一种微波加热熔体静电纺丝装置

摘要

本发明属于熔体静电纺丝设备技术领域，涉及一种微波加热熔体静电纺丝装置，推进泵的前侧面上设有推进泵按钮、推进泵开关和电子显示屏，推进泵的上端固定安装制有料筒，料筒的一端与推进器连接，另一端与物料管连接，物料管设置在微波加热腔内；物料管穿过微波加热腔与熔融喷头连接，微波加热腔的前侧面上设有微波频率调节旋钮、加热时间设定旋钮和温度控制旋钮；高压电源的正极与熔融喷头连接，负极与竖向放置的收集装置连接；熔融喷头与收集装置之间的距离为10‑20厘米；高压电源上设有高压电源开关和电压调节旋钮；其结构简单，操作方便，使用安全，成本低，纺丝效率高，自动化程度高，环境友好，利于产业化大规模制备纳米纤维。

权利要求

1.一种微波加热熔体静电纺丝装置，其特征在于主体结构包括推进泵、料筒、微波加热腔、熔融喷头、物料管、推进泵旋钮、推进泵开关、微波频率调节旋钮、加热时间设定旋钮、温度控制旋钮、高压电源开关、电压调节旋钮、高压电源、收集装置和电子显示屏；推进泵的前侧面上设有推进泵旋钮、推进泵开关和电子显示屏，推进泵开关控制推进泵的打开和关闭，推进泵的推进速率通过调节推进泵旋钮设定，电子显示屏显示设定的推进速率；推进泵的上端固定安装制有料筒，料筒的一端与推进泵连接，另一端与物料管连接，物料管设置在微波加热腔内；物料管穿过微波加热腔与熔融喷头连接，微波加热腔的前侧面上设有微波频率调节旋钮、加热时间设定旋钮和温度控制旋钮；高压电源的正极与熔融喷头连接，负极与竖向放置的收集装置连接；熔融喷头与收集装置之间的距离为10-20厘米；高压电源上设有高压电源开关和电压调节旋钮。

2.根据权利要求1所述的微波加热熔体静电纺丝装置，其特征在于使用时，先将静电纺丝原料加入料筒中，调节推进泵旋钮设定推进泵的推进速率，电子显示屏上显示推进速率；

再打开推进泵开关，在推进泵的推动作用下，将静电纺丝原料送到物料管内，然后调节微波频率调节旋钮，根据静电纺丝原料选择微波频率进行加热，加热时间通过加热时间设定旋钮设定，通过温度控制旋钮调控加热温度，设定的加热温度要高于静电纺丝原料的熔融温度；静电纺丝原料加热到设定的加热温度后，打开高压电源开关，调节电压调节旋钮使工作电压传到熔融喷头，静电纺丝过程开始，在收集装置上收集得到静电纺丝纳米纤维。

3.根据权利要求2所述的微波加热熔体静电纺丝装置，其特征在于所述静电纺丝原料为聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚(乙二醇-己内酯)、聚(乙烯-乙烯醇)、聚丙烯、聚乙烯、全芳香环聚酯和聚萘二甲酸乙二醇酯高分子材料中的一种或两种以上。

说明书

一种微波加热熔体静电纺丝装置

技术领域：

[0001] 本发明属于熔体静电纺丝设备技术领域，涉及一种微波加热熔体静电纺丝装置，用于规模化制备微纳米纤维。背景技术：

[0002] 静电纺丝是目前制备聚合物微纳米纤维最简单高效的方法之一，以其装置简单、原料来源广泛、成本低廉等优点，受到国内外广泛关注与研究。静电纺丝技术的原理非常简单，静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体在电场力和表面张力的共同作用下形成泰勒锥，随着电压的增大，当静电力大于液滴表面张力时，泰勒锥锥尖会喷射出带电的不稳定射流，射流在下落过程中受到电场力的拉伸细化(鞭动效应)或劈裂细化，最终在收集板上得到固化的纳米纤维。与传统的溶液静电纺丝相比，熔体静电纺丝以下优点：一是经济，在纺丝过程中不需要有机溶剂，因此无需考虑溶剂(特别是规模化静电纺丝下某些有害或价格较高的溶剂)的成本及回收问题；二是高效，制得的纤维纯度高，避免溶剂的残留问题；三是环保，有效避免有机溶剂排放对人类和环境的危害。随着静电纺丝技术的不断进步发展，作为重要分支的熔体静电纺丝，在提高纺丝产量，拓展纤维应用领域等方面有着溶液静电纺丝无法比拟的巨大优势，近年来，开发和完善熔体静电纺丝技术已成为电纺研究热点之一。

