CN110983457A - 一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置及方法，装置主要包括挤出机、L形纺丝机头、传动装置、纺丝装置、收集装置、电力装置和刮液装置，其中的动力辊筒带动锯齿形钢带回转，导引辊筒导引锯齿形钢带回转，完成纺丝的基本回转动作。本发明采用L形纺丝机头，其口型狭缝中有锯齿形钢带穿过，下方设置无纺布收集板，在电机的带动旋转下，由于锯齿形钢带的回转运动，会使齿形底端电场呈现周期性的变化，从而使得泰勒锥的产生点随着场强最强点的周期变化而随之周期变化，从而使得聚合物射流随电场变化周期更均匀的到达无纺布收集板并固化沉积在表面，在不影响收集效率的情况下，实现所收集纳米纤维的纤维结构更加的均匀，改善材料性能。

Description

一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置及方法

技术领域

本发明专利涉及一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置及方法，属静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝法，由于其原料适用性广、成本低、设备简单等优点，被学术界和工业界广泛认为是一种产业化制备微纳米纤维的简单高效的方法，也是最有前景的工艺方法。其基本原理是，聚合物溶液或熔体在高压静电场力的作用下，在毛细管末端形成泰勒锥，进而飞向接收装置，溶液中的溶剂蒸发或熔体固化，最后在接收装置上形成超细纤维。其中溶液静电纺丝法由于有机溶剂的使用，会带来环境污染等问题，因此近年来熔体静电纺丝逐渐受到关注。

传统的静电纺丝的发射收集装置多采用固定式的，通过接通电路负极或接地的方式来实现纳米纤维的固化沉积进而收集所纺纤维丝，而这个过程里聚合物射流在电场中的运动是不稳定的，导致收集到的纳米纤维其纤维排布是杂乱无章的，这不利于纳米纤维制品性能提升。

如何越过传统思路障碍，通过装备和工艺创新达到纺丝质量的进一步提高是一个难点。当前有关提高纳米纤维均匀性的静电纺丝装置国内外有一些报道。中国专利201510278266.7公开了一种喷气辅助多针头静电纺丝装置，该装置通过气流的辅助可以一定程度提高纺丝成网的均匀性，但存在针头易堵塞、高压电场容易相互影响等问题；中国专利201820926935.6公开了一种成网均匀的线性熔体静电纺丝装置，该装置创造性地通过利用高温金属线与往复运动的固态聚合物紧密接触，使聚合物融化并黏附在金属线表面，保证了电场的均匀分布，实现均匀成网，但该机构比较复杂容易故障，且往复运动效率相对较低。现有专利采用的对纤维成网均匀性进行改善的方法，多包含一定的空行程，很容易影响纺丝的效率。

发明内容

本发明专利在原有聚合物熔体静电纺丝技术的基础上，在射流产生的机头狭缝位置设置有可回转转动的锯齿形钢带，以聚合物射流在电场中能够周期运动为目标，提出一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置及方法；由于泰勒锥在自由液面上的产生一般发生在场强最强点，故通过机头狭缝中的锯齿形钢带的周期回转，可使得钢带的齿的最底端周期性循环运动，进而使得若干电场场强最强点随着钢带的齿的最底端的周期循环运动而周期往复循环移动，进而使得泰勒锥的产生点随着场强最强点的周期循环运动而随之周期往复循环运动，进而最终实现所收集纺丝在收集板上的更均匀的排布；而若需改变泰勒锥之间的间距，只需更换不同齿形的钢带钢条即可实现。

实现上述目的的技术方案：一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置，主要包括挤出机、L形纺丝机头、传动装置、纺丝装置、收集装置、电力装置和刮液装置；其中L形纺丝机头包括L形纺丝机头主体、口型调节板、口型调节螺母和加热温控装置，传动装置包括电机、联轴器、锥齿轮传动机构、动力辊筒和导引辊筒，纺丝装置为锯齿形钢带，收集装置包括无纺布收集板和金属电极板，电力装置包括高压静电发生器和地线端，刮液装置包括收集刮板、残液传输管和残液收集箱；机头的内部结构又包括空气内风道、机头内流道和机头口型狭缝；锯齿型静电纺丝装置工作时，挤出机负责提供熔融纺丝原料；L形纺丝机头通过调节口型调节板可以实现狭缝的调节，机头右端钢带出狭缝位置还有刮液装置，将钢带上残余物质刮下并收集；由电机通过联轴器、锥齿轮传动机构将动力传给动力辊筒，动力辊筒带动锯齿形钢带回转，导引辊筒导引锯齿形钢带回转，完成纺丝的基本回转动作；工作时L形纺丝机头主体连接地线端，金属电极板则连接在高压静电发生器正极。

