生产聚合物纤维的装置和方法，聚合物溶液，以及聚合物材料制造方法及图纸

本发明专利技术涉及生产聚合物纤维的装置和方法，聚合物溶液，以及聚合物材料。特别是，本发明专利技术公开了一种包括一个或多个具有管状纤维纺丝针的喷嘴的装置，以及使用多种合成聚合物和生物基聚合物从小规模到大规模生产无毒聚合物纤维及由其制成的微纤维和纳米纤维聚合物材料的方法。该装置和方法能够高效且安全地以高纤维生产速率在线持续生产聚合物纤维。提高的聚合物纤维生产速率是通过至少一个喷嘴实现的，该喷嘴使离心力作用在管状纤维纺丝针上，引起管状纤维纺丝针的旋转运动和每个喷嘴更高的聚合物注射速率。聚合物注射速率。聚合物注射速率。

【技术实现步骤摘要】
生产聚合物纤维的装置和方法，聚合物溶液，以及聚合物材料


[0001]本专利技术总体上涉及聚合物纤维的生产，更具体地，涉及一种基于聚合物溶液的纺丝技术生产聚合物纤维的装置和方法、以及基于该聚合物纤维的非织造聚合物材料。

技术介绍

[0002]对于由各种聚合物制成以满足各种客户端使用需求的纤维产品的需求与日俱增。因此，由于具有较大的比表面积，聚合物细纤维结构越来越多地被研究用于各种应用，例如：纺织材料、医疗假肢、建筑材料、增强材料和吸收材料。大多数非织造微纤维或纳米纤维网是通过静电纺丝、熔体纺丝、熔喷或吹塑纺丝生产的。静电纺丝是一种用于生产纳米纤维的电荷诱导纺丝方法。除了缓慢的纤维生产速率(即单位时间内生产的纤维质量)之外，静电纺丝的另一个缺点是收集的材料必须是导电的，以免在材料上形成电荷聚集。静电纺丝需要高电压，这使得这项技术很危险。因此，需要更安全的解决方案。此外，静电纺丝中使用的溶剂必须是至少在一定程度上导电的，从而限制了可能的溶剂范围。熔喷和熔体纺丝使纳米纤维材料的工业或商业规模制造成为可能，生产速率从每24小时约几百公斤到约几吨不等，因此需要更高的资本投入。熔喷和熔体纺丝都需要在纺丝程序之前将聚合物熔化。这限制了可纺聚合物的数量，因为许多聚合物、尤其是生物来源的聚合物由于在熔化前会分解而无法进行熔化。此外，熔喷和熔体纺丝还受到熔化聚合物粘度的限制，该粘度必须足够低，以使聚合物熔体能够挤出，并使气流能够将聚合物熔体拉伸成纤维形式。人们使用静电纺丝和熔喷技术的元素开发了溶液吹塑纺丝技术，作为制造微米和纳米纤维非织造网的替代方法，该微米和纳米纤维的直径与静电纺丝工艺制造的直径相当。吹塑纺丝法的溶液流动缓慢，导致纤维产量低。
[0003]试图生产聚合物微纤维或纳米纤维材料的现有装置和方法具有较低的纤维生产速率。此外，使用已知方法，由于大规模生产的选择有限，很难充分发挥微纤维和纳米纤维的全部潜力。虽然对生物基和生态友好型微纤维及纳米纤维的需求正在增长，但目前还没有快速且经济高效的方法来大规模生产生物基微纤维和纳米纤维。目前，已知方法要么昂贵要么缓慢，而且仅限于某些聚合物和溶剂。因此，需要解决现有技术中的上述技术缺陷，以使用多种聚合物，以更高的纤维生产速率、以廉价且简单的机械要求来生产聚合物纤维。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种高效的装置和方法，用于使用多种聚合物(例如合成聚合物、生物基聚合物等)以廉价且简单的机械要求连续生产聚合物纤维。本专利技术的目的是提供一种解决方案，该解决方案至少部分克服现有技术中遇到的问题，并提供了改进的方法和系统，用于以更高的纤维生产速率生产合成聚合物纤维和生物基聚合物纤维，且不需要制造公差低的精密工程部件，也不需要使用有毒化学品。本专利技术的目的通过所附独立权利要求中提供的解决方案来实现。本专利技术的有利实施方式在从属权利要求中进一步限定。
[0005]根据第一方面，本专利技术提供一种用于生产聚合物纤维的装置，该装置包括：至少一
