CN105970309A - 一种纳米纤维纱线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米纤维纱线及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：多股长丝卷装于筒子架上的多个筒子上，并由上下罗拉牵引退绕进入静电纺丝设备；设置静电纺丝设备的控制参数包括，配置静电纺丝液；喷丝：控制静电纺丝设备的喷头向外推送纺丝液，使纤维细丝在吸附于长丝表面；将吸附有纤维细丝的长丝浸泡于溶剂中进行溶解；将溶解后得到的纤维细丝经加捻桶进行加捻；将加捻所形成的纱线经槽筒后卷绕于筒子上。本发明纳米纤维纱线的制备方法利用静电纺技术实现纳米纤维纱线制备，有操作简单，纱线可塑性强等特点，成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，特别是涉及一种纳米纤维纱线及其制备方法。
背景技术
通过静电纺丝设置制备的单纤维纳米长丝强力很差，因此无法直接将传统纺织技术进行针织、机织和编织工艺应用于单纤维纳米长丝制备针织物、机织物和编织物，现有的单纤维纳米长丝多是应用于生产无纺布膜。纳米纤维纱线除了可以使用在传统的纺织加工技术中外，还可以应用在复合材料、过滤介质、气体分离、传感器及组织工程等领域，因此纺织工业越来越重视纳米纤维纱线的开发。现有的纳米纤维纱线制备方法，原理都是将纳米纤维集束并进行加捻，方法有水浴、圆盘等方法。这些制备方法的问题在于可控性差，结构复杂，不适用规模生产，纳米纤维纱线质量不稳定且不高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用静电纺丝设置进行纳米纤维纱线制备的方法，用于解决单纤维纳米长丝强力差不便于针织、机织或编织的问题。
本发明是这样实现的：
一种纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、长丝组退绕：
多股长丝卷装于筒子架上的多个筒子上，筒子前由近至远依次设置有第一导丝孔、上下罗拉和第二导丝孔，
筒子上的长丝的自由端依次穿过第一导丝孔、上下罗拉和第二导丝孔，长丝由上下罗拉牵引退绕进入静电纺丝设备；
二、静电纺喷丝：
设置静电纺丝设备的控制参数包括：设置电压电源的输出电压为10～50kv，设置喷头至接收板的距离为30～40cm，设置长丝与接收板的距离为0.7～2mm；
配置静电纺丝液；
喷丝：控制静电纺丝设备的喷头向外推送纺丝液，纺丝液在电场作用下形成纤维细丝并向接收板运动，牵引长丝从接收板的端移动至另一端，使纤维细丝在吸附于长丝表面；
三、溶解长丝：
将吸附有纤维细丝的长丝浸泡于溶剂中进行溶解，使长丝被溶解纤维细丝不被溶解；
四、纳米纤维加捻：
将溶解后得到的纤维细丝经加捻桶进行加捻，所述加捻桶包括圆柱形的桶体以及设置于桶体底部的旋转桨叶，桶体底部的中央设置有出线口，加捻时旋转桨叶旋转使加捻桶内的液体形成涡流，纤维细丝的自由端由涡流加捻形成纱线并从底部的出线口穿出；
五、纱线卷绕：
加捻所形成的纱线经槽筒后卷绕于筒子上。
进一步的，所述长丝的密度为1～2dtex。
进一步的，所述静电纺丝液按重量份计包括：15～25份的聚丙烯晴、3～8份的樟脑磺酸、3～7份的聚苯胺0.5g和0.7～1.3份的碳纳米管。
进一步的，所述静电纺丝液为质量分数聚丙烯晴9％、炭黑1％的二甲基甲酰胺溶液。
进一步的，在纳米纤维加捻时，加捻桶底部的旋转桨叶的旋转速度为80～130rpm。
进一步的，在静电纺喷丝过程中，牵引长丝从接收板的端移动的同时，控制长丝绕轴心匀速旋转。
进一步的，在纱线卷绕之后还包括碳化处理，碳化处理为将纤维纱线经900℃氩气环境下碳化。
为解决现有技术中单纤维纳米长丝强力差的问题，本发明还提供了根据上述纳米纤维纱线的制备方法制备得到的纤维纱线。
