[发明专利]高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及装置

说明书

技术领域

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装置。

背景技术

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

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。

本发明采用的技术方案如下：

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。

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(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(1)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(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)；所述的内层气流通道(1)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(1)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(1)出口。

所述的内层气流通道(1)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。

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。

所述的内层气流通道(1)气流出口孔径(c)在0.5-1.5mm范围内。

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。

所述的外层气流通道(3)出口高于内层气流通道(1)出口，所述的气流出口处的高度差(d)在0.5-3.0mm范围内。

所述的气流出口处的高度差(d)是1.0mm或3.0mm。

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。

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。

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。

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。