个喷嘴，其被配置为接收聚合物溶液和压缩气体射流，其中，该至少一个喷嘴包括：具有中空空间的主体、第一开口端和与第一开口端相对的第二端、所述第二端处的所述压缩气体射流第一入口、以及被安装为穿过第二端和中空空间的至少一根管状纤维纺丝针，其中，至少一根管状纤维纺丝针包括从所述第一开口端突出的未固定远端、与未固定远端相对的近端、近端处的聚合物溶液入口、未固定远端处的聚合物溶液出口，其中，至少一根管状纤维纺丝针的近端固定于至少一个喷嘴的第二端；泵，其被配置为泵送聚合物溶液通过至少一个喷嘴的至少一根管状纤维纺丝针；气体压缩机，其被配置为将压缩气体射流引导到至少一个喷嘴的所述压缩气体射流第一入口中；以及至少一根管状纤维纺丝针的未固定远端的第一移动装置。
[0006]本专利技术的装置能够以更高的纤维生产速率、以廉价和简单的机械要求在线(in
‑
line)持续生产聚合物纤维；使用多种聚合物(例如合成聚合物、生物基聚合物)和溶剂生产聚合物纤维是节能的，因为它不需要高电压。本装置生产的聚合物纤维是无毒的，因为该装置能够在聚合物纤维配制后蒸发所有溶剂，从而能够获得无毒聚合物纤维。与传统解决方案相比提高的生产速率是通过至少一个喷嘴实现的，该喷嘴使离心力作用在管状纤维纺丝针上，引起管状纤维纺丝针的旋转运动，并且每个喷嘴的聚合物注射速率比已知技术高十倍以上。管状纤维纺丝针的旋转运动将聚合物溶液射流分解成液滴。然后液滴在气流中被加速并拉长，导致每个液滴形成纤维。这种装置配置能够比已知装置更快地形成纤维，从而具有更高的生产速率。此外，在不同的实施例中，该装置能够实现多个喷嘴，这允许同时形成多根纤维，与一次仅从单个喷嘴形成一根纤维的装置相比，产生更高的纤维生产速率。
[0007]根据第二方面，提供了一种生产聚合物纤维的方法，该方法包括：通过至少一个喷嘴的至少一根管状纤维纺丝针的聚合物溶液入口，将聚合物溶液泵入至少一个喷嘴；通过第一压缩气体入口将压缩气体射流输送到至少一个喷嘴中；通过所输送的压缩气体射流向至少一根管状纤维纺丝针施加运动；在至少一根管状纤维纺丝针的远端尖端部形成聚合物溶液的液滴；以及自所形成的液滴获得聚合物纤维，其中，聚合物纤维的直径为0.2至10微米、更具体地为0.1至10微米。
[0008]本专利技术的方法能够通过在线持续生产提高纤维生产速率，并获得具有独特形态的聚合物纤维，从而产生较大的比表面积。通过向管状纤维纺丝针施加运动(例如振动)，振动的管状纤维纺丝针确保聚合物不会从管状纤维纺丝针尖端部的聚合物溶液中沉淀析出。该方法能够使用合成聚合物和生物基聚合物来生产聚合物纤维，这为生产用于不同类型材料和应用的不同类型聚合物纳米纤维网提供了更多可能性。本专利技术的方法的另一个优点是该方法能够以小规模到大规模(即在实验室规模生产和大规模生产之间)生产微纤维和纳米纤维材料。本专利技术的实施例不需要使聚合物纤维生产工艺中使用的聚合物熔化。因此，也可以从生物基聚合物纺出纤维，其中许多聚合物不能耐受高温。该方法能够实现比目前现有技术高得多的聚合物纤维生产速率。
[0009]例如，使用生物基聚合物可产生若干显著效果。由生物基聚合物制成的材料是可生物降解和可生物吸收的。由于生物基聚合物通常不会熔化，因此该聚合物的唯一配方是将它们溶解在溶剂中。例如，明胶纤维生产的一大优势是它能够使用水作为溶剂。因此，在明胶纤维的制造中不使用有毒化学品。如果与其他类型的溶剂一起使用，本专利技术的方法能够蒸发所有溶剂，从而能够获得无毒聚合物纤维。例如，在医疗领域，需要使用无毒聚合物
纤维制成的材料。此外，生物基聚合物由于其他几个原因很重要。生物基聚合物为世界上越来越多的不可生物降解塑料废物提供了解决方案。与许多合成聚合物不同，生物基聚合物并非源自不可再生资源。第三，生物基聚合物的一个主要应用领域是医疗领域，在该领域中，使用过的材料在完成其任务后在体内分解是有利的。对于这种情况，生物降解性是一个关键方面。
