高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及装置，该方法是将高压静电作用在喷丝口中的聚合物溶液上，在内外双层高速气流的包夹环绕下且外层气流压力低于内层气流压力，聚合物溶液被虹吸输送及高速牵伸，迅速形成液体射流，聚合物凝固快速形成纳米纤维。该装置主要是喷丝头由中心向外设置为内层、外层气流通道包夹环绕狭缝夹层溶液通道，在高压静电作用下的聚合物溶液被内外层高速气流环绕包夹，通过高速气流层对带电聚合物溶液的虹吸快速输送和高速牵伸作用以及高压静电的电牵伸作用，使得本发明制备纳米纤维的速度较单一高压静电纺丝速度高出100倍以上，得到的纤维粗细均匀，残留溶剂含量低，更便于纳米纤维的后处理。
【专利说明】高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及内外双层高速气流环绕包夹聚合物溶液，并辅以高压静电作用，实现纳米纤维的快速制备，特别是提供一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及
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【背景技术】
[0002]聚合物纳米纤维及其复合材料在过滤，消防，医疗及军事防护等方面有着广泛的应用。静电纺丝技术是一种广泛地被用来将聚合物溶液或熔体通过高压静电作用制备这种聚合物纳米纤维的加工方法。传统静电纺丝的低产量是制约这种聚合物纳米纤维工业化的瓶颈，如何提高纳米纤维的产量是目前亟待解决的大难题。有研究发现高速气流可以用来提高制备这种聚合物纳米纤维的速度。专利申请CN101126179B提出了一种利用高速气流辅助静电纺丝快速制备聚合物纳米纤维的方法。这种方法只采用了单一气流，效果不是很明显，对静电纺丝的速度提高有限。专利申请CN103924308A的纺丝系统，是在内外气流间“均匀分布一圈纺丝喷嘴”，是一个多(毛细管)喷嘴纺丝装置。毛细管之间闲置较大空间，没有发挥高压气流导流作用，即实际导液量低；另一方面聚合物溶液在毛细管中的流阻大，有效导流面积远低于表观导流面积，致使纺丝效率提升不太高。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及装置，可快速制备纳米纤维。通过双层高速气流对高压静电作用下的狭缝单喷丝嘴中聚合物溶液环绕包夹虹吸输送和高速牵伸和高压静电的电牵伸作用，达到快速制备聚合物纳米纤维的目的。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法，将高压静电作用在喷丝口中的聚合物溶液上，环形狭缝单喷丝嘴中的聚合物溶液在内外环形双层高压气流的包夹环绕下，且外层气流压力低于内层气流压力，聚合物溶液被虹吸输送及高速牵伸和高压静电的电牵伸，迅速形成液体射流，以极高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速运动中，溶剂挥发离去，聚合物凝固快速形成纳米纤维的方法。
[0006]一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，包括注射泵、喷丝头，所述的喷丝头由中心向外依次设置为内层气流通道(I)、夹层溶液通道(2)、外层气流通道(3)相互包夹环绕相互独立的三层通道；所述的内层气流通道(I)为位于中心的气流通道，所述的夹层溶液通道(2)为环形狭缝单喷丝嘴，所述的外层气流通道(3)为环形的气流通道，所述的夹层溶液通道(2)包夹环绕所述的内层气流通道(I)，所述的外层气流通道(3)包夹环绕所述的夹层溶液通道(2);所述的内层气流通道(I)和外层气流通道(3)的入口分别通入高压气流，所述的夹层溶液通道(2)入口通入聚合物溶液；所述的夹层溶液通道(2)出口与所述的内层气流通道(I)出口相齐平，所述的外层气流通道(3)出口高于内层气流通道(I)出口。
[0007]所述的内层气流通道(I)和外层气流通道(3)，该两通道入口的气体压力在0.6-1.2MPa范围内，且外层气流压力低于内层气流压力。
[0008]所述的夹层溶液通道(2)溶液出口的缝隙宽度(b)在0.1-0.3mm之间。
