[发明专利]一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺，属于静电纺丝领域。

背景技术

熔喷纺丝工艺是采用高速热空气流对纺丝箱体喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸，由此形成超细纤维并收集在凝网帘或滚筒上的过程；熔体微分静电纺丝工艺就是在微分喷头和接收装置间施加高压静电场，使被极化的聚合物熔体在电场力的作用下克服表面张力，在微分喷头端面形成射流，在接收板上获得超细纤维的过程。所述的微分喷头是指该喷头将熔体均匀细分，熔体先经流道分配后，再由喷头处均匀分成多股，每根丝的直径达到微米或纳米。电喷纺丝（electro-blowing spinning）方法就是同时结合了熔喷纺丝和静电纺丝两种工艺，对带电或被极化的聚合物熔体施加高速气流拉伸力和高压静电拉伸力，克服熔体表面张力，形成高速射流，经过高倍细化，冷却固化后在铺网带或接收电极形成超细纤维随机沉积膜或者毡的过程。

一般通过熔喷纺丝工艺可制备平均直径2-5μm的纤维，纤维一般是长度100mm内的短纤维，表面粗糙，但该工艺具有可观的纺丝效率，一个喷丝头的产量可达3-10g/min；而熔体微分静电纺丝工艺可制备平均直径200nm-10μm的纤维，纤维为直径可控的连续长纤维，表面光滑，尽管该工艺纺丝效率是普通毛细管纺丝效率的5-20倍，但仍低于熔喷工艺一个数量级。因此通过装置创新设计和工艺优化将熔喷工艺和静电纺丝工艺相结合，实现电喷纺丝有利于超高纺丝效率的亚微米纤维制备技术的开发，从而突破常规方法纤维较粗或效率过低的问题。

针对这一问题，康奈尔大学Eduard Zhmayev等人研究了气流辅助下的单根纤维细化过程，发现高速气流的增加使得纤维细化了20倍，并据此申请并获得美国专利授权（专利公开号：US2013/0040140A1）。由于没有批量化设计方案，该发明缺乏实用性，而纽约大学的Benjamin Chu等人申请了关于熔喷和静电相结合的纺丝装置及工艺专利（专利公开号：US7887311B2），但是该专利只是围绕多个毛细管组装的喷头装置和喷头熔体清理装置的技术方案，缺少熔体静电纺丝的具体实施例。

针对熔喷纺丝法获得亚微米级纤维，国外一些公司已经有所突破，Hills公司对纳米熔喷纤维作过很深的研究，已可达到产业化的阶段。其它一些企业例如Nonwoven Technologies(NTI)公司也开发了可生产的纳米熔喷纤维的工艺、技术，并已取得了专利。但是这些公司的熔喷技术都是基于其极苛刻的制备工艺和模具材料，并且一定程度上牺牲了纺丝效率，通过组装更多的纺丝箱体来实现一定的纺丝效率，大大增加了设备成本和维护成本。

因此本发明将通过装置设计和工艺设定，实现普通熔喷工艺和熔体微分静电纺丝工艺的巧妙结合，形成一种熔体微分电喷纺丝方法，将成为低成本高效率纳米纤维制备的产业化装置和工艺新选择。

发明内容

本发明提出一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置及工艺。聚合物熔体通过衣架型分流板分流后获得薄层均流熔体，熔体进入夹持有波形导流板的夹板狭缝后，在下端受到高压静电作用，自由自组织形成多个泰勒锥，泰勒锥在高速气流及高压静电下继续拉伸和分裂，在接收铺网端形成超细纤维无纺布。

为实现上述目的采取的技术方案是：一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，主要包括挤出机、滤网、熔体计量泵、纺丝箱体、气流加热装置、空压机、上电极板、下电极板、高压静电发生器、导向风刀、热轧装置、接收装置、铺网带和抽风系统，挤出机出口接滤网，滤网和纺丝箱体入口之间通过法兰连接熔体计量泵，空压机出口连接气流加热装置，然后通过分流装置分为两股气流接通到纺丝箱体，纺丝箱体下方安置上电极板，距离上电极板一定距离处安置下电极板，铺网带穿过上电极板和下电极板之间并贴着下电极板，在纺丝箱体和上电极板之间安装导向风刀，抽风装置紧贴在下电极板正下方。

本发明一种批量制备纳米纤维的熔体微分电喷纺丝装置，其中纺丝箱体主要由衣架型分流板、过渡板、波形导流板和导流板夹板组成，衣架型分流板、过渡板和导流板夹板均通过螺钉连接，组合后即形成异型截面气流道。