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1、(10)申请公布号 CN 103451753 A (43)申请公布日 2013.12.18 CN 103451753 A *CN103451753A* (21)申请号 201310430188.9 (22)申请日 2013.09.21 D01D 5/00(2006.01) D01D 5/40(2006.01) (71)申请人 北京化工大学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路 15 号 (72)发明人 杨卫民 马帅 李好义 刘泽琳 阎华 丁玉梅 (54) 发明名称 一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺 丝装置及方法 (57) 摘要 本发明提出了一种用于高粘度聚合物多射流 的熔体静电纺丝。
2、装置及方法， 该装置主要由驱动 部分、 纺丝部分、 接收部分和抽风部分四部分组 成， 驱动部分、 纺丝部分、 接收部分和抽风部分以 从下到上的位置顺序放置， 其中驱动部分由环形 磁铁片、 托盘、 旋转电机、 牙状下边缘和条形磁铁 片构成， 环形磁铁片粘在托盘上， 托盘与旋转电机 相连， 回转纺丝杆的牙状下边缘斜边上贴有条形 磁铁片， 聚合物的粘度越高， 回转纺丝杆旋转带来 的包轴效应越明显， 聚合物熔体越容易沿回转纺 丝杆上升， 回转纺丝杆上端边缘射流就会越多， 纤 维产量越高， 本发明的装置及方法， 装置简单， 易 于操作， 回转纺丝杆可形成多股射流， 增加产量， 多个杆集成纺丝， 可实现批。
3、量化生产聚合物纤维。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103451753 A CN 103451753 A *CN103451753A* 1/1 页 2 1. 一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 其特征在于 ： 主要由驱动部 分、 纺丝部分、 接收部分和抽风部分四部分组成， 驱动部分、 纺丝部分、 接收部分和抽风部分 以从下到上的位置顺序放置， 其中驱动部分由环形磁铁片、 托盘、 旋转电机、 牙状下边缘和 条形磁铁片构。
4、成， 环形磁铁片粘在托盘上， 托盘与旋转电机相连， 托盘与旋转电机整体位于 聚合物熔池隔热层下方 ； 纺丝部分由回转纺丝杆、 温控箱、 聚合物熔池内壁层、 聚合物熔池 加热层、 聚合物熔池隔热层、 轴承、 固定轴、 紧固螺钉和密封圈构成， 聚合物熔池内壁层、 聚 合物熔池加热层、 聚合物熔池隔热层从内到外依次排列， 聚合物熔池加热层接有温控箱， 回 转纺丝杆、 轴承、 固定轴、 紧固螺钉和密封圈均位于聚合物熔池内壁层以内， 固定轴通过紧 固螺钉固定在熔池底部， 其下端与聚合物熔池内壁层的连接部分加有密封圈， 固定轴与回 转纺丝杆通过轴承联接， 轴承内圈与固定轴过盈配合， 轴承外圈与回转纺丝杆过。
5、盈配合， 回 转纺丝杆为圆柱状空心杆， 底部有一圈牙状下边缘， 牙状下边缘斜边上贴有条形磁铁片， 牙 状下边缘的条形磁铁片的磁性与环形磁铁片的磁性相同 ; 接收部分由带孔电极板和静电 发生器构成 , 带孔电极板置于回转纺丝杆上方 ; 抽风部分由抽风箱和抽风机构成 , 抽风机 为抽风箱提供动力， 抽风箱置于带孔电极板上方， 沿回转杆纺丝的旋转方向垂直向上抽风。 2. 根据权利要求 1 所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 其特征 在于 ： 回转纺丝杆为圆柱状空心杆 , 顶部为凹陷半球状。 3. 根据权利要求 1 所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 其特征 在于 。
6、： 在带孔电极板与回转纺丝杆之间放置绝缘的收集网。 4. 采用权利要求 1 所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置进行纺 丝的方法， 其特征在于 ： 先将聚合物加入聚合物熔池中， 启动温控箱将温度调至纺丝温度， 启动旋转电机， 托盘连同环形磁铁片一起转动， 环形磁铁片与条形磁铁片之间的斥力推动 回转纺丝杆转动， 先以低转速驱动回转纺丝杆旋转， 搅拌物料并使物料受热均匀 ； 随着物料 逐渐熔融， 逐渐提高电机转速， 当熔体可沿回转纺丝杆上升至回转纺丝杆上端边缘时， 开启 抽风机并给带孔电极板加载电压， 此时回转纺丝杆上端边缘出现多射流， 聚合物熔体在电 场力和风力作用下， 在带孔电极。
