一种连续化溶液离心纺丝装置

本发明属于纤维材料纺丝，特别涉及一种连续化溶液离心纺丝装置及方法。

背景技术：

1、随着微纳米技术研究的不断深入，微纳米纤维的应用越发广泛，随之而来的是市场对于微纳米纤维膜的巨大需求。当前制备微纳米纤维膜的方法主要有模板法、膜裂法、自组装法、熔喷法、静电纺丝法、离心纺丝法等。其中静电纺丝法是研究较为广泛的基于纺丝溶液制备微纳米纤维的技术。然而，静电纺丝法具有的固有缺陷限制了其大规模使用：(1)制备过程需外加高压电场；(2)多喷头射流间会产生静电相互排斥现象，导致难以扩大生产，生产效率低下；(3)纺丝液体系除粘度要求外还需要满足电荷传导率要求，从而限制了部分产品的开发。

2、相比之下，溶液离心纺丝法作为一种新型微纳米纤维制备技术，无需施加高压电场，其利用高速旋转的装置产生的离心力使纺丝液从纺丝孔中甩出形成射流，在空气中牵伸、固化后形成微纳米纤维。离心纺丝克服了静电纺丝工艺在制备微纳米纤维上的限制，能够以高速和低成本生产微纳米纤维。但是，现有离心纺丝设备结构较为简单，通常为间歇式或半连续式，即纺丝液注入与离心纺丝头旋转分步进行，导致生产效率降低(cn200720312288.1、cn111155178a)。此外由于离心纺丝工艺的特点，微纳米纤维需在离心力作用下从纺丝头侧边微孔甩出，因此目前现有的离心纺丝设备通常将环形收集挡板或收集棒均匀设置在离心纺丝头的四周，导致设备占地较大，且存在由于接收棒间距过大，导致微纳米纤维收集效率低下、飞絮、微纳米纤维取向度不可控等问题(cn105506761b、cn210711837u、cn105350094a、cn203782285u)。因此，亟需开发一种能够实现连续化溶液离心纺丝且能够定向收集微纳米纤维的溶液离心纺丝装置。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可定向收集微纳米纤维的连续化溶液离心纺丝转置。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种连续化溶液离心纺丝装置，包括纺丝液输送组件、离心纺丝头和纤维收集组件；所述的离心纺丝头中心与驱动电机连接，利用电机驱动所述的离心纺丝头旋转；所述的离心纺丝头具有用于容纳纺丝液体的环形内腔，所述的环形内腔的侧面开有连通的喷丝孔；所述的离心纺丝头上设有与纺丝液输送组件配合的环向注液口，所述纺丝液输送组件端部伸入至所述的环向注液口内，将纺丝液连续注入所述的环形内腔内；所述的离心纺丝头的外周还设置有一组叶片，所述叶片随着离心纺丝头一同转动，并形成用于将喷丝孔外纤维向所述纤维收集组件方向牵伸的气流。

4、进一步地，所述的离心纺丝头包括圆环状槽体和环状密封圈；所述的圆环状槽体一侧开口，所述的环状密封圈盖合在所述圆环状槽体侧面的部分开口上，从而形成圆环状豁口作为环向注液口。

5、其中，圆环状槽体和环状密封圈可由金属或塑料通过cnc加工、3d打印、倒模、注塑等方式加工而成。

6、进一步地，所述的喷丝孔间隔分布在所述圆环状槽体的外壁上，数量为2-6个，并与圆环状槽体内部的环形内腔连通；所述的喷丝孔孔径大小为0.3-0.8mm。

7、进一步地，所述的叶片间隔地设置在所述的圆环状槽体外壁上，数量为2-4个；所述的叶片在旋转时产生定向牵伸气流。叶片在纺丝头四周均匀放置，以确保纺丝头高速旋转时，平稳运行。

