一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的制作方法

1.本发明涉及一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，属于纺丝设备领域。


背景技术：

2.纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率、独特的物化性能等特点，可被广泛应用于空气滤化、隔音降噪、水过滤等领域。静电纺丝技术是可连续制备、批量化生产纳米纤维方法之一，其原理为聚合物熔体(或溶液)经纺丝喷头流出后在高压电场及表面张力作用下在喷头尖端形成泰勒锥，当电压突破临界阈值时射流被拉伸，在空气中固化成纤(挥发成纤)，静电纺丝分为溶液法和熔体法。传统的静电纺丝为毛细管式，纺丝效率较低，虽然有通过阵列毛细管的方法去提高产量，但毛细管堵塞现象出现频率明显增多，维修清理难度、频率加大。无针式静电纺丝装置成为研究学者研究焦点，主要包括直线式、圆盘式、锥面式、螺旋式等，螺旋式静电纺丝装置由于装置可靠、拆卸方便、维修简便及生产效率高等优点成为静电纺丝技术走向产业化的重要推动力。熔体法螺旋静电纺丝装置专利如一种静电纺纳米纤维非织造布生产装置(授权专利号：cn101476167b)熔体直接暴露于空气中热量损失较大，且在金属滚筒旋转过程中熔体会被挤压到一侧，长时间与氧接触并处于高温状态易降解。溶液法螺旋静电纺丝装置专利如一种圆柱面螺旋阵列的静电纺丝装置及静电纺丝方法(申请号：cn201611181989.6)虽然采用了圆柱面螺旋阵列的结构，但生产效率太低无法满足工业化生产，且存在溶液法有毒溶剂残留、挥发等问题难以处理等难题。


