一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域，整套装置包括熔体输送装置、连接法兰、汇流器、层叠器、内锥分流式喷嘴、高压静电发生器、基布、溶剂槽、空气加热系统。其中层叠器将熔融的聚合物流体进行层叠制成交替多层的复合材料，从而减小了每层熔体复合材料的厚度；使用内锥面喷嘴，内锥面结构能使熔体自然地实现再分流过程；本装置使用热气体辅助结构，通过气流均匀地喷射将热气体以高速射向内锥面，起到了内锥面减薄的作用。本装置将层叠器和熔体静电纺丝装置相结合，利用层叠器交替层叠的独特性能减小熔体层厚度，为生产纳米级纤维产品提供新的方法。
【专利说明】—种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于微积分层叠熔体静电纺丝装置及方法，属于静电纺丝领域。【背景技术】
[0002]近年来，发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸、模板聚合、相分离、自组织、静电纺丝等。其中静电纺丝方法是目前唯一能够直接连续制备聚合物纳米纤维的一种方法。静电纺丝工艺是在溶液或熔体供料端的喷头和接收装置间施加高压电场，使带有电荷的溶液或被极化的熔体在电场力的作用下形成泰勒锥，继而克服表面张力形成射流，在接收装置上获得超细纤维的过程。
[0003]静电纺丝分为熔体静电纺丝和溶液静电纺丝。熔体静电纺丝相对于溶液静电纺丝由于不使用有毒溶剂，因而更加经济、环保、安全，而且由于无需挥发溶剂，熔体静电纺丝效率也更高。目前对于熔体静电纺丝要解决的关键问题就是使微米级的纤维直径进一步减小至百纳米级(亚微米级)，并且提高其生产效率使其工业化。
[0004]中国发明专利CN201310167583.2中使用高压电场和高速离心力，高速旋转的纺丝喷腔可使纺丝装置纺出更细的纳米级超细纤维，但由于离心力作用收集装置为圆筒状，纺出的纤维不易于收集。
[0005]美国专利US20090121379A1提出利用电辅助和热风辅助，通过热风在喷嘴中央的吹拉作用提高丝的流动速度，再加上电场力作用，使得纤维细度达到200nm，但实施时是针对单根喷头和溶液纺丝，纺丝效率低。
[0006]中国发明专利CN201010556163.X提出伞状喷头，利用锥形结构喷头将单股熔体分散成多股，但是射流速度较小，限制了产量。
[0007]微积分层叠是将不同物料分别加入两台或多台挤出机内熔融塑化，熔体在汇流器中经过复合成双层或多层熔体，经过层叠器分割形成多股，扭转并展宽交汇完成一次层叠。经过多个串联的层叠器，聚合物熔体反复层叠即可得到交替多层复合材料，每层的厚度可达到纳米级。聚合物熔体在反复层叠的过程中，在拖曳流及剪切流的不断作用下，聚合物层厚不断变薄，但是微积分层叠多用于复合材料片或膜的挤出制备，很少应用于静电纺丝的熔体加工。
【发明内容】
[0008]针对现有的技术问题，本发明提出了一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法，目的是通过微积分层叠器的设计以及气体辅助内锥面喷头的应用，把层叠器和熔体静电纺丝结合起来，同时对两种不相容聚合物进行熔体纺丝，利用溶剂将得到的纤维中的一种聚合物溶解，得到另一聚合物更细的纤维，解决生产纳米级纤维的问题。
[0009]本发明为实现上述目的提出的技术方案是:一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，包括熔体输送装置、连接法兰、汇流器、层叠器、内锥分流式喷嘴、高压静电发生器、接地电极、基布、溶剂槽和空气加热系统，熔体输送装置通过连接法兰与汇流器进口相连，汇流器出口与层叠器的熔体入口连接，层叠器出口连接内锥分流式喷嘴，基布在内锥分流式喷嘴正下方对纤维进行连续运输，熔体经过喷嘴形成的复合纤维束在溶剂槽浸泡溶除ー种聚合物后收卷起来，高压静电发生器高压电极安置在基布下面，空气加热系统出口连接到层叠器的气体入口细管，加热后的空气从左右气体入口细管进入，在层叠器内汇流后进入内锥分流式喷嘴的气流导柱。
