一种圆盘式无针头静电纺丝装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种可大规模连续生产纳米纤维膜的无针头静电纺丝装置，提供了一类可以有效提高静电纺丝产量和均匀度的静电纺丝技术。其技术方案要点是：采用特殊结构的圆盘作为纺丝单元，通过内置导线的聚四氟乙烯转轴对各纺丝单元实现分别施加电压，使纺丝单元之间的电场更为均匀；通过高度可调的圆弧形聚四氟乙烯屏蔽罩控制纺丝点的带液量，使纳米纤维细度均匀，并节省电能。本发明的特点是，内置导线的聚四氟乙烯转轴、特殊的圆盘结构，以及高度可控的圆弧形聚四氟乙烯屏蔽罩，可以使得各纺丝单元间电场分布均匀，有效提高纳米纤维膜中纤维细度的均匀性和产量，同时避免了传统对针头设备存在的电厂不匀、针头易堵塞、难以清洗等缺点；采用圆盘式无针头静电纺丝装置，有效提高了产能和均匀度，可以降低成本，利于静电纺丝技术的工业化推广。
【专利说明】—种圆盘式无针头静电纺丝装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及静电纺丝技术，具体为一种圆盘式无针头静电纺丝装置。
技术背景
[0002]静电纺丝是利用静电场力对纺丝射流进行牵伸，形成纳米纤维非织造布的一种方法；该技术作为最为常用的一种纳米纤维生产方法，近年来得到了广泛的研究，它具有成本低、简单、且适用于大部分聚合物等优势。其产品细度介于纳米和微米之间的纤维，并以无序状沉积在接收装置上，形成类似非织造布状的微纳米纤维网/薄膜，可用于过滤材料、生物医学材料、化学传感器、电池隔膜的多个高科技领域。
[0003]静电纺丝技术作为目前连续制备聚合物纳米纤维的最有效的方法，具有诸多优势，但较难实现规模化生产。目前规模化静电纺丝技术分为两类，一类为多针头静电纺丝技术，代表公司为以德国的 Freudenburg Nonwovens、美国的 Finetex Technology Inc.>eSpin Technologies、NanoMatrix、韩国的T0PTECH公司等；另一类为无针头静电纺丝技术，代表公司为美国的Donaldson Company和捷克的Elmarco公司(纳米蜘蛛)。现有多针头静电纺丝设备存在针头易堵、低效低产、多射流间电场干扰严重(End effect现象)、电纺膜横向厚薄不匀等的问题；现有无针头静电纺丝设备(纳米蜘蛛)虽然不存在传统静电纺的针头堵塞问题，产量比针头式静电纺装置提高了很多，但是存在所得纤维粗细不匀、纤维偏粗、耗能大、产品质量难以控制等问题。
【发明内容】
[0004]针对现有静电纺丝规模化设备存在的不足，本发明拟采用的技术方案是:设计一种圆盘式无针头静电纺丝装置。该装置包括一个内壁式溶液池，具有节省电能与防止漏电的作用；采用圆盘式纺丝头，具有均匀混合纺丝溶液、控制纤维细度的作用；还包括内置导线的高性能塑料转轴，可对各纺丝圆盘分别施加电压，并节省电能、减小电场干扰；该装置特别设计了圆弧形屏蔽罩，可控制纺丝位置的溶液厚度，使纳米纤维细度均匀，并节省电倉泛。
[0005]本发明解决静电纺丝设备规模化的技术方案是:设计一种圆盘式无针头规模化静电纺丝纳米纤维无纺布生产设备，该设备主要包括:溶液池55、高性能塑料转轴85、纺丝圆盘80、屏蔽罩75、高压电源10、输网帘15、接地目标电极板40、吸风装置35、传动装置25、防滑移装置50等。
[0006]所述溶液池55内壁层由高性能塑料组成，具有节省电能与防止漏电的作用；溶液池55采用圆弧状设计，内直径稍大于纺丝圆盘80的直径，具有节省原料和均匀溶液的作用；可根据设备的产量，对注入泵120和回流泵125之间的差额进行控制，可以精确控制溶液池中的溶液含量，并使溶液随之流动，防止聚合物沉积。
[0007]所述高性能塑料转轴采用聚四氟乙烯、聚苯硫醚或聚丙烯塑料中轴85，在中轴上布有用于给各转盘施加不同电压的导线95，导线由高性能塑料管包覆，可以起到节省电力并防止漏电危险的作用，同时可通过导线对圆盘施加不同电压，使各圆盘纺丝点的电场分布均匀，起到减小静电排斥、均匀纤维细度的作用；中轴上有间隔5mm?IOOmm的基座140，可固定圆盘并与所布导线相连，可根据实际生产需要用来调节圆盘间距。
