專利名稱：一種微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紡織領(lǐng)域的非織造布技術(shù)，具體為一種通過氣流與高分子溶液共同作
用制備微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，世界各國的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)普遍使用的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方 法主要有熔噴法、閃蒸法和靜電紡絲法等。其中，有關(guān)熔噴法的文獻(xiàn)報(bào)道主要有《熔噴 法的設(shè)備、工藝和產(chǎn)品》(Edward McNally，產(chǎn)業(yè)用紡織品[J] ， 2008年第5期，23-25.)， 中國專利CN1446275、 CN94117940. 0、 CN1440840等；美國專利US3978185, US4238175, US4267002等；世界專利W01992/007121、W01979/001015、W01987/004195、W01992/007121、 W02000/020674等，這些熔噴方法的主要工藝原理是將熔融的聚合物經(jīng)由直線排列的小 孔擠出，在呈一定角度的高速熱氣流噴射下形成微納米纖維。閃蒸法的文獻(xiàn)報(bào)道主要有 中國專利C訓(xùn)42741A、 C訓(xùn)53455A、 CN101565861等，美國專利US5023025、 US5032326 等，國際專利W02001/061082、 W01999/036600、 W01999/006616和W01997/041281等，閃 蒸法的主要工藝原理是將成纖聚合物在高溫高壓條件下溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲?，制成紡絲 液，由于紡絲液在噴絲孔處壓力突然降為常壓，溶劑急劇蒸發(fā)，引起聚合物高度原纖化 而形成超細(xì)纖維叢絲。靜電紡絲方法的文獻(xiàn)報(bào)道主要有中國專利ZL200410025622.6、 ZL200420020596. 3、ZL200420107832. 5等，美國專利US6753454、US6616435、US6713011等， 世界專利W004074559、 W02004/016839、 W00209288A1、 W02005/073441， W02005/073442， WO 2006/018838， W02006/007287, W02005/026398和W02005/123995等，靜電紡絲法的主要工 藝原理是在高壓靜電場中，使毛細(xì)管口的懸垂小液滴在靜電力作用下頂端發(fā)出微細(xì)射流， 射流在飛行過程中溶劑揮發(fā)而固化成纖維的方法。 熔噴法和閃蒸法的生產(chǎn)方法及裝置都需要高溫或/和高壓條件，生產(chǎn)條件要求較 高，能耗大，污染環(huán)境，而靜電紡絲法也需要在高壓靜電場中完成射流的噴射，生產(chǎn)方法和 設(shè)備更為復(fù)雜，工業(yè)控制難度大，能耗高，也污染環(huán)境，都有違低碳技術(shù)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種微納米纖維無紡 布的生產(chǎn)方法及裝置，該生產(chǎn)方法及裝置在常溫常壓環(huán)境下即可實(shí)現(xiàn)微納米纖維非織造布 的連續(xù)化生產(chǎn)，所生產(chǎn)的非織造布中的微納米纖維直徑細(xì)、分布窄，產(chǎn)品性能優(yōu)良，更重要 的是節(jié)省了大量能源，符合低碳技術(shù)要求，且工藝簡單，操作方便，工業(yè)化實(shí)施容易等。
本發(fā)明解決所述生產(chǎn)方法技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種微納米纖維無紡布的 生產(chǎn)方法，該生產(chǎn)方法包括如下工藝步驟 (1)制備聚合物溶液將固體聚合物及其良溶劑以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度在攪拌 機(jī)中攪拌混合均勻，靜置1-2小時后，再把制備好的聚合物溶液送入貯液池中備用；所述的 固體聚合物是指可溶性聚合物，包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈或聚酯；所述的
