專利名稱：一種氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
靜電紡絲是利用機(jī)械力推動(dòng)聚合物溶液從噴絲頭流出，在靜電力下，細(xì)流被拉伸，溶劑揮發(fā)，進(jìn)而固化使纖維成型的。用這種方法制得的纖維具有直徑小的優(yōu)點(diǎn)，通常在幾納米到幾十微米之間。
傳統(tǒng)靜電紡絲法是在常溫下，敞開式進(jìn)行的，紡絲原液溫度不經(jīng)過調(diào)節(jié)，濃度一般不高，需要的溶劑量比干紡以及濕紡大，通常是纖維原料的5～10倍，紡絲過程中，溶劑直接揮發(fā)到環(huán)境中，導(dǎo)致溶劑損失并污染環(huán)境。它對(duì)紡絲原液和溶劑的具體要求是(1)室溫下，紡絲原液能達(dá)到一定的成纖濃度，并且粘度較低，部分紡絲原液由于聚合物本身的特性，必須在較高的濃度下才能成纖，這時(shí)的溶液粘度往往較高，不利于細(xì)流均勻穩(wěn)定的流出。(2)溶劑沸點(diǎn)適當(dāng)，在室溫下易于揮發(fā)，由于不進(jìn)行回收，因此溶劑的價(jià)格要適當(dāng)，對(duì)毒性要求比較高，不能對(duì)操作人員有危害。這些要求大大限制了靜電紡絲方法的應(yīng)用，同時(shí)不可避免的會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。因此，改變推進(jìn)聚合物溶液的方式，調(diào)節(jié)溶液溫度，提高產(chǎn)率，同時(shí)使溶劑能回收并重復(fù)使用，這些從經(jīng)濟(jì)與生態(tài)角度上說，均具有重要的意義，也是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所十分關(guān)注的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，滿足紡織領(lǐng)域發(fā)展的需要。
本發(fā)明的靜電紡絲裝置包括氣體循環(huán)推進(jìn)裝置；與氣體循環(huán)推進(jìn)裝置通過管線相連接的氣體干燥加熱裝置；
與氣體干燥加熱裝置通過管線相連接的密閉紡絲室，所說的密閉紡絲室為一個(gè)密閉的容器，包括物料室、進(jìn)氣口、紡絲腔、噴絲頭、電極、物料接收裝置和直流電源，所說的物料室設(shè)置在密閉紡絲室的上部，進(jìn)氣口設(shè)置在物料室頂端，并與氣體干燥加熱裝置通過管線相連接，所說的紡絲腔設(shè)置在物料室下方，物料接收裝置設(shè)置在紡絲腔的下方，所說的噴絲頭設(shè)置在物料室下方，一端與物料室相連通，另一端與紡絲腔相連通，所說的電極設(shè)置在噴絲頭上，電極通過導(dǎo)線與直流電源相連接，所說的出氣口設(shè)置在密閉紡絲室下部；與密閉紡絲室的出氣口通過管線相連接的對(duì)含溶劑的氣流進(jìn)行冷卻的冷卻裝置；與冷卻裝置的一端通過管線相連接的溶劑回收裝置；冷卻裝置的另一端通過管線與氣體循環(huán)推進(jìn)裝置相連接。
本發(fā)明的裝置可以用于聚合物的紡絲，紡絲過程包括如下步驟將聚合物與溶劑組成的紡絲原液裝入物料室，氣體先經(jīng)過氣體循環(huán)推進(jìn)裝置加壓至0.1～2Mpa，獲得推進(jìn)力，氣流流速為0.0001～100m/s，再經(jīng)過干燥加熱裝置，將氣體加熱到0～150℃，然后通過進(jìn)氣口進(jìn)入物料室，將紡絲原液以10～1000m/s的流速從噴絲頭流出，在靜電力的作用下，形成溶液細(xì)流，在紡絲腔中，溶劑不斷揮發(fā)，最終細(xì)流成型，被收集在物料接收裝置上。揮發(fā)出的溶劑在氣流的帶動(dòng)下，從出氣口排出，經(jīng)過冷卻裝置后再次成為液體狀態(tài)，可以回收并再次利用。經(jīng)冷卻后的氣流經(jīng)氣體循環(huán)推進(jìn)裝置再次獲得推進(jìn)力，在經(jīng)干燥加熱后使用。