[0010]本发明ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，内锥分流式喷嘴包括气流辅助内锥面喷嘴和附属温控设备，内锥分流式喷嘴接地，熔融的层叠流体以圆筒型式流入气体辅助内锥面喷嘴，熔体流经的零件周围有加热装置和测温装置；气流辅助内锥面喷嘴包括内锥分流式喷嘴体、气流导柱、电加热装置、气流喷头和内锥面，气孔均布，气流导柱和内锥面喷嘴体同心安装，在气流导柱下端通过螺纹连接气喷头，气喷头是利用锥面喷头上开有的均匀小槽将气体从气流导柱导出，在内锥面上气体均匀喷射，通过调节导柱下端螺纹的旋深可以调节气流大小。
[0011]采用本发明ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置进行纺丝的方法是:第一歩，两种聚合物熔体经汇流器叠加后进入层叠器，两种熔融流体经过足够多的平ロ流入平ロ流出的层叠器，使层数加倍，即层叠器制备的复合材料总层数Z与层叠器个数i的关系式为:Z=2X4S i为大于2的整数，i越大，熔体层越薄，可以得到纳米级交替多层复合材料；第二歩，熔体经多个平ロ流入平ロ流出的层叠器层叠后，在最后ー个层叠器是平ロ进入圆ロ流出，两种或多种聚合物经层叠后进入最后一个层叠器后分成四股，最外侧两股经过90度弯折后延展成180度的半圆弧，分别包覆构成外圈的两个半圏，内侧的两股经90度折弯后也延展成180度的半圆弧，构成内圈两个半圈，这样经过最后一个叠层之后，聚合物熔体的层厚增加一倍；第三步，熔体由平片变成圆筒进入内锥分流式喷嘴，经过内锥面喷嘴喷射出的纤维为多束合并在一起的两种聚合物纤维，内锥面的气流导柱对纤维具有辅助牵伸作用，使得到的复合纤维更细；第四步，将所得到的纤维放入溶剂槽中溶解可将纤维中的其中一种聚合物溶解，从而得到另ー种聚合物的纯净纤維，通过层叠过程及溶剂的溶解过程，减小了纤维的直径，纤维更细。
[0012]本发明的有益效果如下:
[0013](I)本发明ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置和方法，同时对两种不相容聚合物进行熔体纺丝，通过装置形成的多束合并在一起的聚合物纤维经过熔剂槽，利用溶剂将得到的纤维中的一种或多种聚合物溶解，得到另ー聚合物更细的纤维，解决生产纳米级纤维的问题。
[0014](2)本发明ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置和方法，结构和原理简单，熔体圆筒壁厚不需要很薄，只要层数足够多，所形成的每根纤维都是成束，由于是采用溶剂将其中ー种丝溶解，无需像离心熔体静电纺丝装置那样需要复杂的产生离心力和收集的装置。
[0015](3)本发明ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置和方法，利用平ロ流入圆ロ流出层叠器作为最后一个层叠器，方便与内锥分流式喷嘴相连接，可以利用气体辅助拉伸，获得更细的纤维。
【专利附图】
【附图说明】[0016]图1是本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置的主视图。
[0017]图2是图1中层叠器剖面视图。
[0018]图3是图1中层叠器内部流道结构示意图。
[0019]图4是图1中内锥分流式喷嘴剖面视图。
