一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置及方法，属于纺丝成型领域。
【背景技术】
[0002]熔体离心纺丝技术，是一种将聚合物熔体借助高速旋转的装置所产生的离心力克服表面张力由细孔甩出，在熔体固化后形成纤维的方法。离心纺丝技术起步较早，早在1924年美国就有专利提出了以离心方式制造纤维的方法；1986年欧洲专利EP0168817指出在离心纺丝中，离心作为充当压力泵的作用，物料熔体被挤压通过孔洞，形成纤维；在此之后美国、欧洲有大量专利对离心纺丝方法进行了改进描述，美国专利US20080050304，提出了利用离心方法制备纳米级碳纤维的构想。但目前关于离心纺丝技术的研宄主要集中在溶液离心纺丝，有关恪体离心纺丝的专利则寥寥无几。
[0003]当前纤维制备工艺主要为静电纺丝法，同现有的静电纺丝设备相比，熔体离心纺丝装置的区别在于它利用纺丝装置旋转产生的离心力进行纺丝，所制成的纤网不但均匀性好且纤网的面密度也远高于低面密度的静电纺纤网，而其在制备纤维过程中对电场要求不高，大大简化了设备。此外传统静电纺丝法采用毛细管纺丝，加工困难且极易堵塞，对聚合物流动性能要求高，且溶液电纺还存在溶剂污染及制备纤维存在大量孔洞、强度低等问题，而离心纺丝生产装置对所加工聚合物性质要求低，可加工多种聚合物，且纺丝过程无溶剂污染，纤维制备过程绿色高效，所制备纤维取向度高，强度好。
[0004]目前影响熔体离心纺丝发展的关键在于熔体离心纺丝法制备纤维直径较粗，熔体在离心过程中飞溅容易形成大量珠串状熔滴，造成所纺纤维质量不均匀，而所纺纤维的细化大都依靠微孔或提高转速来实现，微孔加工困难及高转速带来的旋转轴安全问题等也影响了离心纺丝技术的进一步发展，要实现熔体离心纺丝技术批量化制备纳米级超细纤维，必须要克服这些问题。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种气流辅助的适用于聚合物熔体微分离心纺丝的装置及方法。本发明由于纺丝过程不借助溶剂纺丝，无需考虑溶剂挥发造成的环境污染及纤维孔洞等问题。本发明中由挤出机直接将聚合物熔融挤出进入喷头，且喷头一直处于高温环境中，故无喷头堵塞的现象，在纺丝过程中由于微分结构的设计以及高速气流的辅助吹薄细化作用，所制备纤维直径大大降低，且离心微分盘的高速旋转使熔体可迅速转化为纤维，生产纤维效率极高。
[0006]本发明的技术方案是，一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置，主要包括熔体计量泵、料斗、连续供料装置、气管、接收装置、电磁加热支架、电机、电磁加热装置、纺丝箱体、喷头支架、滑轨、轴、离心微分盘、喷头、喷头加热圈、热电偶、红外测温仪和气管支架等，连续供料装置与熔体计量泵熔体入口连接，熔体计量泵出口与喷头连接，熔体计量泵被固定于喷头支架上，喷头支架在滑轨上可自由滑动，滑轨固定于纺丝箱体上部；离心微分盘置于喷头下方，并通过轴与电机连接，电机通过螺纹连接固定于纺丝箱体下部；电磁加热装置环形包裹在离心微分盘周围，红外测温仪固定连接在喷头上，气管支架由螺钉固定于滑轨上，气管通过气管支架固定，红外测温仪与气管均垂直于离心微分盘。
[0007]本发明一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置，气流由空气压缩机提供，气流流速可依据实际需要增加或减小，为防止气流距离喷头过近造成熔体未经微分即被吹出，气管与喷头保持一定距离并垂直离心微分盘放置；气流经气管吹出进入离心微分盘表面，根据流体力学常识可知，气体经由沟槽及锥面梳齿状结构最终从微孔中流出，在此过程中，气流对熔体产生高速吹薄作用，促进熔体射流快速细化并飞出，在飞出微孔后，熔体射流在惯性力和高速气流作用下被拉伸得到二次细化。
[0008]本发明一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置，离心微分盘中心采用多圈光滑同心沟槽结构，且各同心沟槽相互连通，使熔体可在槽内均化流动分布，防止偏心距造成的熔体射流不均现象的产生；离心微分盘边缘采用径向锥面梳齿状结构，熔体由盘中心沟槽均化后在离心力和气流作用下进入锥面梳齿状结构，数百个环形均布的“梳齿”可对熔体进行一次微分细化；锥面设计则有利于增加熔体对离心微分盘表面的附着力，锥面倾角越高，附着力越大，本发明经试验优化得到锥面倾角优选值为10°，该锥面倾角能防止附着力过大造成的熔体滞留，在离心力、气流与附着力之间的“拉扯”作用下熔体在锥面进一步减薄，达到使熔体射流二次细化；离心微分盘边缘末端设置有挡圈结构，挡圈与锥面梳齿状结构之间形成大量微孔，可防止熔体在纺丝过程中飞溅造成的纤维质量不均现象的发生。
[0009]采用本发明一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置进行纺丝，纺丝方法步骤为:第一步，聚合物通过料斗加入到连续供料装置中，通过熔融供料装置熔融的聚合物经由熔体计量泵计量，熔体从喷头中均匀连续流出；第二步，熔体在提前预热的微分离心盘上以一定线速度转动，在气流吹动作用辅助下，经由光滑同心沟槽进入锥面梳齿状结构中被微分细化为数百条射流；第三步，熔体射流在离心力和气流吹动力作用下进一步细化飞出；第四步，熔体射流形成的纤维在接收装置静电力牵引下落在接收帘布上被收集，获得纳米纤维网布；第五步，根据纳米布功能产品需求对纳米网布进行后处理。
[0010]本发明一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置及方法对多种聚合物的离心纺丝均适用，纺丝用聚合物可以为聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸等热塑性聚合物，纺丝原料可以是聚合物粒料、粉料或熔体等。接收装置可采取多种形式如接收网环、接收环形帘布，接收装置可采取抽吸风或加静电方式对纤维进行牵引粘附。
[0011]本发明一种气流辅助熔体微分离心纺丝装置及方法利用高速气流辅助纺丝，极大地促进了熔体的减薄细化，降低了离心纺丝过程对电机转速的需求，延长了电机旋转轴的使用寿命，提高了装置的生产安全性能。
[0012]熔体通过偏心放置的喷头进入离心微分盘并获得初始线速度，在经过盘中心数圏沟槽均化后进入盘边缘锥面梳齿状结构中，在离心力、高速气流以及熔体在锥面上附着力三种力作用下减薄微分细化并被高速甩出，最终形成超细纤维，该装置及方法制备纤维过程高效绿色无污染，所制备纤维网面密度和取向度极高，纤维性能优异，且装置简单易加工，利于批量化制备超细纤维。<