一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置

1.本发明属于多孔膜技术领域，涉及一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置。


背景技术：

2.多孔膜是一种单位面积内具有大量孔结构，且孔隙率高、孔径分布广、孔尺寸可调性强的一类膜状材料，其具有相对密度较低、比强度较高和比表面积较大等优点，已被广泛用于多种领域。目前，在多孔膜在生产过程中，现有的制造装置存在着结构简单和不能连续工作的问题，使整个制造效率大大。同时，在制备聚合物发泡多孔膜的过程中，会出现多孔膜厚难控制，发泡过程需要过多的预处理工序以及后处理工艺，造成生产程序复杂、所需设备过多且设备占地面积过大等问题。
3.目前，已有相关技术人员在本领域做了一些研究。专利cn201810188366.4公开了一种聚合物发泡装置，包括模具、射频电源、第一射频电极和第二射频电极，尽管该装置能够实现迅速发泡，但只能通过更换模具控制膜厚和膜的均匀程度，导致成本高和操作复杂等问题。专利cn201110125456.7公开了一种聚合物多孔膜装置，包括挤出装置、拉伸装置和热处理装置，尽管该装置能够通过热处理和拉伸的方式控制聚合物膜厚，但对聚合物物理机械性能要求较高、原料适应性小且难以实现精确地厚度控制。专利cn202010439792.8公开了一种聚合物发泡系统，包括放卷送料装置、发泡预热装置、垂直发泡装置和冷却装置，尽管该装置能够利用预热和冷却装置的联合作用控制膜厚和均匀度，但过程复杂、装置间的协同作用效果差且空间利用率小。专利cn201920248319.4公开了一种纤维束浸渍装置，包括浸渍腔体和浸渍辊，该装置尽管能够实现纤维束纱线全方位多角度浸渍，但只能通过浸渍辊的回转作用进行搅拌，搅拌方式单一，难以满足高粘度易沉积浸渍液的搅拌需求，造成颗粒物沉积，从而影响浸渍效果。
4.因此，开发可精确调控膜厚的多功能一体化系统，有望解决上述瓶颈问题，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是提供一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，用于解决制备发泡多孔膜过程中膜厚难以控制、难以实现浸渍发泡一体化和设备占地面积广的问题。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，包括箱体、从箱体一内壁延伸至相对内壁的阶梯板、设于阶梯板下方的纱线发泡机构，以及设于箱体入纱口处的退卷器与捻度控制器、设于箱体出纱口处的纱线表面多孔膜均匀化平滑机构；
8.所述的阶梯板为三级阶梯板，相邻阶梯之间通过斜面连接，最下阶梯与箱体内壁形成浸渍槽；中间阶梯边缘处设有溶液拦截片，并与箱体内壁形成溶液过渡槽；
9.所述的溶液过渡槽底部设有连通纱线发泡机构的刮刀涂膜器；
10.所述的箱体内入纱口处设有入口导向轮，所述的浸渍槽内设有浸压辊对，所述的溶液过渡槽上方设有纱线转向轮，所述的箱体出纱口处设有出口导向轮；
11.从退卷器退出的纱线经过捻度控制器后进入箱体，再经过入口导向轮进入浸渍槽内通过浸压辊对进行浸渍辊压，之后经过纱线转向轮、穿过溶液过渡槽，经过刮刀涂膜器进入纱线发泡机构，最后经过出口导向轮穿出箱体，并经纱线表面多孔膜均匀化平滑机构后出料。
12.进一步地，所述的箱体上设有密封盖。
13.进一步地，所述的箱体上、位于阶梯板最上级阶梯上方设有进液口。
14.进一步地，所述的浸渍槽内设有浸渍槽换向轮，所述的纱线经过浸渍槽换向轮后，进入浸压辊对进行辊压。
15.进一步地，所述的浸渍槽底部设有搅拌装置。
16.进一步地，所述的浸渍槽底部及侧壁上铺设有超声装置。