[0020]图中:1-熔体输送装置一，2-连接法兰一，3-汇流器，4-层叠器，5-气体入口细管，6-内锥分流式喷嘴，7-接地电极，8-基布，9-高压静电发生器，10-连接螺钉，11-空气加热装置，12-连接法兰二，13-熔体输送装置二，6-1内锥分流式喷嘴体，6-2气流导柱，6-3电加热装置，6-4气流喷头，6-5内锥面，6-6均布气孔，6-7温度传感器。
【具体实施方式】
[0021]本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，如图1和图2所示，包括熔体输送装置一 1、连接法兰一 2、汇流器3、层叠器4、气体入口细管5、内锥分流式喷嘴6、接地电极7、基布8、高压静电发生器9、连接螺钉10、空气加热系统11、连接法兰二 12和熔体输送装置二 13，熔体输送装置I和熔体输送装置二 13通过连接法兰一 2和连接法兰二 12与汇流器3进口相连，汇流器3出口与层叠器4的熔体入口连接，层叠器4出口连接内锥分流式喷嘴6，基布8在内锥分流式喷嘴6正下方对纤维进行连续运输，熔体经过喷嘴6形成的复合纤维束在溶剂槽(图中未画出，用于盛放溶剂的容器)浸泡溶除一种聚合物后收卷起来，高压静电发生器9高压电极安置在基布8下面，空气加热系统11出口连接到层叠器4的气体入口细管5，加热后的空气从左右气体入口细管5进入，在层叠器4内汇流后进入内锥分流式喷嘴4的气流导柱6-2。
[0022]本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，熔体经熔体输送装置I和熔体输送装置二 13通过连接法兰一 2和连接法兰二 12与汇流器3后两种不同的聚合物熔体叠加再进入层叠器3，层叠器3是平口进入圆口流出，如图3所示，两种聚合物进入层叠器3后分成四股，最外侧两股经过90度弯折后延展成180度的半圆弧，分别包覆成构成外圈的两个半圈，内侧的两股经90度折弯后也延展成180度的半圆弧,构成内圈两个半圈。这样经过叠层之后，两层聚合物熔体便变成四层。
[0023]本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，两种熔融流体经过足够多的平口流入平口流出的层叠器，使层数加倍，即层叠器制备的复合材料总层数Z与层叠器个数i的关系式为:Ζ=2Χ#，i为大于2的整数，i越大，熔体层越薄，以达到纳米级交替多层复合材料。
[0024]本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，内锥分流式喷嘴6包括气流辅助内锥面喷嘴和附属温控设备，如图4所示，内锥分流式喷嘴6接地，熔融的层叠流体经过细管流入气体辅助内锥面喷嘴6，细管周围有加热装置和传热装置；气流辅助内锥面喷嘴包括内锥分流式喷嘴体6-1，气流导柱6-2，电加热装置6-3，气流喷头6-4，内锥面6_5，均布气孔6-6，温度传感器6-7，气流导柱6-2和内锥面喷嘴体6-1同心安装，在气流导柱6_2下端通过螺纹连接气喷头6-4，气喷头6-4是利用锥面喷头上开有的均匀小槽6-6将气体从气流导柱6-2导出，在内锥面6-5上气体均匀喷射，通过调节导柱6-2下端螺纹的旋深可以调节气流大小。
[0025]本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，经过内锥分流式喷嘴6喷射出的纤维为两种聚合物纤维，进一步进入溶剂槽溶解可将得到纤维中的一种聚合物溶解，从而得到另一种聚合物的纯净纤维，减小了纤维的直径。
