熔体微分静电纺丝装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开熔体微分静电纺丝装置，主要包括熔体微分静电纺丝喷头与多电场耦合强力牵伸装置，熔体微分静电纺丝喷头置于多电场耦合强力牵伸装置上方，熔体微分静电纺丝喷头主要由分流板、螺母、弹簧垫片、风管定位销、螺钉、喷头体定位销、喷头体、风管、加热装置、温度传感器、内锥面喷头和接地电极组成，多电场耦合强力牵伸装置主要包括电极板一、电极板二、高压静电发生器一、高压静电发生器二和纤维接收板；在风场和电场力的作用下，聚合物熔体最终在锥面端沿微分均布一圈几十个泰勒锥，进而形成几十根射流并细化成纳米纤维丝，通过分流板下安装多个熔体微分静电纺丝喷头，可以实现纳米纤维的批量化生产，结构简单，零件易加工装配。
【专利说明】熔体微分静电纺丝装置
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种熔体微分静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。
【背景技术】
[0002]随着纳米技术的广泛应用，静电纺丝制备纳米纤维方法越来越受到实验研究和产业化开发的关注。溶液静电纺丝以其温和的制备工艺和纳米级的纤维细度得到深入研究和广泛应用，目前初步实现了量产，然而由于溶剂的使用，使得产业化连续性、生产环境、医药方面的应用等受到极大限制，由于溶液静电纺丝存在有毒溶剂回收、带孔洞纤维强度低、难以制备PP、PE纤维和低效率等问题，这限制了溶液静电纺丝技术的工业化应用。熔体静电纺丝不使用溶剂，具有本质安全性，其制备的纤维可以达到数百纳米，相比传统的熔喷技术制备的纤维细度小一个数量级，因此，熔体静电纺丝可以作为实现高性能纳米纤维绿色制造的一种可靠技术。
[0003]1981年Larrondo和Manley首次报道了熔融高聚物的静电纺丝技术，他们设计的熔体静电纺丝装置是熔体经过活塞挤出，电纺纤维收集距离3cm，用该装置电纺PP，成功制取了直径为50微米左右的纤维。
[0004]日本福井大学的NobuoOgata于2006年开发了具有激光加热熔体电纺，向熔融部供给高分子棒状材料(直径小于Imm)，可制备I μ m的纤维,但是该装置虽然间接加热,但是激光装置能耗高、危险；Naoki SHIMADA等人通过定制的线激光光源将薄膜加热到极低粘度，制备出一排纤维，在原有点光源基础上提高了纤维的产量，但成本仍然高，产量低，难以用于批量化生产。
[0005]捷克Czech Republic 大学的 Michal ROM Λ REK 和 Leilka IVIARTINOVA
提出了一种是狭缝式的纺丝装置，狭缝式纺丝装置并没有很好解决熔体在狭缝处的均匀分布，丝的个数也不足以适合产业化应用。
[0006]以上这些熔体静电纺丝装置不仅结构复杂，且能耗高，产量低，难以适合产业化应用。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于提供一种熔体微分静电纺丝装置，采用熔体微分技术及多电场耦合强力牵伸技术来实现纳米纤维的批量化生产。
[0008]实现上述目的采取的技术方案是:熔体微分静电纺丝装置，主要包括熔体微分静电纺丝喷头与多电场耦合强力牵伸装置，熔体微分静电纺丝喷头置于多电场耦合强力牵伸装置上方，熔体微分静电纺丝喷头主要由分流板、螺母、弹簧垫片、风管定位销、螺钉、喷头体定位销、喷头体、风管、加热装置、温度传感器、内锥面喷头和接地电极组成，分流板位于喷头体上方，喷头体与分流板采用喷头体定位销定位，喷头体与分流板可采用螺钉连接，喷头体上有熔体流经的斜流道，分流板上有分流道用于聚合物熔体塑化供给装置熔融的熔体的流入，斜流道入口与分流板上的分流道出口相通；风管内部有气体通过的孔，风管内部出风口处孔为锥形孔，便于气流对熔体的牵伸，风管安装在喷头体与分流板的内孔中，风管外表面与喷头体内孔间有环形间隙，熔体在这个环形间隙内流动；风管通过最上端的螺纹与外接热气源的气管相连，在风管的上端，可采用螺母与弹簧垫片固定，防止风管掉下；在风管上部，开有键槽，内装一风管定位销，也可以安装键，用于风管的周向定位和防止风管转动错位；内锥面喷头与喷头体采用螺纹连接；喷头体与分流板外包有加热装置，并安装有温度传感器用于控温；内锥面喷头与接地电极相连；多电场耦合强力牵伸装置主要包括电极板一、电极板二、高压静电发生器一、高压静电发生器二和纤维接收板；电极板一安装在纺丝喷头的正下方一定距离处，电极板一与高压静电发生器一的高压正极端子相连，电极板二安装在电极板一的正下方一定距离处，电极板二与高压静电发生器二的高压正极端子相连，纤维接收板放在电极板二的上方。