所說的聚合物包括聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對(duì)苯酰胺、聚羥基丁酸酯—聚羥基戊酸酯共聚物或聚醋酸纖維素中的一種；所說的溶劑選自含有添加劑的N，N-二甲基甲酰胺、含有添加劑的N，N-二甲基乙酰胺、氯仿或丙酮，所說的添加劑選自CaCl2或LiCl，其在溶劑中的重量濃度為0.1～5％。
紡絲電壓為5～40KV，溶劑中，聚合物的重量濃度為0.1～20％。
本發(fā)明的效果是十分顯著的氣體層推進(jìn)物料室中的溶液從多個(gè)噴絲頭中流出，大大提高了紡絲產(chǎn)率，加熱干燥后的氣流提高了原液的溫度，使原液粘度下降，細(xì)流更易流出且均勻平穩(wěn)。
氣體層在氣室中起到環(huán)境控制的作用，通過對(duì)氣流的溫度，濕度的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電紡絲成形過程的環(huán)境控制。
氣體帶動(dòng)紡絲過程中揮發(fā)的溶劑從出氣口流出，經(jīng)冷卻后，溶劑變?yōu)橐簯B(tài)，可以方便有效的回收?？稍俅稳芙飧呔畚?，在以后的紡絲過程中使用。大大減小了對(duì)環(huán)境的危害。
冷卻后的氣體再經(jīng)加熱干燥后，再次使用，方便經(jīng)濟(jì)，損耗量小。


圖1為本發(fā)明的氣層推進(jìn)靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
由圖1可見，本發(fā)明的氣層推進(jìn)靜電紡絲裝置包括氣體循環(huán)推進(jìn)裝置1；與氣體循環(huán)推進(jìn)裝置1通過管線相連接的氣體干燥加熱裝置2；與氣體干燥加熱裝置2通過管線相連接的密閉紡絲室3，所說的密閉紡絲室3為一個(gè)密閉的容器，包括物料室5、進(jìn)氣口4、出氣口9、紡絲腔12、噴絲頭6、電極7和物料接收裝置8，所說的物料室5設(shè)置在密閉紡絲室3的上部，進(jìn)氣口4設(shè)置在物料室5頂端，并與氣體干燥加熱裝置2通過管線相連接，所說的紡絲腔12設(shè)置在物料室5下方，物料接收裝置8設(shè)置在紡絲腔12的下方，所說的噴絲頭6設(shè)置在物料室5下方，一端與物料室5相連通，另一端與紡絲腔12相連通，噴絲頭6孔徑優(yōu)選為1μm～2mm，優(yōu)選的噴絲頭個(gè)數(shù)為1～20個(gè)，所說的電極7設(shè)置在噴絲頭6上，所說的出氣口9設(shè)置在密閉紡絲室3下部，紡絲腔12優(yōu)選的高度L為0.5～2m；與電極7通過導(dǎo)線相連接的直流電源13；與密閉紡絲室3的出氣口9通過管線相連接的對(duì)含溶劑的氣流進(jìn)行冷卻的冷卻裝置10；與冷卻裝置10的一端通過管線相連接的溶劑回收裝置11；冷卻裝置10的另一端通過管線與氣體循環(huán)推進(jìn)裝置1相連接。
所說的氣體循環(huán)推進(jìn)裝置1為一般的氣體輸送裝置，如化工領(lǐng)域常用的氣體壓縮機(jī)等，其作用是輸送氣體，并無特別的要求。
所說的噴絲頭6為靜電紡絲常用的噴絲頭，如Electrospinning ofNanofibersReinventing the Wheel？，Dan Li，Younan Xia，2004，16，No.14，1151-1170，Advanced Materials文獻(xiàn)報(bào)道的技術(shù)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