[0003] 熔体静电纺丝虽然早在1936年Charles Norton等人的专利中就已提出，但是由于制备的纤维直径较大以及需要加热装置等原因，直到1981年才有相关的研究论文出现，进入21世纪之后，真正掀起了熔体静电纺丝技术的研究热潮。随着电纺技术的不断发展进步，各种改进的新型熔体静电纺丝装置被报道出来，针对熔体静电纺丝加热设备的开发设计一直都是研究者们关注的焦点。目前采取的加热方式主要有激光加热(J.Appl.Polym.Sci.,2007,104:1368)、电加热、流体加热(Biotechnol.J.,2006,1:98)和热风加热(Polymer,
2007,48:6823)等，其中电加热是目前较为普遍的加热方式，但是采用电热线圈对聚合物熔体进行加热时，由于加热时间较长，可能导致聚合物降解，同时出于安全因素的考虑，如何避免电压干扰的难题，使得设备仪器更加复杂；激光加热装置加热点集中，加热时间短，且与高电压无相互影响，但是缺陷在于无法实现加热温度的精确控制；热风加热虽然设备简单、成本较低，但是气流的存在往往容易对熔体射流的运动和沉积造成干扰；流体加热通常根据聚合物熔点不同，分别采用水浴或油浴，其中适用循环水加热的聚合物熔点温度在55-
60℃；循环油可加热的温度达到255℃，温度范围的局限大大限制了装置的通用性，并且在操作过程中安全性小。因此，寻求设计一种操作灵活、结构简单、通用高效、能够用于规模化制备微纳米纤维的熔体静电纺丝装置具有良好的研究与应用价值。
发明内容：

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对普通熔体静电纺丝装置结构比较复杂、加热温度和纺丝过程不易调控、难以规模化生产等缺点，寻求设计一种便捷安全高效的微波加热熔体静电纺丝装置。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的主体结构包括推进泵、料筒、微波加热腔、熔融喷头、物料管、推进泵旋钮、推进泵开关、微波频率调节旋钮、加热时间设定旋钮、温度控制旋钮、高压电源开关、电压调节旋钮、高压电源、收集装置和电子显示屏；推进泵的前侧面上设有推进泵按钮、推进泵开关和电子显示屏，推进泵开关控制推进泵的打开和关闭，推进泵的推进速率通过调节推进泵旋钮设定，电子显示屏显示设定的推进速率；推进泵的上端固定安装制有料筒，料筒的一端与推进器连接，另一端与物料管连接，物料管设置在微波加热腔内；物料管穿过微波加热腔与熔融喷头连接，微波加热腔的前侧面上设有微波频率调节旋钮、加热时间设定旋钮和温度控制旋钮；高压电源的正极与熔融喷头连接，负极与竖向放置的收集装置连接；熔融喷头与收集装置之间的距离为10-20厘米；高压电源上设有高压电源开关和电压调节旋钮。

[0006] 本发明使用时，先将静电纺丝原料加入料筒中，调节推进泵旋钮设定推进泵的推进速率，电子显示屏上显示推进速率；再打开推进泵开关，在推进泵的推动作用下，将静电纺丝原料送到物料管内，然后调节微波频率调节旋钮，根据静电纺丝原料选择微波频率进行加热，加热时间通过加热时间设定旋钮设定，通过温度控制旋钮调控加热温度，设定的加热温度要高于静电纺丝原料的熔融温度；静电纺丝原料加热到设定的加热温度后，打开高压电源开关，调节电压调节旋钮使工作电压传到熔融喷头，静电纺丝过程开始，在收集装置上收集得到静电纺丝纳米纤维。

[0007] 本发明所述静电纺丝原料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、聚(乙二醇-己内酯)、聚(乙烯-乙烯醇)、聚丙烯PP、聚乙烯PE、全芳香环聚酯、聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯等高分子材料中的一种或两种以上。

[0008] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是微波加热具有加热速度快、热效率高、安全性好、使用方便等优点，将微波作为熔体电纺的加热方式，不仅可以弥补传统熔体电纺装置的不足，而且为产业化大规模制备纳米纤维提供思路与借鉴；二是微波频率与功率可根据被加热材料的形状、材质的不同进行设定，既可以有效提高加热效率、缩短加热时间，又可降低加工成本，极大的推动熔体静电纺丝的工业化生产；三是实现了对料筒与熔融喷头处温度的实时准确控制，克服传统熔体电纺装置的温度不易操控难题，具有控制及时、反应灵敏、便捷高效的特点；四是所采用的微波加热腔中与微波接触的各个部件根据技术要求安装有防微波泄漏结构，在设计时参考现有的微波炉防微波泄漏结构技术，工艺过程更加安全环保；其结构简单，操作方便，使用安全，成本低，纺丝效率高，自动化程度高，环境友好，利于产业化大规模制备纳米纤维。附图说明：

