熔体静电纺丝讲义课件.ppt

,熔体静电纺丝 （熔喷+静电）微纳米无纺布系列制品的开发,熔体静电纺丝 （熔喷+静电）,（1）气体高效过滤材料的需求,立项背景,微纳米纤维的预期需求,仅医用材料每年的全球市场销售额是70亿美元,消耗纳米纤维无纺布46亿平米 , 每年增长速度为7% 。,（1）气体高效过滤材料的需求立项背景微纳米纤维的预期需求,3,膜分离技术是绿色、环保、节能高效的重大关键技术,立项背景,（2）水处理及饮品除菌膜材料,3膜分离技术是绿色、环保、节能高效的重大关键技术我国膜国内有,根据台湾工研院的数据，历年的锂电池隔膜市场都保持了10%左右的增长率，而随着电动汽车市场的启动，预计到2013年需求量可达5.63亿平米，产值近17亿美元。 预计至2015年我国电动汽车规保有量达到100万辆，电动自行车等轻型电动车保有量将超过5000万辆，相应动力锂离子电池隔膜需求将超过15亿m2，市场规模超过300亿元。,（3）电动汽车对锂电池隔膜的需求,立项背景,微纳米纤维的预期需求,根据台湾工研院的数据，历年的锂电池隔膜市场都保持了10%左右,（4）超细纤维在其他方面的应用,立项背景,功能性膜（药物释放，伤口敷料） 、细胞支架 、仿生材料、细胞载体、人工皮肤、血管移植、神经修复、骨引导生长、心肌和骨骼肌再生等。,纤维增强复合材料具有优异的力学性能 ，橡胶纳米复合物与未填充的橡胶材料相比杨氏模量是原来的l0倍，断裂强度是原来的2倍。,催化剂负载材料、高级可控降解纳米纸、太阳帆、光帆以及在太空使用的镜面、植物杀虫剂方面、纳米导体、纳米电气应用(如场效应晶体管)及超小型天线、化学催化剂装置和燃料电池的储氧罐等方面。,微纳米纤维的预期需求,（4）超细纤维在其他方面的应用立项背景生物医学领域1功能性膜,高效过滤膜材料预期市场,立项背景,高效过滤膜材料预期市场立项背景,二、创新技术：熔喷静电纺丝,二、创新技术：熔喷静电纺丝,（1）现有超细纤维制备技术对比,国内外技术现状,2-10m,熔喷法,100nm-10m,熔体静电纺丝法,10nm-2m,溶液静电纺丝法,1m,拉伸法,（1）现有超细纤维制备技术对比国内外技术现状2-10m熔喷,（2）熔体静电纺丝和熔喷纺丝的对比,技术选择,生产效率：熔体静电纺丝代替熔喷法目前要解决的关键问题是进一步提高其生产效率，需要提高一个数量级。,纤维直径：熔体静电纺丝法更易制备超细纤维，可实现非 织造布高效过滤，而且直径分布更加均一。,尺度可控：熔喷法尺度可控性差，纤维直径分布较宽，纤维连续性差，影响高效过滤精度，使得无纺布表面更粗糙。,熔喷纺丝（对比技术）,熔体静电纺丝（发明技术）,（2）熔体静电纺丝和熔喷纺丝的对比技术选择 生产效率,（3）熔体静电纺丝和溶液静电纺丝的对比,技术选择,溶液静电纺丝（对比技术）,150 nm,熔体静电纺丝（发明技术）,（3）熔体静电纺丝和溶液静电纺丝的对比技术选择1熔体电纺无需,静电纺丝原理,静电纺丝技术介绍,聚合物溶液/熔体,聚集电荷,带电熔液/熔体克服表面张力，形成喷射细流。,与表面张力相反的电场力,电场,学术界共识： 人造纳米纤维工业化 希望之路：静电纺丝,静电纺丝原理静电纺丝技术介绍聚合物聚集电荷带电熔液/熔体克服,溶液静电纺丝批量化进展,多喷头技术,无喷头技术,Players：DuPonts facility in South Korea；NFTC - Nanofibre Future Technologies Corporation；NanoStatics Corporation & Texas Tech University；Donalson CO； KX Industries； Hills Inc；Rieter；Fanacaran