[0008]所述纺丝圆盘80采用空心设计，形状可变，形状参数包括圆盘边缘的倾斜程度、直径、方向、数量等。纺丝圆盘80与基座140之间采用四个对称分布的螺钉固定(参见附图2);圆盘80倾斜程度在O°?90°之间，厚度在0.5mm?IOmm之间，其本身具有的倾斜程度使圆盘具有一定的储液能力。在低转速转动时，由于圆盘80倾斜面的存在，可实现连续纺丝；各圆盘的直径可根据电场分布规律在IOOmm?200mm之间进行调节。根据电场分布原理，位于转轴85中间位置的圆盘直径较两边的要大，这样的圆盘直径分布可以控制各圆盘纺丝位置之间电场的均匀性，并起到均匀纺丝射流的作用；圆盘的排布可以是单个圆盘沿转轴进行单向平行配置、均匀排布，也可以是底面相向成对配置(参见附图3)，并沿转轴均匀排布。圆盘的排布方式取决于纺丝溶液的粘度；纺丝圆盘的数量和间隔根据产品幅宽和克重要求而改变。
[0009]所述屏蔽罩75采用聚四氟乙烯内壁，采用圆弧形设计(参见附图1)，在屏蔽罩与溶液池之间设计有控高装置70，可通过控制圆盘纺丝位置高度来控制圆盘的带液量，使各纺丝圆盘纺丝位置的溶液厚度均勻一致(一般控制带液厚度为0.1mm?0.5mm),从而使所纺纤维细度均匀、电纺膜厚度均匀；屏蔽罩75同时可使电纺丝核心部件处于相对屏蔽的状态，这样可以节省电能、均匀射流、并使高电压集中于圆盘的顶部纺丝位置。
[0010]所述高压电源10的正负极分别与高性能塑料转轴上的加压盘130和目标电极板40相连接，电压值为15kV?50kV。
[0011]所述输网帘15采用较为稀疏且薄的塑料制作，对电场干扰极小，由罗拉带动，并带动基布向前输送，速度为I?100m/min。
[0012]所述接地目标电极板40可通过公知技术实现横动，使纤维沉积更加均匀；目标电极板40与高压电源负极相连，并可起到增强电场的作用；也可根据纤维收集的需要调节，形状可变，可静可动，以便于获得满足不同需要的静电纺丝纳米纤维无纺布。
[0013]所述吸风装置35，安装在输网帘与目标极板40上方，采用锥形设计，吸风均匀，可使所纺纤维沉积均匀。
[0014]所述防滑移装置50的设计，是在输网帘进入端与输出端分别安装两个电机，两个电机安装在相反的两侧，旋转方向相同，使得基布及输网帘不会随罗拉的旋转而发生滑移。
[0015]所述圆盘式静电纺丝装置的幅宽可调，一般在300mm?2000mm之间。为了实现规模化、工业化纳米纤维生产，尤其是混和静电纺，各纺丝单元之间可交错排列(参见附图4)，使基布/接收器上所收集纤维分布更加均匀，同时使设备的整体幅宽、克重进一步加大。
[0016]说明书附图
[0017]图1是所述圆盘式无针头静电纺丝装置一种实施例的整体结构示意图。
[0018]图2是所述圆盘式无针头静电纺丝装置一种纺丝核心部件的剖面图。
[0019]图3是所述圆盘式无针头静电纺丝装置一种采用双向圆盘作纺丝核心部件的剖面图。
[0020]图4是所述圆盘式无针头静电纺丝装置一种交错排列的示意图。[0021]图5为本发明离心式无针头静电纺丝装置一种实施例的纳米纤维产品SEM图片图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明:
[0023]本发明设计的圆盘式无针头静电纺丝装置(简称装置，参见图1?4)，该装置主要包括供液系统、纺丝系统、供电系统、接收系统、传动系统和控制系统。
[0024]所述的供电系统、接收系统、传动系统和控制系统采用公知技术，这里不再赘述。