7、板处形成纤维。 5. 根据权利要求 4 所述的一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝方法， 其特征 在于 ： 在带孔电极板与回转纺丝杆之间放置绝缘的收集网， 收集网的驱动装置可带动收集 网移动， 纺制的丝通过收集网离开回转纺丝杆的顶端区域， 通过卷绕装置收集起来。 权 利 要 求 书 CN 103451753 A 2 1/4 页 3 一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种聚合物熔体静电纺丝的装置及方法， 特别是涉及一种用于高粘度 聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法， 属于静电纺丝领域。 背景技术 0002 工业上常用的粘度较低的高聚物熔体， 。
8、熔体静电纺丝法可以制备出质量良好的超 细纤维， 但对于粘度较高的高聚物熔体， 纺丝过程中容易堵住喷丝头， 不易形成射流， 影响 纺丝效率和质量。 0003 高聚物熔体具有一种叫做包轴效应的弹性流变效应， 其原因由于靠近转轴表面的 流体的线速度较高， 分子链被拉伸缠绕在轴上。取向了的分子又自发恢复到卷曲构象的倾 向， 但此弹性回复受到转轴的限制， 使这部分弹性能表现为一种包轴的内裹力， 把熔体分子 沿轴向上挤， 形成包轴层。 0004 专利 CN102191568A 提到一种利用包轴效应的熔体静电纺丝的装置， 其方法是利 用单根毛细管， 至从上而下纺丝。 由于包轴效应是将熔体分子沿轴向上挤， 此。
9、装置并未充分 利用此原理， 且单喷头只能形成单射流， 效率较低。 发明内容 0005 本发明的目的是设计一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法， 利用磁场力驱使回转纺丝杆绕固定轴在聚合物熔池转动， 使高粘度熔体沿转轴上升， 同时 在电场力作用下形成多射流， 最终在接收装置上形成纤维。调节电场强度、 纺丝距离、 电机 转速和聚合物熔池温度等参数， 可以制备出不同粘度的高粘度聚合物纤维， 简捷高效。 0006 实现上述目的的技术方案是， 一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装 置， 由驱动部分、 纺丝部分、 接收部分和抽风部分四部分组成， 驱动部分、 纺丝部分、 接收部 分和抽风部。
10、分以从下到上的位置顺序放置。其中驱动部分由环形磁铁片、 托盘、 旋转电机、 牙状下边缘和条形磁铁片构成， 环形磁铁片粘在托盘上与旋转电机相连， 整体位于聚合物 熔池隔热层下方， 牙状下边缘位于回转纺丝杆下端， 其斜边上贴有条形磁铁片， 牙状下边缘 的条形磁铁片的磁性与环形磁铁片的磁性相同。旋转电机转动时， 托盘连同环形磁铁片一 起转动， 环形磁铁片与条形磁铁片之间的斥力推动回转纺丝杆转动， 旋转电机转速越大， 回 转纺丝杆旋转越快。 0007 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 纺丝部分由回转纺丝 杆、 温控箱、 聚合物熔池内壁层、 聚合物熔池加热层、 聚合物熔池隔热层、 轴。
11、承、 固定轴、 紧固 螺钉和密封圈构成。聚合物熔池池壁有三层， 聚合物熔池内壁层、 聚合物熔池加热层、 聚合 物熔池隔热层从内到外依次排列， 聚合物熔池加热层接有温控箱， 温控箱位于聚合物熔池 隔热层以外， 整体构成熔池的加热部分， 使池内物料熔融并保温， 回转纺丝杆、 轴承、 固定 轴、 紧固螺钉和密封圈均位于聚合物熔池内壁层以内。固定轴通过紧固螺钉固定在熔池底 部， 其下端与聚合物熔池内壁层的连接部分加有密封圈， 避免高聚物熔体溢出， 固定轴与回 说 明 书 CN 103451753 A 3 2/4 页 4 转纺丝杆通过轴承联接， 轴承内圈与固定轴过盈配合， 轴承外圈与回转纺丝杆过盈配合。。
