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一种 纤维毡制备装置及其制备方法

阅读：832发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种纤维毡制备装置及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种纤维毡制备装置及其制备方法。其中，一种纤维毡制备装置，包括喷头、气液混合加速器、转速控制器、气源、气泵、进气管、溶液流量控制器、溶液槽、高压电源、摄像机、纤维接收装置、控制中心，所述喷头内腔用于存储纺丝溶液，喷头侧壁上对称设有多个斜插入喷头内腔的进气管，喷头下端设有纺丝头，纺丝头末端对称设有多个纺丝孔，所述喷头与高压电源电性连接，所述气液混合加速器设置于喷头内腔中，所述气源与气泵接通，所述溶液槽管道接通喷头上端，所述溶液流量控制器设置在溶液槽与喷头的连接管道上，所述摄像机设置在纺丝孔的出口处，所述纤维接收装置设置在喷头下方，本发明能够制备出高比表面积、高孔隙率、少串珠的纤维毡。，下面是一种纤维毡制备装置及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种纤维毡制备装置，其特征在于，包括喷头、气液混合加速器、转速控制器、气源、气泵、进气管、溶液流量控制器、溶液槽、高压电源、摄像机、纤维接收装置、控制中心，所述喷头内腔用于存储纺丝溶液，喷头侧壁上对称设有多个斜插入喷头内腔的进气管，且与喷头侧壁间形成的夹角为锐角，喷头下端设有圆锥状的纺丝头，纺丝头末端对称设有多个纺丝孔，所述喷头与高压电源电性连接，所述高压电源与控制中心电性连接，所述气液混合加速器设置于喷头内腔中，气液混合加速器与转速控制器电性连接，所述转速控制器与控制中心电性连接，所述气源与气泵接通，气泵与控制中心电性连接，所述溶液槽管道接通喷头上端，所述溶液流量控制器设置在溶液槽与喷头的连接管道上，溶液流量控制器与控制中心电性连接，所述摄像机设置在纺丝孔的出口处，所述纤维接收装置设置在喷头上的纺丝头下方,纤维接收装置接地。
2.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于,所述进气管有两个，与喷头侧壁间所形成的夹角为锐角。
3.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，所述气液混合加速器可以为涡流发生器或涡流式搅拌器，其转速范围为0r/min-3000r/min。
4.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，气泵泵入气流的气流速度的范围为0m/s-30m/s。
5.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，溶液流量控制器泵入纺丝溶液的流速范围为20μl/hr-10l/hr。
6.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，所述高压电源的输出电压值为
1kV-50kV。
7.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，所述纺丝孔孔深范围为20μm-
3cm，内径范围为20μm-1000μm。
8.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，所述纤维接收装置为收集板或滚筒或平行电极或电极网中的一种，与纺丝孔的间距为5mm-10cm。
9.根据权利要求1所述的纤维毡制备装置，其特征在于，所述摄像机为CCD工业相机或高速摄像机。
10.一种纤维毡制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.组装各组件，确保喷头的气密性；
b.向溶液槽注入纺丝溶液，设定纺丝溶液泵入喷头内腔的供液速度，供液速度范围为
20μl/hr-10l/hr；
c.喷头内腔充满纺丝溶液后，开启气源，设定泵入气体的流速范围为0m/s-30m/s，使溶液内有规律地产生气泡；
d.待溶液、气泡都泵入稳定后，开启气液混合加速器，设定其转速为10r/min-3000r/min，这时溶液形成涡流，与气泡充分接触、混合，被输送至喷头末端的纺丝孔；
e.开启高压电源，设定其电压输出值为1kV-50kV，纺丝孔处的溶液在高压电场的作用下形成泰勒锥，发生喷射，以纤维毡的形式沉积在纤维接收装置上。

说明书全文

一种纤维毡制备装置及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纤维毡制备设备及工艺，应用于微纳米材料成形工艺技术领域，具体是一种纤维毡制备装置及其制备方法。

背景技术

[0002] 静电纺丝技术能够连续电纺出纳米纤维，在纤维毡制备领域中越来越受到重视，其基本原理是：溶液在微管口形成稳定的带电小液滴，带电小液滴处于强电场力作用下会形变成泰勒锥，当电场力大于流体表面张力时，射流从泰勒锥喷射出，受到静电场力、粘滞阻力、表面张力等作用不断被拉伸细化，沉积收集装置上获得纳米纤维毡。

[0003] 单针头电纺设备的产量一般为0.1g/h至1.0g/h，无法满足批量电纺的产量要求。电纺高粘度、高浓度溶液时，纺丝针头容易堵塞，影响电纺进程。若采用多针头阵列进行批量化电纺，虽然产量可能够得到提升，但是纺丝针头容易堵塞的问题依然没有得到解决。此外，多针头电纺的电场相互干扰，出现“边缘效应"现象，纤维向周边扩散，出现射流不稳定、纤维均匀度差、针头滴液等现象，无法进一步提高批量电纺的产量。