[0025]所述的纺丝系统(参见附图1和2):包括溶液池55，溶液池为双层结构，其高性能塑料内壁Iio具有防止漏电和节省电能的作用，并采用半圆弧状底槽，底槽与纺丝圆盘80间距为IOmm?30mm，可起到节省并均匀溶液的作用；溶液池55与高性能塑料转轴85采用轴承连接，转轴85采用高性能塑料制作，内部铺设有与各纺丝圆盘80相连接的导线95，并设有安装圆盘的基座140，导线95与其相对应的加压盘130相连接，可以实现对各纺丝圆盘80的分别加压；纺丝圆盘80安装在基座140上，具有倾斜角度为0°?90°的设计，带有一定的储液能力，直径可调，可分别加压，并可根据实际需求采用不同的形状；溶液池上方装有由高性能塑料制成的屏蔽罩70，屏蔽罩采用圆滑的开口设计，形状为圆弧状，其直径比纺丝圆盘80直径稍大，高度可调，可以控制纺丝圆盘80纺丝位置的带液厚度，具有节省电能、减小电场相互干扰和均匀纤维细度的作用；纺丝射流上方安装有接收装置，包括输网帘15、可往复横动的目标电极板40、基布20 ;所述的输网帘15采用轻薄、目数较低的塑料网制作，对电场干扰极小；目标电极板40可往复横动，与高压电源10的负极相连接，并可以采用不同的形状，可使纤维分布更为均匀，满足不同产品需要。
[0026]所述溶液池55为双层结构，采用圆弧状设计，并带有注入泵120和回流泵125。溶液池内壁Iio采用高性能塑料制作，厚度为5mm?20mm，具有防止漏电和节省电能的作用；溶液池55采用圆弧状设计，内直径稍大于纺丝圆盘80的直径(稍大IOmm?30mm),具有节省原料和均匀溶液的作用；可根据设备的产量，对注入泵120和回流泵125之间的差额进行控制，其差额一般设置在20g/h到2000g/h之间，这样可以精确控制溶液池中的溶液含量，并使溶液随之流动，防止沉积。
[0027]所述高性能塑料转轴85采用高性能塑料为中轴，内部铺设有导线95，外层有高性能塑料套管91包覆，导线与基座140和加压盘130相连接。转轴85采用高性能塑料作为中轴，具有节省电能、防止漏电并减小电场干扰的作用；转轴上设置有与导线95相连，安装用于纺丝圆盘80的基座140，基座之间的距离为0.5cm，纺丝圆盘80可根据需要相邻或间隔安装；导线95与基座140和加压盘130相连接，可根据模拟电场分布情况对各圆盘分别施加不同的电压，从而起到均匀电场的作用；转轴的有效纺丝长度为30cm到80cm ;转轴的转速为 2r/min 到 20r/min。
[0028]所述纺丝圆盘80采用空心设计，形状可控，具有可调的形状包括圆盘的倾斜程度、直径、方向、数量等，具有圆滑的坡面设计。纺丝圆盘80与基座140之间采用四个对称分布的螺钉固定(参见图2);圆盘倾斜程度在0°?90°之间，圆盘本身具有的倾斜面使圆盘具有一定的储液能力，在圆盘低转速转动时，由于圆盘倾斜面的存在，可实现连续纺丝；各圆盘的直径可根据电场分布规律调节，圆盘直径在IOOmm?200mm之间,根据电场分布原理，位于转轴中间的圆盘直径较两边的大，这样的圆盘直径分布可以控制各圆盘纺丝点之间电场的均匀性，并起到均匀纺丝射流的作用；圆盘的方向可以是单向的，也可以是双向交错(如附图3)的，可根据溶液需要可调；纺丝圆盘的数量根据产品幅宽和克重的需要可以进行变化。
[0029]所述屏蔽罩75采用高性能塑料制作，采用圆弧状设计，带有圆滑的纺丝点开口设计，高度可调，如附图1。由高性能塑料制作的屏蔽罩可以起到屏蔽设备间电场干扰、稳定射流的作用，厚度为IOmm?15mm ;屏蔽罩75的直径较纺丝圆盘稍大，开口宽度在30mm?50mm之间；而屏蔽罩与溶液池之间的高度控制装置70，高度可调，可控制圆盘纺丝点的带液量，均勻各纺丝圆盘纺丝点的溶液厚度，一般控制带液厚度为0.1mm?0.5mm,从而使所纺纤维细度均匀；屏蔽罩同时可使电纺丝核心部件处于相对屏蔽的状态，这样可以节省电力、稳定射流、并使高压点集中于圆盘的顶部纺丝点。
[0030]接收装置位于纺丝圆盘80上方，由基布20、输网帘15、目标接收板40、吸风装置35构成。基布20由输网帘15带动，速度为lm/min到100m/min ;输网帘15由轻薄、目数较低的塑料网制成，对电场干扰极小，并带有防滑移装置50，速度为lm/min到100m/min ;目标电极板40与高压电源负极相连，且带有往复横动装置，可采用多种形状，有增强电场、使纤维分布更加均匀、获得具有一定取向的纤维网的作用；吸风装置35安装在输网帘与目标极板上方，采用锥形设计，吸风均匀，可使所纺纤维得到均匀的沉积。
[0031]实施例1
