高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法及裝置，該方法是將高壓靜電作用在噴絲口中的聚合物溶液上，在內(nèi)外雙層高速氣流的包夾環(huán)繞下且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力，聚合物溶液被虹吸輸送及高速牽伸，迅速形成液體射流，聚合物凝固快速形成納米纖維。該裝置主要是噴絲頭由中心向外設(shè)置為內(nèi)層、外層氣流通道包夾環(huán)繞狹縫夾層溶液通道，在高壓靜電作用下的聚合物溶液被內(nèi)外層高速氣流環(huán)繞包夾，通過(guò)高速氣流層對(duì)帶電聚合物溶液的虹吸快速輸送和高速牽伸作用以及高壓靜電的電牽伸作用，使得本發(fā)明制備納米纖維的速度較單一高壓靜電紡絲速度高出100倍以上，得到的纖維粗細(xì)均勻，殘留溶劑含量低，更便于納米纖維的后處理。
【專利說(shuō)明】高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及內(nèi)外雙層高速氣流環(huán)繞包夾聚合物溶液，并輔以高壓靜電作用，實(shí)現(xiàn)納米纖維的快速制備，特別是提供一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法及
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
[0002]聚合物納米纖維及其復(fù)合材料在過(guò)濾，消防，醫(yī)療及軍事防護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。靜電紡絲技術(shù)是一種廣泛地被用來(lái)將聚合物溶液或熔體通過(guò)高壓靜電作用制備這種聚合物納米纖維的加工方法。傳統(tǒng)靜電紡絲的低產(chǎn)量是制約這種聚合物納米纖維工業(yè)化的瓶頸，如何提高納米纖維的產(chǎn)量是目前亟待解決的大難題。有研究發(fā)現(xiàn)高速氣流可以用來(lái)提高制備這種聚合物納米纖維的速度。專利申請(qǐng)CN101126179B提出了一種利用高速氣流輔助靜電紡絲快速制備聚合物納米纖維的方法。這種方法只采用了單一氣流，效果不是很明顯，對(duì)靜電紡絲的速度提高有限。專利申請(qǐng)CN103924308A的紡絲系統(tǒng)，是在內(nèi)外氣流間“均勻分布一圈紡絲噴嘴”，是一個(gè)多(毛細(xì)管)噴嘴紡絲裝置。毛細(xì)管之間閑置較大空間，沒(méi)有發(fā)揮高壓氣流導(dǎo)流作用，即實(shí)際導(dǎo)液量低；另一方面聚合物溶液在毛細(xì)管中的流阻大，有效導(dǎo)流面積遠(yuǎn)低于表觀導(dǎo)流面積，致使紡絲效率提升不太高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法及裝置，可快速制備納米纖維。通過(guò)雙層高速氣流對(duì)高壓靜電作用下的狹縫單噴絲嘴中聚合物溶液環(huán)繞包夾虹吸輸送和高速牽伸和高壓靜電的電牽伸作用，達(dá)到快速制備聚合物納米纖維的目的。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法，將高壓靜電作用在噴絲口中的聚合物溶液上，環(huán)形狹縫單噴絲嘴中的聚合物溶液在內(nèi)外環(huán)形雙層高壓氣流的包夾環(huán)繞下，且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力，聚合物溶液被虹吸輸送及高速牽伸和高壓靜電的電牽伸，迅速形成液體射流，以極高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速運(yùn)動(dòng)中，溶劑揮發(fā)離去，聚合物凝固快速形成納米纖維的方法。