17.进一步地，所述的浸渍槽与溶液过渡槽之间的斜面上，铺设有加热装置。
18.进一步地，所述的箱体内设有溶液回收箱；所述的浸渍槽与溶液过渡槽之间的斜面上，开设有出液管；
19.所述的出液管连通溶液回收箱与浸渍槽。
20.进一步地，所述的纱线发泡机构包括呈u型的梯度变温仓、设于梯度变温仓入口处的纱线/纱条稳定装置、设于梯度变温仓底部的发泡导向轮，以及呈螺旋状绕设于纱线外的纱线发泡机；
21.所述的纱线发泡机为高速叶轮型、高压空气型、鼓风中低压型发泡机中的一种或几种；
22.所述的梯度变温仓由多个依次连接的控温箱组成。
23.进一步地，所述的纱线表面多孔膜均匀化平滑机构包括多个并列设置的刮膜孔，以及与热源及刮膜孔热连接的传热管。
24.本发明利用浸渍发泡一体化装置，通过控制纱线传送速度、超声频率、溶液过渡槽中液体的液面高度、发泡温度和刮膜孔径，以精准控制发泡过程，目的是解决现有聚合物发泡技术中膜厚难以控制、程序复杂且设备占地面积大的问题。
25.本发明的技术原理如下：
26.在纱线传送轮的带动下，纱线从退卷器上退卷，经捻度控制器加捻后，传送至浸渍槽中；浸渍槽中盛有从进液孔投入的聚合物发泡溶液，聚合物发泡溶液在超声振荡以及控制浸压辊挤压纱线并使其恢复原型达到纱线内部充满发泡溶液的目的，多余的溶液经出液口回收至溶液回收箱；随后，纱线在传送轮的带动下传送至溶液过渡槽，进一步在表面包覆发泡溶液，并通过刮涂装置控制纱线表面发泡溶液的厚度；浸渍完成的纱线通过纱线/纱条稳定装置进入到两个垂直放置的纱线发泡机中，两个纱线发泡机的结合，能够抵消掉因重力造成的溶液在纱线下方的积累，在表面形成厚度均匀的多孔膜结构；最后，发泡完成的纱线通过多孔膜均匀装置，形成一定膜厚的多孔纱线，通过设置纱线传送速度、超声频率、溶液过渡槽中液体的液面高度、发泡温度和刮膜孔径实现浸渍发泡一体化，进而实现对纱线发泡膜厚度的调节。
27.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
28.1)本发明的一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，利用梯形浸渍槽和垂直纱线发泡机实现浸渍和发泡功能的一体化，减小了设备占地面积。
29.2)本发明的一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，通过调节溶液过渡槽中液体的液面高度与垂直发泡的方法实现对纱线发泡膜厚度的调节。
附图说明
30.图1为实施例中一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置的结构示意图；
31.图2为纱线表面多孔膜均匀化平滑机构的结构示意图；
32.图中标记说明：
33.1-退卷器、2-捻度控制器、3-密封盖、4-入口导向轮、5-搅拌装置、6-浸压辊对、7-超声装置、8-出液管、9-加热装置、10-溶液回收箱、11-溶液拦截片、12-溶液过渡槽、13-刮刀涂膜器、14-纱线/纱条稳定装置、15-纱线发泡机、16-梯度变温仓、17-进液口、18-纱线表面多孔膜均匀化平滑机构、19-刮膜孔、20-传热管、21-箱体、22-阶梯板、23-浸渍槽、24-出口导向轮、25-纱线转向轮。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
35.如图1所示的一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，包括箱体21、设于箱体21上的密封盖3、从箱体21一内壁延伸至相对内壁的阶梯板22、设于阶梯板22下方的纱线发泡机构，以及设于箱体21入纱口处的退卷器1与捻度控制器2、设于箱体21出纱口处的纱线表面多孔膜均匀化平滑机构18。