所說的氣體干燥加熱裝置2也是一種常規(guī)的熱交換設(shè)備，如列管或板式換熱器，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
實(shí)施例1采用如圖1所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中所說的氣體循環(huán)推進(jìn)裝置1為氣體壓縮機(jī)，噴絲頭6為如Electrospinning of NanofibersReinventing the Wheel？，Dan Li，Younan Xia，2004，16，No.14，1151-1170，Advanced Materials文獻(xiàn)報(bào)道的技術(shù)，氣體干燥加熱裝置2是列管換熱器。
紡絲條件為噴絲孔孔徑為1μm；密閉室高度為1m；噴絲頭個(gè)數(shù)為10個(gè)；將紡絲原液以2ml/h的流速(單孔)從噴絲頭噴出，氣流溫度為60℃；施加的電壓為15KV；氣體為空氣，壓力為0.35Mpa；氣流流速為0.5m/s；紡絲過程為將重量濃度為15wt％的聚間苯二甲酰間苯二胺和2wt％CaCl2的N，N-二甲基甲酰胺溶液注入物料室，用加熱干燥過的氣流推動(dòng)，溶液被從各噴絲頭中均勻穩(wěn)定的擠出，被擠出的溶液在靜電力作用下形成溶液細(xì)流，溶液細(xì)流高速向前運(yùn)動(dòng)，隨著溶劑的揮發(fā)和靜電力的牽伸，溶液細(xì)流最終固化成纖，被收集于密閉室下部的物料接收裝置上。過程中揮發(fā)出的溶劑隨氣流從密閉室右下部的出氣口流出，經(jīng)冷卻后成液體狀，隨后被收集在溶劑回收裝置中。
紡絲結(jié)果如下纖維平均直徑為150nm，溶劑回收率為80％。
實(shí)施例2采用如圖1所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中紡絲條件為噴絲孔孔徑為100μm；密閉室高度為1m；噴絲頭個(gè)數(shù)為15個(gè)；將紡絲原液以0.15ml/h的流速從噴絲頭噴出，氣流溫度為70℃；施加的電壓為20KV；氣體為空氣，壓力為0.8Mpa；氣流流速為1.2m/s；其他同實(shí)施例1。
紡絲過程為將重量濃度為12wt％的聚間苯二甲酰間苯二胺和3wt％LiCl的N，N-二甲基乙酰胺溶液注入物料室，用加熱干燥過的氣流推動(dòng)，溶液被從各噴絲頭中均勻穩(wěn)定的擠出，被擠出的溶液在靜電力作用下形成溶液細(xì)流，溶液細(xì)流高速向前運(yùn)動(dòng)，隨著溶劑的揮發(fā)和靜電力的牽伸，溶液細(xì)流最終固化成纖，被收集于密閉室下部的物料接收裝置上。過程中揮發(fā)出的溶劑隨氣流從密閉室右下部的出氣口流出，經(jīng)冷卻后成液體狀，隨后被收集在溶劑回收裝置中。
紡絲結(jié)果如下纖維平均直徑為100nm，溶劑回收率為87％。
實(shí)施例3采用如圖1所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中紡絲條件為噴絲孔孔徑為250μm；密閉室高度為0.8m；噴絲頭個(gè)數(shù)為10個(gè)；將紡絲原液以0.5ml/h的流速(單孔)從噴絲頭噴出，壓力為0.4Mpa氣流溫度為60℃；氣流流速為0.8m/s；施加的電壓為12KV；其他同實(shí)施例1。