[0006]一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，包括注射泵、噴絲頭，所述的噴絲頭由中心向外依次設(shè)置為內(nèi)層氣流通道(I)、夾層溶液通道(2)、外層氣流通道(3)相互包夾環(huán)繞相互獨(dú)立的三層通道；所述的內(nèi)層氣流通道(I)為位于中心的氣流通道，所述的夾層溶液通道(2)為環(huán)形狹縫單噴絲嘴，所述的外層氣流通道(3)為環(huán)形的氣流通道，所述的夾層溶液通道(2)包夾環(huán)繞所述的內(nèi)層氣流通道(I)，所述的外層氣流通道(3)包夾環(huán)繞所述的夾層溶液通道(2);所述的內(nèi)層氣流通道(I)和外層氣流通道(3)的入口分別通入高壓氣流，所述的夾層溶液通道(2)入口通入聚合物溶液；所述的夾層溶液通道(2)出口與所述的內(nèi)層氣流通道(I)出口相齊平，所述的外層氣流通道(3)出口高于內(nèi)層氣流通道(I)出口。
[0007]所述的內(nèi)層氣流通道(I)和外層氣流通道(3)，該兩通道入口的氣體壓力在0.6-1.2MPa范圍內(nèi)，且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力。
[0008]所述的夾層溶液通道(2)溶液出口的縫隙寬度(b)在0.1-0.3mm之間。
[0009]所述的內(nèi)層氣流通道(I)氣流出口孔徑(C)在0.5-1.5mm范圍內(nèi)。
[0010]所述的外層氣流通道(3)氣流出口縫隙寬度(a)在0.8-2.5mm范圍內(nèi)。
[0011]所述的外層氣流通道(3)出口高于內(nèi)層氣流通道⑴出口，所述的氣流出口處的聞度差(d)在0.5-3.0mm范圍內(nèi)。
[0012]所述的氣流出口處的高度差(d)是1.0mm或3.0mm。
[0013]所述的每層通道圓柱形，豎直設(shè)置，上端設(shè)置有入口、下端設(shè)置有出口。
[0014]所述的噴絲頭材質(zhì)采用導(dǎo)電金屬材料制備；所述的噴絲頭連接高壓電源。
[0015]本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是，在噴絲頭上利用內(nèi)外雙層高速氣流對(duì)高壓靜電作用下的狹縫單噴絲嘴中的聚合物溶液，實(shí)施環(huán)繞包夾虹吸的快速輸送和高速牽伸和高壓靜電的電牽伸作用，顯著地提高了靜電紡絲的速度，實(shí)現(xiàn)快速制備聚合物納米纖維。
[0016]本發(fā)明的裝置是基于本發(fā)明方法的一種快速制備聚合物納米纖維裝置，由于本發(fā)明的噴絲頭由中心向外設(shè)置為內(nèi)層、外層氣流通道包夾環(huán)繞夾層狹縫單噴絲嘴中溶液通道的設(shè)計(jì)，使得聚合物溶液被虹吸輸送及高速牽伸和高壓靜電的電牽伸，迅速形成液體射流，以極高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速運(yùn)動(dòng)中，溶劑揮發(fā)離去，聚合物凝固快速形成納米纖維；通過(guò)高速氣流層對(duì)帶電聚合物溶液的虹吸快速輸送和高速牽伸作用以及高壓靜電的電牽伸作用，本發(fā)明裝置制備納米纖維的速度較單一高壓靜電紡絲速度高出100倍以上，而且制備得到的纖維粗細(xì)均勻，殘留溶劑含量低，更便于納米纖維的后處理。
[0017]另外，本發(fā)明專利是一個(gè)緊密布置在內(nèi)外氣流間的環(huán)形狹縫單噴絲嘴，從而增大高速氣流層對(duì)帶電聚合物溶液的虹吸快速輸送和高速牽伸作用；并且內(nèi)外氣流出口采用高度差不平設(shè)計(jì)，外氣流出口高于內(nèi)氣流出口，避免了外氣流從管內(nèi)噴出膨脹時(shí)向內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大的壓力，導(dǎo)致所形成纖維難于分散，產(chǎn)生纖維堆積現(xiàn)象。
[0018]在紡絲工藝中，高粘滯性的紡絲液需要更高流速的氣體輔助紡絲，本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)氣體出口的縫隙寬度，可在相同流量下提高氣體的流動(dòng)速度，滿足高粘溶液的紡絲，同時(shí)又不會(huì)過(guò)多消耗氣體，達(dá)到節(jié)能的目的。
