一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置及方法與流程

2023-07-29 04:32:31

本發明涉及一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置及方法，屬於靜電紡絲領域。

背景技術：

當今已經進入納米科技時代，靜電紡絲法已被公認為是製備納米纖維最簡單最有效的方法，目前阻礙熔體靜電紡絲工業化的關鍵問題是纖維的產量、纖維直徑的進一步減小和纖維直徑的均勻性。

納米纖維捻線是目前除了納米纖維氈之外，納米纖維集合體的另一種主要表現形式，在很多重要領域都有潛在的應用價值。Varabhas等設計了一個多孔管靜電紡裝置，該方法採用兩端密封的多孔中空硬管，電極置入管中，管內置電極接觸面積較小，不易形成均勻電場，甚至會干擾流體流動特性，另外也存在小孔易堵塞的問題。中國專利(專利號：201210554168.8)一種玻璃纖維捻線工藝，雖然能夠達到加捻的效果，但其加捻穩定性低，取向性和均勻性差，無法控制捻度。

針對上述問題，本發明提出一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置及方法。該裝置製備的納米捻線規整，捻度可控，纖維根數可控，纖維直徑均勻，提高了納米捻線的適用性和力學性能，增加了其二次加工性，擴大了納米纖維的應用領域。

技術實現要素：

本發明提出一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置及方法，中心軸與分流板之間形成從上到下依次變窄的流道，保證進料的均勻性。針頭上部與流道之間布置銅環作為密封裝置。多個單針噴頭環形均布提高紡絲效率和產量，避免了加捻過程中機械粘連的問題。單針噴頭通過螺紋連接在容器底板上，便於更換和清洗，並且採用針頭塞替換單針噴頭可控制纖維根數。單針噴頭作旋轉運動，射流在空氣中急速振蕩和鞭動，纖維進一步拉伸細化。中空的環形電極板與單針噴頭之間形成均勻電場，確保纖維直徑均勻一致性。調節電機的轉速可以控制捻度，製備高度有序的納米捻線，提高了納米纖維的力學性能。整個過程製備的納米捻線規整，捻度可控，纖維根數可控，纖維直徑均勻，提高了納米捻線的適用性，滿足不同領域的需求。

實現上述目的的技術方案是：一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，主要包括：加熱棒、中心軸、流道、拐角機頭、擠出機、分流板、滾珠、蝸杆、薄壁容器、銅環、錐形導流器、單針噴頭、蝸輪、帶孔亞克力板、電極板、高壓靜電發生器、接收輥等。擠出機和拐角機頭相連，拐角機頭下端伸入流道內。錐形導流器與中心軸採用螺紋連接，且與薄壁容器同軸布置。薄壁容器側壁下端部位加厚製成蝸輪，與蝸杆電機組成傳動裝置，底部通過螺紋連接環形布置的單針噴頭。在分流板和薄壁容器的配合部分採用滾珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，較小旋轉時的摩擦力。環形電極板與高壓靜電發生器相連，置於帶孔的亞克力板上，與接受輥形成高壓靜電場。熔體由多個單針噴頭同時流出，在電場力作用下，纖維落到電極板上，同時，蝸輪蝸杆帶動針頭旋轉，使得纖維達到牽伸和集束的效果。將纖維纏繞到絕緣棒上，穿過電極板的中孔，纏繞到接收輥上。接受輥置於電極板正下方，通過帶傳動，由電機帶動繞中心軸作旋轉運動，收集到有取向的捻線。

本發明涉及一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，擠出機對物料加熱擠出，熔體進入分流板和中心軸之間的流道，流道從上到下逐漸變窄，熔體經錐形導流器，均勻流入各個單針噴頭內，保證了進料的均勻性。

本發明涉及一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，滾珠置於分流板和薄壁容器的配合部分，變滑動摩擦為滾動摩擦，減小了薄壁容器作旋轉運動時的摩擦力。

本發明涉及一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，蝸輪蝸杆傳動裝置帶動噴頭作旋轉運動，射流在空氣中急速振蕩和鞭動，使得纖維進一步拉伸細化。

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，蝸杆帶動蝸輪旋轉，同時靠螺紋連接在薄壁容器底面的單針噴頭隨之作旋轉運動，針頭可以根據需要進行拆卸安裝，便於清洗。通過針頭塞替換單針噴頭可減少纖維數量，達到控制纖維根數的目的。

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，環形均布的單針噴頭作旋轉運動，實現對纖維束的聚攏作用，通過調節電機的轉速可以控制納米纖維的捻度。

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，接收輥的高速旋轉有利於聚攏纖維在下落過程中取向，最終收集在接收輥上的纖維為取向納米捻線。

本發明涉及一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備方法為：熔融物料進入分流板和中心軸之間的流道，流道從上到下逐漸變窄，熔體經錐形導流器，均勻流入各個單針噴頭內。加熱棒插入分流板進行加熱。單針噴頭與電極板之間形成高壓靜電場，蝸輪蝸杆傳動裝置帶動環向均布的單針噴頭旋轉，在電場力作用下，纖維被拉伸細化。將纖維束纏繞到一根絕緣棒上，穿過電極板的中孔，繞到接收輥上。接收輥由電動機帶動作旋轉運動，對纖維進行接收，其轉速與纖維下落速度相當有利於纖維的規整收集，同時纖維進一步拉伸細化。通過調節電機的轉速來控制環形均布的單針噴頭的旋轉速度，隨著單針噴頭的旋轉，在噴頭與接收輥之間的纖維會進行加捻，加捻角度可以通過控制電機的轉速來控制納米纖維的捻度。

