本發(fā)明涉及紡絲，具體涉及一種熱氣流吹紡裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、納米纖維作為一種先進材料，因其優(yōu)異的機械性能、極高的比表面積、高孔隙率等特性，在能源生產(chǎn)、水處理、環(huán)境修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、航空航天等方面展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。然而納米纖維的規(guī)模化生產(chǎn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，為了滿足納米纖維產(chǎn)品日益增長的市場需求和推動納米纖維在全球范圍內(nèi)各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，迫切地需要一種高生產(chǎn)效率并且工藝簡單、安全性高的制備方式。

2、目前已報道了多種納米纖維制備技術(shù)，但一些方法僅適用于實驗室規(guī)模的研究，難以在工業(yè)化生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用，比如模板合成、分子自組裝和水熱法。雖然熔噴紡絲這種技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但是這種方式制備的纖維直徑較粗(>1μm)，并且這種方式只能夠生產(chǎn)熱塑性的聚合物。目前，主要用于制備納米纖維的方法包括靜電紡絲、離心紡絲、溶液噴射紡絲和微流控紡絲等。靜電紡絲是一種常用的紡絲方式，其通過靜電作為驅(qū)動力將溶液從針頭處轉(zhuǎn)化為射流噴出，經(jīng)歷電場力拉伸和溶劑揮發(fā)的過程最終形成聚合物纖維。靜電紡絲由于其出色的通用性、簡單性和加工系統(tǒng)的低成本被作為各種領(lǐng)域制備納米纖維的通用方式，但其廣泛的工業(yè)應(yīng)用仍然存在一些挑戰(zhàn)。首先由于生產(chǎn)過程中使用電場作為驅(qū)動力，所以靜電紡絲設(shè)備需要使用高壓電，這會帶來巨大的安全隱患；其次靜電紡絲中使用的溶劑的介電常數(shù)要求阻礙了某些高鹽濃度溶液的紡絲；并且靜電紡絲還存在著一個最大的缺點就是生產(chǎn)效率較低。離心紡絲這種技術(shù)也被稱為旋轉(zhuǎn)噴射紡絲和強制紡絲，離心紡絲使用機械力作為驅(qū)動力，將熔融或液體溶液拉伸成纖維。離心紡絲在聚合物和溶劑方面具有廣泛的通用性，并且離心紡絲不需要高壓電的驅(qū)動，紡絲方式較為簡單，并且工藝成本較低，適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。但是離心紡絲獲得的纖維直徑較粗，并且使用離心紡絲制備的纖維直徑和形貌控制精度較低。微流控紡絲技術(shù)因其對纖維組成、尺寸和形態(tài)的精確控制而備受關(guān)注，然而由于其制造工藝的復(fù)雜性和困難性限制了該技術(shù)的發(fā)展，并且這種工藝制備納米纖維的效率低下，所以該工藝難以大規(guī)模生產(chǎn)納米纖維。盡管現(xiàn)有的納米纖維制備方法在材料性能和結(jié)構(gòu)控制上取得了顯著進展，但在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)和制備方面仍需克服許多困難。

3、溶液噴射紡絲(sbs)是一種運用氣體剪切力作為驅(qū)動力進行紡絲的方式，使用高速氣流在氣液界面處產(chǎn)生剪切力，當(dāng)剪切力大于液體的表面張力的時候液體形成射流噴出，并且在射流運動過程中溶劑揮發(fā)形成固體纖維，最終沉積在收集極上。不同于其他紡絲方式，溶液噴射紡絲可以使用各種各樣的收集極，比如金屬網(wǎng)、塑料網(wǎng)、非織造布料、金屬籠和滾筒等。得益于收集方式的靈活性，溶液噴射紡絲可以制備不同維度和形狀的納米材料，如薄膜、海綿等。溶液噴射紡絲相較于靜電紡絲不存在復(fù)雜的電場設(shè)計和高壓安全問題，并且這種工藝具有效率高、適用于更廣泛的溶液體系、纖維結(jié)構(gòu)和直徑可控等諸多優(yōu)點。然而纖維織物的品質(zhì)和紡絲效率受限于溶劑的揮發(fā)性，紡絲溶液的溶劑揮發(fā)性較差會導(dǎo)致制備的纖維呈現(xiàn)黏連狀態(tài)或是聚合物液滴殘留量大，這都是由于在紡絲過程中溶劑未及時揮發(fā)造成的。由于溫度升高可以增加液體分子的平均動能，從而加快分子從液相進入氣相的過程，因此，提升溫度是加快溶劑揮發(fā)的有效方式。對此，溶液噴射紡絲的創(chuàng)始者medeiros提出了使用火焰對紡絲氣流進行加熱從而使溶劑的揮發(fā)加快，成功地解決了以水作為溶劑的聚乙烯醇溶液難紡絲的問題。但是這種加熱的方式會造成溶液過早的凝固從而堵塞針頭，導(dǎo)致紡絲過程無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，并且使用明火會造成嚴重的安全隱患，導(dǎo)致其無法在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用。因此需要一種更安全可靠的方式來加快溶液噴射紡絲過程中溶劑的揮發(fā)，從而提升生產(chǎn)效率，以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱氣流吹紡裝置及方法，使用加熱后的高速氣流提升了紡絲過程中的溶劑揮發(fā)速度并且有效避免了加熱會使針頭尖端固化堵塞的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種熱氣流吹紡裝置，包括紡絲溶液射流機構(gòu)、熱氣流噴射機構(gòu)和纖維接收器，熱氣流噴射機構(gòu)的熱氣流噴射口與紡絲溶液射流機構(gòu)的紡絲溶液射流口之間存在夾角，紡絲溶液射出后與熱氣流交匯且噴射出的熱氣流流速大于紡絲溶液流速。