[0004] 对此，国内外研究人员对批量化电纺装置进行了深入的研究，捷克Elmarco公司采用转轮对纺丝溶液进行诱导产生射流，其纺丝产量得到提升，提出“纳米蜘蛛”批量电纺装置，并申请了专利(WO2005024101)，但是该批量电纺装置的纤维直径范围大，纤维毡孔隙率不理想。中国专利CN102181947B提出激振式电纺装置，利用激振器使纺丝液面产生波动，从而形成射流进行批量电纺，但是该技术方案纤维直径可控性差，纤维毡内串珠较多。气泡批量电纺CN102691115B、离心式批量电纺CN102061530B、针尖诱导式批量电纺CN102191573B等技术方案均能较好地解决了传统纺丝头容易堵塞、难以清洗，形成多股超细射流，提高纺丝效率。目前，批量电纺装置制备纤维毡的纤维直径可控性差，纤维中含有较多的串珠等影响纤维毡性能的结构缺陷。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种纤维毡制备装置及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种纤维毡制备装置，包括喷头、气液混合加速器、转速控制器、气源、气泵、进气管、溶液流量控制器、溶液槽、高压电源、摄像机、纤维接收装置、控制中心，所述喷头内腔用于存储纺丝溶液，喷头侧壁上对称设有多个斜插入喷头内腔的进气管，且与喷头侧壁间形成的夹角为锐角，喷头下端设有圆锥状的纺丝头，纺丝头末端对称设有多个纺丝孔，所述喷头与高压电源电性连接，所述高压电源与控制中心电性连接，所述气液混合加速器设置于喷头内腔中，气液混合加速器与转速控制器电性连接，所述转速控制器与控制中心电性连接，所述气源与气泵接通，气泵与控制中心电性连接，所述溶液槽管道接通喷头上端，所述溶液流量控制器设置在溶液槽与喷头的连接管道上，溶液流量控制器与控制中心电性连接，所述摄像机设置在纺丝孔的出口处，所述纤维接收装置设置在喷头上的纺丝头下方,纤维接收装置接地。

[0008] 优选的，所述进气管有两个，与喷头侧壁间所形成的夹角为锐角。

[0009] 进一步的，所述气液混合加速器可以为涡流发生器或涡流式搅拌器，其转速范围为0r/min-3000r/min。

[0010] 进一步的，气泵泵入气流的气流速度的范围为0m/s-30m/s。

[0011] 进一步的，溶液流量控制器泵入纺丝溶液的流速范围为20μl/hr-10l/hr。

[0012] 进一步的，所述高压电源的输出电压值为1kV-50kV。

[0013] 进一步的，所述纺丝孔孔深范围为20μm-3cm，内径范围为20μm-1000μm。

[0014] 优选的，所述纤维接收装置为收集板或滚筒或平行电极或电极网中的一种，与纺丝孔的间距为5mm-10cm。

[0015] 优选的，所述摄像机为CCD工业相机或高速摄像机。

[0016] 一种纤维毡制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0017] a.组装各组件，确保喷头的气密性；

[0018] b.向溶液槽注入纺丝溶液，设定纺丝溶液泵入喷头内腔的供液速度，供液速度范围为20μl/hr-10l/hr；

[0019] c.喷头内腔充满纺丝溶液后，开启气源，设定泵入气体的流速范围为0m/s-30m/s，使溶液内有规律地产生气泡；

[0020] d.待溶液、气泡都泵入稳定后，开启气液混合加速器，设定其转速为10r/min-3000r/min，这时溶液形成涡流，与气泡充分接触、混合，以图2所示的流体路线被输送至喷头末端的纺丝孔；

[0021] e.开启高压电源，设定其电压输出值为1kV-50kV，纺丝孔处的溶液在高压电场的作用下形成泰勒锥，发生喷射，以纤维毡的形式沉积在纤维接收装置上。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 本发明结构提供一种纤维毡制备装置及其制备方法，通过气液混合加速器使纺丝溶液以轴向、径向、周向流动，最后溶液被输送至喷头内腔末端的纺丝孔，无须额外的泵送装置；气液混合加速器使溶液与泵入的气泡充分混合，加速纺丝溶液与气泡的混合率，提高气液均匀性；当溶液在喷头末端内壁发生轴向、径向、周向湍流运动时，含有气泡的溶液在纺丝孔口处于气固液三相非稳态湍动，溶液表面(尤其是气泡表面)在静电场作用下发生劈裂，形成泰勒锥，产生射流。该流动行为更加有利于纺丝孔处形成射流，制备纤维毡。附图说明