3良溶劑包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿；所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度是指所述聚合物溶 液在其內(nèi)部適當(dāng)氣壓的垂直氣流作用下能夠使其液面產(chǎn)生火山口狀隆起時的質(zhì)量百分比 濃度； (2)微納米射流噴射成纖利用氣泵提供適當(dāng)?shù)臍鈮?，使氣流從貯液池聚合物溶 液液面下的噴嘴中垂直噴出，在聚合物溶液的液面產(chǎn)生火山口狀隆起，并在氣流剪切力的 作用下使微納米射流從所述的隆起中噴射出來，飛向接收裝置，在噴射過程中，微納米射流 中的良溶劑揮發(fā)，同時在氣流力的作用下把射流拉伸細(xì)化成微納米級纖維；所述適當(dāng)?shù)臍?壓是指能使聚合物液面產(chǎn)生所述火山口狀隆起時所需要的氣壓； (3)無紡布成型調(diào)整聚合物溶液液面與接收裝置之間的垂直距離，以及接收裝
置的運(yùn)動速度，使所得微納米纖維以纖維網(wǎng)的形式收集在接收裝置上，并依靠纖維自身間
的粘接作用和空氣冷卻作用，使收集的纖維網(wǎng)制成所述的微納米纖維無紡布。 本發(fā)明解決所述生產(chǎn)裝置技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種微納米纖維無紡布的
生產(chǎn)裝置，該生產(chǎn)裝置適用于本發(fā)明所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，主要包括紡絲
系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中，所述紡絲系統(tǒng)包括貯液池、噴氣管、氣泵、氣流
分布裝置和接收裝置，噴氣管的噴口向上垂直安裝在貯液池的底部，噴氣管依次經(jīng)氣流分
布裝置、供氣閥門與氣泵管接；所述供液系統(tǒng)包括供液池、供液閥和供液管，供液池依次經(jīng)
供液閥和供液管與貯液池管接；所述傳動系統(tǒng)為接收裝置提供常規(guī)驅(qū)動；所述控制系統(tǒng)主
要包括常規(guī)的供液控制、供氣控制和傳動控制。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是通過氣流與高分子溶液共同作用來制備微納米纖維無 紡布的生產(chǎn)方法和裝置，可在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)聚合物溶液制備無紡布的連續(xù)化生產(chǎn)，大大 降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源；該生產(chǎn)裝置采用噴氣管在紡絲溶液中向上釋放壓縮氣體的 方法，避免了其它方法需要高溫或/和高壓條件下的設(shè)備復(fù)雜性問題；該生產(chǎn)方法和裝置 無需傳統(tǒng)紡絲方法的噴絲頭，避免了噴絲頭易堵塞和清洗困難等缺陷；該生產(chǎn)裝置制造簡 單，操作方便，可滿足低碳生產(chǎn)要求，實(shí)施成本低，工業(yè)化推廣容易。


圖1為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法一種實(shí)施例及所述接收裝置為接 收網(wǎng)簾的微納米纖維無紡布生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法另一種實(shí)施例及所述接收裝置為 接收輥筒的微納米纖維無紡布生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例的多個噴氣管 (11個)以同心圓方式均布排列的形狀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例的多個噴氣管 (9個)以矩陣方式排列的形狀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置在所述聚合物液面上產(chǎn)生 火山口狀隆起及噴射微納米射流的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例在實(shí)際紡絲時 產(chǎn)生火山口狀隆起及噴射微納米射流的照片圖； 圖7為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例(圖1所示)引入靜電場的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例(圖2所示)引 入靜電場的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例在同心圓方式 排列的多個噴氣管(7個)中加入金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10為本發(fā)明微納米纖維非織造布的生產(chǎn)方法及裝置一種實(shí)施例在矩形方式排 列的多個噴氣管(6個)中加入金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的微納米纖維無紡布(非織造布)的生產(chǎn)方法(簡稱生產(chǎn)方法，參見 