[0026]采用上述本发明一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置进行纺丝的方法:第一步，两种不相容的聚合物熔体经汇流器3叠加后进入层叠器，两种熔融流体经过足够多的平口流入平口流出的层叠器，使层数加倍，即层叠器制备的复合材料总层数Z与层叠器个数i的关系式为:Z=2X4S i为大于2的整数，i越大，熔体层越薄，可以得到纳米级交替多层复合材料；第二步，熔体经多个层叠器层叠后，在最后一个层叠器3是平口进入圆口流出，两种聚合物经层叠后进入最后一个层叠器3后分成四股，最外侧两股经过90度弯折后延展成180度的半圆弧，分别包覆构成外圈的两个半圈，内侧的两股经90度折弯后也延展成180度的半圆弧，构成内圈两个半圈，这样经过最后一个叠层之后，聚合物熔体的层厚增加一倍；第三步，熔体由平片变成圆筒进入内锥分流式喷嘴6，经过内锥面喷嘴喷射出的纤维为多束合并在一起的两种聚合物纤维，内锥面的气流导柱6-2对纤维具有辅助牵伸作用，使得到的复合纤维更细；第四步，将所得到的纤维放入溶剂槽中溶解可将纤维中的一种聚合物溶解，从而得到另一种聚合物的纯净纤维，通过层叠过程及溶剂的溶解过程，减小了纤维的直径，纤维更细。
【权利要求】
1.一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置，其特征在于:摘要包括熔体输送装置、连接法兰、汇流器、层叠器、内锥分流式喷嘴、高压静电发生器、接地电极、基布、溶剂槽和空气加热系统，熔体输送装置通过连接法兰与汇流器进ロ相连，汇流器出口与层叠器的熔体入口连接，层叠器出口连接内锥分流式喷嘴，基布在内锥分流式喷嘴正下方对纤维进行连续运输，熔体经过喷嘴形成的复合纤维束在溶剂槽浸泡溶除一种聚合物后收卷起来，高压静电发生器高压电极安置在基布下面，空气加热系统出ロ连接到层叠器的气体入口细管，加热后的空气从左右气体入口细管进入，在层叠器内汇流后进入内锥分流式喷嘴的气流导柱；内锥分流式喷嘴包括气流辅助内锥面喷嘴和附属温控设备，内锥分流式喷嘴接地，熔融的层叠流体以圆筒型式流入气体辅助内锥面喷嘴，熔体流经的零件周围有加热装置和测温装置；气流辅助内锥面喷嘴包括内锥分流式喷嘴体、气流导柱、电加热装置、气流喷头和内锥面，气孔均布，气流导柱和内锥面喷嘴体同心安装，在气流导柱下端通过螺纹连接气喷头，气喷头是利用锥面喷头上开有的均匀小槽将气体从气流导柱导出，在内锥面上气体均匀喷射，通过调节导柱下端螺纹的旋深可以调节气流大小。
2.采用据权利要求1所述的ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装进行纺丝的方法，其特征在干:第一歩，两种聚合物熔体经汇流器叠加后进入层叠器，两种熔融流体经过足够多的平ロ流入平ロ流出的层叠器，使层数加倍，得到纳米级交替多层复合材料；第二歩，熔体经多个平ロ流入平ロ流出的层叠器层叠后，在最后ー个层叠器是平ロ进入圆ロ流出，两种或多种聚合物经层叠后进入最后一个层叠器后分成四股，最外侧两股经过90度弯折后延展成180度的半圆弧，分别包覆构成外圈的两个半圏，内侧的两股经90度折弯后也延展成180度的半圆弧，构成内圈两个半圈；第三步，熔体由平片变成圆筒进入内锥分流式喷嘴，经过内锥面喷嘴喷射出的纤维为多束合并在一起的两种聚合物纤维，内锥面的气流导柱对纤维具有辅助牵伸作用；第四步，将所得到的纤维放入溶剂槽中，将纤维中的其中ー种聚合物溶解，从而得到另ー种聚合物的纯净纤維。
3.根据权利要求2所述的ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝方法，其特征在于:经过空气加热装置的气体经过气体入口细管在层叠器内汇流后与熔体一起进入内锥分流式喷嘴。
4.根据权利要求2所述的ー种基于微积分层叠的熔体静电纺丝方法,其特征在于:气体辅助喷嘴中使用的气体为氮气或是其他非易燃气体。
【文档编号】D01D5/00GK103590122SQ201310636940
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】杨卫民, 易婷, 焦志伟, 阎华 , 储凡忠, 丁玉梅 申请人:北京化工大学