4、優(yōu)選地，所述紡絲溶液射流機構(gòu)包括裝有紡絲溶液的推進器，推進器同軸設(shè)置有紡絲溶液針頭和氣體噴嘴，氣體噴嘴連接有高壓氣泵。

5、優(yōu)選地，所述熱氣流噴射機構(gòu)包括熱氣流噴嘴，熱氣流噴嘴連接有熱氣流管線，熱氣流管線連接有增壓機。

6、優(yōu)選地，熱氣流噴射機構(gòu)的熱氣流噴射口與紡絲溶液射流機構(gòu)的紡絲溶液射流口之間的夾角為30°-90°。

7、優(yōu)選地，所述熱氣流流速為20-80m/s。

8、優(yōu)選地，所述熱氣流噴射口與接收器的距離為0.3-1m。

9、優(yōu)選地，所述熱氣流的噴射方向與接收器平面垂直。

10、另一方面，本發(fā)明提供了利用上述熱氣流吹紡裝置進行熱氣流吹紡的方法，紡絲溶液噴射形成溶液射流后與射出的熱氣流交匯，由于熱氣流流速大于紡絲溶液流速，使得紡絲溶液射流偏離到熱氣流的軸線上，并在到達接收器的過程中，熱氣流加速紡絲溶液的溶劑揮發(fā)，最終在接收器上得到納米纖維織物。

11、優(yōu)選地，當(dāng)紡絲溶液為pvp紡絲液時，熱氣流溫度為50-580℃；當(dāng)紡絲溶液為pvb紡絲液時，熱氣流溫度為50-580℃；當(dāng)紡絲溶液為pva-ptee紡絲液時，熱氣流溫度為100-500℃；當(dāng)紡絲溶液為pva紡絲液時，熱氣流溫度為100-580℃；當(dāng)紡絲溶液為peo-cs紡絲液時，熱氣流溫度為190-500℃；當(dāng)紡絲溶液為ps紡絲液時，熱氣流溫度為50-330℃；當(dāng)紡絲溶液為peo紡絲液時，熱氣流溫度為190-400℃；當(dāng)紡絲溶液為pla紡絲液時，熱氣流溫度為50-330℃；當(dāng)紡絲溶液為peo-sa紡絲液時，熱氣流溫度為190-400℃；當(dāng)紡絲溶液為pan紡絲液時，熱氣流溫度為100-270℃；當(dāng)紡絲溶液為peo-ha紡絲液時，熱氣流溫度為280-400℃。

12、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

13、1.本發(fā)明結(jié)合雙氣流紡絲和加熱空氣的方式設(shè)計了一種熱氣流紡絲的方法(即ha-sbs)，溶液射流由常溫的高壓氣體帶動并噴出針頭，在行進過程中遇到加熱后的熱氣流，由于熱氣流的速度更高，所以會導(dǎo)致射流隨著熱氣流的方向運動，并且由于溫度的升高，射流會更加快速地凝固形成纖維。本發(fā)明使用加熱后的高速氣流提升了紡絲過程中的溶劑揮發(fā)速度并且有效避免了加熱會使針頭尖端固化堵塞的問題。

