[发明专利]一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺，属于静电纺丝领域。

背景技术

静电纺丝从其出现至今有近100年的历史，在这几十年里，科研人员对静电纺丝的研究从未间断，相关文献数量也是成指数上升。然而从统计数据来看，到2012年溶液静电纺丝的文章共有3041篇，而有关熔体纺丝的文章只有200篇，这也可以说明对于熔体纺丝的研究还是略微缓慢一些，主要原因在于熔体静电纺丝的仪器相比溶液静电纺丝要复杂一些。

溶液和熔体电纺的基本原理都是溶液或熔体通过喷丝孔后在高压静电场的作用下逐渐发生形变，当电场力大于其表面张力时，喷丝孔末端的溶液或熔体就会争脱其表面张力形成高速的喷射流飞向接收板，最终形成超细纤维。目前纺丝过程中的改进都是在纺丝喷嘴或电极结构上进行的，至于纺丝过程中纺丝的形式和路径没有太大的变化，这也是导致熔体电纺这些年来没有实质性突破的原因所在。

离心纺丝和静电纺丝都是制取纳米纤维的有效方法，目前已经有研究者将这两种技术结合在一起，制得的纳米纤维结合了两种方法的优点。但是目前制得的纤维形式多为单一纳米纤维，具有强度差、取向可控性差、无法制得连续的纳米长纤维等不足之处，为此研究者们尝试采用对纳米纤维进行加捻以获得更好性能的纳米纤维，发明了制备取向纳米纤维和连续纳米纤维纱线的方法和装置。中国东南大学专利“纳米纤维长丝束的制备方法”（200510038571.5）发明了一种制备纳米纤维长丝束的方法，但是此方法无法进行加捻。最近东华大学发明了“一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法”（201310058070.8），提出了连续制备取向的纳米长纤维纱的方法，但是由于它只适用于溶液电纺，并且采用常规的喷丝头，生产效率不高，加捻工艺复杂，因此限制了其在工业上的应用。鉴于目前相关的发明来看，如何让纳米纤维在产生的过程中便取向性的缠绕以形成捻线结构是研究的重点。

发明内容

本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，以制备超细纳米捻线为目标，突破传统拉伸成丝结合捻线并捻的工艺限制，采用高速离心旋转的伞形喷头，结合高压静电纺丝技术，一次成型纳米级纤维，然后直接通过旋风气流使纤维自然缠绕形成捻线结构，并利用滚筒进行快速接收。利用本装置制备的超细纳米纤维捻线和普通拉伸制备的数十微米粗的捻线相比，具有弹性好、吸湿性强和强度高等特点，且实现了纳米长纤维的取向可控性，可广泛应用于纳米织物、空气滤膜、水处理膜等方面，为纳米纤维的工业应用创造了条件。

实现上述目的的技术方案是：一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，主要包括进料装置、离心旋转伞形喷头和锥环带孔电极组成的纺丝主体以及产生捻线的装置三大部分，由进料挤出装置、电机、电磁加热圈、轴承、锥环带孔电极、离心旋转伞形喷头、空气压缩机、旋风真空发生器、辊筒接收装置、高压静电发生器、同步齿形带和机架组成。机架由上部、中部和底部三部分组成，进料挤出装置和电机固定在机架的底部，电机通过同步齿形带和轴承座带动离心旋转伞形喷头高速旋转，电磁加热圈位于离心旋转伞形喷头的下端，电磁加热圈与离心旋转伞形喷头为非接触式连接，通过辐射进行加热，进料挤出装置通过离心旋转伞形喷头中心的孔向离心旋转伞形喷头供料，机架的中部呈锥形，锥环带孔电极固定于机架的中部的中间位置，空气压缩机和旋风真空发生器置于机架的上部，在机架的顶端开有倾斜向下的圆形孔，空气压缩机和旋风真空发生器通过机架的顶端的圆形孔向机架内吹气或吸气，机架的外面安装辊筒接收装置，捻线穿过机架的上部的中心孔缠绕在辊筒接收装置上。

本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其采用的离心旋转伞形喷头内表面和锥环带孔电极内表面均为圆弧过渡形式，锥环带孔电极上端圆弧和下端圆弧倾角α为120-160度，伞形喷头倾角β为110-145度，这样使得锥环电极圆弧的最下端和喷头的边缘处形成的电场线最密，利于纤维的细化和定向收集；且采用圆弧形式，对旋风流场的阻力最小，保证纤维被顺利吸走。

本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，锥环带孔电极与静电发生器正极相连，电压范围为5-80kv，伞形喷头和机架接地，产生静电拉伸力，对纤维进行拉伸。

本发明一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置，其捻线发生装置由空气压缩机和旋风真空发生器联合使用，在气流产生的上部分空腔壁厚内采用两个环形流道，环形流道周围开有风孔，一个流道用空气压缩机送风，另一个流道接旋风真空发生器进行抽风，这样便会在腔室内形成旋转气流，引导纤维形成捻线。