圖1-10)主要包括以下工藝步驟 (1)制備聚合物溶液將固體聚合物及其良溶劑以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度在攪拌 機(jī)中攪拌混合均勻，靜置l-2小時后，即制備好聚合物溶液(紡絲液)；再把制備好的聚合 物溶液送入貯液池中備用；所述的固體聚合物是可溶性聚合物，包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙 烯醇、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶劑包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿；所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì) 量百分比濃度是指所述聚合物溶液在其內(nèi)部適當(dāng)氣壓的垂直氣流作用下能夠使其液面產(chǎn) 生火山口狀隆起時的質(zhì)量百分比濃度； (2)微納米射流噴射成纖利用氣泵提供適當(dāng)氣壓的氣流，使其從貯液池聚合物 溶液液面下的噴嘴中垂直噴出，導(dǎo)致聚合物溶液液面在所述氣流作用下產(chǎn)生火山口狀隆 起，并在氣流剪切力的作用下使微納米射流從所述的隆起中噴射出來(參見圖5、6)，飛向 接收裝置，在噴射過程中射流中的良溶劑揮發(fā)，使射流固化為纖維；在這一過程中，除溶劑 揮發(fā)會降低射流直徑外，氣流力的作用對射流也有一定的拉伸細(xì)化作用，使射流最終固化 為直徑從幾十納米到幾微米不等的微納米纖維，同時氣流還具有較強(qiáng)的推進(jìn)作用，使微納 米射流飛向接收裝置；所述適當(dāng)?shù)臍鈮菏侵改苁咕酆衔镆好娈a(chǎn)生所述火山口狀隆起時所需 要的氣壓； (3)無紡布成型調(diào)整聚合物溶液液面與接收裝置之間的垂直距離，以及接收裝 置的運(yùn)動速度，即可使所得微納米纖維以纖維網(wǎng)的形式收集在接收裝置上，并依靠纖維自 身間的粘接作用和空氣冷卻作用，即制成所述的微納米纖維無紡布。 本發(fā)明生產(chǎn)方法中，所述紡絲液的適當(dāng)質(zhì)量百分比濃度主要與高分子聚合物材料 及其分子量和所用良溶劑有關(guān)，例如，所述的聚合物選用聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)時，其 在水和乙醇以質(zhì)量比為l : 9比例的混合溶劑中溶解，當(dāng)質(zhì)量百分比濃度達(dá)到36%以上時， 才可以滿足所述工藝要求，；而當(dāng)聚合物材料選用聚丙烯腈(分子量為70000g/mo1)時，在 二甲基甲酰胺溶劑中的質(zhì)量百分比為12%及以上，即可滿足所述工藝要求。換言之，對于聚 乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)而言，所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度應(yīng)當(dāng)是^36%;而對于聚丙烯 腈(分子量為70000g/mo1)而言，所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度則是^ 12%。這一滿足工藝 要求的最低的適當(dāng)濃度可稱為臨界(質(zhì)量百分比)濃度。所述不同的聚合物材料適用于不 同的良溶劑，同時也有不同的臨界濃度。對于同一種聚合物而言，雖然高于其臨界濃度值都 可以滿足紡絲工藝要求，但考慮到較高的適當(dāng)濃度有較高的溶液粘度，紡絲時需要較大的CN 101775706 A 氣流噴射壓力，因此，較好的適當(dāng)濃度的工藝設(shè)計(jì)是選用聚合物其臨界濃度或略高于其臨
界濃度的適當(dāng)濃度。所述聚合物材料及其良溶劑為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)。 本發(fā)明所述的適當(dāng)氣壓是指能使聚合物溶液液面產(chǎn)生火山口狀隆起時所對應(yīng)的
噴射氣流壓力。該氣壓值與聚合物溶液粘度、噴氣管的直徑、噴氣管的噴嘴口距離聚合物溶
液液面的高度等因素有關(guān)。但一般的適當(dāng)氣壓范圍值可設(shè)計(jì)為0. 01Mpa 5Mpa。 本發(fā)明所述的聚合物溶液液面與接收裝置工作表面的垂直距離一般設(shè)計(jì)為4
50cm，并可根據(jù)工藝需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本發(fā)明生產(chǎn)方法的進(jìn)一步特征是，在所述噴氣管2與接收裝置4之間引入靜電場。 具體做法是在噴氣管2中加入金屬電極16，并使金屬電極16與高壓靜電發(fā)生器15電相 連；把接收裝置4接地，使金屬電極16與接收裝置4之間形成入靜電場。靜電場的強(qiáng)度等 工藝同于現(xiàn)有技術(shù)。這種方法可以大幅提高微納米纖維無紡布的產(chǎn)量。