nano-meghyas伊朗；东华大学覃小红团队等,Player：捷克Elmarco（已销售100台，销售额近10亿）,纺丝效率低喷头易堵塞维护困难,无堵塞现象发生溶液无法连续供应无纺布强度有限,静电纺丝技术介绍,溶液静电纺丝批量化进展多喷头技术无喷头技术Players：P,熔体静电纺丝（M-ESP）研究进展,日本福井大学2006年Nobuo Ogata开发了具有激光加热熔体电纺；Naoki SHIMADA等人通过定制的线激光光源将薄膜加热到极低粘度，制备出一排纤维，在原有点光源基础上提高了纤维的产量，但成本仍然高，产量低，难以用于批量化生产。,狭缝式纺丝装置示意图、电场分布分析及试验射流照片,捷克Czech Republic大学提出狭缝式的纺丝装置，但是该装置并没有结合螺杆式连续挤出装置，而且狭缝式纺丝装置并没有很好解决熔体在狭缝处的均匀分布,所得纺丝条数也不足以适合产业化应用。,静电纺丝技术介绍,熔体静电纺丝（M-ESP）研究进展日本福井大学2006年No,熔体静电纺丝（M-ESP）批量化技术分析,熔体静电纺丝关键：高产量+超细化,温度过高易引起降解,作用有限，影响纤维强度,增加装置复杂度，影响有限,熔体静电纺丝（M-ESP）批量化技术分析熔体静电纺丝关键：高,三、解决方案及技术难点,三、解决方案及技术难点,装备改进：热流道熔喷+熔体静电纺丝,本项目提出了热风辅助的熔体静电纺丝批量化生产技术，通过创新的气流辅助内锥面喷嘴的应用，以及和注塑、吹塑设备热流道系统中分流板结构的结合，高效地实现了熔体均匀细分和射流加速。该技术具有熔喷工艺生产效率高的优点，又具有静电牵伸和气流牵伸的双重作用，可实现了聚合物熔体的拉伸、细化、后处理，制备出直径为200-500nm的超细纤维。,解决方案,装备改进：热流道熔喷+熔体静电纺丝,材料改进：超支化聚合物加工助剂,熔体静电纺丝加工助剂的研究：研究开发用于降低熔体电纺聚合物粘度的树枝状聚合物，树枝状聚合物具有高溶解度、低粘度、大量端基官能团和分子内部空穴结构等独特的性质。该添加剂的制备可以有效降低通用聚合物的熔体粘度，降低纺丝温度，避免了高温加热引起的降解，同时起到分子链间的润滑作用，能够高效地和大部分聚合物材料相容。,解决方案,PP PE PET PPS,+,=,低粘纺丝材料,6m,1m,材料改进：超支化聚合物加工助剂 熔体静电纺丝加,技术难点,常规熔体电纺,生产效率：每孔每分钟产量0.01g；纤维材料：PP、PE、PVDF、PVA、PLA、PCL、PA、PAN等；纤维直径：2m以上；,目标超细纤维,生产效率：以成本计算尽量接近每孔每分钟熔喷产量1g；纤维材料：PP、PE、PVDF、PVA、PLA、PCL、PA、PAN等；纤维直径：200nm-500nm之间；,技术难点：1. 提高产量：简单的单喷头组合增加了加工及维护难度，产量不足，如何在不增加加工及安装复杂性的前提下获得均一的熔体分流，是技术难点之一。2.如何降低纤维细度：增加纺丝温度及剪切作用对纤维细化作用有限，如何充分降低聚合物熔体粘度，控制熔体供给量是本技术的难点之一。,HOW,技术难点常规熔体电纺生产效率：每孔每分钟产量0.01g；目标,技术难点,技术难点3高效增塑材料的设计与制备：针对于不同的纺丝材料特性,技术路线,纺丝原料制备,纺丝模头组件设计,中试装置开发,典型产品开发,批量化工艺研究,后处理工艺确定,批量化装备设计,各部分接口设计,产业化示范装置搭建,产品样品,产业化工艺推广工艺包,技术路线纺丝原料制备纺丝模头组件设计中试装置开发典型产批量化,四、关键技术及可行性分析,四、关键技术及可行性分析,气流熔融静电纺纤维细化机理原因,鞭动牵伸,熔体分裂,气流牵伸,气流熔融静电纺纤维细化机理原因鞭动牵伸熔体分裂气流牵伸,1）熔体静电纺熔体均匀细分技术,关键技术及可行性分析,熔体分流（微积分思想）解决方案：纺丝模头组件独特结构,借用现有热流道结构的一级分流,内锥面导流喷嘴的熔体二级分流,热空气对内锥面熔体有减薄作用,+ 气体喷射,内锥面,1）熔体静电纺熔体均匀细分技术关键技术及可行性分析 熔体分,2） 热风辅助熔体静电纺纤维超细化技术,在热喷嘴内部加热气导流柱，热气流有3 种作用：,熔体流道的保温作用,加速射流细化,保持较高的环境温度,环境温度高于软化点，增加电场力作用时间，纤维细化。