14、2.本發(fā)明驗證了ha-sbs可以實現(xiàn)水溶性聚合物和其他各種聚合物納米纖維的制備，而且該方法具有高的產(chǎn)率，相較于傳統(tǒng)的單針頭靜電紡絲和溶液噴射紡絲的產(chǎn)率有著大幅的提升。這種更高效的生產(chǎn)納米纖維的工藝在宏量化制備納米纖維中存在巨大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.熱氣流吹紡裝置，其特征在于，包括紡絲溶液射流機構(gòu)、熱氣流噴射機構(gòu)和纖維接收器，熱氣流噴射機構(gòu)的熱氣流噴射口與紡絲溶液射流機構(gòu)的紡絲溶液射流口之間存在夾角，紡絲溶液射出后與熱氣流交匯且噴射出的熱氣流流速大于紡絲溶液流速。

2.如權(quán)利要求1所述的熱氣流吹紡裝置，其特征在于，所述紡絲溶液射流機構(gòu)包括裝有紡絲溶液的推進器，推進器同軸設(shè)置有紡絲溶液針頭和氣體噴嘴，氣體噴嘴連接有高壓氣泵。

3.如權(quán)利要求1所述的熱氣流吹紡裝置，其特征在于，所述熱氣流噴射機構(gòu)包括熱氣流噴嘴，熱氣流噴嘴連接有熱氣流管線，熱氣流管線連接有增壓機。

4.如權(quán)利要求1所述的熱氣流吹紡裝置，其特征在于，熱氣流噴射機構(gòu)的熱氣流噴射口與紡絲溶液射流機構(gòu)的紡絲溶液射流口之間的夾角為30°-90°。

5.如權(quán)利要求1所述的熱氣流吹紡裝置，其特征在于，所述熱氣流流速為20-80m/s。

6.如權(quán)利要求1所述的熱氣流吹紡裝置，其特征在于，所述熱氣流噴射口與接收器的距離為0.3-1m。

7.如權(quán)利要求1所述的熱氣流吹紡裝置，其特征在于，所述熱氣流的噴射方向與接收器平面垂直。

8.利用如權(quán)利要求1-7任一項所述的熱氣流吹紡裝置進行熱氣流吹紡的方法，其特征在于，紡絲溶液噴射形成溶液射流后與射出的熱氣流交匯，由于熱氣流流速大于紡絲溶液流速，使得紡絲溶液射流偏離到熱氣流的軸線上，并在到達接收器的過程中，熱氣流加速紡絲溶液的溶劑揮發(fā)，最終在接收器上得到納米纖維織物。

9.如權(quán)利要求8所述的熱氣流吹紡方法，其特征在于，當(dāng)紡絲溶液為pvp紡絲液時，熱氣流溫度為50-580℃；當(dāng)紡絲溶液為pvb紡絲液時，熱氣流溫度為50-580℃；當(dāng)紡絲溶液為pva-ptee紡絲液時，熱氣流溫度為100-500℃；當(dāng)紡絲溶液為pva紡絲液時，熱氣流溫度為100-580℃；當(dāng)紡絲溶液為peo-cs紡絲液時，熱氣流溫度為190-500℃；當(dāng)紡絲溶液為ps紡絲液時，熱氣流溫度為50-330℃；當(dāng)紡絲溶液為peo紡絲液時，熱氣流溫度為190-400℃；當(dāng)紡絲溶液為pla紡絲液時，熱氣流溫度為50-330℃；當(dāng)紡絲溶液為peo-sa紡絲液時，熱氣流溫度為190-400℃；當(dāng)紡絲溶液為pan紡絲液時，熱氣流溫度為100-270℃；當(dāng)紡絲溶液為peo-ha紡絲液時，熱氣流溫度為280-400℃。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種熱氣流吹紡裝置及方法，涉及紡絲技術(shù)領(lǐng)域。其技術(shù)方案為：包括紡絲溶液射流機構(gòu)、熱氣流噴射機構(gòu)和纖維接收器，熱氣流噴射機構(gòu)的熱氣流噴射口與紡絲溶液射流機構(gòu)的紡絲溶液射流口之間存在夾角，紡絲溶液射出后與熱氣流交匯且噴射出的熱氣流流速大于紡絲溶液流速。本發(fā)明的熱氣流紡絲方法，溶液射流由常溫的高壓氣體帶動并噴出針頭，在行進過程中遇到加熱后的熱氣流，由于熱氣流的速度更高，所以會導(dǎo)致射流隨著熱氣流的方向運動，并且由于溫度的升高，射流會更加快速地凝固形成纖維，使用加熱后的高速氣流提升了紡絲過程中的溶劑揮發(fā)速度并且有效避免了加熱會使針頭尖端固化堵塞的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：張俊,龍云澤,高原,張國棟
受保護的技術(shù)使用者：青島大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18