本發(fā)明按照所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，同時設(shè)計(jì)了微納米纖維無紡布 的生產(chǎn)裝置(簡稱生產(chǎn)裝置，參見圖l-4)，該生產(chǎn)裝置主要包括紡絲系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、傳動 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中，所述紡絲系統(tǒng)包括貯液池1、噴氣管2、氣泵3、氣流分布裝置8、接收 裝置4，噴氣管2的噴口向上垂直安裝在貯液池1的底部，噴氣管2依次經(jīng)氣流分布裝置8、 供氣閥門21與氣泵3管接；所述供液系統(tǒng)包括供液池11、供液閥12和供液管13，供液池11 依次經(jīng)供液閥12和供液管13與貯液池1管連接；所述傳動系統(tǒng)5為接收裝置4提供驅(qū)動。 所述控制系統(tǒng)14主要包括供液控制、供氣控制和傳動控制。 本申請的生產(chǎn)方法和裝置中，所述的噴氣管2可以是一個或兩個以上，當(dāng)噴氣管2 為兩個以上時，可以采用不同的排列方式，例如一字形、三角形、圓形或環(huán)形排列(參見圖 3)，也可以直線、方形或矩陣排列(參見圖4);噴氣管2數(shù)量的選擇取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要 求。所述的氣流分布裝置8的作用是均勻分配氣流壓力，使采用兩個以上噴氣管2時的各 噴氣管2的氣壓盡量相等。為了控制工藝和使用方便，所述噴氣管2在貯液池1內(nèi)的安裝 高度可以調(diào)節(jié)。 所述接收裝置4實(shí)施例包括接收網(wǎng)簾41和接收輥筒42兩種設(shè)計(jì)。接收網(wǎng)簾41 在工作區(qū)平行移動，并經(jīng)網(wǎng)簾傳動裝置51(如退繞輥7)連續(xù)退繞網(wǎng)簾和巻繞(如巻繞輥6) 無紡布；接收輥筒42經(jīng)輥筒傳動裝置52直接巻繞無紡布。接收網(wǎng)簾41或接收輥筒42的 選擇取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，并應(yīng)考慮與噴氣管2的數(shù)量和排布方式的配合。接收裝置4 安裝在貯液池1上端口上方的一定高度或距離上。該高度或距離以妥善接收到所述微納米 纖維為依據(jù)。聚合物溶液液面與貯液池l上端口面的垂直距離一般控制為l-10cm。顯然， 可調(diào)垂直高度的接收裝置4是比較理想的設(shè)計(jì)。可調(diào)垂直高度的接收裝置4不僅可以滿足 聚合物溶液液面與接收裝置4工作表面(接收表面)垂直距離的要求，同時也可以適應(yīng)貯 液池l內(nèi)聚合物溶液液面高度變化的要求。當(dāng)設(shè)計(jì)接收裝置4為接收輥筒42時，其直徑應(yīng) 等于或大于圓形貯液池1的內(nèi)徑或方形貯液池1的邊長，同時接收輥筒42的輥筒傳動裝置 52應(yīng)當(dāng)驅(qū)動接收輥筒42不僅繞其自身軸向旋轉(zhuǎn)，而且要沿其軸向(左右)往復(fù)移動。這 種傳動設(shè)計(jì)可以使接收輥筒42上接收的無紡布結(jié)構(gòu)更均勻。所述接收網(wǎng)簾41和接收輥筒 42及其驅(qū)動為常規(guī)技術(shù)。 所述控制系統(tǒng)14通過相應(yīng)的閥門、開關(guān)和連接管線等分別控制供液、控制供氣和 控制傳動。供液控制、供氣控制和傳動控制相應(yīng)的閥門及其連接管線等均系現(xiàn)有技術(shù)。利
6用控制系統(tǒng)14控制所述氣泵3和氣流分布裝置8之間的氣流壓力，控制供液池11和貯液 池1之間管路中的聚合物溶液的液體流量，或者說控制貯液池1中的聚合物溶液液面高度， 以及控制傳動裝置5驅(qū)動接收網(wǎng)簾41的移動速度，或者驅(qū)動接收輥筒42的轉(zhuǎn)動速度，以滿 足所述生產(chǎn)方法的工藝要求。 本發(fā)明微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法及裝置的工作原理和過程是(參見圖1-2): 工作時，先在供液池11中裝入按要求配好的適當(dāng)濃度的聚合物溶液(紡絲液)，由供液池 11向貯液池1供液，并使聚合物溶液液面高度至少高于噴氣管2的噴嘴口高度，但低于貯液 池l的上端口 ；然后打開氣泵3，利用所述的噴氣管2將壓縮氣體注入在聚合物溶液中，并 調(diào)節(jié)氣流壓力，使其在適當(dāng)壓力條件下將聚合物溶液的表面形成火山口狀隆起9，這時會有 氣流從火山口中心噴射出，在氣流剪切力作用下，導(dǎo)致大量微納米液體射流10射出，噴射 出的射流10在運(yùn)動時由于受氣流的推進(jìn)和拉伸細(xì)化作用，從而向上運(yùn)動，飛向接收裝置4， 并不斷細(xì)化，同時由于所述良溶劑具有揮發(fā)性，因而使溶劑在射流的運(yùn)動過程中不斷揮發(fā)， 導(dǎo)致射流10的進(jìn)一步細(xì)化，并最終以雜亂無章排列的微納米纖維無紡布的形式固化沉積 在位于貯液池1上方的接收裝置4的工作表面上，待積累到一定厚度后由傳動系統(tǒng)或裝置 5的作用下被帶離紡絲區(qū)。