[0009]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，熔体微分静电纺丝喷头的内锥面喷头也可以换成外锥面喷头，即拆除与喷头体连接的内锥面喷头，在风管底端通过螺纹连接一外锥面喷头，熔体流经外锥面喷头的外锥面，外锥面喷头的内部有气体通过的圆孔和锥形孔，喷头体与接地电极相连，其余结构与前述的熔体微分静电纺丝喷头结构相同。
[0010]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，内锥面喷头与喷头体通过螺纹连接，风管底端通过螺纹相连一外锥面喷头，即采用内锥面喷头和外锥面喷头相结合的方式，熔体流出风管与喷头体间的间隙后流向内锥面喷头的内锥面和外锥面喷头的外锥面，外锥面喷头的内部有气体通过的圆孔和锥形孔，气体对两个锥面的熔体形成的丝都有牵伸，其余结构与前述的熔体微分静电纺丝喷头结构相同。
[0011]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，分流板上的分流道可以为均匀分布的多个，在一块分流板下安装多个熔体微分静电纺丝喷头，通过分流板内的分流道分流，由一台挤出机或其他聚合物熔体塑化供给装置向多个熔体微分静电纺丝喷头同时供料，实现纳米纤维的批量化生产。
[0012]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，其多电场耦合强力牵伸装置中，电极板一是中间带孔的电极板，其形状可以是圆形、方形、三角形或任意的多边形。
[0013]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，其多电场耦合强力牵伸装置中，电极板二可以是中间带孔的电极板，也可以是中间不带孔的大平板，其形状可以是圆形、方形、三角形或任意的多边形。
[0014]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，其多电场耦合强力牵伸装置中，纤维丝可以在电极板二的上方收集，也可以将电极板二换成中间带孔的电极板，在电极板二的下面实现纤维丝的收集，纤维丝可以采用大平板收集，也可以采用铺网带连续收集，也可以采用辊子收集。
[0015]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，其多电场耦合强力牵伸装置中，在熔体微分静电纺丝喷头下方，可以设置η (η为整数且η > I)层电极板，形成多级电场，对纤维丝产生多次牵伸，使纤维细化。
[0016]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，其多电场耦合强力牵伸装置，可以用于熔体静电纺丝，也可以用于溶液静电纺丝，在进行溶液纺丝时，加热装置可以不通电，或按照溶液纺丝需要进行控温。