,熔体温差减小，纤维直径均匀性提高,无热风1-2m,加热风0.2-0.5m,关键技术及可行性分析,2） 热风辅助熔体静电纺纤维超细化技术 在热喷嘴内部加热气导,3）纺丝材料的低粘化技术,超支化聚合物改性：,不加超支化树脂PP 5-6m,加入超支化树脂PP 1-2m,关键技术及可行性分析,3）纺丝材料的低粘化技术超支化聚合物改性：不加超支化树脂PP,无纺布纤维直径200500nm；模块化设计产量16kg/h.,关键技术及可行性分析,4）模块化组合设计，产量可梯次放大。,喷嘴内锥热风对射流加速从0.2-2m/s的射流速度无纺布纤维,五、研究基础,五、研究基础,（1）形成了系列自主知识产权的熔融静电纺专利技术，共申请专利28项，其中发明专利21项，授权6项，实用新型7项，授权7项（在已公开国家发明专利中，有关熔融静电纺丝装置与技术专利均为本项目申请单位拥有）,前期基础,知识产权,（1）形成了系列自主知识产权的熔融静电纺专利技术，共,前期基础,（2）设计制作了多套小、中式熔融静电纺丝装置,试验装备,前期基础（2）设计制作了多套小、中式熔融静电纺丝装置试验装备,产品开发,前期基础,（3）开发了PP、PLA、PCL、PA、PET等系列熔融电纺纳微米纤维，获得了典型材料的制备工艺条件，初步探讨了在过滤、防护材料中应用。,样品1：超细纤维书写纸样品2：负载催化剂的过滤膜,小型纺丝机,超细纤维微观结构,产品开发前期基础 （3）开发了PP、PLA、PCL、,研究方向1：塑料精密注射成型与先进制造技术,2）国家自然科学基金项目：微分注射成型原理与方法研究,微分注射成型原理样机,微型制品,高分子材料微分注射成型原理,1）国家科技支撑计划项目：塑料精密成型技术与装备的研发及产业化 荣获2011年度国家科技进步奖二等奖,研制成功世界首台微分注塑机,Polymer Testing (SCI) , 28:228-234,Journal of Materials Processing Technology (SCI), 2011，211(6):1076-1084,研究方向1：塑料精密注射成型与先进制造技术2）国家自然科学基,研究方向2：橡胶轮胎性能仿真与先进制造技术,1）国家自然科学基金项目：高分子基体中无机纳米粒子可控取向研究,气体阻隔性能为丁基胶的3倍,2）创新发明微积分纳米叠层高气密保压节油轮胎先进制造技术,橡胶层厚：800 900nm 阻隔层厚： 5 15 nm,11月28日成功制造出首批样胎,发明高性能轮胎纳米叠层复合成型方法及装备,Polymer Testing (SCI),2011,30(8):826-832,研究方向2：橡胶轮胎性能仿真与先进制造技术1）国家自然科学基,研究方向3：超细纤维熔体静电纺丝技术,发明熔体微分静电纺丝方法,溶液静电纺丝（对比技术）,150 nm,壁虎脚掌刚毛,超强抓地力、超低噪声,熔体静电纺丝（发明技术）,Journal of Applied Polymer Science (SCI), 114(1): 166-175,道法自然！,研究方向3：超细纤维熔体静电纺丝技术发明熔体微分静电纺丝方法,热流道熔喷+熔体静电纺丝,设计方案,热流道熔喷+熔体静电纺丝设计方案,