[0032]如附图1所示的一种圆盘式无针头规模化静电纺丝纳米纤维无纺布生产设备，该设备主要包括:溶液池55、聚四氟乙烯转轴85、纺丝圆盘80、屏蔽罩75、高压电源10、输网帘15、接地目标电极板40、吸风装置35、传动装置25、防滑移装置50等。工作时，溶液池55深度为130mm，溶液深度设置为100mm，注入泵120与回流泵125之间的差额设置为172g/h ;纺丝圆盘80直径为200mm，有效工作数目为20个，每相隔一个基座安装一个纺丝圆盘，其间距为10mm，各纺丝圆盘所加电压一致，均为+25kV ;屏蔽罩75高度控制为圆盘带液量厚度为0.2mm ;聚四氟乙烯转轴85转动速度为15r/min，有效工作宽度为200mm ;目标电极板40加压为-25kV，往返速度30次/min ;输网帘15及基布20的传输速度为2m/min，吸风装置的负压设置为-1OMPa ;纺丝圆盘80纺丝点与基布20之间的距离设置为150mm。
[0033]先称取一定质量的PBS高聚物颗粒，配制质量分数14%的溶液，称取溶剂三氯甲烷/异丙醇(8: 2)的质量，然后将溶质、溶剂依次倒入带有磁力转子的磨砂广口瓶中，在室温下，将广口瓶放在磁力转子转速为1000r/h的恒温磁力搅拌器上搅拌大约2个小时，使PBS颗粒完全溶解，直至溶液成均匀的透明状。
[0034]纺丝前先设定好屏蔽罩75的高度,其开口与纺丝圆盘之间的高差为0.2mm,再将纺丝圆盘80纺丝点与基布之间的距离调整为150mm ;然后通过注入泵120向溶液池55注入PBS溶液，待液面高度达到IOOmm后，开启回流泵125，将其差额设置为172g/h ;待溶液混合均勻后，开启转轴传动装置，设定聚四氟乙烯转轴85的转速为15r/min,设定基布传输速度为2m/min，目标电极板40往返速率为30次/min ;待纺丝圆盘80的倾斜部分被溶液覆盖完全后，开启闻压电源10，设定电压为25kV,开始纺丝。
[0035]IOmin后，依次关闭高压电源10、注入泵120、回流泵125、输网帘传动装置25、吸风装置35、目标电极板往复传动装置、转轴传动装置。得到静电纺纳米纤维分布均匀PBS/熔喷非织造布复合布，有效幅宽为200mm，静电纺丝纳米纤维克重为lg/m2，长度为20m。
[0036]实施例2
[0037]如附图1所示的一种圆盘式无针头规模化静电纺丝纳米纤维无纺布生产设备，该设备主要包括:溶液池55、聚四氟乙烯转轴85、纺丝圆盘80、屏蔽罩75、高压电源10、输网帘15、接地目标电极板40、吸风装置35、传动装置25、防滑移装置50等。工作时，溶液池55深度为13cm，溶液深度设置为10cm，注入泵120与回流泵125之间的差额设置为750g/h ；纺丝圆盘80直径为200mm，采用双向设计纺丝圆盘(参见附图3)，有效工作数目为25个，每相隔3个基座安装一个纺丝圆盘,其间距为20mm,各纺丝圆盘所加电压一致,均为+30kV ；屏蔽罩75高度控制为圆盘带液量厚度为0.15mm ;聚四氟乙烯转轴85转动速度为20r/min，有效工作宽度为500mm ;目标电极板40加压为_30kV，往返速度30次/min ;输网帘15及基布20的传输速度为2m/min，吸风装置的负压设置为-1OMPa ;纺丝圆盘80纺丝点与基布20之间的距离设置为200mm。
[0038]先称取一定质量的PVA高聚物颗粒，配制质量分数16%的溶液，按百分比称取PVA高聚物颗粒和去离子水，然后将溶质、溶剂依次倒入带有磁力转子的磨砂广口瓶中，在室温下，将广口瓶放在磁力转子转速为1000r/h的恒温磁力搅拌器上搅拌大约2个小时，使PVA颗粒完全溶解，直至溶液成均匀的透明状。
[0039]纺丝前先设定好屏蔽罩75的高度,其开口与纺丝圆盘之间的高差为0.15mm,再将纺丝圆盘80纺丝点与基布之间的距离调整为200mm，然后通过注入泵120向溶液池55注入溶液，待液面高度达到IOOmm后，开启回流泵125，将其差额设置为750g/h ;待溶液混合均勻后，开启转轴传动装置，设定聚四氟乙烯转轴85的转速为20r/min,设定基布传输速度为2m/min,目标电极板40往返速率为30次/min ;待双向纺丝圆盘中间的凹槽部分积聚一定量的溶液后，开启高压电源10，设定电压为30kV，开始纺丝。