在紡絲過程中，通過控制裝置5可以適當(dāng)調(diào)節(jié)供液池11的流量， 以保證貯液池1中的聚合物溶液量穩(wěn)定；適當(dāng)調(diào)節(jié)氣泵3的供氣壓力，以保證噴射氣流力的 大小滿足工藝要求；調(diào)節(jié)傳動裝置5的驅(qū)動速度，以協(xié)調(diào)控制接收網(wǎng)簾41的移動速度或接 收輥筒42的轉(zhuǎn)動速度，從而保證穩(wěn)定的紡絲條件，并實(shí)現(xiàn)微納米纖維無紡布的連續(xù)生產(chǎn)。
本發(fā)明生產(chǎn)裝置的進(jìn)一步特征是，在所述噴氣管2中加入金屬電極16，并使金屬 電極16與高壓靜電發(fā)生器15電相連；在接收裝置4上加入接地電極，從而在金屬電極16 和接收裝置4之間形成靜電場。所加入的靜電場裝置本身為現(xiàn)有技術(shù)。這種裝置設(shè)計(jì)可以 大幅提高微納米纖維無紡布的產(chǎn)量。
本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。 下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步說明本發(fā)明，不構(gòu)成對
本發(fā)明申請權(quán)利要求的限制。
實(shí)施例1 設(shè)計(jì)一種微納米纖維無紡布生產(chǎn)裝置(參見圖1、3)，包括一個直徑80mm上開口的 圓形貯液池1、噴氣管2、氣泵3和平面無紡布接收網(wǎng)簾41。其中，噴氣管2垂直安裝在貯 液池1的底部，本實(shí)施例采用11個噴氣管2，并以同心圓的方式交錯排列(參見圖3);噴氣 管2在貯液池1的底部，并與氣流分布裝置8相連通，氣流分布裝置8安裝在貯液池1的底 面，并通過導(dǎo)氣管、供氣閥21與氣泵3連接，且噴氣管2在貯液池1內(nèi)的高度可以調(diào)節(jié)；貯 液池1的側(cè)面經(jīng)供液閥12和供液管13與供液池11相連；貯液池1的上方5cm距離處安裝 有平面無紡布接收網(wǎng)簾41 ;該接收網(wǎng)簾41由傳動系統(tǒng)5的巻繞輥6和退繞輥7傳動；紡絲 時，氣壓大小、供液量大小和接收網(wǎng)簾41移動速度由控制系統(tǒng)14進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。
紡絲前，先稱取高分子聚合物——聚乙烯吡咯烷酮(型號k-30)粉末120克，并 與混合溶劑(蒸餾水與無水乙醇以1 : 9的質(zhì)量比混合構(gòu)成)以38%的質(zhì)量比濃度混合， 攪拌均勻后，靜置2小時，制得聚乙烯吡咯烷酮紡絲液；然后將配制好的聚乙烯吡咯烷酮溶 液(紡絲液)，裝入供液池11中，并開始向貯液池1內(nèi)供液，直至貯液池1內(nèi)的紡絲液的液 面高度高于噴氣管2頂部(噴嘴口 )3cm ;紡絲時，先打開氣泵3，并緩慢調(diào)節(jié)供氣閥21，增6/8頁
大氣流和壓力，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再適當(dāng)調(diào)節(jié)氣壓為0. 5Mpa，使紡絲液 的液面形成中間空心的火山口形狀的隆起9(參見圖1、2、5、6)，此時在氣流剪切力的作用 下會有射流10射出(參見圖1、2、5、6)，射流10在氣流推動作用下，飛向平面接收網(wǎng)簾41， 射流10在噴射過程中所述的混合溶劑揮發(fā)，同時射流10在氣流推進(jìn)和拉伸細(xì)化作用下固 化成微納米級纖維，進(jìn)而在纖維自身粘合力和氣流推進(jìn)作用下沉積在接收網(wǎng)簾41上，形成 微納米纖維無紡布；然后，接收網(wǎng)簾41連同其接收到的微納米纖維無紡布由巻繞輥6和退 繞輥7的作用帶離沉積或工作區(qū)，并巻裝成聚乙烯吡咯烷酮微納米纖維無紡布成品。
經(jīng)電子掃描電鏡檢驗(yàn)，所得無紡布的纖維直徑分布范圍從50納米到3微米不等。
