气流分布装置8密封性的条件下穿出气流分布装置8与高压静电发生器15电连 接；另外，在平面接收帘41的上方增加了一块与平面接收网帘41工作区等同面积、厚度为 2mm的金属平板电极17，金属平板板电极17通过导线18与大地相连。其余配置和连接方 式与实施例l相同。 本实施例采用聚乙烯吡咯烷酮(型号k-60)粉末150克，与混合溶剂(蒸馏水与 无水乙醇以2 : 8的质量比混合)以35%的质量比浓度混合，搅拌均匀后，静置2小时，制 得聚乙烯吡咯烷酮纺丝液；然后将配制好的聚乙烯吡咯烷酮溶液(纺丝液)，装入供液池ll 中，并开始向贮液池l内供液，直至贮液池l内的纺丝液的液面高度高于喷气管2的喷嘴 口 lcm ;纺丝时，先打开气泵3，并缓慢调节供气阀21，增大压力和气流，直至使在聚合物溶 液的液面生成隆起，再适当调节气压为1. 5Mpa，使纺丝液的液面形成中间空心的火山口形 状的隆起9 (参见图5、6、7、9)，打开高压静电发生器15，使输出电压升至20kV，此时火山口 状隆起9相当于静电纺丝工艺中的泰勒锥，将有大量射流10将从火山口隆起9的顶端和中 心射出(参见图5、6、7、9)，射流10在静电力和气流的共同推动作用下，飞向平面接收网帘 41，射流IO在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时射流IO在静电力和气流的推进和拉伸细化 作用下固化成微纳米级纤维，进而在纤维自身粘合力和气流推进作用下沉积在接收网帘41 上，形成微纳米纤维无纺布；然后，接收网帘41连同其接收到的微纳米纤维无纺布由巻绕 辊6和退绕辊7的作用带离沉积或工作区，并巻装成聚乙烯吡咯烷酮微纳米纤维无纺布成
PR o 经电子扫描电镜检验，所得无纺布的纤维直径分布范围从20纳米到2. 5微米不等。 实施例5 本实施例采用与实例2基本相同的装置和工艺。其主要变化是(参见图8、10): 本实施例使用6个喷气管2，并以矩阵形式平行排列(参见图10)，在喷气管2的中心位置 安装了直径约0. 8mm的金属电极16，金属电极16在气流分布装置8的内部电连接，且在不 影响气流分布装置8密封性的条件下与高压静电发生器15电连接；另外，所使用的接收装 置4为金属接收辊筒42，金属接收辊筒42外包接收帘，金属辊筒42通过导线18与大地相 接。其余的配置和连接方式与实施例2相同。 本实施例先称取聚丙烯腈(分子量约为100000g/mo1)粉末70克，与溶剂二甲基 乙酰胺以10%的质量比浓度混合，搅拌均匀后，静置2小时，制得聚丙烯腈/二甲基乙酰胺纺丝液；然后将配制好的聚丙烯腈纺丝液，装入供液池11中，并开始向贮液池1内供液，直 至贮液池1内的纺丝液的液面高度高于喷气管2的喷嘴口 0. 5cm ;纺丝时，先打开气泵3，并 缓慢调节供气阀21 ，增大压力和气流，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再适当调节气 压为1. 3Mpa，使纺丝液的液面形成中间空心的火山口形状的隆起9 (参见图5、6、8、10)，同 时打开高压静电发生器15使输出电压升至30kV，此时火山口状隆起9相当于静电纺丝工艺 中的泰勒锥，将有大量射流10将从火山口隆起9的顶端和中心射出(参见图5、6、8、10)，射 流10在静电力和气流的共同推动作用下，飞向以300转/分钟速度旋转的接收辊筒42，射 流10在喷射过程中所述的溶剂挥发，同时射流10在静电力和气流共同推进和拉伸细化作 用下固化成微纳米级纤维，进而在纤维自身粘合力和静电力和气流推进作用下沉积在接收 辊筒42上，制成微纳米纤维无纺布；接收辊筒42在绕轴旋转的同时在辊筒传动系统52带 动下左右往复运动，使射流反复多次沉积在不同的纺丝区，以获得均匀结构的微纳米纤维 管状产品。 经电子扫描电镜检验，所得无纺布的纤维直径分布范围从20纳米到1. 5微米不 等。该无纺布产品可以用作管状无纺布织物，也可沿其轴向剪开，构成矩形无纺织物使用。
权利要求