[0040]IOmin后，依次关闭高压电源10、注入泵120、回流泵125、输网帘传动装置25、吸风装置35、目标电极板往复传动装置、转轴传动装置。得到静电纺纳米纤维分布均匀PVA非织造布，有效幅宽为500mm,静电纺丝纳米纤维克重为2g/m2,长度为20m。
【权利要求】
1.一种圆盘式无针头静电纺丝装置(参见图1)，包括溶液池、高性能塑料转轴、金属转盘、屏蔽罩、接地金属极板、吸风装置、防滑移装置，其特征在于:所述溶液池内壁层由高性能塑料制作，具有安全绝缘、节省电能、防止漏电并减小电场干扰的作用；转轴溶液池采用圆弧状设计，内直径稍大于纺丝圆盘的直径，具有节省原料和均匀溶液的作用；可根据设备的产量，对回流泵和回流泵之间的差额进行控制，可以精确控制溶液池中的溶液含量，并使溶液随之流动，防止聚合物沉积。
2.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:所述高性能塑料转轴内部铺设有导线，外层有高性能塑料套管包覆，导线与基座和加压盘相连接；所述的高性能塑料包括聚四氟乙烯、聚苯硫醚或聚丙烯塑料。
3.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:高性能塑料转轴上设置有与导线相连，用于安装纺丝圆盘的基座；导线与基座和加压盘相连接，可根据电场分布要求对各圆盘分别施加不同的电压，从而起到均匀电场的作用。
4.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:所述纺丝圆盘80采用空心设计，形状可调，包括圆盘的倾斜程度、直径、方向、数量等，圆盘外边缘具有圆滑的倾斜设计。
5.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:圆盘倾斜程度在0°?90°之间，圆盘本身具有的倾斜设计使圆盘具有一定的储液能力，在圆盘低转速转动时，由于圆盘倾斜程度的存在，可实现连续纺丝。
6.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:根据电场分布原理，位于转轴中间的圆盘直径较两边的大，这样的圆盘直径分布可以控制各圆盘纺丝位置之间电场的均匀性，并起到均匀纺丝射流的作用。
7.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:圆盘可以沿转轴同方向平行放置，也可以底面相对构成一对圆盘，然后也沿着转轴均布放置，根据静电纺丝要求可调；纺丝圆盘的数量根据产品幅宽要求可调。
8.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:所述屏蔽罩采用聚四氟乙烯制作，采用圆弧状设计，带有圆滑的纺丝位置开口设计，高度可调。由聚四氟乙烯制作的屏蔽罩可以起到屏蔽设备间电场干扰、稳定射流的作用；屏蔽罩的直径较纺丝圆盘稍大，屏蔽罩与溶液池之间的高度控制装置，高度可调，可控制圆盘纺丝位置的带液量，均勻各纺丝圆盘纺丝点的溶液厚度，一般控制带液厚度为0.1mm?0.5mm,从而使所纺纤维细度均匀；屏蔽罩同时可使电纺丝核心部件处于相对屏蔽的状态，这样可以节省电能、稳定射流、并使高压点集中于圆盘的顶部纺丝位置。
9.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:所述的圆盘也可以是边缘部分无倾斜的平面圆盘，厚度为0.5?100mm。
10.根据权利要求1所述的圆盘式无针头静电纺丝装置，其特征在于:各圆盘的直径可根据电场分布规律调节，圆盘直径在50mm?200mm之间。
【文档编号】D01D5/00GK103484953SQ201310414922
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】刘延波, 漆东岳, 李辉, 陈威亚 申请人:天津工业大学