紡絲過程為將重量濃度為15wt％的聚對(duì)苯酰胺和2wt％LiCl的N，N-二甲基乙酰胺溶液注入物料室，用加熱干燥過的氣流推動(dòng)，溶液被從各噴絲頭中均勻穩(wěn)定的擠出，被擠出的溶液在靜電力作用下形成溶液細(xì)流，溶液細(xì)流高速向前運(yùn)動(dòng)，隨著溶劑的揮發(fā)和靜電力的牽伸，溶液細(xì)流最終固化成纖，被收集于密閉室下部的物料接收裝置上。過程中揮發(fā)出的溶劑隨氣流從密閉室右下部的出氣口流出，經(jīng)冷卻后成液體狀，隨后被收集在溶劑回收裝置中。
紡絲結(jié)果如下纖維平均直徑為135nm，溶劑回收率為89％。
實(shí)施例4采用如圖1所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中紡絲條件為噴絲孔孔徑為100μm；密閉室高度為1.5m；噴絲頭個(gè)數(shù)為20個(gè)；將紡絲原液以0.45ml/h的流速從噴絲頭噴出，壓力為0.2Mpa，氣流溫度為35℃；氣流流速為0.25m/s；施加的電壓為20KV；其他同實(shí)施例1。
紡絲過程為將重量濃度為0.7wt％的聚羥基丁酸酯一聚羥基戊酸酯共聚物的氯仿溶液注入物料室，用加熱干燥過的氣流推動(dòng)，溶液被從各噴絲頭中均勻穩(wěn)定的擠出，被擠出的溶液在靜電力作用下形成溶液細(xì)流，溶液細(xì)流高速向前運(yùn)動(dòng)，隨著溶劑的揮發(fā)和靜電力的牽伸，溶液細(xì)流最終固化成纖，被收集于密閉室下部的物料接收裝置上。過程中揮發(fā)出的溶劑隨氣流從密閉室右下部的出氣口流出，經(jīng)冷卻后成液體狀，隨后被收集在溶劑回收裝置中。
紡絲結(jié)果如下纖維平均直徑為150nm，溶劑回收率為90％。
實(shí)施例5采用如圖1所示的裝置進(jìn)行紡絲。其中紡絲條件為噴絲孔孔徑為100μm；密閉室高度為1m；噴絲頭個(gè)數(shù)為10個(gè)；將紡絲原液以0.5ml/h的流速(單孔)從噴絲頭噴出，壓力為0.5Mpa氣流溫度為25℃；氣流流速為0.78m/s；施加的電壓為13KV；其他同實(shí)施例1。
紡絲過程為將重量濃度為10wt％的聚醋酸纖維素的丙酮溶液注入物料室，用加熱干燥過的氣流推動(dòng)，溶液被從各噴絲頭中均勻穩(wěn)定的擠出，被擠出的溶液在靜電力作用下形成溶液細(xì)流，溶液細(xì)流高速向前運(yùn)動(dòng)，隨著溶劑的揮發(fā)和靜電力的牽伸，溶液細(xì)流最終固化成纖，被收集于密閉室下部的物料接收裝置上。過程中揮發(fā)出的溶劑隨氣流從密閉室右下部的出氣口流出，經(jīng)冷卻后成液體狀，隨后被收集在溶劑回收裝置中。
紡絲結(jié)果如下纖維平均直徑為110nm，溶劑回收率為92％。
權(quán)利要求
1.一種氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置，其特征在于，包括氣體循環(huán)推進(jìn)裝置(1)；與氣體循環(huán)推進(jìn)裝置(1)通過管線相連接的氣體干燥加熱裝置(2)；與氣體干燥加熱裝置(2)通過管線相連接的密閉紡絲室(3)，所說的密閉紡絲室(3)為一個(gè)密閉的容器，包括物料室(5)、進(jìn)氣口(4)、出氣口9、紡絲腔(12)、噴絲頭(6)、電極(7)和物料接收裝置(8)，所說的物料室(5)設(shè)置在密閉紡絲室(3)的上部，進(jìn)氣口(4)設(shè)置在物料室(5)頂端，并與氣體干燥加熱裝置(2)通過管線相連接，所說的紡絲腔(12)設(shè)置在物料室(5)下方，物料接收裝置(8)設(shè)置在紡絲腔(12)的下方，所說的噴絲頭(6)設(shè)置在物料室(5)下方，一端與物料室(5)相連通，另一端與紡絲腔(12)相連通，所說的電極(7)設(shè)置在噴絲頭(6)上，電極(7)通過導(dǎo)