12、 回 转纺丝杆为圆柱状空心杆， 顶部为凹陷半球状， 底部有一圈牙状下边缘， 在环形磁铁片与条 形磁铁片之间磁场斥力作用下， 高聚物熔体因包轴效应在回转纺丝杆附近聚集并沿回转纺 丝杆逐渐上升到顶端边缘处。 0008 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 接收部分由带孔电极 板和静电发生器构成。 带孔电极板置于回转纺丝杆上方， 有多排垂直通孔， 静电发生器给带 孔电极板提供电势与回转纺丝杆形成电势差， 聚集到回转纺丝杆上边缘的熔体在电场力的 拉伸作用下形成多股射流， 在带孔电极板得到纤维。 0009 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 抽风部分由抽风箱和 抽风机构。
13、成。 抽风机为抽风箱提供动力， 抽风箱置于带孔电极板上方， 沿回转杆纺丝的旋转 方向垂直向上抽风， 对纤维起到风力拉伸的作用， 有助于纤维收集和降低纤维直径。 0010 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 尤其适用于熔体流动 速率小于 30g/min 的高粘度聚合物熔体， 纺丝原料可以是聚合物颗粒料、 粉料、 切片或熔 体， 内聚合物熔池加热层可以采用闭环的温度控制， 接收装置可以采用导电平板、 导电网、 卷筒等， 静电发生器的输出极可为正极或负极， 抽风装置风压可调， 旋转电机为无极变速。 0011 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 其使用方法为 ： 先。
14、将 聚合物粒料或粉末加入聚合物熔池中， 启动温控箱将温度调至纺丝温度， 启动旋转电机， 以 低转速驱动回转纺丝杆旋转， 搅拌物料并使物料受热均匀。 随着物料逐渐熔融， 逐渐提高电 机转速， 当熔体可沿回转纺丝杆上升至上端边缘时， 开启抽风机并给带孔电极板加载电压， 此时回转纺丝杆上端边缘出现多射流， 聚合物熔体在电场力和风力作用下， 在带孔电极板 处形成纤维。 启动接收部分， 将丝连续缠绕收集起来。 聚合物的粘度越高， 包轴效应越明显， 聚合物熔体越容易沿回转纺丝杆上升， 回转纺丝杆上端边缘射流就会越多， 纤维产量越高。 0012 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置及方法， 主。
15、要优点和作 用为 ： 0013 （1） 装置简单， 易于操作。 0014 （2） 利用熔体静电纺丝法制备纯净的高粘度聚合物纤维， 粘度越高， 效果越好。 0015 （3） 回转纺丝杆可形成多股射流， 增加产量。 0016 （4） 利用此装置进行多个杆集成纺丝， 可实现批量化生产高粘度聚合物纤维。 附图说明 0017 图 1 是本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的总体示意图。 0018 图 2 是本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的环形磁铁片 示意图。 0019 图 3 是本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的回转纺丝杆 等轴侧示意图。 0020 图。
16、 4 是本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置的聚合物熔池 池壁示意图。 0021 图中 ： 1- 抽风箱， 2 抽风机， 3- 带孔电极板， 4- 静电发生器， 5- 回转纺丝杆， 6- 温 控箱， 7- 聚合物熔池内壁层， 8- 聚合物熔池加热层， 9- 聚合物熔池隔热层， 10- 轴承， 11- 固 说 明 书 CN 103451753 A 4 3/4 页 5 定轴， 12- 紧固螺钉， 13- 密封圈， 14- 环形磁铁片， 15- 托盘 16， 旋转电机， 17- 牙状下边缘， 18- 条形磁铁片。 具体实施方式 0022 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装。