[0017]本实用新型熔体微分静电纺丝工艺，通过一台挤出机或其他聚合物熔体塑化供给装置向分流板提供聚合物熔体；打开外接热气源，向风管中通一定温度的热空气；聚合物熔体通过分流板内分流道的分流，流入到喷头体的斜流道中，接着流入到风管与喷头体内孔间的环形间隙中，最终流到内锥面喷头(或外锥面喷头)的锥面上；依次打开高压静电发生器一和高压静电发生器二，使电极板一与内锥面喷头间和电极板一与电极板二间形成高压静电场，此时，聚合物熔体在高压电场作用下，将在内锥面喷头侧面下端沿微分均布一圈几十个泰勒锥，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥便形成射流，进而射流成丝，这种熔体由均匀分布在锥面端沿的膜片装结构牵伸出众多的纤维丝，这个过程称作微分纺丝，这种结构与针状针头的单喷头纺丝不同，在此采用数学意义上的“微分”更加形象；然后丝在风场与电场力的共同作用下，穿过电极板一上的孔，落到纤维接收板上；通过在熔体微分纺丝喷头下方设置多层中间带孔的电极板，形成多级电场，对熔体微分纺丝喷头纺出的丝实现多次牵伸，以此来实现纤维丝的细化；通过对电极板间距离及电极板上所加电压大小的控制，实现对纤维丝细度的调控。
[0018]由以上接收方案可知，本实用新型具有如下优点:
[0019]1.熔体微分静电纺丝喷头的零件间采用销、键等定位螺钉等螺纹连接，结构简单，零件易加工装配，生产成本低。
[0020]2.聚合物熔体流过内锥面，在电场力的作用下，最终在锥面端沿微分均布一圈几十个泰勒锥，进而形成几十根射流并细化成纳米纤维丝，单个熔体微分静电纺丝喷头的产量高；通过分流板下安装多个熔体微分静电纺丝喷头，就可实现纳米纤维的批量化生产，同等规模装置产量大于同类静电纺丝装置一个数量级。
[0021]3.采用熔体微分静电纺丝喷头接地，电极板接高压正电的方式，有效地避免了静电纺丝中，喷头接高压电对电器元件的影响与损坏。
[0022]4.在纤维下落的过程中，采用多电场耦合强力牵伸装置来对纤维进行牵伸，可使纺出的纤维丝更细。通过调节电极板与内锥面喷头及电极板与电极板之间的距离，以及高压静电发生器的电压，可对纤维丝的细度做一定的调节。
[0023]5.采用带孔的电极，在电极下方实现纤维的接收，这使得纤维的收集方式可以多样化，气流的辅助牵伸，使纤维丝在下落过程中成束状，便于卷绕，以适应不同的需求。
[0024]6.该装置及工艺简单易行，适合实验室研究及产业化应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本实用新型熔体微分静电纺丝装置的结构示意图，喷头体上安装内锥面喷头。
[0026]图2是本实用新型熔体微分静电纺丝装置的结构示意图，风管下端安装外锥面喷头。
[0027]图3是本实用新型熔体微分静电纺丝装置的结构示意图，喷头有两个，是外锥面喷头和内锥面喷头相结合的方式。
[0028]图中:1-分流板，2-螺母，3-弹簧垫片，4-风管定位销，5-螺钉，6_喷头体定位销，7-喷头体，8-风管，9-加热装置，10-温度传感器，11-内锥面喷头，12-电极板一，13-纤维接收板，14-电极板二，15-高压静电发生器一，16-高压静电发生器二，17-接地电极，18-丝，19-电极板三，20-电极板四，21-辊子接收装置，22-高压静电发生器三，23-高压静 电发生器四，24-外锥面喷头。
【具体实施方式】
[0029]实施例1
[0030]如图1所示，本实用新型熔体微分静电纺丝装置，主要包括熔体微分静电纺丝喷头与多电场耦合强力牵伸装置。
[0031]熔体微分静电纺丝喷头主要由分流板1、螺母2、弹簧垫片3、风管定位销4、螺钉5、喷头体定位销6、喷头体7、风管8、加热装置9、温度传感器10、内锥面喷头11、接地电极17组成。喷头体7与分流板I采用喷头体定位销6定位，并用螺钉5连接，喷头体7上的斜流道入口与分流板I上的分流道出口相通；风管8安装在喷头体7与分流板I的内孔中，风管8外表面与喷头体7内孔间有环形间隙，熔体在这个环形间隙内流动；风管8通过最上端的螺纹与外接热气源的气管相连，在风管8的最上端，采用螺母2与弹簧垫片3固定，防止风管8掉下，在风管8上部，开有键槽，内装一风管定位销4，用于风管8的周向定位和防止风管8转动错位；内锥面喷头11与喷头体7采用螺纹连接；喷头体7与分流板I外包有加热装置9，并安装有温度传感器10用于控温；内锥面喷头11与接地电极17相连。