本发明专利提出的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置，其中纺丝物料可以是聚合物熔体、聚合物溶液或者其复合材料；为防止尖端放电对纺丝效果的影响，将金属电极板连接高压静电发生器正极，L形纺丝机头主体连接地线；通过调节L形纺丝机头的口型调节板，可实现狭缝宽度的可调；更换不同齿形的锯齿形钢带钢条，可实现产生的泰勒锥间距改变。

本发明专利提出的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置，其工艺方法主要包括以下步骤：

第一步，将金属电极板与高压静电发生器正极相连，L形纺丝机头主体与地线端相连，调整锯齿形钢带齿底部与无纺布收集板的距离；

第二步，调整好L形纺丝机头口型狭缝大小，将锯齿形钢带从口型狭缝中穿过；

第三步，打开动力辊筒的驱动电机，并设置好转速；

第四步，打开高压静电发生器开关，缓慢增加电压至所需纺丝电压；

第五步，泰勒锥在L形纺丝机头口型狭缝中的锯齿形钢带的齿的底部距离无纺布收集板最低处产生；

第六步，纺丝射流在周期变化的静电场作用下飞向无纺布收集板，射流拉伸固化沉积在无纺布收集板上形成大量纳米纤维。

本发明专利提出的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置及方法中，L形纺丝机头口型狭缝可通过口形板调节宽度，可调范围1～10mm；锯齿型刚带的齿尖倒圆角；可调速气动马达转速为0～100r/min。

本发明专利提出一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置的另一种方案，将锯齿形钢带以及相应的传动装置关于机头口型狭缝中心点轴对称布置，且工作时使其运动方向相反，即两个锯齿形钢带并列、转到方向相反，两个锯齿形钢带在口模内平行，距离符合纺丝要求，不发生电场干涉，以解决某些情况下可能出现的所纺膜边缘偏薄的问题。

采用本发明专利中的另一种方案进行纺丝的工艺步骤为，在原方案工艺基础上，在第三步时需分别打开两套传动装置的驱动电机，设置好转速，并使两套纺丝装置锯齿形钢带在机头口型狭缝中运动方向相反；

本发明的有益效果在于：采用L形纺丝机头，其口型狭缝中有锯齿形钢带穿过，锯齿形钢带由辊筒机构带动旋转，下方设置无纺布收集板，在电机的带动旋转下，由于锯齿形钢带的回转运动，会使齿形底端电场呈现周期性的变化，从而使得泰勒锥的产生点随着场强最强点的周期变化而随之周期变化，从而使得聚合物射流随电场变化周期更均匀的到达无纺布收集板并固化沉积在表面，在不影响收集效率的情况下，实现所收集纳米纤维的纤维结构更加的均匀，改善材料性能。

附图说明

图1是本发明涉及一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置的总体结构示意图；

图2是图1所示的静电纺丝装置的俯视局部剖视图；

图3是图1所示的静电纺丝装置的L形纺丝机头的侧剖视图；

图4是图1所示的静电纺丝装置另一种方案的俯视局部剖视图，钢带有两条，转到方向相反；

图5是图4所示的静电纺丝装置的L形纺丝机头的侧剖视图。

图中：1-挤出机；2-电机；3-联轴器；4-锥齿轮传动机构；5-动力辊筒；6-锯齿形钢带；7-收集刮板；8-L形纺丝机头主体；9-口型调节板；10-口型调节螺母；11-地线端；12-加热温控装置；13-导引辊筒；14-残液收集箱；15-残液传输管；16-金属电极板；17-无纺布收集板；18-纺丝射流；19-高压静电发生器；20-空气内风道；21-机头内流道；22-机头口型狭缝。

具体实施方式

本发明专利提出一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置。如图1和图2所示，该电纺装置主要部分包括挤出机1、L形纺丝机头、传动装置、纺丝装置、收集装置、电力装置、刮液装置；其中L形纺丝机头包括L形纺丝机头主体8、口型调节板9、口型调节螺母10、加热温控装置12，传动装置包括电机2、联轴器3、锥齿轮传动机构4、动力辊筒5、导引辊筒13，纺丝装置即为锯齿形钢带6，收集装置包括无纺布收集板17、金属电极板16，电力装置包括高压静电发生器19、地线端11，刮液装置包括收集刮板7、残液传输管15、残液收集箱14；如图3所示为机头的侧剖视图，机头的内部结构又包括空气内风道20、机头内流道21、机头口型狭缝22；锯齿型静电纺丝装置工作时，挤出机负责提供熔融纺丝原料；L形纺丝机头通过调节口型调节板9可以实现狭缝的调节，机头右端钢带出狭缝位置还有刮液装置7，将钢带上残余物质刮下并收集；如图2所示，由电机2通过联轴器3、锥齿轮传动机构4将动力传给动力辊筒5，动力辊筒5带动锯齿形钢带6回转，导引辊筒13导引锯齿形钢带6回转，完成纺丝的基本回转动作；工作时L形纺丝机头主体8连接地线端11，金属电极板16则连接在高压静电发生器19正极。