17、置， 如图 1-4 所示， 由驱 动部分、 纺丝部分、 接收部分、 抽风部分四部分组成， 以从下到上的位置顺序安放。 驱动部分 由环形磁铁片 14、 托盘 15、 旋转电机 16、 牙状下边缘 17 和条形磁铁片构成， 环形磁铁片 14 粘在托盘 15 上， 与旋转电机 16 相连， 整体位于聚合物熔池隔热层 9 下方， 牙状下边缘 17 位 于回转纺丝杆 5 下端， 其斜边上贴有条形磁铁片 18， 条形磁铁片 18 与环形磁铁片 14 的磁 性相同。旋转电机 16 转动时， 托盘 15 连同环形磁铁片 14 一起转动， 环形磁铁片 14 与条形 磁铁片 18 之间的斥力推动回转纺丝杆 5 转。
18、动， 旋转电机 16 转速越大， 回转纺丝杆 5 旋转越 快。 0023 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 纺丝部分由回转纺丝 杆 5、 温控箱 6、 聚合物熔池内壁层 7、 聚合物熔池加热层 8、 聚合物熔池隔热层 9、 轴承 10、 固 定轴 11、 紧固螺钉 12 和密封圈 13 构成。聚合物熔池池壁有三层， 从内到外依次为聚合物 熔池内壁层 7、 聚合物熔池加热层 8、 聚合物熔池隔热层 9， 聚合物熔池加热层 8 接有温控箱 6， 温控箱6位于聚合物熔池隔热层9以外， 整体构成聚合物熔池的加热部分， 使池内物料熔 融并保温， 回转纺丝杆5、 轴承10、 固定轴11。
19、、 紧固螺钉12和密封圈13均位于聚合物熔池内 壁层以内。固定轴 11 通过紧固螺钉 12 固定在熔池底部， 固定轴 11 下端与聚合物熔池内壁 层 7 的连接部分加有密封圈 13， 避免高聚物熔体溢出， 固定轴 11 与回转纺丝杆 5 通过轴承 10 联接， 轴承 10 内圈与固定轴 11 过盈配合， 轴承 10 外圈与回转纺丝杆 5 过盈配合。回转 纺丝杆5为圆柱状空心杆， 顶部为凹陷半球状， 底部有一圈牙状下边缘17， 在环形磁铁片14 与条形磁铁片18之间磁场斥力作用下， 高聚物熔体因包轴效应在回转纺丝杆5附近聚集并 沿回转纺丝杆 5 逐渐上升到顶端边缘处。 0024 本发明一种用于高。
20、粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 接收部分由带孔电极 板 3 和静电发生器 4 构成。带孔电极板 3 置于回转纺丝杆 5 上方， 有多排垂直通孔， 静电发 生器 4 给带孔电极板 3 提供电势与回转纺丝杆 5 形成电势差， 聚集到回转纺丝杆 5 上边缘 的熔体在电场力的拉伸作用下形成多股射流， 在带孔电极板 3 得到纤维。 0025 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 抽风部分由抽风箱 1 和抽风机 2 构成。抽风机 2 为抽风箱 1 提供动力， 抽风箱 1 置于带孔电极板 3 上方， 沿回 转杆纺丝的旋转方向垂直向上抽风 （图中箭头所指为抽风方向） ， 对纤维起到风力拉。
21、伸的作 用， 有助于纤维收集和降低纤维直径。 0026 本发明一种用于高粘度聚合物多射流的熔体静电纺丝装置， 其使用方法为 ： 先将 聚合物粒料或粉末加入聚合物熔池中， 启动温控箱 6 将温度调至纺丝温度， 启动旋转电机 16， 以低转速驱动回转纺丝杆 5 旋转， 搅拌物料并使物料受热均匀。随着物料逐渐熔融， 逐 渐提高旋转电机 16 转速， 当熔体可沿回转纺丝杆 5 上升至上端边缘时， 打开抽风机 2 进行 抽风， 并给带孔电极板 3 加载电压， 此时回转纺丝杆 5 上端边缘出现多射流， 射流以螺旋线 的方式运动， 在电场力和风力作用下， 在带孔电极板 3 处形成纤维。聚合物的粘度越高， 包。
22、 轴效应越明显， 聚合物熔体越容易沿回转纺丝杆5上升， 回转纺丝杆5上端边缘射流就会越 说 明 书 CN 103451753 A 5 4/4 页 6 多， 纤维产量越高。 0027 本发明的一个实施例 ： PCL 颗粒料， 材料平均分子量为 40000， 熔点为 59-64， 玻 璃化温度为 -60， 软化温度为 60-70， 分解温度为 200， 熔指为 2g/10min。设定聚合物 熔池内壁层温度 180， 纺丝电压为 60KV。接收方式为带孔电极板， 目数为 10， 带孔电极板 与回转纺丝杆上端边缘距离15cm， 与抽风箱距离5cm， 回转纺丝杆直径为10mm。 根据上述工 艺过程， 所得纤维的直径为微米或纳米级， 产量为 8g/h。 说 明 书 CN 103451753 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103451753 A 7 。