實(shí)施例2 本實(shí)施例的微納米纖維無紡布生產(chǎn)裝置(參見圖2、4)，包括一個頂端開口向上的 矩形貯液池(長X寬=80mmX60mm) 1、噴氣管2、氣泵3、輥筒無紡布接收網(wǎng)簾42、輥筒傳 動裝置52和控制裝置14等。本實(shí)施例采用9個噴氣管2，并以矩陣的方式平行排列(參 見圖4);噴氣管2安裝在貯液池1的底部，并與氣流分布裝置8相連通，氣流分布裝置8安 裝在貯液池1的底面，并通過導(dǎo)氣管、供氣閥21與氣泵3連接，且噴氣管2在貯液池1內(nèi)的 高度可以調(diào)節(jié)；貯液池1的側(cè)面經(jīng)供液閥12和供液管13與供液池11相連；貯液池1的上 方20cm距離處安裝有旋轉(zhuǎn)接收輥筒42 ;該接收輥筒42由傳動裝置52傳動；紡絲時，氣壓 大小、供液量大小和接收輥筒42的旋轉(zhuǎn)和移動速度由控制系統(tǒng)14進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。
紡絲前，先稱取聚丙烯腈(分子量為70000g/mo1)粉末50克，并與溶劑二甲基乙 酰胺以12%的質(zhì)量比濃度混合，攪拌均勻后，靜置2小時，制得聚丙烯腈/二甲基乙酰胺紡 絲液；然后將配制好的聚丙烯腈溶液，裝入供液池11中，并開始向貯液池1內(nèi)供液，直至貯 液池1內(nèi)的紡絲液的液面高度高于噴氣管2的噴嘴口 4cm ;紡絲時，先打開氣泵3，并緩慢 調(diào)節(jié)供氣閥21，增大壓力和氣流，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再適當(dāng)調(diào)節(jié)氣壓為 0. 9Mpa，使紡絲液的液面形成中間空心的火山口形狀的隆起9 (參見圖1、2、5、6)，此時在氣 流剪切力的作用下會有射流10射出(參見圖1、2、5、6)，射流10在氣流推動作用下，飛向以 500轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的接收輥筒42，射流10在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時射流10 在氣流推進(jìn)和拉伸細(xì)化作用下固化成微納米級纖維，進(jìn)而在纖維自身粘合力和氣流推進(jìn)作 用下沉積在接收輥筒42上，形成微納米纖維無紡布；接收輥筒42在繞軸旋轉(zhuǎn)的同時在傳動 系統(tǒng)52帶動下向左右往復(fù)運(yùn)動，使射流反復(fù)多次沉積在不同的紡絲區(qū)，以獲得均勻結(jié)構(gòu)的 微納米纖維管狀產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以用作管狀無紡布織物，也可沿其軸向剪開，以矩形無紡織 物應(yīng)用。 經(jīng)電子掃描電鏡檢驗(yàn)，所得無紡布的纖維直徑分布范圍從20納米到2微米不等。
實(shí)施例3 本實(shí)施例采用與實(shí)例2相同的裝置。 紡絲前，先稱取聚乙烯醇(聚合度為1750±50)粉末IOO克，并與溶劑——蒸餾水 以12. 5%的質(zhì)量比濃度混合，在85t:水浴鍋中攪拌均勻后，靜置2小時，制得聚乙烯醇/蒸 餾水紡絲液；然后將配制好的聚乙烯醇紡絲液，裝入供液池11中，并開始向貯液池1內(nèi)供 液，直至貯液池1內(nèi)的紡絲液的液面高度高于噴氣管2噴嘴口 2. 5cm ;紡絲時，先打開氣泵 3，并緩慢調(diào)節(jié)供氣閥21，增大壓力和氣流，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再適當(dāng)調(diào) 節(jié)氣壓為1. 2Mpa，使紡絲液的液面形成中間空心的火山口形狀的隆起9 (參見圖1、2、5、6)，見圖1、2、5、6)，射流10在氣流推動作用 下，飛向以1000-3000轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的接收輥筒42，射流IO在噴射過程中所述的溶劑 揮發(fā)，同時射流10在氣流推進(jìn)和拉伸細(xì)化作用下固化成微納米級纖維，進(jìn)而在纖維自身粘 合力和氣流推進(jìn)作用下沉積在接收輥筒42上，形成微納米纖維氈。 本實(shí)施例所得纖維氈中的微納米纖維隨著輥筒旋轉(zhuǎn)速度的增加而成良好的取向
排列，可以用于增強(qiáng)材料或者生物細(xì)胞如神經(jīng)元等的導(dǎo)向生長基質(zhì)材料。
實(shí)施例4 本實(shí)施例采用與實(shí)施例1基本相同的裝置和工藝。其主要變化是(參見圖7、9): 本實(shí)施例使用7個噴氣管2，以同心圓形式交錯排列布置(參見圖9)，并在每個噴氣管2的 中心位置安裝了直徑lmm的金屬電極16，金屬電極16在氣流分布裝置8的內(nèi)部電連接，且 在不影響氣流分布裝置8密封性的條件下穿出氣流分布裝置8與高壓靜電發(fā)生器15電連 接；另外，在平面接收簾41的上方增加了一塊與平面接收網(wǎng)簾41工作區(qū)等同面積、厚度為 2mm的金屬平板電極17，金屬平板板電極17通過導(dǎo)線18與大地相連。其余配置和連接方 式與實(shí)施例l相同。 