36.其中，捻度控制器2可选用倍捻机；阶梯板22具体为三级阶梯板，相邻阶梯之间通过斜面连接，最下阶梯与箱体21内壁形成梯形浸渍槽23；中间阶梯边缘处设有溶液拦截片11，并与箱体21内壁形成溶液过渡槽12；箱体21上、位于阶梯板22最上级阶梯上方设有进液口17。从进液口17加入的浸渍溶液首先积聚于溶液过渡槽12，直至液面超过溶液拦截片11，并积聚于浸渍槽23内。
37.浸渍槽23底部设有搅拌装置5。浸渍槽23底部及侧壁上铺设有超声装置7。箱体21内设有溶液回收箱10；所述的浸渍槽23与溶液过渡槽12之间的斜面上，开设有出液管8；出液管8连通溶液回收箱10与浸渍槽23。
38.溶液过渡槽12底部还设有连通纱线发泡机构的刮刀涂膜器13。浸渍槽23与溶液过渡槽12之间的斜面上，铺设有加热装置9。该加热装置9可选用埋设在阶梯板22内的加热垫。
39.纱线发泡机构包括呈u型的梯度变温仓16、设于梯度变温仓16入口处的纱线/纱条稳定装置14、设于梯度变温仓16底部的发泡导向轮，以及呈螺旋状绕设于纱线外的纱线发泡机15；其中梯度变温仓16由多个依次连接的控温箱组成，纱线/纱条稳定装置14选用刮刀涂膜器。
40.箱体21内入纱口处设有入口导向轮4，浸渍槽23内设有浸渍槽换向轮与浸压辊对6。溶液过渡槽12上方设有纱线转向轮25，箱体21出纱口处设有出口导向轮24。
41.如图2所示，纱线表面多孔膜均匀化平滑机构18包括多个并列设置的刮膜孔19，以及与热源及刮膜孔19热连接的传热管20。
42.从退卷器1退出的纱线经过捻度控制器2后进入箱体21，再经过入口导向轮4进入浸渍槽23内通过浸压辊对6进行浸渍辊压，之后经过纱线转向轮25、穿过溶液过渡槽12，经过刮刀涂膜器13进入纱线发泡机构，最后经过出口导向轮24穿出箱体21，并经纱线表面多孔膜均匀化平滑机构后出料。
43.在一些优选的实施例中，退卷器1上卷绕有纱线/纱条，退卷器1的直径范围为5～10cm。
44.在一些优选的实施例中，在纱线传送轮的传动作用下纱线/纱条从退卷器1上退卷，进入浸渍槽23中，纱线传送轮的外径范围为5～10cm，转速范围为1～1000r/min，传送速度范围为0～1m/s。
45.在一些优选的实施例中，捻度控制器2对处于传送过程中的纱线/纱条进行加捻，捻度控制器2的转速范围为1～2000r/min，捻度范围为5～120捻/10cm。
46.在一些优选的实施例中，搅拌装置上连接有1个搅拌叶轮，叶轮可根据聚合物发泡溶液的性质进行更换，叶轮的种类为开启旋涡式、浆式、框式、推进式、锚式、螺杆式，叶轮的直径范围为60～400mm，转速范围为100～2000rpm。
47.在一些优选的实施例中，超声装置7的功率范围为35～600w，频率范围为20～50khz，厚度范围为2～5cm。
48.在一些优选的实施例中，加热装置9的加热范围为1～200℃。
49.在一些优选的实施例中，浸压辊对6加压的压力范围为10～220n。
50.在一些优选的实施例中，根据纱线的直径以及所要求的多孔膜厚，溶液拦截片11的长度可调节，长度范围为2～10cm。
51.在一些优选的实施例中，溶液过渡槽12中液体的液面高度范围为1～10cm，液面高度能够初步控制多孔膜厚。
52.在一些优选的实施例中，纱线发泡机15采用辐射加热的方式，能够形成温度梯度，精确控制变温过程，两个纱线发泡机15并列垂直放置，两个纱线发泡机15的结合，能够抵消掉因重力造成的溶液在纱线下方的积累，在表面形成厚度均匀的多孔膜结构，纱线发泡机15的温度范围为1～400℃。
53.如上所述的一种用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，根据纱线直径以及所要求的的膜厚，刮膜孔模具的孔径范围为0.05～1cm，传热管的温度范围为1～200℃。