[0032]多电场耦合强力牵伸装置主要包括电极板一 12、电极板二 14、高压静电发生器一15、高压静电发生器二 16、纤维接收板13，其中，电极板一 12是中间带孔的电极板，电极板二 14可以是中间带孔的电极板，也可以是中间不带孔的电极板，电极板一 12和电极板二 14可以为圆形、方形、三角形或任意的多边形；电极板一 12安装在内锥面喷头11的正下方一定距离(2?IOcm)处，电极板一 12与高压静电发生器一 15的高压正极端子相连，电极板
二14安装在电极板一 12的正下方一定距离(5?70cm)处，电极板二 14与高压静电发生器二 16的高压正极端子相连，纤维接收板13放在电极板二 14的上方。
[0033]纺丝时，将加热装置9打开，在温度传感器10的控制下，将分流板I与喷头体7加热到工作温度，接着打开外接热气源，向风管8中通一定温度(60?400°C)的热空气，然后用一台挤出机或其他聚合物熔体塑化供给装置向分流板提供聚合物熔体，聚合物熔体通过分流板I内分流道的分流，流入到喷头体7的斜流道中，接着流入到风管8与喷头体7内孔间的环形间隙中，最终流到内锥面喷头11的内锥面上；依次打开高压静电发生器一 15和高压静电发生器二 16，使电极板一 12与内锥面喷头11间和电极板一 12与电极板二 14间形成高压静电场，此时，聚合物熔体在高压电场作用下，将在内锥面喷头11侧面下端沿微分均布一圈几十个泰勒锥，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥便形成射流，进而纺成丝18 ;丝18在风场与电场力的共同作用下，穿过电极板一 12上的孔，落到纤维接收板13上。
[0034]以熔喷级PP为例:内锥面喷头11下端沿直径为2.5cm，设定电极板一 12与内锥面喷头11侧面下端沿距离为4cm，电极板二 14与电极板一 12的距离为15cm，分流板I温度设定为220°C，喷头体7温度设定为240°C，高压静电发生器一 15加30Kv高压静电，高压静电发生器二 16加65Κν高压静电，向风管中吹80°C的热风,最终可纺得300nm?800nm直径的纤维,单喷头的纺丝效率可达到10?20g/h。
[0035]实施例2
[0036]如图2所示，该实施例与实施例1的结构、工作原理及效果基本相同，区别在于:熔体微分静电纺丝喷头中，其内锥面喷头11也可以换成外锥面喷头24，外锥面喷头24与风管8底端通过螺纹相连，喷头体7与接地电极17相连，其余结构与前述的熔体微分静电纺丝喷头结构相同。
[0037]多电场耦合强力牵伸装置由三层电极板组成，外锥面喷头24下依次设有电极板一 12、电极板三19、电极板四20，三块电极板都为中间带孔的电极板，电极板一 12与高压静电发生器一 15的高压正极端子相连，电极板三19与高压静电发生器三22的高压正极端子相连，电极板四20与高压静电发生器四23的高压正极端子相连，在电极板四20的下方，安装有辊子接收装置21用于接收纤维。
[0038]纺丝时，聚合物熔体沿着流道流到风管8与喷头体7内孔间的环形间隙中，最终流到外锥面喷头24的外锥面上，此时，依次打开高压静电发生器一 12，高压静电发生器三22，高压静电发生器四23，并同时打开辊子接收装置21的电机，此时，聚合物熔体在高压电场作用下，将在外锥面喷头24侧面下端沿微分均布一圈几十个泰勒锥，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥便形成射流，进而射流成丝18 ;然后丝18在风场与电场力的共同作用下，依次穿过电极板一 12、电极板三19、电极板四20上的孔，受到三次牵伸作用后，最终被电极板四23下的辊子接收装置21接收。
[0039]如图3所示，本实用新型熔体微分静电纺丝装置，也可以将内锥面喷头11与外锥面喷头24结合在同一个熔体微分静电纺丝喷头中，内锥面喷头24与喷头体7通过螺纹连接，外锥面喷头24与风管8底端通过螺纹相连，其余结构与前述的熔体微分静电纺丝喷头结构相同。
[0040]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，可以在一块分流板下安装一个或多个熔体微分静电纺丝喷头，通过分流板I内的分流道分流，由一台挤出机或其他聚合物熔体塑化供给装置向多个熔体微分静电纺丝喷头同时供料，实现纳米纤维的批量化生产。