本實(shí)施例采用聚乙烯吡咯烷酮(型號k-60)粉末150克，與混合溶劑(蒸餾水與 無水乙醇以2 : 8的質(zhì)量比混合)以35%的質(zhì)量比濃度混合，攪拌均勻后，靜置2小時，制 得聚乙烯吡咯烷酮紡絲液；然后將配制好的聚乙烯吡咯烷酮溶液(紡絲液)，裝入供液池ll 中，并開始向貯液池l內(nèi)供液，直至貯液池l內(nèi)的紡絲液的液面高度高于噴氣管2的噴嘴 口 lcm ;紡絲時，先打開氣泵3，并緩慢調(diào)節(jié)供氣閥21，增大壓力和氣流，直至使在聚合物溶 液的液面生成隆起，再適當(dāng)調(diào)節(jié)氣壓為1. 5Mpa，使紡絲液的液面形成中間空心的火山口形 狀的隆起9 (參見圖5、6、7、9)，打開高壓靜電發(fā)生器15，使輸出電壓升至20kV，此時火山口 狀隆起9相當(dāng)于靜電紡絲工藝中的泰勒錐，將有大量射流10將從火山口隆起9的頂端和中 心射出(參見圖5、6、7、9)，射流10在靜電力和氣流的共同推動作用下，飛向平面接收網(wǎng)簾 41，射流IO在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時射流IO在靜電力和氣流的推進(jìn)和拉伸細(xì)化 作用下固化成微納米級纖維，進(jìn)而在纖維自身粘合力和氣流推進(jìn)作用下沉積在接收網(wǎng)簾41 上，形成微納米纖維無紡布；然后，接收網(wǎng)簾41連同其接收到的微納米纖維無紡布由巻繞 輥6和退繞輥7的作用帶離沉積或工作區(qū)，并巻裝成聚乙烯吡咯烷酮微納米纖維無紡布成
PR o 經(jīng)電子掃描電鏡檢驗(yàn)，所得無紡布的纖維直徑分布范圍從20納米到2. 5微米不等。 實(shí)施例5 本實(shí)施例采用與實(shí)例2基本相同的裝置和工藝。其主要變化是(參見圖8、10): 本實(shí)施例使用6個噴氣管2，并以矩陣形式平行排列(參見圖10)，在噴氣管2的中心位置 安裝了直徑約0. 8mm的金屬電極16，金屬電極16在氣流分布裝置8的內(nèi)部電連接，且在不 影響氣流分布裝置8密封性的條件下與高壓靜電發(fā)生器15電連接；另外，所使用的接收裝 置4為金屬接收輥筒42，金屬接收輥筒42外包接收簾，金屬輥筒42通過導(dǎo)線18與大地相 接。其余的配置和連接方式與實(shí)施例2相同。 本實(shí)施例先稱取聚丙烯腈(分子量約為100000g/mo1)粉末70克，與溶劑二甲基 乙酰胺以10%的質(zhì)量比濃度混合，攪拌均勻后，靜置2小時，制得聚丙烯腈/二甲基乙酰胺紡絲液；然后將配制好的聚丙烯腈紡絲液，裝入供液池11中，并開始向貯液池1內(nèi)供液，直 至貯液池1內(nèi)的紡絲液的液面高度高于噴氣管2的噴嘴口 0. 5cm ;紡絲時，先打開氣泵3，并 緩慢調(diào)節(jié)供氣閥21 ，增大壓力和氣流，直至使在聚合物溶液的液面生成隆起，再適當(dāng)調(diào)節(jié)氣 壓為1. 3Mpa，使紡絲液的液面形成中間空心的火山口形狀的隆起9 (參見圖5、6、8、10)，同 時打開高壓靜電發(fā)生器15使輸出電壓升至30kV，此時火山口狀隆起9相當(dāng)于靜電紡絲工藝 中的泰勒錐，將有大量射流10將從火山口隆起9的頂端和中心射出(參見圖5、6、8、10)，射 流10在靜電力和氣流的共同推動作用下，飛向以300轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的接收輥筒42，射 流10在噴射過程中所述的溶劑揮發(fā)，同時射流10在靜電力和氣流共同推進(jìn)和拉伸細(xì)化作 用下固化成微納米級纖維，進(jìn)而在纖維自身粘合力和靜電力和氣流推進(jìn)作用下沉積在接收 輥筒42上，制成微納米纖維無紡布；接收輥筒42在繞軸旋轉(zhuǎn)的同時在輥筒傳動系統(tǒng)52帶 動下左右往復(fù)運(yùn)動，使射流反復(fù)多次沉積在不同的紡絲區(qū)，以獲得均勻結(jié)構(gòu)的微納米纖維 管狀產(chǎn)品。 經(jīng)電子掃描電鏡檢驗(yàn)，所得無紡布的纖維直徑分布范圍從20納米到1. 5微米不 等。該無紡布產(chǎn)品可以用作管狀無紡布織物，也可沿其軸向剪開，構(gòu)成矩形無紡織物使用。
權(quán)利要求
一種微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，該生產(chǎn)方法包括如下工藝步驟(1)制備聚合物溶液將固體聚合物及其良溶劑以適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度在攪拌機(jī)中攪拌混合均勻，靜置1-2小時后，再把制備好的聚合物溶液送入貯液池中備用；所述的固體聚合物是指可溶性聚合物，包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯腈或聚酯；所述的良溶劑包括水、乙醇、二甲基甲酰胺或氯仿；所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度是指所述聚合物溶液在其內(nèi)部適當(dāng)氣壓的垂直氣流作用下能夠使其液面產(chǎn)生火山口狀隆起時的質(zhì)量百分比濃度；(2)微納米射流噴射成纖利用氣泵提供適當(dāng)?shù)臍鈮?