54.本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
55.实施例1：
56.如图1和2所示，本发明的用于制备多孔纱线的多功能溶液浸渍发泡一体化装置，包括纱线控制装置、溶液浸渍装置、纱线发泡机构和纱线表面多孔膜均匀化平滑装置。
57.纱线控制装置主要由退卷器1、捻度控制器2、纱线传送轮4、浸压辊6和纱线/纱条稳定装置14组成，退卷器1与捻度控制器2位于整个一体化装置的外部，处在装置的左上方，纱线卷绕在退卷器1上，退卷器1的直径范围为5～10cm，捻度控制器2与退卷器1相邻，位于
退卷器1的右侧，起到控制纱线捻度的作用，捻度控制器2的转速范围为1～2000r/min，捻度范围为5～120捻/10cm；纱线传送轮分布在一体化装置的内部的各个区域，控制纱线在装置内部传动，纱线传送轮的外径范围为5～10cm，转速范围为1～1000r/min，传送速度范围为0～1m/s，浸压辊对6对纱线施加压力，浸压辊对6的压力范围为10～220n，纱线/纱条稳定装置14位于梯度变温仓16的纱线入口处；
58.溶液浸渍装置主要由梯形浸渍槽23和过渡槽组成；
59.梯形浸渍槽主要由进液口17、密封盖3、搅拌装置5、超声装置7、加热装置9、出液口8、和溶液回收箱10组成，进液口8位于一体化装置的右上方；密封盖3构成装置的顶部，形状大小与装置的顶部相同；搅拌装置5位于梯形浸渍槽的底部，搅拌装置5上连接有1个搅拌叶轮，叶轮可根据聚合物发泡溶液的性质进行更换，叶轮的种类为开启旋涡式、浆式、框式、推进式、锚式、螺杆式，叶轮的直径范围为60～400mm，转速范围为100～2000rpm；超声装置7包围整个梯形浸渍槽的外部，与加热装置9连接，构成梯形浸渍槽的外壁，超声装置7的功率范围为35～600w，频率范围为20～50khz，厚度范围为2～5cm，加热装置9的加热范围为1～200℃，出液口8的一端与梯形浸渍槽的斜面底部连接，另一端与溶剂回收箱10连接，位于梯形浸渍槽的右侧；
60.过渡槽主要由溶液过渡槽12和溶液拦截片11组成，溶液过渡槽12位于整个一体化装置的右上方，左侧与梯形浸渍槽斜面的延伸处相连接，右侧临近进液口17，溶液过渡槽12中液体的液面高度范围为1～10cm，液面高度能够初步控制多孔膜厚；溶液拦截片11安装在溶液过渡槽12的左斜面上，溶液拦截片11的长度可调节，长度范围为2～10cm；
61.纱线发泡机构主要由刮涂装置13、纱线发泡机15和梯度变温仓16组成，刮涂装置13与纱线/纱条稳定装置14相连接，位于梯度变温仓16的顶部；纱线发泡机15位于梯度变温仓16的内部，两个纱线发泡机15并列垂直箱体底部放置，纱线发泡机15的温度范围为1～400℃；梯度变温仓16位于一体化装置的右侧；
62.纱线表面多孔膜均匀化平滑装置18主要由刮膜孔19和传热管20组成，均匀装置安装在纱线出口末端，里面安装有整齐排列的刮膜孔19，在刮膜孔19的下方配有传热管20，传热管20的数量与刮膜孔19相等，根据纱线直径以及所要求的的膜厚，刮膜孔19的孔径范围为0.05～1cm，传热管20的温度范围为1～200℃。
63.实施例1
64.利用一种实施例1中的装置制备发泡多孔纱线，制备步骤如下：
65.第一步：将聚氨酯溶解在n,n-二甲基甲酰胺中，随后加入偶氮二甲酰胺作为发泡剂，均匀搅拌后获得聚合物发泡溶液，发泡溶液中聚氨酯的含量为29wt％，偶氮二甲酰胺的含量为8wt％；
66.第二步：将聚合物发泡溶液加入到梯形浸渍槽23和溶液过渡槽12中，将退卷器1上的纱线从捻度控制器2穿入，经纱线传送装置，喂入到一体化装置中，再从刮膜孔19中穿出；