[0041]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，多电场耦合强力牵伸装置中，其电极板的其形状可以是圆形、方形、三角形或任意的多边形；在熔体微分静电纺丝喷头下方，可以设置η (η为整数且I)层电极板，形成多级电场，对纤维产生多次牵伸。使纤维细化；纤维可以在最下层电极板的上方收集，也可以将最下层电极板换成中间带孔的电极板，在最下层电极板的下面实现纤维的收集，纤维可以采用大平板收集，也可以采用铺网带连续收集，也可以采用辊子收集。
[0042]本实用新型熔体微分静电纺丝装置，其多电场耦合强力牵伸装置，可以用于熔体静电纺丝，也可以用于溶液静电纺丝。
[0043]本实用新型熔体微分静电纺丝工艺，通过一台挤出机或其他聚合物熔体塑化供给装置向分流板提供聚合物熔体；打开外接热气源，向风管中通一定温度的热空气;聚合物熔体通过分流板内分流道的分流，流入到喷头体的斜流道中，接着流入到风管与喷头体内孔间的环形间隙中，最终流到内锥面喷头(或外锥面喷头)的锥面上；依次打开高压静电发生器一和高压静电发生器二，使电极板一与内锥面喷头间和电极板一与电极板二间形成高压静电场，此时，聚合物熔体在高压电场作用下，将在内锥面喷头侧面下端沿微分均布一圈几十个泰勒锥，当电场力大于熔体表面张力时，泰勒锥便形成射流，进而射流成丝；然后丝在风场与电场力的共同作用下，穿过电极板一上的孔，落到纤维接收板上；通过在熔体微分纺丝喷头下方设置多层中间带孔的电极板，形成多级电场，对熔体微分纺丝喷头纺出的丝实现多次牵伸，以此来实现纤维的细化；通过对电极板间距离及电极板上所加电压大小的控制，实现对纤维细度的调控。
【权利要求】
1.熔体微分静电纺丝装置，主要包括熔体微分静电纺丝喷头与多电场耦合强力牵伸装置，熔体微分静电纺丝喷头置于多电场耦合强力牵伸装置上方，其特征在于:熔体微分静电纺丝喷头主要由分流板、螺母、弹簧垫片、风管定位销、螺钉、喷头体定位销、喷头体、风管、加热装置、温度传感器、内锥面喷头和接地电极组成，分流板位于喷头体上方，喷头体与分流板采用喷头体定位销定位，喷头体与分流板采用螺钉连接，喷头体上有熔体流经的斜流道，分流板上有分流道，分流板上的斜流道入口与分流板上的分流道出口相通；风管内部有气体通过的孔，风管内部出风口处孔为锥形孔，风管安装在喷头体与分流板的内孔中，风管外表面与喷头体内孔间有环形间隙，熔体在这个环形间隙内流动；风管通过最上端的螺纹与外接热气源的气管相连，在风管的上端，采用螺母与弹簧垫片固定；在风管上部，还开有键槽，内装一风管定位销或键；内锥面喷头与喷头体采用螺纹连接；喷头体与分流板外包有加热装置，并安装有温度传感器用于控温；内锥面喷头与接地电极相连；多电场耦合强力牵伸装置主要包括电极板一、电极板二、高压静电发生器一、高压静电发生器二和纤维接收板；电极板一安装在纺丝喷头的正下方一定距离处，电极板一与高压静电发生器一的高压正极端子相连，电极板二安装在电极板一的正下方一定距离处，电极板二与高压静电发生器二的高压正极端子相连，纤维接收板放在电极板二的上方。
2.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于:熔体微分静电纺丝喷头的内锥面喷头换成外锥面喷头，外锥面喷头通过螺纹安装在风管底端，熔体流经外锥面喷头的外锥面，外锥面喷头的内部有气体通过的圆孔和锥形孔，接地电极与喷头体相连。
3.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于:风管底端通过螺纹相连一外锥面喷头，外锥面喷头的内部有气体通过的圆孔和锥形孔。
4.根据权利要求1所述的熔体微分静电纺丝装置，其特征在于:分流板上的分流道为均匀分布的多个，在一块分流板下安装多个熔体微分静电纺丝喷头。
【文档编号】D01D5/00GK203583023SQ201320707678
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】杨卫民, 钟祥烽, 李好义, 陈宏波, 丁玉梅 申请人:北京化工大学