[0009]所述的内层气流通道(I)气流出口孔径(C)在0.5-1.5mm范围内。
[0010]所述的外层气流通道(3)气流出口缝隙宽度(a)在0.8-2.5mm范围内。
[0011]所述的外层气流通道(3)出口高于内层气流通道⑴出口，所述的气流出口处的闻度差(d)在0.5-3.0mm范围内。
[0012]所述的气流出口处的高度差(d)是1.0mm或3.0mm。
[0013]所述的每层通道圆柱形，竖直设置，上端设置有入口、下端设置有出口。
[0014]所述的喷丝头材质采用导电金属材料制备；所述的喷丝头连接高压电源。
[0015]本发明方法的优点是，在喷丝头上利用内外双层高速气流对高压静电作用下的狭缝单喷丝嘴中的聚合物溶液，实施环绕包夹虹吸的快速输送和高速牵伸和高压静电的电牵伸作用，显著地提高了静电纺丝的速度，实现快速制备聚合物纳米纤维。
[0016]本发明的装置是基于本发明方法的一种快速制备聚合物纳米纤维装置，由于本发明的喷丝头由中心向外设置为内层、外层气流通道包夹环绕夹层狭缝单喷丝嘴中溶液通道的设计，使得聚合物溶液被虹吸输送及高速牵伸和高压静电的电牵伸，迅速形成液体射流，以极高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速运动中，溶剂挥发离去，聚合物凝固快速形成纳米纤维；通过高速气流层对带电聚合物溶液的虹吸快速输送和高速牵伸作用以及高压静电的电牵伸作用，本发明装置制备纳米纤维的速度较单一高压静电纺丝速度高出100倍以上，而且制备得到的纤维粗细均匀，残留溶剂含量低，更便于纳米纤维的后处理。
[0017]另外，本发明专利是一个紧密布置在内外气流间的环形狭缝单喷丝嘴，从而增大高速气流层对带电聚合物溶液的虹吸快速输送和高速牵伸作用；并且内外气流出口采用高度差不平设计，外气流出口高于内气流出口，避免了外气流从管内喷出膨胀时向内产生过大的压力，导致所形成纤维难于分散，产生纤维堆积现象。
[0018]在纺丝工艺中，高粘滞性的纺丝液需要更高流速的气体辅助纺丝，本发明通过调节气体出口的缝隙宽度，可在相同流量下提高气体的流动速度，满足高粘溶液的纺丝，同时又不会过多消耗气体，达到节能的目的。
[0019]本发明使用了狭缝导流，所占空间较小，有效导流面积相对较大，且流速受溶液的粘滞性影响较小，导流效率较高。结合内外气流出口的高度调节作用，加大气流速度使纳米纤维以更高的速度形成，并高度地分散地集落在收集器上，形成孔隙率高，且厚薄均一的优质纳米纤维非织造布。因此，本发明装置大幅度地提高了纳米纤维的制备效率，是普通静电纺丝效率的100倍以上，大幅度高于专利申请CN103924308A所描述的纳米纤维纺丝效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的聚合物纳米纤维喷头装置示意图[0021 ] 图2为本发明PAN纳米纤维SEM照片
[0022]图3为本发明PAA纳米纤维SEM照片
【具体实施方式】
[0023]本发明的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法，实施方式如下，将高压静电作用在喷丝口中的聚合物溶液上，环形狭缝单喷丝嘴中的聚合物溶液在内外环形双层高压气流的包夹环绕下，且外层气流压力低于内层气流压力，聚合物溶液被虹吸输送及高速牵伸和高压静电的电牵伸，迅速形成液体射流，以极高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速运动中，溶剂挥发离去，聚合物凝固快速形成纳米纤维的方法。
[0024]本发明的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，【具体实施方式】如下:该装置包括注射泵、喷丝头，如图1所示的喷丝头，所述的喷丝头由中心向外依次设置为内层气流通道1、夹层溶液通道2、外层气流通道3，相互包夹环绕相互独立的三层通道；所述的内层气流通道I为位于中心的气流通道，一般选用横截面为圆形的通道，所述的夹层溶液通道2横截面为环形的狭缝单喷丝嘴，所述的外层气流通道3横截面为环形的气流通道，所述的夹层溶液通道2包夹环绕所述的内层气流通道1，所述的外层气流通道3包夹环绕所述的夹层溶液通道2 ;每层通道竖直设置、上端设置有入口、下端设置有出口 ；所述的内层气流通道I和外层气流通道3的入口分别通入高压气流，所述的夹层溶液通道2入口由注射泵通入聚合物溶液；所述的夹层溶液通道2出口与所述的内层气流通道I出口相齐平，所述的外层气流通道3出口高于内层气流通道I出口。