67.第三步：控制溶液过渡槽12内液面的高度为3cm，设置纱线传送速度为0.3m/s、超声振动功率为120w、频率为50khz、溶液过渡槽12中液体的液面高度为5cm、发泡温度为200℃、刮膜孔19模具的孔径0.5cm。
68.最终获得的纱线表面孔径为90nm，表层多孔膜厚度为188μm。
69.实施例2
70.利用一种实施例1中的装置制备发泡多孔纱线，制备步骤如下：
71.第一步：将聚碳酸酯溶解在n,n-二甲基甲酰胺中，随后加入偶氮二异丁腈作为发泡剂，均匀搅拌后获得聚合物发泡溶液，所述发泡溶液中聚碳酸酯的含量为35wt％，偶氮二异丁腈的含量为16wt％；
72.第二步：将聚合物发泡溶液加入到梯形浸渍槽23和溶液过渡槽12中，将退卷器1上的纱线从捻度控制器2穿入，经纱线传送装置，喂入到一体化装置中，再从刮膜孔19中穿出；
73.第三步：控制溶液过渡槽12内液面的高度为5cm，设置纱线传送速度为0.7m/s、超声振动功率为125w、频率为50khz、溶液过渡槽12中液体的液面高度为6cm、发泡温度为100℃、刮膜孔19模具的孔径0.65cm。
74.最终获得的纱线表面孔径为450nm，表层多孔膜厚度为598μm。
75.实施例3
76.利用一种实施例1中的装置制备发泡多孔纱线，制备步骤如下：
77.第一步：将聚酰胺溶解在甲酸中，随后加入二亚硝基五亚甲基四胺作为发泡剂，均匀搅拌后获得聚合物发泡溶液，所述发泡溶液中聚酰胺的含量为32wt％，二亚硝基五亚甲基四胺的含量为12wt％；
78.第二步：将聚合物发泡溶液加入到梯形浸渍槽23和溶液过渡槽12中，将退卷器1上的纱线从捻度控制器2穿入，经纱线传送装置，喂入到一体化装置中，再从刮膜孔19中穿出；
79.第三步：控制溶液过渡槽12内液面的高度为7cm，设置纱线传送速度为0.8m/s、超声振动功率为90w、频率为40khz、溶液过渡槽12中液体的液面高度为8cm、发泡温度为200℃、刮膜孔19模具的孔径0.87cm。
80.最终获得的纱线表面孔径为192μm，表层多孔膜厚度为780μm。
81.实施例4
82.利用一种实施例1中的装置制备发泡多孔纱线，制备步骤如下：
83.第一步：将聚丙烯溶解在环己酮中，随后加入偶氮二甲酰胺作为发泡剂，均匀搅拌后获得聚合物发泡溶液，所述发泡溶液中聚丙烯的含量为40wt％，偶氮二甲酰胺的含量为9wt％；
84.第二步：将聚合物发泡溶液加入到梯形浸渍槽23和溶液过渡槽12中，将退卷器1上的纱线从捻度控制器2穿入，经纱线传送装置，喂入到一体化装置中，再从刮膜孔中穿出；
85.第三步：控制溶液过渡槽12内液面的高度为4cm，设置纱线传送速度为0.2m/s、超声振动功率为90w、频率为45khz、溶液过渡槽12中液体的液面高度为7.5cm、发泡温度为210℃、刮膜孔19模具的孔径0.69cm。
86.最终获得的纱线表面孔径为198μm，表层多孔膜厚度为320μm。
87.实施例5
88.利用一种实施例1中的装置制备发泡多孔纱线，制备步骤如下：
89.第一步：将聚乙烯溶解在甲苯中，随后加入偶氮二异丁腈作为发泡剂，均匀搅拌后获得聚合物发泡溶液，所述发泡溶液中聚乙烯的含量为38wt％，偶氮二异丁腈的含量为17wt％；
90.第二步：将聚合物发泡溶液加入到梯形浸渍槽23和溶液过渡槽12中，将退卷器1上的纱线从捻度控制器2穿入，经纱线传送装置，喂入到一体化装置中，再从刮膜孔19中穿出；
91.第三步：控制溶液过渡槽12内液面的高度为4.5cm，设置纱线传送速度为0.27m/s、超声振动功率为90w、频率为43khz、溶液过渡槽12中液体的液面高度为8.5cm、发泡温度为102℃、刮膜孔19模具的孔径0.58cm。
92.最终获得的纱线表面孔径为200nm，表层多孔膜厚度为450μm。
93.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。