由上面的技術方案的介紹，本發明與現有技術相比，其優勢有：

1.傳動裝置帶動環形均布的單針噴頭作旋轉運動，實現對納米纖維束的加捻，通過控制電機的轉速可以控制纖維的捻度，提高了納米纖維的力學性能。

2.接收輥位於電極板正下方，其高速旋轉有利於聚攏纖維在下落過程中取向，其轉速與纖維下落速度相當有利於纖維的規整收集，有利於纖維直徑的細化和聚攏長纖的形成。

3.通過調節電動機的轉速，進而控制環形均布的單針噴頭的旋轉速度，進而來控制纖維的加捻角度，獲得不同捻度的納米捻線。

4.通過使用針頭塞替換單針噴頭可以獲得不同纖維根數的納米捻線，提高了納米捻線的適用性。

5.環形布置的單針噴頭和薄壁容器底面採用螺紋連接，便於針頭的拆卸更換和清洗。

附圖說明

圖1本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置示意圖。

圖2為圖1所示結構的多針排布方案的仰視剖面示意圖。

圖3為圖1所示結構的中心軸和錐形導流器局部剖面示意圖。

圖4為圖1所示結構的針頭剖面示意圖。

圖5為圖1所示結構的針頭塞剖面示意圖。

圖中：1-加熱棒；2-中心軸；3-流道；4-拐角機頭；5-擠出機；6-分流板；7-滾珠；8-蝸杆；9-薄壁容器；10-銅環；11-錐形導流器；12-單針噴頭；13-蝸輪；14-帶孔亞克力板；15-電極板；16-高壓靜電發生器；17-接收輥。

具體實施方法

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置，如圖1所示，其主要包括：加熱棒1，中心軸2，流道3，拐角機頭4，擠出機5，分流板6，滾珠7，蝸杆8，薄壁容器9，銅環10，錐形導流器11，單針噴頭12，蝸輪13，帶孔亞克力板14，電極板15，高壓靜電發生器16，接收輥17。擠出機5末端出口與拐角機頭4的進口相連接。分流板6和中心軸2組成流道3，流道3從上到下逐漸變窄，與拐角機頭4出口相接。針頭12上部與流道3之間布置銅環10作為密封裝置。熔體經流道3和錐形導流器11，均勻流入各個單針噴頭12內，保證了進料的均勻性。中心軸2與分流板6採用軸肩定位，下端與錐形導流器11採用螺紋連接。加熱棒1插入分流板6進行加熱。薄壁容器9側面下端部蝸輪13與蝸杆8組成傳動裝置(此處傳動裝置還可選用帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等實現多針旋轉加捻，在此以蝸輪蝸杆傳動為例)，底部均布單針噴頭12。滾珠7置於分流板6和薄壁容器9的配合部分，變滑動摩擦為滾動摩擦，減小了薄壁容器9作旋轉運動時的摩擦力。電極板15與高壓靜電發生器16相連接，固定在帶孔亞克力板14上，與單針噴頭12之間形成高壓靜電場，且電極板15的中孔與單針噴頭12和錐形導流器11的中心共軸。接收輥17置於電極板15正下方，通過帶傳動和電動機相連接，用於收集捻線。

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置。蝸杆8、蝸輪13、薄壁容器9和單針噴頭12構成多針旋轉加捻裝置的主要部件。薄壁容器9側壁下端部分加厚製成蝸輪13與蝸杆8組成傳動裝置，底部環形均勻布置多個單針噴頭12，如圖2所示。單針噴頭12與薄壁容器9採用螺紋連接，如圖4所示，便於更換和清洗單針噴頭，並且可以通過採用針頭塞，如圖5所示，替換單針噴頭達到控制纖維根數的目的。

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備裝置。中心軸2與分流板6採用軸肩定位，下端與錐形導流器11採用螺紋連接。流道3從上到下逐漸變窄，如圖3所示。熔體經錐形導流器11，均勻流入各個單針噴頭內，保證了進料的均勻性。

本發明一種多針旋轉加捻的熔體電紡納米捻線製備方法，料筒的溫度為180℃，機頭中熔體流道拐角的溫度為220℃，進入錐形導流器後流入單針噴頭溫度為240℃。單針噴頭與電極板的距離為10cm，在料筒中加入聚丙烯(PP6820)固體顆粒後，調節高壓靜電發生器14電壓示數到50kV，單針噴頭與電極板之間形成高壓靜電場，單針噴頭處形成射流並拉伸形成超細纖維。同時，蝸輪蝸杆帶動多個單針噴頭旋轉，使得纖維達到牽伸和集束的效果。將纖維纏繞到絕緣棒上，穿過電極板的中孔，纏繞到接收輥上。接收輥通過帶傳動和電動機相連接作旋轉運動，收集有取向的納米捻線。通過控制電機的轉速來調節單針噴頭的旋轉速度可實現對纖維捻度的控制作用，同時接收輥的自轉能夠對下落的纖維取向，使纖維在加捻的時候更加均勻。當接收輥收集速度為2500r/min，收集的纖維平行取向度為0.95，纖維取向度很好，纖維直徑為400nm，調節電機轉速以改變單針噴頭的旋轉速度，從而可以獲得不同捻度的納米捻線。當圓盤的旋轉速度為1000r/min時，收集的纖維加捻角度為35°-40°，極大地提高了纖維的力學性能。