[0025]所述的内层气流通道I和外层气流通道3，该两通道入口的气体压力在
0.6-1.2MPa范围内调节，且外层气流压力低于内层气流压力。
[0026]所述夹层溶液通道2溶液出口的缝隙宽度b在0.1-0.3mm之间控制调节。
[0027]所述的内层气流通道I气流出口孔径c在0.5-1.5mm范围内调节。
[0028]所述的外层气流通道3气流出口缝隙宽度a在0.8-2.5mm范围内调节。纺丝工艺中，高粘滞性的纺丝液需要更高流速的气体辅助纺丝，调节气体出口 3的缝隙宽度，可在相同流量下提高气体的流动速度，满足高粘溶液的纺丝，同时又不会过多消耗气体，达到节能的目的；(同样的道理适合于解释内层气流出口在0.5-1.5mm间调节)。
[0029]所述的外层气流通道3出口高于内层气流通道I出口，所述的气流出口处的高度差d在0.5-3.0mm范围内调节。内外气流出口的高度差将影响气流走向和所形成纳米纤维在收集器上的分布均匀性及纳米纤维非织造布的孔隙率。粘滞性较大的纺丝液，必须用外高内低的较大高度差，使气流较大限度地向外发散流动，便于纳米纤维向外伸展发散集落在收集器上，避免不均匀地在收集器上堆集。致使所形成的纳米纤维非织造布存在严重的厚薄不均问题。本发明装置中，这种内外气流出口的高度差可根据需要在0.5-3.0mm之间进行调节，确保气流走向是向外发散，使所形成的聚合物纳米纤维丝充分地以伸展分散的形式集落在收集器上，而不是以紧密扎堆的形式集结在收集器上。
[0030]所述的每层通道竖直设置，上端设置有入口、下端设置有出口。所述的每层通道形状选用利于气体、液体流通的形状，优选为圆柱形。
[0031]所述的喷丝头材质采用导电金属材料制备；所述的喷丝头连接高压电源。
[0032]针对不同的聚合物种类及纺丝液的粘度特性，通过调节喷丝头内层气流通道I和外层气流通道3气流入口处的气压大小、内层气流通道I和外层气流通道3气流出口处的孔径c和缝隙宽度a大小、高度差d的大小、聚合物溶液出口处缝隙宽度b的大小以及配合高压静电电压的调节，即可达到大幅度增加聚合物纳米纤维的形成速度，且所获得的聚合物纳米纤维粗细均匀，残留溶剂含量低，便于所产纳米纤维的后处理。
[0033]以下为本发明制备纳米纤维的实施例。
[0034]实例1:聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的制备
[0035]PAN粉末溶于N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)溶液中，并添加微量导电剂N，N，N-三甲基-4-十二烷基苯基氯化铵，配制成PAN质量百分浓度为12%、绝对黏度为4.2Pa.S、电导率为50 μ S/cm的纺丝溶液备用。调节喷丝头气压参数，使内层气流通道I的气流气压为
0.7MPa、外层气流通道3的气流气压为0.6MPa、外层气流通道3气流出口缝隙的宽度“a”为
1.5_、内层气流通道I气流出口孔径“c”为0.5_、内外层气流通道气流出口的高度差“d”为3.0mm、纺丝液出口缝隙的宽度“b”为0.2mm ;喷丝口到收集器的间距为1.5m,电场强度为30kv/m。将上述PAN纺丝液以2.0ml/min的速度通过注射泵由溶液入口 “2”注入，在收集器上得到直径为500-1000nm的PAN纳米纤维。这种气射电纺的PAN纳米纤维的扫描电镜(SEM)照片如图2所示。
[0036]实例2:聚酰胺酸(PAA)超细纳米纤维的制备