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0025] 图1是本发明整体结构示意图。

[0026] 图2是本发明的喷头内部流道示意图。

[0027] 图3是本发明的进气管安装俯视示意图。

[0028] 图中：1、喷头，2、气液混合加速器，3、转速控制器，4、气源，5、气泵，6、进气管，7、溶液流量控制器，8、溶液槽，9、高压电源，10、摄像机，11、纤维接收装置，12、控制中心，13、纺丝头，14、纺丝孔。

具体实施方式

[0029] 下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 如图1～3所示，本发明提供一种纤维毡制备装置，包括喷头1、气液混合加速器2、转速控制器3、气源4、气泵5、进气管6、溶液流量控制器7、溶液槽8、高压电源9、摄像机10、纤维接收装置11、控制中心12，所述喷头1内腔用于存储纺丝溶液，喷头1侧壁上对称设有两个斜插入喷头1内腔的进气管6，且与喷头1侧壁间形成的夹角为45°，喷头1下端设有圆锥状的纺丝头13，纺丝头13末端对称设有多个纺丝孔14，所述喷头1与高压电源9电性连接，所述高压电源9与控制中心12电性连接，从而能够在控制中心12设定高压电源9的高压静电输出值，使喷头1与纤维收集装置11之间产生高压电场；所述气液混合加速器2设置于喷头1内腔中，在其作用下纺丝溶液与气泡混合并发生涡流行为，最后被输送至喷头1末端，气液混合加速器2与转速控制器3电性连接，所述转速控制器3与控制中心12电性连接，从而能够在控制中心12设定气液混合加速器2的转速；如图3所示，气源4与气泵5接通，通过进气管6对喷头1内腔提供气体，气泵5与控制中心12电性连接，可以调节气源4向喷头1供气的流速和方式，所述溶液槽8管道接通喷头1上端，所述溶液流量控制器7设置在溶液槽8与喷头1的连接管道上，溶液流量控制器7与控制中心12电性连接，可以在控制中心12设定溶液的供液速度；所述摄像机10设置在纺丝孔14的出口处，可以将纺丝孔14处的泰勒锥及射流出源点显示在控制中心的显示器上，便于观察并及时调整纺丝参数；所述纤维接收装置11设置在喷头1上的纺丝头13下方,纤维接收装置11接地。

[0031] 所述气液混合加速器2可以为涡流发生器或涡流式搅拌器，其转速范围为0r/min-3000r/min。

[0032] 气泵5泵入气流的气流速度的范围为0m/s-30m/s。

[0033] 溶液流量控制器7泵入纺丝溶液的流速范围为20μl/hr-10l/hr。

[0034] 所述高压电源9的输出电压值为1kV-50kV。

[0035] 所述纺丝孔14孔深范围为20μm-3cm，内径范围为20μm-1000μm。

[0036] 所述纤维接收装置11为收集板或滚筒或平行电极或电极网中的一种，与纺丝孔14的间距为5mm-10cm。

[0037] 所述摄像机10为CCD工业相机或高速摄像机，能够将纺丝孔14的液体锥形状、射流保存记录、显示在控制中心，观察、研究本装置纺丝的情况。

[0038] 下面阐述将一种纤维毡制备制备方法，本实施例采用3％PEO溶液(溶剂为酒精/蒸馏水，体积比1:1)进行制备纤维毡：

[0039] a.按图1装配各组件，确保喷头1的气密性；

[0040] b.向溶液槽8注入3％PEO纺丝溶液，将纺丝溶液泵入喷头1内腔的供液速度设定为800μl/hr；

[0041] c.喷头1内腔充满纺丝溶液后，开启气源4，设定泵入气体的流速为2.5m/s，使溶液内有规律地产生气泡；

[0042] d.待溶液、气泡都泵入稳定后，开启气液混合加速器2，设定其转速为300r/min，这时溶液形成涡流，与气泡充分接触、混合，以图2所示的流体路线被输送至喷头末端的纺丝孔14；

[0043] e.开启高压电源9，设定其电压输出值为15kV，纺丝孔14处的溶液在高压电场的作用下形成泰勒锥，发生喷射，以纤维毡的形式沉积在纤维接收装置11上。

[0044] 工作过程：溶液经溶液流量控制器7泵入喷头1腔内；气体经气泵5输送至喷头1腔内，在溶液中形成气泡；气液混合加速器2带动溶液形成涡流，溶液被输送至纺丝孔14处，并高压电场作用下向纤维接收装置11喷射，最后以纤维毡形式沉积于纤维沉积装置11上。

[0045] 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

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