[0009] 图1为本发明的主体结构原理示意图。具体实施方式：

[0010] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

[0011] 本实施例的主体结构包括推进泵1、料筒2、微波加热腔3、熔融喷头4、物料管5、推进泵旋钮6、推进泵开关7、微波频率调节旋钮8、加热时间设定旋钮9、温度控制旋钮10、高压电源开关11、电压调节旋钮12、高压电源13、收集装置14和电子显示屏15；推进泵1的前侧面上设有推进泵按钮6、推进泵开关7和电子显示屏15，推进泵开关7控制推进泵1的打开和关闭，推进泵1的推进速率通过调节推进泵旋钮6设定，电子显示屏15显示设定的推进速率；推进泵1的上端固定安装制有料筒5，料筒5的一端与推进器1连接，另一端与物料管5连接，物料管5设置在微波加热腔3内；物料管5穿过微波加热腔3与熔融喷头4连接，微波加热腔3的前侧面上设有微波频率调节旋钮8、加热时间设定旋钮9和温度控制旋钮10；高压电源13的正极与熔融喷头4连接，负极与竖向放置的收集装置14连接；熔融喷头4与收集装置14之间的距离为10-20厘米；高压电源13上设有高压电源开关11和电压调节旋钮12。

[0012] 本实施例使用时，先将静电纺丝原料加入料筒2中，调节推进泵旋钮6设定推进泵1的推进速率，电子显示屏上显示推进速率；再打开推进泵开关7，在推进泵7的推动作用下，将静电纺丝原料送到物料管5内，然后调节微波频率调节旋钮8，根据静电纺丝原料选择微波频率进行加热，加热时间通过加热时间设定旋钮9设定，通过温度控制旋钮10调控加热温度，设定的加热温度要高于静电纺丝原料的熔融温度；静电纺丝原料加热到设定的加热温度后，打开高压电源开关11，调节电压调节旋钮12使工作电压传到熔融喷头4，静电纺丝过程开始，在收集装置14上收集得到静电纺丝纳米纤维。

[0013] 实施例1：微波加热熔体静电纺丝装置制备聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维[0014] 本实施例先将PVDF粉末加入到料筒2中，调节推进泵旋钮6对推进泵1进行参数设定，控制给料推进速率，在电子显示屏15上显示具体流量推进速率，再打开推进泵开关7，在推进泵的推进作用下，将PVDF原料推送到物料管5内；在微波加热腔3中调节微波频率调节旋钮8，根据纺丝原料PVDF选择2.4～2.5GHz的微波频率进行加热，加热时间由温度旋钮9设定为30秒～2分钟，通过温度控制旋钮10选择调控温度，设定温度为205-235℃，高于PVDF的熔融温度175℃；若实际温度超过设定温度，加热模式自动转变为保温模式；在对PVDF原料进行微波加热达到设定温度后，打开高压电源开关11，调节旋钮12选择20-60千伏的工作电压施加到熔融喷头4上，即可在收集装置14上得到PVDF纳米纤维，熔丝喷头4与收集装置14之间的距离为10-20厘米。

[0015] 实施例2：微波加热熔体静电纺丝装置制备聚偏氟乙烯/聚氨酯(PVDF/PU)复合纳米纤维

[0016] 本实施例先将质量比为80:20的PVDF和PU粉末混合均匀，然后加入到料筒2中，调节推进泵流量旋钮6对推进泵1进行参数设定，控制给料推进速率，在电子显示屏15上显示具体流量推进速率，打开推进泵开关7，在推进泵的推进作用下，将PVDF/PU原料推送到物料管5内；在微波加热腔3中，调节微波频率调节旋钮8，根据纺丝原料PVDF/PU选择微波频率为2.4～2.5GHz进行加热，加热时间由温度旋钮9设定为30秒～2分钟，通过温度控制旋钮10选择调控温度，设定温度为205-235℃，高于PVDF的熔融温度175℃和PU的熔融温度165℃，在对PVDF/PU原料进行微波加热达到设定温度后，打开高压电源开关11，调节旋钮12选择20-
60千伏的工作电压施加到熔融喷头4上，即可在收集装置14上得到PVDF/PU纳米纤维，熔丝喷头4与收集装置14之间的距离为10-20厘米。