专利名称：一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种静电纺丝装置，特别是适合于聚合物熔体的静电纺 丝装置。
背景技术：
静电纺丝又称电纺，从其发现到现在已有将近100年的历史。早在 1934年Anton Fomhals就已经在专利中报道了高压静电场纺丝，然而直 到1993年，这一技术才被定义为静电纺丝技术。近些年来，随着纳米科 技的升温，静电纺丝技术已成为当今最热门的研究领域之一。目前已有 三十多种聚合物成功通过静电纺丝的方法制得超细的纤维，最细的纤维 直径可以达到几十纳米。静电纺丝的原理可简述为，在高压静电场下， 聚合物溶液或熔体在电场力的作用下，从毛细管末端形成细流飞向接收 装置，细流在到达接收装置前产生高度的拉抻，溶液的溶剂蒸发或熔体 固化，最后在接收装置上形成超细的纤维。目前关于静电纺丝的研究大 多都集中在溶液静电纺丝上，而对于聚合物熔体的静电纺丝的研究则很 少。目前国内针对聚合物熔体的静电纺丝专利还没有。
基于溶液的静电纺丝虽然可以纺出细至几十纳米的纤维，但它由于 使用溶剂而出现一系列的问题(1)溶剂的回收问题。由于用于溶液静 电纺丝的溶剂一般都是有毒的，所以必须回收。溶剂回收困难是阻碍溶 液静电纺丝工业化的原因之一。(2)应用于生物医药领域的安全问题。 由于在纤维上可能有残留的溶剂，因而当其应用于生物医药领域就会出 现安全的问题。(3) —些聚合物如聚丙烯和聚乙烯，在室温下找不到适 当的溶剂配成溶液。这是溶液静电纺丝的局限之一。(4)溶剂的蒸发导 致纤维表面不光滑，甚至出现缺陷。这会影响到静电纺丝纤维在纤维复 合材料增强领域的应用。(5)产量低，0.01g/min。用于静电纺丝的溶液 中溶剂占很大的比重， 一般都在90%以上。静电纺丝过程，占溶液大部分 的溶剂都蒸发掉了，因而产量极低。这也是溶液静电纺丝难于工业化的 原因之一。6)昂贵的溶剂的使用会增加成本。溶液静电纺丝还存在一个 很严重的问题，喷丝孔极容易堵塞。这也是溶液静电纺丝不能连续大量 生产的原因之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁场辅助的适用于聚合物熔体静电纺丝的
3装置。本发明由于不需要借助溶剂就能顺利进行纺丝，因而可以解决溶 液静电纺丝由于使用溶剂而出现的一系列问题。在本发明中，毛细管在 纺丝过程中一直处于高温的环境中，不会出现堵塞的现象，因而可以实 现连续大量的生产。本发明提出的用于熔体的静电纺丝装置由于解决了 以上问题，因而与溶液静电纺丝相比具有更经济、更环保、更安全、生 产率高，易于实现工业化的优点。
本发明提供的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置的技术方案，
采用了由接收装置(1)、磁场装置(2)、毛细管(3)、喷嘴(4)、螺钉 (5)、加热圈(6)、料筒(7)、活塞轴(8)、加压装置(9)、端盖(10)、 温度传感器(11)、温控装置(12)、高压静电发生器(13)等组成的静 电纺丝装置。接收装置(1)位于毛细管(3)正下方，接收装置(1)连 接高压静电发生器(13)的正极输出端，高压静电发生器(13)的另一 电极接地。磁场装置(2)由两对N极S极相对着的永久磁铁沿一个角度 在同一个平面上交错放置组成，磁场装置在毛细管与接收装置之间形成 一个平行于电场的方向近似均匀的磁场。毛细管(3)与喷嘴(4)采取 锥面配合，毛细管通过引出导线与大地相接。喷嘴(4)与料筒(7)通 过4个在圆周方向均布的螺钉(5)连接，喷嘴(4)与料筒(7)也可以 直接通过螺纹连接等其它连接方式或加工成一体。用于加热聚合物熔体 的电加热圈(6)包覆在料筒(7)表面，加热圈(6)的电源端子通过导 线接到温控装置(12)上。温度传感器(11)与料筒(7)采用螺纹连接， 温度传感器(11)的接线端通过导线接到温控装置(12)上。端盖(10) 与活塞轴(8)采用螺纹等连接，或两者加工成一体。活塞轴(8)可在 料筒(7)内上下往复运动。加压装置(9)放在端盖(10)正上方。
本发明适合于聚合物熔体的静电纺丝，聚合物可以聚乙烯、聚丙烯、 聚酰胺等热塑性材料，纺丝原料可以是聚合物颗粒料或粉料或切片或熔 体。接收装置可以采取多种形式如导电平板、导电网、巻筒等。磁场装 置中的永久磁铁也可以用通电线圈来代替。毛细管采用金属等导电材料 制成，其内径小于lmm。加压装置可以通过加砝码的方式实现或采用微 量推进器。高压静电发生器(13)的输出极为正极。
本发明提供的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置，在纺丝过 种中借助磁场的作用，使喷射细流能在摆动区内出现更大幅度的摆动，因而可以纺出更细的纤维。具体原理如图2所示，Fl为电场力，F2为洛 仑兹力，F3为上部分纤维对下部分纤维的拖曳力。在纺丝过程中，当喷 射流出现不稳定摆动时，就会出现有垂直于磁场的运动分量，因而会受 到洛仑兹力的作用，在F1， F2， F3的共同作用下，喷射细流会在空间以 螺旋线的方式运动。由于洛仑兹力与磁感应强度成正比，只要加大磁感 应强度，就可以增加喷射流摆动的幅度，从而可以纺出超细的纤维。
图l本发明的装置示意图
图2喷射细流在磁场作用下的受力示意图
图3喷嘴的全剖图
具体实施例方式