，使氣流從貯液池聚合物溶液液面下的噴嘴中垂直噴出，在聚合物溶液的液面產(chǎn)生火山口狀隆起，并在氣流剪切力的作用下使微納米射流從所述的隆起中噴射出來，飛向接收裝置，在噴射過程中，微納米射流中的良溶劑揮發(fā)，同時在氣流力的作用下把射流拉伸細(xì)化成微納米級纖維；所述適當(dāng)?shù)臍鈮菏侵改苁咕酆衔镆好娈a(chǎn)生所述火山口狀隆起時所需要的氣壓；(3)無紡布成型調(diào)整聚合物溶液液面與接收裝置之間的垂直距離，以及接收裝置的運(yùn)動速度，使所得微納米纖維以纖維網(wǎng)的形式收集在接收裝置上，并依靠纖維自身間的粘接作用和空氣冷卻作用，使收集的纖維網(wǎng)固化成所述的微納米纖維無紡布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，其特征在于所述的聚合物選 用聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，所述的良溶劑為質(zhì)量比為1 : 9的水和乙醇的混合溶劑，所述適 當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分比濃度為^ 36%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，其特征在于所述的聚合物選 用聚丙烯腈(分子量為70000g/mol)，所述的良溶劑為二甲基甲酰胺，所述適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量百分 比濃度為^ 12%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，其特征在于所述的聚合物溶 液液面與接收裝置的垂直距離為4 50cm ;所述的適當(dāng)氣壓范圍值為0. OlMpa 5Mpa。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，其特征在于在 所述噴氣管與接收裝置之間弓I入靜電場。
6. —種微納米纖維無紡布的生產(chǎn)裝置，該生產(chǎn)裝置適用于權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所 述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法，主要包括紡絲系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)， 其中，所述紡絲系統(tǒng)包括貯液池、噴氣管、氣泵、氣流分布裝置和接收裝置，噴氣管的噴口向 上垂直安裝在貯液池的底部，噴氣管依次經(jīng)氣流分布裝置、供氣閥門與氣泵管接；所述供液 系統(tǒng)包括供液池、供液閥和供液管，供液池依次經(jīng)供液閥和供液管與貯液池管接；所述傳動 系統(tǒng)為接收裝置提供常規(guī)驅(qū)動；所述控制系統(tǒng)主要包括常規(guī)的供液控制、供氣控制和傳動 控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述的接收裝置 為接收網(wǎng)簾或接收輥筒。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微納米纖維無紡布的生產(chǎn)裝置，其特征在于在所述噴氣管中 加入金屬電極，并使金屬電極與高壓靜電發(fā)生器電相連；在接收裝置上加入接地電極，使金 屬電極和接收裝置之間形成靜電場。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微納米纖維無紡布的生產(chǎn)方法及裝置。該生產(chǎn)方法包括如下工藝步驟(1)制備聚合物溶液(2)微納米射流噴射成纖利用氣泵提供適當(dāng)?shù)臍鈮?，使氣流從貯液池聚合物溶液液面下的噴嘴中垂直噴出，在聚合物溶液的液面產(chǎn)生火山口狀隆起，并在氣流剪切力的作用下使微納米射流從所述的隆起中噴射出來，飛向接收裝置，在噴射過程中，微納米射流中的良溶劑揮發(fā)，同時在氣流力的作用下把射流拉伸細(xì)化成微納米級纖維；(3)無紡布成型。該生產(chǎn)裝置依據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)方法設(shè)計(jì)，主要包括紡絲系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
文檔編號D01D1/02GK101775706SQ20101011640
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者劉雍, 康衛(wèi)民, 王瑞, 程博聞, 范杰, 董亮 申請人:天津工業(yè)大學(xué)