8、进一步地，所述的圆环状槽体内侧通过一组加强筋连接中部的转轴，所述的转轴与驱动电机连接。

9、进一步地，所述的纺丝液输送组件包括注射泵、输液管和针头；所述的注射泵、输液管和针头依次连接，所述的针头的端部伸入到所述的环向注液口内。

10、进一步地，所述的纤维收集组件包括收集辊和收集电机；所述的收集辊为圆筒状框架，其竖向地与下方的收集电机传动连接，通过收集电机驱动收集辊沿着水平方向转动，从而将形成的纤维丝缠绕在所述的收集辊外表面。

11、离心纺丝时，离心纺丝头由电机带动产生高速旋转，纺丝液从纺丝头背部圆环状豁口中注入，并在纺丝头离心力作用下从喷丝孔中甩出形成微细纺丝射流。于此同时，纺丝头侧边的叶片由纺丝头带动旋转而产生前向气流，纺丝射流在气流带动下进一步牵伸并向前方定向运动，同时溶剂挥发，从而形成超细微纳纤维并沉积在收集辊上，微纳米纤维膜的取向度可以通过收集辊的转速进一步调节。

12、更进一步地，所述装置进行连续化溶液离心纺丝的方法，其特征在于，包括如下步骤：

13、(1)离心纺丝溶液的制备：将高分子原料溶解于合适的溶剂中，分散均匀后得到流动性良好的离心纺丝溶液；

14、(2)将步骤(1)得到的离心纺丝溶液装入纺丝液输送组件中，启动驱动电机并调整离心纺丝头转速；

15、(3)通过纺丝液输送组件将离心纺丝溶液连续注入到转动的离心纺丝头中，进行离心纺丝；

16、(4)将纤维收集组件设置在离心纺丝头叶片旋转产生的气流前方，通过纤维收集组件将喷丝孔内形成的超细纤维进行收集，即得。

17、具体地，步骤(1)中，所述的离心纺丝溶液中的高分子原料为常见天然高分子或者合成高分子原料，包括蚕丝、甲壳素、壳聚糖、聚乙烯醇、聚氨酯、聚乳酸、聚丙烯腈、聚酰胺、聚己内酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或者两种以上的组合。

18、具体地，步骤(2)中，所述的离心纺丝头转速为1000-10000rpm/min，纺丝液从纺丝头的喷丝孔中喷出形成纺丝射流；步骤(4)中，所述的纤维收集组件与离心纺丝头之间的距离控制在10-30cm。收集辊为网笼式，通过电机带动，转速可调为0-2000rpm/min。

19、通过纺丝头高速旋转产生的离心力的牵伸作用、侧边叶片高速旋转产生的前向牵伸气流的协同作用，实现超细纤维的拉伸与定向收集，微纳米纤维向纺丝头前方定向运动并沉积在收集棍上。

20、有益效果：

21、(1)本发明装置能够连续化、大批量制备超细纤维，通过合理的纺丝头设计，实现了离心纺丝过程中纺丝液的连续化供给，以及微纳米纤维的定向收集。本发明装置结构简单，在纺丝过程中，无需施加高压电场，操作环境更安全，工艺的材料适用范围广；接收装置独立放置于纺丝头的前方，从而极大地缩小了离心纺丝设备的尺寸。此外收集组件与离心纺丝头模块化设计，可方便调节接收辊至纺丝头的距离。

22、(2)本发明利用纺丝头旋转，一方面提供离心力形成超细纤维丝，另一方面还可以驱动叶片旋转，形成气流，无需另外引入气流动力，且叶片形成的气流分布更加均匀，避免了已经收集的纤维膜被高压气流破坏。

