一种静电熔喷纺丝装置及其方法
阅读说明：本技术 一种静电熔喷纺丝装置及其方法 (Electrostatic melt-blown spinning device and method thereof ) 是由 夏赟 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种静电熔喷纺丝装置及其方法,包括喷丝装置和接收装置,所述喷丝装置与接收装置之间设置有高压静电发生器,所述喷丝装置包括喷丝板、进料板和气流板,所述喷丝板上端设置有侧端凸出部及中间凸起部,所述中间凸起部上端设置有喷丝孔,所述气流板设置于所述中间凸起部与侧端凸出部之间。本发明将静电纺丝技术与熔喷纺丝技术相结合,提供了一种新型静电纺织设备及方法,解决了熔喷丝直径宽度分布宽的问题；改变了喷丝孔的分布方式,降低了静电纺丝因电场分布不均造成的负面影响,使得纤维直径更加均匀；本发明保持了熔喷纺丝较高的生产效率,原料转化率高,成品过滤精度高。(The invention relates to an electrostatic melt-blown spinning device and a method thereof, and the electrostatic melt-blown spinning device comprises a spinning device and a receiving device, wherein a high-voltage electrostatic generator is arranged between the spinning device and the receiving device, the spinning device comprises a spinneret plate, a feeding plate and an airflow plate, the upper end of the spinneret plate is provided with a side end protruding part and a middle protruding part, the upper end of the middle protruding part is provided with a spinning hole, and the airflow plate is arranged between the middle protruding part and the side end protruding part. The invention combines the electrostatic spinning technology with the melt-blown spinning technology, provides novel electrostatic spinning equipment and a method, and solves the problem of wide diameter and width distribution of melt-blown yarns; the distribution mode of spinneret orifices is changed, the negative influence of electrostatic spinning caused by uneven electric field distribution is reduced, and the fiber diameter is more uniform; the invention keeps higher production efficiency of melt-blown spinning, has high conversion rate of raw materials and high filtration precision of finished products.)
技术领域
本发明属于熔喷非织造技术领域，具体涉及一种静电熔喷纺丝装置及其方法。
背景技术
熔喷布是口罩最核心的材料，熔喷布主要以聚丙烯为主要原料，纤维直径可以达到1～5微米。空隙多、结构蓬松、抗褶皱能力好，具有独特毛细结构的超细纤维，能够增加单位面积纤维的数量和表面积，从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、吸纳材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料及擦拭布等领域。
