基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品技术

本发明专利技术涉及一种基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品，方法为：在熔体静电纺丝喷嘴与接收装置之间增设1个或多个辅助电极；辅助电极的电势高于喷嘴的电势与接收装置的电势；辅助电极的电势高于不加辅助电极时该点位置处的电势。采用该方法制得的制品为纤维网，在相同平面米克重条件下，其厚度为普通非复合电场纺丝方法制得的纤维网厚度的4～12倍。本发明专利技术添加辅助电极后可增强电场对熔体射流的拉伸作用，在相同的纺丝温度下可以获得细度更小的纤维；在纺丝过程中会形成逆向的复合电场，使纤维在喷嘴附近停留时间长，并在辅助电极内部旋转，从而形成更加蓬松的纤维网。

【技术实现步骤摘要】
基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品
本专利技术属熔体静电纺丝
，涉及一种基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品，特别是涉及一种增加纤维网蓬松度的逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品，具体地说是一种在熔体静电纺丝喷嘴与接收装置之间增设与原电场方向相反的电压辅助电极的逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品。
技术介绍
静电纺丝技术是一种能够连续生产微纳米纤维制备技术，该技术利用高压静电场产生的电场力作用将溶液或者熔体牵伸成微小射流，射流在运动至接收装置的过程中干燥、固化形成无序微纳米纤维网或者其他形状的纤维集合体。静电纺丝技术的核心是利用静电场力使纺丝溶液或者熔体带电，形成连续的微细射流，并使溶液或熔体射流拉伸形成纤维。静电纺丝装置的主要组成部分包括供液装置、喷嘴、接收装置和高压静电发生器，高压静电发生器与喷嘴相连接从而提供高压电，接收装置接地，使喷嘴与接收装置间形成高的电势差，从喷嘴喷出的纺丝液或者纺丝熔体带电后形成射流。静电纺丝可根据纺丝原材料的状态分为溶液静电纺和熔体静电纺两大类。溶液静电纺丝由于其操作简单，原材料广泛，并能制备具有纳米级别的纤维和外观形貌多样(包括串珠纤维、中空纤维、螺旋纤维、沟槽纤维等)的超细纤维而受到全球研究者的关注，并且已在生物医药、组织工程、过滤、能源等领域有大量的应用。溶液静电纺丝是将原材料溶解在水或有机溶剂里，在常温环境中即可进行纺丝，但溶液静电纺纳米纤维较低的强力限制了其进一步的应用；熔体静电纺丝需要先将聚合物母粒加热至200℃以上高温，变成熔融的流体状态再进行纺丝，熔体静电纺丝是直接利用聚合物熔体进行纺丝，无需添加溶剂进行溶解，对熔体静电纺丝制备的纤维进行细化可以弥补溶液静电纺丝强力不足的缺陷。但是，熔体静电纺丝的设备较溶液静电纺丝复杂，需要有可将聚合物母粒加热至熔融状态的电加热装置；而且，由于熔体静电纺丝的聚合物射流中无溶剂，射流的带电量较少，在纺丝过程中纺丝射流的鞭动运动幅度较小等原因，熔体静电纺制备的纤维网的厚度一般较为紧密，难以形成蓬松的纤维网。因此，研究一种降低纤维细度并且增加纤维网蓬松度的熔体静电纺丝方法以及利用该方法制备纤维制品具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中静电纺丝方法制得的纤维网强力不足、蓬松度差的问题，提供一种基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法及其制品。本专利技术通过在熔融静电纺丝喷嘴与接收装置之间增设与原电场方向相反的辅助电极，可增强电场对熔体射流的拉伸作用，在相同的纺丝温度下可以获得细度更小的纤维；在纺丝过程中会形成逆向的复合电场，使纤维在喷嘴附近停留时间长，并在辅助电极内部旋转，从而形成的纤维网更蓬松。为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，在熔体静电纺丝喷嘴与接收装置之间增设1个或多个辅助电极；辅助电极的电势高于喷嘴的电势与接收装置的电势；辅助电极的电势高于不加辅助电极时该点位置处的电势。现有技术采用熔体静电纺丝方法进行纺丝制得的纤维网蓬松程度较小，主要原因是纤维拉伸不足和射流的鞭动幅度较小，造成纤维拉伸不足的主要原因是：1)熔体从喷嘴处出来后易冷却固化，拉伸时间较短；2)熔体射流表面电荷较少，受电场作用的能力较小；3)电场沿着纺丝方向下降速度很快，拉伸作用有限；造成射流的鞭动幅度较小的主要原因是熔体射流内无溶剂，运动过程中无溶剂挥发过程，射流的密度较大，在电场中难以大幅度鞭动。由于辅助电极添加能够增强喷嘴附近区域的电场强度，因而增强了电场对熔体射流的拉伸作用力，使得电场能够起到更好的细化作用，由于辅助电极距喷嘴位置较近，该位置处聚合物射流并未固化，因而能够在固化之前拉伸纤维，延长了拉伸时间，由于射流运动路径经过圆形辅助电极的内部，在辅助电极的作用下，熔体射流表面被极化，因而增加了熔体射流表面电荷，使其更容易受到电场力的作用，最终制得了细度较小的纤维；又由于添加与原电场极性相反的电压后，喷嘴处为零电势，接收装置为负电势，辅助电极为正电势，因此在辅助电极与接收装置之间的电场强于喷嘴与辅助电极间的电势，在喷嘴和辅助电极间会形成一个弱电场区，纤维在这个区域停留时间较长，并在辅助电极内部做旋转运动，在一定时间后由于纤维自重落到接收装置，因此所制备的纤维网会更为蓬松。