23、(3)本发明采用离心作用进行纤维丝的一次牵伸成型，同时利用叶片形成的气流对纤维丝进行二次牵伸，实现了更好的纺丝效果。

技术特征：

1.一种连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，包括纺丝液输送组件、离心纺丝头和纤维收集组件；所述的离心纺丝头中心与驱动电机连接，利用电机驱动所述的离心纺丝头旋转；所述的离心纺丝头具有用于容纳纺丝液体的环形内腔，所述的环形内腔的侧面开有连通的喷丝孔；所述的离心纺丝头上设有与纺丝液输送组件配合的环向注液口，所述纺丝液输送组件端部伸入至所述的环向注液口内，将纺丝液连续注入所述的环形内腔内；所述的离心纺丝头的外周还设置有一组叶片，所述叶片随着离心纺丝头一同转动，并形成用于将喷丝孔外纤维向所述纤维收集组件方向牵伸的气流。

2.根据权利要求1所述的连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，所述的离心纺丝头包括圆环状槽体(8)和环状密封圈(10)；所述的圆环状槽体(8)一侧开口，所述的环状密封圈(10)盖合在所述圆环状槽体(8)侧面的部分开口上，从而形成圆环状豁口作为环向注液口(12)。

3.根据权利要求2所述的连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，所述的喷丝孔间隔分布在所述圆环状槽体(8)的外壁上，数量为2-6个，并与圆环状槽体(8)内部的环形内腔连通；所述的喷丝孔孔径大小为0.3-0.8mm。

4.根据权利要求2所述的连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，所述的叶片间隔地设置在所述的圆环状槽体(8)外壁上，数量为2-4个；所述的叶片在旋转时产生定向牵伸气流。

5.根据权利要求2所述的连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，所述的圆环状槽体(8)内侧通过一组加强筋连接中部的转轴，所述的转轴与驱动电机(3)连接。

6.根据权利要求1所述的连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，所述的纺丝液输送组件包括注射泵(1)、输液管(2)和针头(4)；所述的注射泵(1)、输液管(2)和针头(4)依次连接，所述的针头(4)的端部伸入到所述的环向注液口内。

7.根据权利要求1所述的连续化溶液离心纺丝装置，其特征在于，所述的纤维收集组件包括收集辊(6)和收集电机(7)；所述的收集辊(6)为圆筒状框架，其竖向地与下方的收集电机(7)传动连接，通过收集电机(7)驱动收集辊(6)沿着水平方向转动，从而将形成的纤维丝缠绕在所述的收集辊(6)外表面。

8.采用权利要求1所述装置进行连续化溶液离心纺丝的方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的连续化溶液离心纺丝的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的离心纺丝溶液中的高分子原料为常见天然高分子或者合成高分子原料，包括蚕丝、甲壳素、壳聚糖、聚乙烯醇、聚氨酯、聚乳酸、聚丙烯腈、聚酰胺、聚己内酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或者两种以上的组合。

10.根据权利要求8所述的连续化溶液离心纺丝的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的离心纺丝头转速为1000-10000rpm/min；步骤(4)中，所述的纤维收集组件与离心纺丝头之间的距离控制在10-30cm，纤维收集组件中驱动收集辊旋转的电机转速为0-2000rpm/min。

技术总结本发明公开了一种连续化溶液离心纺丝装置，包括纺丝液输送组件、离心纺丝头和纤维收集组件；离心纺丝头中心与驱动电机连接，利用电机驱动所述的离心纺丝头旋转；所述的离心纺丝头具有用于容纳纺丝液体的环形内腔，环形内腔的侧面开有连通的喷丝孔；离心纺丝头上设有与纺丝液输送组件配合的环向注液口，纺丝液输送组件端部伸入至环向注液口内，将纺丝液连续注入所述的环形内腔内；离心纺丝头的外周还设置有一组叶片，叶片随着离心纺丝头一同转动，并形成用于将喷丝孔外纤维向纤维收集组件方向牵伸的气流。技术研发人员：叶超,张文文,王春霞,宋孝浜,陆振乾,崔红,邹冠诚,吴揖涵受保护的技术使用者：盐城工学院技术研发日：技术公布日：2024/5/8