線與直流電源(13)相連接，所說的出氣口(9)設(shè)置在密閉紡絲室(3)下部；與電極(7)通過導(dǎo)線相連接的直流電源(13)；與密閉紡絲室(3)的出氣口(9)通過管線相連接的對(duì)含溶劑的氣流進(jìn)行冷卻的冷卻裝置(10)；與冷卻裝置(10)的一端通過管線相連接的溶劑回收裝置(11)；冷卻裝置(10)的另一端通過管線與氣體循環(huán)推進(jìn)裝置(1)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置，其特征在于，噴絲頭(6)孔徑為1μm～2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置，其特征在于，噴絲頭個(gè)數(shù)為1～20個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置，其特征在于，紡絲腔(12)的高度L為0.5～2m。
5.權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置的工業(yè)應(yīng)用，其特征在于，用于聚合物的紡絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，包括如下步驟將聚合物與溶劑組成的紡絲原液裝入物料室，氣體先經(jīng)過氣體循環(huán)推進(jìn)裝置加壓至0.1～2Mpa，再經(jīng)過干燥加熱裝置，將氣體加熱到0～150℃，然后通過進(jìn)氣口進(jìn)入物料室，將紡絲原液以0.005～100000μl/h的流速從噴絲頭流出，形成溶液細(xì)流，在紡絲腔中，溶劑揮發(fā)，細(xì)流成型，被收集在物料接收裝置上，溶劑中，聚合物的重量濃度為0.1～20％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，所說的聚合物包括聚間苯二甲酰間苯二胺、聚對(duì)苯酰胺、聚羥基丁酸酯—聚羥基戊酸酯共聚物或聚醋酸纖維素中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，所說的溶劑選自含有添加劑的N，N-二甲基甲酰胺、含有添加劑的N，N-二甲基乙酰胺、氯仿或丙酮，所說的添加劑選自CaCl2或LiCl，其在溶劑中的重量濃度為0.1～5％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，紡絲電壓為5～40KV。
全文摘要
一種氣體層推進(jìn)靜電紡絲裝置及其工業(yè)應(yīng)用。其裝置包括氣體循環(huán)推進(jìn)裝置，氣體干燥加熱裝置，密閉紡絲室，密閉室頂端的進(jìn)氣口，密閉室上部的物料室，物料室下方的噴絲頭，連在噴絲頭上的電極，密閉室下部的物料接收裝置，密閉室右下部出氣口，對(duì)含溶劑的氣流的冷卻裝置和溶劑回收裝置。本發(fā)明的裝置可以進(jìn)行聚合物的靜電紡絲成型，采用多個(gè)噴頭的形式可以大大提高紡絲效率，對(duì)進(jìn)入氣流溫度和濕度的控制可以改變紡絲原液的溫度和濕度；更重要的是，推進(jìn)的氣流可以帶動(dòng)紡絲過程中揮發(fā)的溶劑流出，通過冷卻回收裝置進(jìn)行溶劑回收，使紡絲環(huán)境大大改善，利于環(huán)保，減小污染，提高溶劑使用率。
文檔編號(hào)D01F2/24GK101033559SQ20061002439
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月6日
發(fā)明者俞昊, 陳彥模, 周哲, 張瑜, 楊文 , 戴天賀 申請(qǐng)人:東華大學(xué)