本发明采取的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置，如图1所 示的装置示意图，它主要包括接收装置(1)，在毛细管(3)与接收装置 (1)之间可产生平行于电场方向磁场的磁场装置(2),与喷嘴(4)采 取锥面配合的毛细管(3)，与料筒(7)采取螺钉(5)连接可方便拆卸 的喷嘴(4)，用于加热聚合物熔体的加热圈(6)，钢结构的料筒(7)， 可在料筒(7)内上下运动又不会产生漏料的活塞轴(8)，加压装置(9)， 承载加压装置(9)的端盖(10)，温度传感器(11)，温控装置(12)， 输出极为正极的高压静电发生器(13)。毛细管(3)的熔体出口与接收 装置(1)的距离大于2cm。
纺丝步骤首先把料筒(7)加热到预设温度。各种聚合物的熔融温 度都不一样，由于聚合物粘度是静电纺丝是否可以顺利进行的一个关键 因素，所以需要把加热圈(6)的加热温度设置在聚合物的成型加工温度 以上，尽可能降低聚合物的粘度，但又不至于使聚合物产生分解。其次 往料筒里添加纺丝原料，纺丝原料可以为聚合物颗粒或粉料或切片或熔 体，原料达到设定温度后，再往端盖(10)上施加压力，施加的压力应 使毛细管(3)末端出现熔体滴但还不能脱落为宜。最后再打开高压静电 发生器(13)的电源开关，电源的输出电压从0开始往上调， 一直到毛 细管末端的熔体滴变形并喷射出来形成细丝为止。喷射流的不稳定区间 经过磁场空间时，就会以螺旋线的方式运动，熔体丝在运动过程中冷却， 汇集到接收装置。从毛细管喷射出来的熔体细流，经过电场的拉伸和磁场的拉伸，最后可以形成超细的纤维。
通过本发明纺制出来的纤维，由于没有使用溶剂，不存在溶剂的蒸 发现象，因而可以得到表面光滑均匀的超细纤维，其力学性能要比溶液
静电纺丝制得的纤维好。在溶液静电纺丝中原料90%都为溶剂，在纺丝 过程蒸发掉，而熔体纺丝过程原料都可以生成丝。
本发明的一个实施例纺丝原料低密度聚乙烯颗粒料，纺丝温度280 ° C，毛细管内径0.6mm。另外，纺丝电压为0 30kv，接收方式为导电 网，磁感应强度为0.08特斯拉，毛细管的熔体出口与接收装置的距离 15cm。根据上述工艺过程，收集到的纤维直径在lum 50um范围内。
权利要求
1. 一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置，它主要由接收装置(1)，在毛细管(3)与接收装置(1)之间可产生平行于电场方向磁场的磁场装置(2)，与喷嘴(4)采取锥面配合的毛细管(3)，与料筒(7)采取螺钉(5)连接的喷嘴(4)，包在料筒(7)外部用于加热聚合物熔体的加热圈(6)，钢结构的料筒(7)，可在料筒(7)内上下运动又不会产生漏料的活塞轴(8)，加压装置(9)，承载加压装置(9)的端盖(10)，温度传感器(11)，温控装置(12)，输出极为正极的高压静电发生器(13)等组成，毛细管(3)的熔体出口与接收装置(1)的距离大于2cm。
2. 根据权利要求1所述的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置， 其特征在于，纺丝原料是聚合物颗粒料或粉料或切片或熔体。
3. 根据权利要求1所述的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置， 其特征在于，接收装置(1)可以是导电平板、导电网、巻筒等。
4. 根据权利要求1所述的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置， 其特征在于，磁场装置(2)在毛细管(3)与接收装置(1)之间施加一 个与电场方向平行的磁场，它可以是由永久磁铁或通电线圈等组成。
5. 根据权利要求1所述的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置， 其特征在于，毛细管(3)采用金属等导电材料制成，其内径小于lmm。
6. 根据权利要求1所述的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置， 其特征在于，加压装置(9)可以通过加砝码的方式实现或采用微量推进 器°
7. 根据权利要求1所述的一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置， 其特征在于，高压静电发生器(13)的输出极为正极，毛细管(3)接地， 接收装置(1)接高压静电发生器(13)的正极。
全文摘要
本发明公开了一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置，它主要包括接收装置，在毛细管与接收装置之间可产生平行于电场方向的磁场装置，与喷嘴采取锥面配合的毛细管，与料筒连接的喷嘴，用于加热聚合物熔体的电加热圈，钢结构的料筒，可在料筒内上下运动又不会产生漏料的活塞轴，加压装置，承载加压装置的端盖，温度传感器，温控装置，高压静电发生器。本发明可用于聚合物熔体的静电纺丝，它解决了溶液静电纺丝由于使用溶剂而出现的一系列问题，以及溶液静电纺丝喷嘴容易堵塞的问题，因而具有经济、环保、安全、生产率高，易于实现工业化的优点。
文档编号D01D5/00GK101429681SQ20071017691
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者丁玉梅, 杨卫民, 邓荣坚 申请人:北京化工大学