[0037]取质量浓度为20%、特性粘度为1.2dL/g的聚酰胺酸(PAA)的DMAc溶液50g，用12.5g四氢呋喃(THF)稀释，并添加微量导电剂N，N, N-三甲基-4-十二烷基苯基氯化铵，使PAA的质量浓度为16%，绝对黏度为4.0Pa.S、电导率为65 μ S/cm的纺丝溶液备用。调节喷丝头气压参数，使内层气流通道I的气流气压为1.0MPa、外层气流通道3的气流气压为0.8MPa、外层气流通道3气流出口缝隙的宽度“a”为0.8mm、内层气流通道I气流出口孔径“c”为1.0mm、内外层气流通道气流出口的高度差“d”为1.0mm、纺丝液出口缝隙的宽度“b”为0.1mm ;喷丝口到收集器的间距为1.5m,电场强度为30kv/m。将上述PAA纺丝液以1.5ml/min的速度通过注射泵由溶液入口“2”注入，在收集器上得到直径为300-500nm的PAA纳米纤维。这种气射电纺的PAA纳米纤维的扫描电镜(SEM)照片如图3所示。
【权利要求】
1.一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法，其特征在于，将高压静电作用在喷丝口中的聚合物溶液上，环形狭缝单喷丝嘴中的聚合物溶液在内外环形双层高压气流的包夹环绕下，且外层气流压力低于内层气流压力，聚合物溶液被虹吸输送及高速牵伸和高压静电的电牵伸，迅速形成液体射流，以极高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速运动中，溶剂挥发离去，聚合物凝固快速形成纳米纤维的方法。
2.一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，包括注射泵、喷丝头，其特征在于，所述的喷丝头由中心向外依次设置为内层气流通道(I)、夹层溶液通道(2)、外层气流通道(3)相互包夹环绕相互独立的三层通道；所述的内层气流通道(I)为位于中心的气流通道，所述的夹层溶液通道(2)为环形狭缝单喷丝嘴，所述的外层气流通道(3)为环形的气流通道，所述的夹层溶液通道(2)包夹环绕所述的内层气流通道(I)，所述的外层气流通道(3)包夹环绕所述的夹层溶液通道(2);所述的内层气流通道(I)和外层气流通道(3)的入口分别通入高压气流，所述的夹层溶液通道(2)入口通入聚合物溶液；所述的夹层溶液通道(2)出口与所述的内层气流通道(I)出口相齐平，所述的外层气流通道(3)出口高于内层气流通道(I)出口。
3.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的内层气流通道(I)和外层气流通道(3)，该两通道入口的气体压力在0.6-1.2MPa范围内，且外层气流压力低于内层气流压力。
4.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的夹层溶液通道⑵溶液出口的缝隙宽度(b)在0.1-0.3_之间。
5.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的内层气流通道(I)气流出口孔径(c)在0.5-1.5mm范围内。
6.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的外层气流通道(3)气流出口缝隙宽度(a)在0.8-2.5mm范围内。
7.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的外层气流通道(3)出口高于内层气流通道(I)出口，所述的气流出口处的高度差(d)在0.5_3.0mm范围内。
8.如权利要求7所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的气流出口处的高度差(d)是1.0mm或3.0mm。
9.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的每层通道为圆柱形，竖直设置，上端设置有入口、下端设置有出口。
10.如权利要求2所述的一种高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的装置，其特征在于，所述的喷丝头材质采用导电金属材料制备；所述的喷丝头连接高压电源。
【文档编号】D01D5/14GK104313708SQ201410667969
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】侯豪情, 程楚云 申请人:江西先材纳米纤维科技有限公司