传统的口罩滤材制作工艺是微米级熔喷技术，传统的一次性医用口罩和N95口罩主要依靠无纺布的“静电吸附”作为主要的过滤手段，粉尘、含有细菌、病毒的飞沫靠近这种熔喷无纺布后，会被静电吸附在熔喷布表面，无法透过。由于粉尘等悬浮颗粒被超细静电纤维捕捉住后，极不易因清洗而脱离，且水洗会破坏静电的吸尘能力，因此这种口罩只能一次性使用，且熔喷法制备的纤维直径较低，尺度可控性差，纤维直径分布较宽，影响高效过滤精度。
静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，即泰勒锥，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，从而生产出纳米级直径的聚合物细丝，传统静电纺丝技术制备的纤维直径较粗，但直径分布窄。静电纺丝主要包括溶液静电纺丝和熔体静电纺丝。
中国专利CN108642575A公开了一种通过新型静电纺丝装置批量制备纳米纤维的静电纺丝方法，该装置包括储液管、高压静电发生器和负极接收机构，储液管设有辅助泰勒锥产生的组件，所述装置还包括有高频震动传感器，静电纺丝方法包括：纺丝液注入储液管中，纺丝液面覆盖用于辅助泰勒锥产生的组件，高频震动传感器对纺丝液进行干扰，使纺丝液面在辅助泰勒锥产生的组件上形成泰勒锥，产生的泰勒锥在高压静电发生器的静电场作用下被拉细成丝，并被接收在负极接收机构上，形成纳米纤维。本发明解决了现有静电纺丝技术生产效率低以及纤维直径分布不均的问题；但该发明需使用溶剂，存在一定的问题，如：溶剂制备和残留溶剂回收问题、应用于生物医药领域的安全问题、一些聚合物如聚丙烯和聚乙烯在室温下找不到适当的溶剂配成溶液、且溶剂易蒸发，溶剂的蒸发导致纤维表面不平整，原料转化率低。
熔体静电纺丝技术可以制备出纳米级的超细纤维，由于其装置相对于溶液静电纺丝较为复杂，且制得的纤维比溶液静电纺丝制得的纤维粗，因而对该方法的研究较少。但熔体静电纺丝是一种更经济、更环保、更安全的可替换溶液静电纺丝的方法，具有一定的研究意义。
因此，如何将设计一种溶液静电纺丝技术，将静电纺丝技术与熔喷纺丝技术相结合，解决熔喷丝直径宽度分布宽的问题，解决静电纺丝生产效率低的问题，降低静电纺丝因电场分布均匀性使得纤维直径更加均匀，提高产品性能，对本领域技术人员来说是至关重要的。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于利用静电纺丝技术与熔喷纺丝技术相结合，解决熔喷丝直径宽度分布宽的问题，解决静电纺丝生产效率低的问题，降低静电纺丝因电场分布均匀性使得纤维直径更加均匀。
为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。
一种静电熔喷纺丝装置，包括喷丝装置和接收装置，所述喷丝装置与接收装置之间设置有高压静电发生器，所述喷丝装置包括喷丝板、进料板和气流板，所述进料板设置于所述喷丝板底部，所述喷丝板上端设置有侧端凸出部及中间凸起部，所述中间凸起部上端设置有喷丝孔，所述气流板设置于所述中间凸起部与侧端凸出部之间。
优选地，所述中间凸起部在喷丝板上呈S型曲线放置，所述喷丝孔为S型分布阵列，所述气流板一侧也为S型曲线。
优选地，所述S型曲线和S型分布阵列的曲率半径为5～100mm。
优选地，所述喷丝装置与接收装置之间的距离为50～500mm。
优选地，所述喷丝板中间凸起部的角度为30～150°。
优选地，所述高压静电发生器输出高压直流电场，所述高压直流电场的静电电压为5～50kV。
优选地，所述喷丝板上表面设置有气腔，所述气流板上设置有进气孔和输气孔，所述气腔、所述进气孔与所述输气孔连通，所述喷丝板与进料板之间设置有过滤层。
优选地，所述静电熔喷纺丝装置与计量泵相连，所述计量泵与挤出机相连。
一种静电熔喷纺丝方法，使用上述所述的一种静电熔喷纺丝装置，包括以下步骤：
S1、将原材料放置于挤出机中熔融形成熔体；
S2、熔体通过计量泵，计量泵测量输出的熔体流量；
S3、将熔体通入进料板；
S4、熔体经过过滤层过滤；
S5、向进气孔通入气体；气体经输气孔向气腔运动，喷出高温气流；
S6、所述高温气流推动熔体从喷丝孔喷出；
S7、在电场作用下，喷丝孔针头处的熔体液滴形成泰勒锥，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝；
S8、该纤维细丝被接收在接收装置上，形成纳米纤维。
优选地，所述气流的温度为180～220℃，所述气流的速度为10～50m/s。
本发明所获得的有益技术效果：
1)本发明将静电纺丝技术与熔喷纺丝技术相结合，提供了一种新型静电纺织设备及方法，解决了熔喷丝直径宽度分布宽的问题。
2)本发明改变了喷丝孔的分布方式，将直行阵列改造为S型分布阵列，降低了静电纺丝因电场分布不均造成的负面影响，使得纤维直径更加均匀。