采用本发明专利进行纺丝的工艺步骤为：

第一步，将金属电极板16与高压静电发生器19正极相连，L形纺丝机头主体8与地线端11相连，调整锯齿形钢带6齿底部与无纺布收集板17的距离；

第二步，调整好L形纺丝机头口型狭缝22大小，将锯齿形钢带6从口型狭缝22中穿过；

第三步，打开动力辊筒5的驱动电机2，并设置好转速；

第四步，打开高压静电发生器19开关，缓慢增加电压至所需纺丝电压；

第五步，泰勒锥在L形纺丝机头口型狭缝22中的锯齿形钢带6的齿的底部距离无纺布收集板17最低处产生；

第六步，纺丝射流18在周期变化的静电场作用下飞向无纺布收集板17，射流拉伸固化沉积在无纺布收集板上形成大量纳米纤维。

本发明专利提出一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置另一种方案。在原方案的基础上将锯齿形钢带6以及相应的传动装置关于机头口型狭缝22中心点轴对称布置，如图4所示，且工作时使其运动方向相反，以解决某些情况下可能出现的所纺膜边缘偏薄的问题。

采用本发明专利中的另一种方案进行纺丝的工艺步骤为，在原方案工艺基础上，在第三步时需分别打开两套传动装置的驱动电机2，设置好转速，并使两套纺丝装置锯齿形钢带6在机头口型狭缝22中运动方向相反，如图5所示。

一个静电纺丝具体实施例如下：使用挤出机和加热温控装置将聚丙烯(PP)保持在熔体状态来制备纳米纤维。将金属电极板16与高压静电发生器19正极相连，L形纺丝机头主体8与地线端11相连，调整锯齿形钢带6齿的底部与无纺布收集板17的距离为20cm；而后打开驱动电机2，并设置好转速为80r/min；而后打开高压静电发生器19开关，缓慢增加电压至纺丝所需电压；大量射流在L形纺丝机头的口形处距离无纺布收集板17最低处产生；纺丝射流在周期变化的静电场作用下飞向无纺布收集板17，射流拉伸固化沉积在无纺布收集板17上形成大量纳米纤维。

Claims (6)

1.一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置，其特征在于：主要包括挤出机、L形纺丝机头、传动装置、纺丝装置、收集装置、电力装置和刮液装置；其中L形纺丝机头包括L形纺丝机头主体、口型调节板、口型调节螺母和加热温控装置，传动装置包括电机、联轴器、锥齿轮传动机构、动力辊筒和导引辊筒，纺丝装置为锯齿形钢带，收集装置包括无纺布收集板和金属电极板，电力装置包括高压静电发生器和地线端，刮液装置包括收集刮板、残液传输管和残液收集箱；机头的内部结构又包括空气内风道、机头内流道和机头口型狭缝；挤出机负责提供熔融纺丝原料；L形纺丝机头通过调节口型调节板可以实现狭缝的调节，机头右端钢带出狭缝位置还有刮液装置，将钢带上残余物质刮下并收集；由电机通过联轴器、锥齿轮传动机构将动力传给动力辊筒，动力辊筒带动锯齿形钢带回转，导引辊筒导引锯齿形钢带回转，完成纺丝的基本回转动作；工作时L形纺丝机头主体连接地线端，金属电极板则连接在高压静电发生器正极。

2.根据权利要求1所述的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置，其特征在于：纺丝物料是聚合物熔体、聚合物溶液或者其复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝装置，其特征在于：增设一套锯齿形钢带及其传动装置，增设的锯齿形钢带以及相应的传动装置关于机头口型狭缝中心点轴对称布置，两个锯齿形钢带并列、转到方向相反，两个锯齿形钢带在口模内平行。

4.一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝工艺，其特征在于，主要包括以下步骤：

第一步，将金属电极板与高压静电发生器正极相连，L形纺丝机头主体与地线端相连，调整锯齿形钢带齿底部与无纺布收集板的距离；

第二步，调整好L形纺丝机头口型狭缝大小，将锯齿形钢带从口型狭缝中穿过；

第三步，打开动力辊筒的驱动电机，并设置好转速；

第四步，打开高压静电发生器开关，缓慢增加电压至所需纺丝电压；

第五步，泰勒锥在L形纺丝机头口型狭缝中的锯齿形钢带的齿的底部距离无纺布收集板最低处产生；

第六步，纺丝射流在周期变化的静电场作用下飞向无纺布收集板，射流拉伸固化沉积在无纺布收集板上形成大量纳米纤维。

5.根据权利要求4所述的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝工艺，其特征在于：L形纺丝机头口型狭缝通过口形板调节宽度，调节范围1～10mm；锯齿型刚带的齿尖倒圆角。

6.根据权利要求4所述的一种可周期改变电场的锯齿型静电纺丝工艺，其特征在于：在狭缝内布置两条锯齿型刚带，在第三步中，打开两套动力辊筒的驱动电机，并设置好转速，两条锯齿型刚带转到方法相反。

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