技术实现要素：

3.本发明提出一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，利用螺旋滚筒锯齿状尖端的匀速旋转，将熔料池中聚合物熔体均匀带至螺旋翅筒锯齿状尖端，通过锯齿尖端诱导泰勒锥形成，实现纳米纤维的高效稳定生产。
4.实现上述目的的方案是：一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，包括挤出机、副支撑架、电机a、主动轮a、链条a、主支撑架、熔料池、螺旋翅筒、从动轮a、绝缘支架、高压静电发生器、电极板、滚动轴承、滚筒、卷帘布、挡料板、刮料器、固定螺栓、电滑环、步进电机、滚珠丝杠、氮气罐、电机b、主动轮b、链条b、从动轮b、联轴器、激振器、激振器支架、螺母、等边角钢和加热棒，挤出机由副支撑架固定，电机a通过主动轮a、链条a、从动轮a与螺旋翅筒组成一套传动系统，螺旋翅筒通过固定螺栓、螺母与主支撑架紧固为一体，且螺旋翅筒内部有加热棒，电滑环固定于螺旋翅筒一端，熔料池位于螺旋翅筒下方，带有导轨的挡料板位于熔料池上方，步进电机通过挡料板上滚珠丝杠与刮料器连接，绝缘支架通过固定螺栓、等角边钢、螺母与主支撑架紧固为一体，电极板与高压静电发生器相连，滚动轴承位于主支撑架外侧，电机b通过主动轮b、链条b、从动轮b与滚筒组成另一套传动系统，滚筒穿过滚动轴承构成收卷系统，螺旋翅筒的一端通过联轴器与激振器连接，激振器支架位于激振器下方并与主支撑架紧密连接。
5.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，螺旋翅筒锯齿状尖端突起，
高度为3
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5mm且截面为三角形，尖端螺距为6
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10mm，提供引导泰勒锥的同时防止螺旋翅筒的旋转带动聚合物熔体沿熔料池轴向移动，由铜、铝等导电金属制成，螺旋翅筒直径为70
‑
90mm，螺旋翅筒内部配有加热棒，防止聚合物熔体于锯齿状尖端处发生冷却固化。
6.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，挡料板为锯齿状，与螺旋翅筒锯齿状尖端匹配，配合间隙为2mm以减少外部环境与熔料池间气体交换所导致较大的热量损失。
7.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，氮气罐与熔料池相通，为熔料池输送氮气，氮气充满整个熔料池非熔体空间，防止聚合物熔体与空气接触氧化变性。
8.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，步进电机通过滚珠丝杠与刮料器相连，及时清理未成丝熔体。电滑环固定于螺旋翅筒一端，与螺旋翅筒内部加热棒相连，防止由于螺旋翅筒的旋转导致加热棒电线缠绕。
9.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，电极板与高压静电发生器相连接，为短边长大于螺旋翅筒直径的长方形，绝缘支架的升降可以调节电极板与螺旋翅筒间距，且绝缘支架为绝缘材料，不会对电极板与螺旋翅筒间电场产生干扰。
10.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，螺旋翅筒的一端通过联轴器与激振器相连，激振器频率范围为10
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4000hz，振幅范围为0
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0.2mm，通过激振器提供的激振力使螺旋翅筒获得一定形式和大小的振动量，使射流脱离速度得到相应提升，聚合物熔体在螺旋翅筒旋转时受到的剪切力作用下黏度降低，进而减小自下而上方式的纺丝电压及阈值电压。
11.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，其有益效果为：(1) 与依靠自由表面形成泰勒锥的静电纺丝装置相比，该装置所制备纤维膜质量更优，锯齿状尖端可以引导泰勒锥的形成，泰勒锥的更加稳定，减小了纤维直径分布范围。(2)与毛细管式静电纺丝装置相比，该装置生产效率更高，锯齿的数量决定纤维的根数，每个锯齿都可诱导泰勒锥的形成，一个锯齿即可生成一根纤维。(3)锯齿状尖端在旋转过程中不会阻碍熔体在熔料池中的自由移动，防止熔体表面不平衡现象的出现。(4)激振器通过使螺旋翅筒获得一定量的振动，使射流脱离速度得到相应提升，聚合物熔体在螺旋翅筒旋转时受到的剪切力作用下黏度降低，降低了自下而上纺丝方式的阈值电压。(5) 本装置结构简单，所占空间较小，具有模块化拓展性，可广泛应用于实验室研究及产业化制备等领域。
附图说明
12.图1是本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置示视图。
13.图2是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的前等轴侧视图。
14.图3是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的后等轴侧视图。
15.图4是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的主支撑架连接示意图。
16.图5是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的螺旋翅剖视图。
17.图6是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的螺旋翅筒示意图。
18.图7是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的螺旋翅筒锯齿状尖端展开示意图。
19.图8是图1本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置的熔料池示意图。
20.图中：1
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挤出机；2
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副支撑架；3
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电机a；4
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主动轮a；5
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链条a；6
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主支撑架；7
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熔料池；8
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螺旋翅筒；9
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从动轮a；10
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绝缘支架；11
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高压静电发生器；12
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电极板；13
‑
滚动轴承；14
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滚筒；15
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卷帘布；16
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挡料板；17
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刮料器；18
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固定螺栓；19
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电滑环；20
‑
步进电机；21
‑
滚珠丝杠；22
‑
氮气罐； 23
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电机b；24
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主动轮b；25
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链条b；26
‑
从动轮b；27
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联轴器；28
‑
激振器； 29
‑
激振器支架；30
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螺母；31
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等边角钢；32
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加热棒。
具体实施方式
21.本发明提出一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，如图1
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图4所示，包括挤出机1、副支撑架2、电机a3、主动轮a4、链条a5、主支撑架6、熔料池7、螺旋翅筒8、从动轮a9、绝缘支架10、高压静电发生器11、电极板12、滚动轴承13、滚筒14、卷帘布15、挡料板16、刮料器17、固定螺栓 18、电滑环19、步进电机20、滚珠丝杠21、氮气罐22、电机b23、主动轮 b24、链条b25、从动轮b26、联轴器27、激振器28、激振器支架29、螺母 30、等边角钢31、加热棒32。挤出机1由副支撑架2固定，电机a3通过主动轮a4、链条a5、从动轮a9与螺旋翅筒8组成一套传动系统，螺旋翅筒8 通过固定螺栓18、螺母30与主支撑架6紧固为一体，且螺旋翅筒8内部有加热棒32，见图5
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图8，电滑环19固定于螺旋翅筒8一端，熔料池7位于螺旋翅筒8下方，带有导轨的挡料板16位于熔料池7上方，氮气罐22与熔料池7 相通，刮料器17与挡料板16导轨轨迹重合，绝缘支架10通过固定螺栓18、等角边钢31、螺母30于主支撑架6紧固为一体，电极板12与高压静电发生器11相连，滚动轴承13位于主支撑架6外侧，电机b21通过主动轮b24、链条b25、从动轮b26与滚筒14组成一套传动系统，螺旋翅筒8的一端通过联轴器27与激振器28连接，激振器支架29位于激振器28下方并与主支撑架6 紧密连接。
22.本发明一种螺旋锯齿供料式熔体微分静电纺丝装置，其使用方法步骤为：聚合物经挤出机1熔融塑化后进入熔料池7中，电机a3通过主动轮a4、链条 a5、从动轮a9带动螺旋翅筒8做旋转运动，螺旋翅筒8螺棱上分布有锯齿状尖端，在高压电场下诱导泰勒锥的形成，当电压突破阈值电压时射流突破熔体间粘滞阻力形成射流，在空气中固化成纤，形成纳米纤维，加热棒32位于螺旋翅筒8内部为其提供热量，防止熔体冷却干扰纺丝过程，螺旋翅筒8的一端通过联轴器26与激振器28相连，通过激振器28提供的激振力使螺旋翅筒获得一定形式和大小的振动量，进而降低自下而上方式的熔体电纺阈值电压，获得更好的纺丝效果，步进电机20通过滚珠丝杠21带动刮料器17沿熔料池7长边方向来回移动，及时清理未成丝的熔体，氮气罐22释放氮气，使氮气充满整个熔料池7，避免聚合物熔体与空气过多接触导致氧化变性，电机 b23通过主动轮b24、链条b25、从动轮b26带动滚筒14做旋转运动，实现卷帘布15的循环运动，由此纳米纤维均化成膜。纺丝过程中，螺旋翅筒8与电极板12间会产生300
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500道聚合物射流，经冷却固化后纤维直径在0.5
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5μm 之间，产量约为每小时5千克。