3)本发明的装置结构相对于现有技术更为简洁，且无需使用溶剂，工艺简单，更加经济、环保和安全。
4)本发明保持了熔喷纺丝较高的生产效率，同时进一步降低了产品的直径，原料转化率高，成品过滤精度高。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明的喷丝装置的结构示意图；
图2是本发明中的喷丝板的结构示意图；
图3是本发明的使用方法的原理图。
其中：1、喷丝板；2、进料板；3、侧端凸出部；4、中间凸出部；5、喷丝孔；6、气流板；；7、气腔；8、进气孔；9、输气孔；10、接收装置。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
实施例1
如附图1-2所示，一种静电熔喷纺丝装置，包括喷丝装置和接收装置，所述喷丝装置与接收装置10之间设置有高压静电发生器，所述喷丝装置包括喷丝板1、进料板2和气流板6，所述进料板2设置于所述喷丝板1底部，所述喷丝板1上端设置有侧端凸出部3及中间凸起部4，所述中间凸起部4上端设置有喷丝孔5，所述气流板6设置于所述中间凸起部4与侧端凸出部3之间。
进一步的，所述中间凸起部4在喷丝板1上呈S型曲线放置，所述喷丝孔5为S型分布阵列，所述气流板一侧也为S型曲线。
进一步的，所述S型曲线和S型分布阵列的曲率半径为5～100mm。
进一步的，所述喷丝装置与接收装置10之间的距离为50～500mm。
进一步的，进一步的，所述中间凸起部4的横切面为三角形，所述喷丝板1中间凸起部4的角度为120°。
进一步的，所述高压静电发生器输出高压直流电场，所述高压直流电场的静电电压为5～50kV。
进一步的，所述喷丝板1上表面设置有气腔7，所述气流板6上设置有进气孔8和输气孔9，所述气腔7、所述进气孔8与所述输气孔9连通，所述喷丝板1与进料板2之间设置有过滤层。
进一步的，所述静电熔喷纺丝装置与计量泵相连，所述计量泵与挤出机相连。
进一步的，所述S型曲线可替换为正弦曲线。
实施例2
本实施例是在上述实施例1的基础上进行阐述，与上述实施例1相同之处不予赘述。
本实施例主要介绍一种喷丝板的结构。
本实施例是在上述实施例1的基础上进行阐述，主要介绍该装置中的喷丝孔5。
所述喷丝板1为HALF结构，所述喷丝板1包括两个熔喷板组件，所述每个熔喷板组件上端一侧设置有侧端凸出部3，所述每个熔喷板组件上端另一侧设置有尖端凸出部，所述两个尖端凸出部组成中间凸起部4，所述两个熔喷板组件之间通过导向定位结构或研合连接。
进一步的，所述导向定位结构包括凸出部和凹陷部，所述凸出部和凹陷部分别设置在两个熔喷板组件上，所述凸出部和凹陷部匹配连接。
进一步的，所述尖端凸出部中间部设置有喷丝孔5，所述喷丝孔5为一排均匀分布的柱体凹槽，所述柱体凹槽位于尖端凸出部4的侧面。
进一步的，所述喷丝孔5的横截面为圆弧形、方形、三角形中的一种或任意结合。
进一步的，所述喷丝孔5的孔径为0.05～0.15mm或0.2～0.25mm，所述喷丝孔的深度为1.5～4mm。
进一步的，所述喷丝孔5位于两个熔喷板组件中的其中一个。
进一步的，所述喷丝孔5位于两个熔喷板组件上。
实施例3
本实施例是在上述实施例1的基础上进行阐述，与上述实施例1相同之处不予赘述。
本实施例主要介绍一种静电熔喷纺丝方法，使用上述实施例所述的一种静电熔喷纺丝装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将原材料放置于挤出机中熔融形成熔体；
S2、熔体通过计量泵，计量泵测量输出的熔体流量；
S3、将熔体通入进料板2；
S4、熔体经过过滤层过滤；
S5、向进气孔8通入气体；气体经输气孔9向气腔7运动，喷出高温气流；
S6、所述高温气流推动熔体从喷丝孔5喷出；
S7、在电场作用下，喷丝孔针头处的熔体液滴形成泰勒锥，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝；
S8、该纤维细丝被接收在接收装置10上，形成纳米纤维。
进一步的，所述气流的温度为180～220℃，所述气流的速度为10～50m/s。
实施例4
本实施例是在上述实施例3的基础上进行阐述，主要介绍该静电熔喷纺丝方法的优选使用条件。
所述静电电压为5～50kV。
所述S型和S型分布阵列的曲率半径为10～50mm。
所述喷丝板与接收装置之间的距离为100～300mm。
所述气流温度控制为200℃。
所述气流的速度为30m/s。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。
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