[0019]本發(fā)明使用了狹縫導(dǎo)流，所占空間較小，有效導(dǎo)流面積相對(duì)較大，且流速受溶液的粘滯性影響較小，導(dǎo)流效率較高。結(jié)合內(nèi)外氣流出口的高度調(diào)節(jié)作用，加大氣流速度使納米纖維以更高的速度形成，并高度地分散地集落在收集器上，形成孔隙率高，且厚薄均一的優(yōu)質(zhì)納米纖維非織造布。因此，本發(fā)明裝置大幅度地提高了納米纖維的制備效率，是普通靜電紡絲效率的100倍以上，大幅度高于專利申請(qǐng)CN103924308A所描述的納米纖維紡絲效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明的聚合物納米纖維噴頭裝置示意圖[0021 ] 圖2為本發(fā)明PAN納米纖維SEM照片
[0022]圖3為本發(fā)明PAA納米纖維SEM照片

【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法，實(shí)施方式如下，將高壓靜電作用在噴絲口中的聚合物溶液上，環(huán)形狹縫單噴絲嘴中的聚合物溶液在內(nèi)外環(huán)形雙層高壓氣流的包夾環(huán)繞下，且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力，聚合物溶液被虹吸輸送及高速牽伸和高壓靜電的電牽伸，迅速形成液體射流，以極高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速運(yùn)動(dòng)中，溶劑揮發(fā)離去，聚合物凝固快速形成納米纖維的方法。
[0024]本發(fā)明的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，【具體實(shí)施方式】如下:該裝置包括注射泵、噴絲頭，如圖1所示的噴絲頭，所述的噴絲頭由中心向外依次設(shè)置為內(nèi)層氣流通道1、夾層溶液通道2、外層氣流通道3，相互包夾環(huán)繞相互獨(dú)立的三層通道；所述的內(nèi)層氣流通道I為位于中心的氣流通道，一般選用橫截面為圓形的通道，所述的夾層溶液通道2橫截面為環(huán)形的狹縫單噴絲嘴，所述的外層氣流通道3橫截面為環(huán)形的氣流通道，所述的夾層溶液通道2包夾環(huán)繞所述的內(nèi)層氣流通道1，所述的外層氣流通道3包夾環(huán)繞所述的夾層溶液通道2 ;每層通道豎直設(shè)置、上端設(shè)置有入口、下端設(shè)置有出口 ；所述的內(nèi)層氣流通道I和外層氣流通道3的入口分別通入高壓氣流，所述的夾層溶液通道2入口由注射泵通入聚合物溶液；所述的夾層溶液通道2出口與所述的內(nèi)層氣流通道I出口相齊平，所述的外層氣流通道3出口高于內(nèi)層氣流通道I出口。
[0025]所述的內(nèi)層氣流通道I和外層氣流通道3，該兩通道入口的氣體壓力在
0.6-1.2MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力。
[0026]所述夾層溶液通道2溶液出口的縫隙寬度b在0.1-0.3mm之間控制調(diào)節(jié)。
[0027]所述的內(nèi)層氣流通道I氣流出口孔徑c在0.5-1.5mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0028]所述的外層氣流通道3氣流出口縫隙寬度a在0.8-2.5mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。紡絲工藝中，高粘滯性的紡絲液需要更高流速的氣體輔助紡絲，調(diào)節(jié)氣體出口 3的縫隙寬度，可在相同流量下提高氣體的流動(dòng)速度，滿足高粘溶液的紡絲，同時(shí)又不會(huì)過(guò)多消耗氣體，達(dá)到節(jié)能的目的；(同樣的道理適合于解釋內(nèi)層氣流出口在0.5-1.5mm間調(diào)節(jié))。
