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专利号: 2021111857155
申请人: 中原工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于溶液雾化和静电‑气流接替牵伸的极细纳米纤维的纺丝装置,其特征在于:

包括供液装置(1)、纺丝单元(2)、供气装置(3)、气喷嘴(4)、高压发生装置(5)、接收装置(6)、负压风机(7)、导辊(8)和卷绕装置(9),所述供液装置(1)与纺丝单元(2)相连,所述纺丝单元(2)有两个,两个纺丝单元(2)水平相对放置,所述纺丝单元(2)和气喷嘴(4)分别与供气装置(3)相连;所述高压发生装置(5)的正负极分别与两个纺丝单元(2)相连;所述气喷嘴(4)和接收装置(6)分别置于两个纺丝单元(2)中心轴线的正上方和正下方,所述接收装置(6)连接负压风机(7);

两个纺丝单元(2)间距2‑50 cm,所述接收装置(6)与气喷嘴(4)间距为20‑100 cm,所述气喷嘴(4)与两个纺丝单元(2)所在水平线的间距为1‑10 cm;

所述气喷嘴(4)为收扩结构的空心圆管,收扩结构由三个阶段组成,分别为入口段(21)、中间段(22)和出口段(23),中间段(22)直径小于入口段(21)和出口段(23),中间段(22)直径1‑10 mm;

所述纺丝单元(2)由进液口(14)、液室(15)、进气口(16)、气室(17)和纺丝喷嘴(20)构成;所述气室(17)直径2‑10 cm,所述液室(15)直径1‑9 cm,液室(15)的壁面沿圆周方向开设一定数量的圆孔(18),所述圆孔(18)直径0.1‑5 mm,孔间距0.1‑5 mm,所述纺丝喷嘴(20)直径0.1‑9 mm;

两个纺丝单元被分别施加正电压和负电压,使两个纺丝单元间形成共轭电场,从两个纺丝单元喷射的超多微小液滴在共轭电场中被分别荷上正电荷和负电荷,同时被电场力预牵伸形成细小射流,并运动至两个纺丝单元的中心轴线处,当细小射流在中心轴线处相遇后,电荷中和,然后,供气装置匀速定量地将气体输送至气喷嘴,从入口段进入经出口段喷出,喷出的高速气体在两个纺丝单元的中心轴线处与预牵伸的细小射流相遇,吸引带动这些细小射流沿高速气体的流动方向运动,并将细小射流牵伸细化成极细纳米纤维。

2.根据权利要求1所述的纺丝装置,其特征在于:所述接收装置(6)为表面带圆孔的圆管,直径1‑1000 mm,表面圆孔孔径1‑20 mm,孔间距1‑10 mm。

3.根据权利要求1所述的纺丝装置,其特征在于:所述导辊(8)直径1‑1000 mm,所述卷绕装置(9)直径1‑1000 mm。

4.利用权利要求1‑3任一所述的纺丝装置制备基于溶液雾化和静电‑气流接替牵伸的极细纳米纤维的方法,其特征在于:首先利用气泡雾化技术将纺丝溶液雾化成超多微小液滴,接着利用静电牵伸技术将雾化液滴预牵伸成细小射流,最后利用气流接替衰减的电场将预牵伸射流最终牵伸成极细纳米纤维。

5.根据权利要求4所述的极细纳米纤维的制备方法,其特征在于采用如下步骤进行:

(1)将任意一种或多种能够静电纺丝的高分子聚合物溶解于单一或混合的有机溶剂中,得到质量分数为2%‑30%的聚合物纺丝溶液;

(2)供液装置匀速定量地将纺丝溶液输送至纺丝单元的液室,供气装置将气体输送至纺丝单元的气室,气体经液室壁面的圆孔进入液室,溶液流量10‑1000 ml/h,气体压力

0.001‑1 MPa;气体与溶液在液室混合形成包含大量气泡的气液混合物(19),然后在溶液的推动作用下经纺丝喷嘴流出;气液混合物流出纺丝喷嘴后,由于纺丝喷嘴内外压差的作用,气液混合物中包含的大量气泡炸裂,击碎溶液使其雾化形成超多微小液滴(10);

(3)打开高压发生装置,两个纺丝单元被分别施加正电压和负电压,使两个纺丝单元间形成共轭电场,正电压为0‑50 kV,负电压为‑50‑0 kV,从两个纺丝单元喷射的超多微小液滴在共轭电场中被分别荷上正电荷和负电荷,同时被电场力预牵伸形成细小射流(11),并运动至两个纺丝单元的中心轴线处;当细小射流在中心轴线处相遇后,电荷中和;

(4)供气装置匀速定量地将气体输送至气喷嘴,从入口段进入经出口段喷出,输送的气体经过气喷嘴的三个阶段结构变化后,气体速度显著提升,入口气体速度大于5 m/s,喷出的高速气体在两个纺丝单元的中心轴线处与预牵伸的细小射流相遇,吸引带动这些细小射流沿高速气体的流动方向运动,并将细小射流牵伸细化成极细纳米纤维(12),极细纳米纤维(12)直径小于100 nm;

(5)打开负压风机,使接收装置表面形成负压吸力,这样步骤(4)形成的极细纳米纤维在负压吸力、高速气体牵伸力的共同作用下沉积在接收装置表面,形成纳米纤维膜(13),接着在导辊的作用下输送至卷绕装置,获得连续的纳米纤维卷装。

6.根据权利要求5所述的极细纳米纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中负压风机流量大于1000 ml/h,接收装置转速大于0.1 m/h,导辊转速大于0.1 m/h,卷绕装置转速大于0.1 m/h。