[0010]根据第三方面，提供了一种用于生产聚合物纤维的聚合物溶液，该聚合物溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生产聚合物纤维的装置，其中，所述装置包括：至少一个喷嘴，其被配置为接收聚合物溶液和压缩气体射流，其中，所述至少一个喷嘴包括：具有中空空间的主体、第一开口端和与所述第一开口端相对的第二端、所述第二端处的压缩气体射流第一入口、以及被安装为穿过所述第二端和所述中空空间的至少一根管状纤维纺丝针，其中，所述至少一根管状纤维纺丝针包括：从所述第一开口端突出的未固定远端、与所述未固定远端相对的近端、所述近端处的聚合物溶液入口、所述未固定远端处的聚合物溶液出口，其中，所述至少一根管状纤维纺丝针的所述近端固定于所述至少一个喷嘴的所述第二端；泵，其被配置为泵送所述聚合物溶液通过所述至少一个喷嘴的所述至少一根管状纤维纺丝针；气体压缩机，其被配置为将所述压缩气体射流引导到所述至少一个喷嘴的所述压缩气体射流第一入口中；以及所述至少一根管状纤维纺丝针的所述未固定远端的第一移动装置。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括两个或更多个喷嘴、以及喷丝头，所述喷丝头包括具有压缩气体射流第二入口的中空体，其中，所述两个或更多个喷嘴通过所述第二端连接到所述中空体，并且其中，所述气体压缩机被配置为将压缩气体射流通过所述压缩气体射流第二入口引导到所述喷丝头的所述中空体中，并通过所述中空体引导到所述两个或多个喷嘴中的每个喷嘴的所述压缩气体射流第一入口。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个管状纤维纺丝针的所述未固定远端的所述第一移动装置选自一组，所述组包括：对所述至少一个管状纤维纺丝针的所述未固定远端进行移动的机械或机电装置、使所述至少一个喷嘴以及所述第一移动装置振动的机械或机电装置，所述第一移动装置由所述至少一个喷嘴的所述第二端处的所述压缩气体射流第一入口形成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，该装置还包括用于收集聚合物纤维的收集单元，其中，所述收集单元包括透气纤维收集表面和抽吸单元，所述抽吸单元被配置为通过透气纤维收集表面抽吸空气并产生将所述聚合物纤维沉积在所述透气纤维收集表面上的抽吸压力。5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述透气纤维收集面还包括透气纤维收集材料。6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述收集单元还包括加热和溶剂蒸发室，并且所述透气纤维收集表面是可移动的透气纤维收集表面。7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述至少一个喷嘴的直径为1.5毫米至5.0毫米，并且所述至少一个管状纤维纺丝针的直径为0.6毫米至1.6毫米。8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括所述至少一个喷嘴的第二移动装置，以将至少一移动施加于所述至少一个喷嘴，其中所述至少一移动是从相对于所述透气纤维收集表面旋转所述至少一个喷嘴、左右移动所述至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛特埃里克，
申请(专利权)人：格拉泰克技术公司，
类型：发明
国别省市：