一种微纳米纤维无纺布的生产方法，该生产方法包括如下工艺步骤(1)制备聚合物溶液将固体聚合物及其良溶剂以适当的质量百分比浓度在搅拌机中搅拌混合均匀，静置1-2小时后，再把制备好的聚合物溶液送入贮液池中备用；所述的固体聚合物是指可溶性聚合物，包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶剂包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿；所述适当的质量百分比浓度是指所述聚合物溶液在其内部适当气压的垂直气流作用下能够使其液面产生火山口状隆起时的质量百分比浓度；(2)微纳米射流喷射成纤利用气泵提供适当的气压，使气流从贮液池聚合物溶液液面下的喷嘴中垂直喷出，在聚合物溶液的液面产生火山口状隆起，并在气流剪切力的作用下使微纳米射流从所述的隆起中喷射出来，飞向接收装置，在喷射过程中，微纳米射流中的良溶剂挥发，同时在气流力的作用下把射流拉伸细化成微纳米级纤维；所述适当的气压是指能使聚合物液面产生所述火山口状隆起时所需要的气压；(3)无纺布成型调整聚合物溶液液面与接收装置之间的垂直距离，以及接收装置的运动速度，使所得微纳米纤维以纤维网的形式收集在接收装置上，并依靠纤维自身间的粘接作用和空气冷却作用，使收集的纤维网固化成所述的微纳米纤维无纺布。
2. 根据权利要求1所述的微纳米纤维无纺布的生产方法，其特征在于所述的聚合物选 用聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，所述的良溶剂为质量比为1 : 9的水和乙醇的混合溶剂，所述适 当的质量百分比浓度为^ 36%。
3. 根据权利要求1所述的微纳米纤维无纺布的生产方法，其特征在于所述的聚合物选 用聚丙烯腈(分子量为70000g/mol)，所述的良溶剂为二甲基甲酰胺，所述适当的质量百分 比浓度为^ 12%。
4. 根据权利要求1所述的微纳米纤维无纺布的生产方法，其特征在于所述的聚合物溶 液液面与接收装置的垂直距离为4 50cm ;所述的适当气压范围值为0. OlMpa 5Mpa。
5. 根据权利要求1 4中任一项所述的微纳米纤维无纺布的生产方法，其特征在于在 所述喷气管与接收装置之间弓I入静电场。
6. —种微纳米纤维无纺布的生产装置，该生产装置适用于权利要求1 4中任一项所 述的微纳米纤维无纺布的生产方法，主要包括纺丝系统、供液系统、传动系统和控制系统， 其中，所述纺丝系统包括贮液池、喷气管、气泵、气流分布装置和接收装置，喷气管的喷口向 上垂直安装在贮液池的底部，喷气管依次经气流分布装置、供气阀门与气泵管接；所述供液 系统包括供液池、供液阀和供液管，供液池依次经供液阀和供液管与贮液池管接；所述传动 系统为接收装置提供常规驱动；所述控制系统主要包括常规的供液控制、供气控制和传动 控制。
7. 根据权利要求6所述的微纳米纤维无纺布的生产装置，其特征在于所述的接收装置 为接收网帘或接收辊筒。
8. 根据权利要求6所述的微纳米纤维无纺布的生产装置，其特征在于在所述喷气管中 加入金属电极，并使金属电极与高压静电发生器电相连；在接收装置上加入接地电极，使金 属电极和接收装置之间形成静电场。
全文摘要
本发明公开一种微纳米纤维无纺布的生产方法及装置。该生产方法包括如下工艺步骤(1)制备聚合物溶液(2)微纳米射流喷射成纤利用气泵提供适当的气压，使气流从贮液池聚合物溶液液面下的喷嘴中垂直喷出，在聚合物溶液的液面产生火山口状隆起，并在气流剪切力的作用下使微纳米射流从所述的隆起中喷射出来，飞向接收装置，在喷射过程中，微纳米射流中的良溶剂挥发，同时在气流力的作用下把射流拉伸细化成微纳米级纤维；(3)无纺布成型。该生产装置依据本发明生产方法设计，主要包括纺丝系统、供液系统、传动系统和控制系统。
文档编号D01D1/02GK101775706SQ20101011640
公开日2010年7月14日 申请日期2010年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者刘雍, 康卫民, 王瑞, 程博闻, 范杰, 董亮 申请人:天津工业大学