[0029]所述的外層氣流通道3出口高于內(nèi)層氣流通道I出口，所述的氣流出口處的高度差d在0.5-3.0mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。內(nèi)外氣流出口的高度差將影響氣流走向和所形成納米纖維在收集器上的分布均勻性及納米纖維非織造布的孔隙率。粘滯性較大的紡絲液，必須用外高內(nèi)低的較大高度差，使氣流較大限度地向外發(fā)散流動(dòng)，便于納米纖維向外伸展發(fā)散集落在收集器上，避免不均勻地在收集器上堆集。致使所形成的納米纖維非織造布存在嚴(yán)重的厚薄不均問(wèn)題。本發(fā)明裝置中，這種內(nèi)外氣流出口的高度差可根據(jù)需要在0.5-3.0mm之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保氣流走向是向外發(fā)散，使所形成的聚合物納米纖維絲充分地以伸展分散的形式集落在收集器上，而不是以緊密扎堆的形式集結(jié)在收集器上。
[0030]所述的每層通道豎直設(shè)置，上端設(shè)置有入口、下端設(shè)置有出口。所述的每層通道形狀選用利于氣體、液體流通的形狀，優(yōu)選為圓柱形。
[0031]所述的噴絲頭材質(zhì)采用導(dǎo)電金屬材料制備；所述的噴絲頭連接高壓電源。
[0032]針對(duì)不同的聚合物種類及紡絲液的粘度特性，通過(guò)調(diào)節(jié)噴絲頭內(nèi)層氣流通道I和外層氣流通道3氣流入口處的氣壓大小、內(nèi)層氣流通道I和外層氣流通道3氣流出口處的孔徑c和縫隙寬度a大小、高度差d的大小、聚合物溶液出口處縫隙寬度b的大小以及配合高壓靜電電壓的調(diào)節(jié)，即可達(dá)到大幅度增加聚合物納米纖維的形成速度，且所獲得的聚合物納米纖維粗細(xì)均勻，殘留溶劑含量低，便于所產(chǎn)納米纖維的后處理。
[0033]以下為本發(fā)明制備納米纖維的實(shí)施例。
[0034]實(shí)例1:聚丙烯腈(PAN)納米纖維的制備
[0035]PAN粉末溶于N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)溶液中，并添加微量導(dǎo)電劑N，N，N-三甲基-4-十二烷基苯基氯化銨，配制成PAN質(zhì)量百分濃度為12%、絕對(duì)黏度為4.2Pa.S、電導(dǎo)率為50 μ S/cm的紡絲溶液備用。調(diào)節(jié)噴絲頭氣壓參數(shù)，使內(nèi)層氣流通道I的氣流氣壓為
0.7MPa、外層氣流通道3的氣流氣壓為0.6MPa、外層氣流通道3氣流出口縫隙的寬度“a”為
1.5_、內(nèi)層氣流通道I氣流出口孔徑“c”為0.5_、內(nèi)外層氣流通道氣流出口的高度差“d”為3.0mm、紡絲液出口縫隙的寬度“b”為0.2mm ;噴絲口到收集器的間距為1.5m,電場(chǎng)強(qiáng)度為30kv/m。將上述PAN紡絲液以2.0ml/min的速度通過(guò)注射泵由溶液入口 “2”注入，在收集器上得到直徑為500-1000nm的PAN納米纖維。這種氣射電紡的PAN納米纖維的掃描電鏡(SEM)照片如圖2所示。
[0036]實(shí)例2:聚酰胺酸(PAA)超細(xì)納米纖維的制備
[0037]取質(zhì)量濃度為20%、特性粘度為1.2dL/g的聚酰胺酸(PAA)的DMAc溶液50g，用12.5g四氫呋喃(THF)稀釋，并添加微量導(dǎo)電劑N，N, N-三甲基-4-十二烷基苯基氯化銨，使PAA的質(zhì)量濃度為16%，絕對(duì)黏度為4.0Pa.S、電導(dǎo)率為65 μ S/cm的紡絲溶液備用。調(diào)節(jié)噴絲頭氣壓參數(shù)，使內(nèi)層氣流通道I的氣流氣壓為1.0MPa、外層氣流通道3的氣流氣壓為0.8MPa、外層氣流通道3氣流出口縫隙的寬度“a”為0.8mm、內(nèi)層氣流通道I氣流出口孔徑“c”為1.0mm、內(nèi)外層氣流通道氣流出口的高度差“d”為1.0mm、紡絲液出口縫隙的寬度“b”為0.1mm ;噴絲口到收集器的間距為1.5m,電場(chǎng)強(qiáng)度為30kv/m。