作为优选的技术方案：如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，喷嘴接地，接收装置纺丝时电压为-36～-20kV；辅助电极纺丝时电压为5～25kV。如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，多个辅助电极沿纺丝方向排列，电压逐渐增大。电场方向是从电势高的位置到电势低的位置，喷嘴处是0电压，接收装置是负电压，电场方向是从喷嘴指向接收装置，这里电压增大可以形成一个与原电场方向相反的电场。如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，辅助电极与喷嘴之间的最小距离为纺丝距离，即喷嘴与接收装置之间距离的1/6～1/2，即当辅助电极的数量为1时，其与喷嘴之间的距离为喷嘴与接收装置之间距离的1/6～1/2，当辅助电极的数量为多个时，距离喷嘴最近的辅助电极与喷嘴之间的距离为喷嘴与接收装置之间距离的1/6～1/2；辅助电极与喷嘴之间的最小距离过小会影响喷嘴，距离过大射流已经固化，无法继续牵伸射流。如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，纺丝距离即喷嘴与接收装置之间的距离为7～15cm。如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，多个辅助电极之间的间距为1～3cm。如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，喷嘴与辅助电极之间的环境温度为40～80℃，环境温度高于常温可以减缓纤维固化速率。如上所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，辅助电极为圆环、空心圆柱或中央带孔圆板；在纺丝过程中，圆环、空心圆柱或中央带孔圆板的轴线与纺丝方向平行，当辅助电极轴线与纺丝中心线重合时效果最好；圆环的直径为30～60mm；空心圆柱的直径为40～80mm，当辅助电极为1个时，空心圆柱的高度为纺丝距离的1/6～1/3，当辅助电极为多个时，空心圆柱的高度为纺丝距离的1/8～1/6；中央带孔圆板的外径不超过接收装置的宽度，其中央圆孔直径为30～80mm。本专利技术还提供如上任一项所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法制得的制品，为纤维网，在相同平面米克重条件下，其厚度为普通非复合电场纺丝方法制得的纤维网厚度的4～12倍；蓬松度在纺织领域是用平面米克重和厚度共同表征，也就是相同面积，相同重量的情况下的厚度，本专利技术通过比较在相同平面米克重条件下不同纤维网的厚度来判定其蓬松度，基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法制得的纤维网比普通非复合电场所制备的纤维更为蓬松，当增设1个辅助电极时，在相同平面米克重条件下，其厚度为普通非复合电场纺丝方法制得的纤维网厚度的4～8倍，当增设多个辅助电极时，在相同平面米克重条件下，其厚度为普通非复合电场纺丝方法制得的纤维网厚度的5～12倍。此外，需要注意的是，在熔融静电纺丝的过程中，喷嘴的温度也会影响纤维的细度和纤维网的厚度，喷嘴的温度越高纤维越细，纤维网越薄，但是喷嘴的温度不能无限度的提高，喷嘴的温度太高聚合物会分解，并且会影响设备的性能(比如损坏喷头本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，其特征是：在熔体静电纺丝喷嘴与接收装置之间增设1个或多个辅助电极；辅助电极的电势高于喷嘴的电势与接收装置的电势；辅助电极的电势高于不加辅助电极时该点位置处的电势。

【技术特征摘要】
1.基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，其特征是：在熔体静电纺丝喷嘴与接收装置之间增设1个或多个辅助电极；辅助电极的电势高于喷嘴的电势与接收装置的电势；辅助电极的电势高于不加辅助电极时该点位置处的电势。2.根据权利要求1所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，其特征在于，喷嘴接地，接收装置纺丝时电压为-36～-20kV；辅助电极纺丝时电压为5～25kV。3.根据权利要求2所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，其特征在于，多个辅助电极沿纺丝方向排列，电压逐渐增大。4.根据权利要求1所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，其特征在于，辅助电极与喷嘴之间的最小距离为纺丝距离的1/6～1/2。5.根据权利要求4所述的基于逆向增强复合电场的熔体静电纺丝方法，其特征在于，纺丝距离为7～15cm。6.根据权利要求1所述的基于逆向增强复...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑元生，穆晓绮，李雪芹，辛斌杰，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31