將上述PAA紡絲液以1.5ml/min的速度通過(guò)注射泵由溶液入口“2”注入，在收集器上得到直徑為300-500nm的PAA納米纖維。這種氣射電紡的PAA納米纖維的掃描電鏡(SEM)照片如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法，其特征在于，將高壓靜電作用在噴絲口中的聚合物溶液上，環(huán)形狹縫單噴絲嘴中的聚合物溶液在內(nèi)外環(huán)形雙層高壓氣流的包夾環(huán)繞下，且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力，聚合物溶液被虹吸輸送及高速牽伸和高壓靜電的電牽伸，迅速形成液體射流，以極高的速度射向收集器；在聚合物溶液射流向收集器的高速運(yùn)動(dòng)中，溶劑揮發(fā)離去，聚合物凝固快速形成納米纖維的方法。
2.一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，包括注射泵、噴絲頭，其特征在于，所述的噴絲頭由中心向外依次設(shè)置為內(nèi)層氣流通道(I)、夾層溶液通道(2)、外層氣流通道(3)相互包夾環(huán)繞相互獨(dú)立的三層通道；所述的內(nèi)層氣流通道(I)為位于中心的氣流通道，所述的夾層溶液通道(2)為環(huán)形狹縫單噴絲嘴，所述的外層氣流通道(3)為環(huán)形的氣流通道，所述的夾層溶液通道(2)包夾環(huán)繞所述的內(nèi)層氣流通道(I)，所述的外層氣流通道(3)包夾環(huán)繞所述的夾層溶液通道(2);所述的內(nèi)層氣流通道(I)和外層氣流通道(3)的入口分別通入高壓氣流，所述的夾層溶液通道(2)入口通入聚合物溶液；所述的夾層溶液通道(2)出口與所述的內(nèi)層氣流通道(I)出口相齊平，所述的外層氣流通道(3)出口高于內(nèi)層氣流通道(I)出口。
3.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的內(nèi)層氣流通道(I)和外層氣流通道(3)，該兩通道入口的氣體壓力在0.6-1.2MPa范圍內(nèi)，且外層氣流壓力低于內(nèi)層氣流壓力。
4.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的夾層溶液通道⑵溶液出口的縫隙寬度(b)在0.1-0.3_之間。
5.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的內(nèi)層氣流通道(I)氣流出口孔徑(c)在0.5-1.5mm范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的外層氣流通道(3)氣流出口縫隙寬度(a)在0.8-2.5mm范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的外層氣流通道(3)出口高于內(nèi)層氣流通道(I)出口，所述的氣流出口處的高度差(d)在0.5_3.0mm范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的氣流出口處的高度差(d)是1.0mm或3.0mm。
9.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的每層通道為圓柱形，豎直設(shè)置，上端設(shè)置有入口、下端設(shè)置有出口。
10.如權(quán)利要求2所述的一種高速氣流和高壓靜電生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，其特征在于，所述的噴絲頭材質(zhì)采用導(dǎo)電金屬材料制備；所述的噴絲頭連接高壓電源。
【文檔編號(hào)】D01D5/14GK104313708SQ201410667969
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】侯豪情, 程楚云 申請(qǐng)人:江西先材納米纖維科技有限公司