本发明的有益效果为：本发明通过静电纺丝工艺以及丝线加捻技术制备纤维纱线，具有操作简单、降低成本、适合工业化大生产的优点，并且所述生产的纳米纤维纱线的强度高，便于针织、机织或编织等后续加工。
附图说明
图1为本发明实施方式中纳米纤维纱线制备的示意图；
图2为发明实施方式中静电纺丝设备的结构示意图。
标号说明：
1、第一导丝孔；2、第二导丝孔；3、筒子架；4、筒子；5、长丝；
6、上下罗拉；7、静电纺丝设备；8、加捻桶；9、旋转桨叶；
10、纤维纱线；11、纤维细丝；71、计量泵；72、高压电源；
73、注射器；74、接收板；75、纺丝液。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
实施例1
本发明实施例1一种纳米纤维纱线的制备方法，请参阅图1，为纳米纤维纱线的制备示意图，其中包括了长丝组退绕、静电纺喷丝和纳米纤维加捻。该纳米纤维纱线的制备方法包括以下步骤：
(1)长丝组退绕
卷装有维纶细长丝5的筒子4置于筒子架3上，长丝5线密度1.5dtex，筒子架3上筒子4的数量为30个，筒子4前由近至远依次设置有第一导丝孔1、上下罗拉6和第二导丝孔2，筒子4上的长丝5的自由端依次穿过第一导丝孔1、上下罗拉6和第二导丝孔2，长丝5由上下罗拉6牵引退绕进入静电纺丝设备7；
其中，各筒子4经由第一导丝孔1引出长丝，第一导丝孔1阵列平行于罗拉排列，罗拉长度40cm，第一导丝孔1阵列宽度为30cm，长丝组通过上下罗拉6，由上下罗拉6的旋转带动长丝组退绕，长丝退绕速度1m/min。
(2)静电纺喷丝
静电纺丝液配制，其中，纺丝液为氯仿20ml溶解聚丙烯晴2g、樟脑磺酸0.5g掺杂聚苯胺0.5g和碳纳米管0.1g；
请参阅图2，静电纺丝设备7的接收板74接地，长丝组(包括多个长丝5)自然悬垂置于导电接收板74前方1mm处，高压电源7210kv，高压电源72施加于注射器73的喷头上，喷头设置为双喷头，喷头距离接收板74距离30cm，纺丝液75装于喷头内，注射器73由计量泵71推动，注射器73的喷头推送纺丝液的流速3ml/h，纺丝液在电场作用下形成纤维细丝11并向接收板运动，牵引长丝从接收板的端移动至另一端，使纤维细丝在吸附于长丝表面。
(3)溶解长丝
静电纺喷丝后长丝组表面覆盖有纳米纤维，长丝自然下垂于90℃水溶液中，因为维纶长丝遇热水将会溶解，长丝溶解后聚丙烯晴-聚苯胺纳米纤维线丝得以保留。
(4)纳米纤维加捻
纤维加捻是通过加捻桶8进行的，所述加捻桶8包括圆柱形的桶体以及设置于桶体底部的旋转桨叶9，旋转桨叶9连接于电机，桶体底部的中央设置有出线口，电机带动桶体底部的旋转桨叶9以100rpm的速度旋转，桶体内的水溶液因为桨叶的旋转形成涡旋，当纳米纤维11从上至下穿过溶剂到达桶体底部的出线孔时，由于溶液形成涡流而对纳米纤维进行加捻，形成纳米纤维纱线10。
(5)纱线卷绕
纳米纤维纱线经槽筒后卷绕在筒子上，卷绕速度为1m/min。
本实施例所制备得到的纳米纤维纱线的直径为30μm，组成纱线的纤维细丝的直径为323±40nm，捻度为60t/m，纱线的强度为3.64cN/tex。
实施例2
一种纳米纤维纱线的制备方法，该制备方法同样使用了实施例1中所使用的静电纺丝设备，该制备方法包括以下步骤：
(1)长丝组退绕
卷装有维纶细长丝的筒子4置于筒子架3上，长丝5线密度1.5dtex，筒子4数量100个，经由第一导丝孔1引出长丝，第一导丝孔1阵列平行于罗拉排列，罗拉长度40cm，第一导丝孔1阵列2宽度70cm，长丝5组通过上下罗拉6，由上下罗拉6的旋转带动长丝组退绕，长丝退绕速度20m/min。
(2)静电纺喷丝
静电纺丝设备的接收板接地，长丝组自然悬垂置于导电接收板前方1mm，高压电源为50kv施加于喷头上，喷头为多射流，喷头距离接收板距离40cm，纺丝液为质量分数聚丙烯晴9％、炭黑1％的二甲基甲酰胺溶液；
纺丝液在电场作用下形成纤维细丝并向接收板运动，牵引长丝从接收板的端移动至另一端，使纤维细丝在吸附于长丝表面。
(3)溶解长丝
静电纺喷丝后长丝组表面覆盖有纳米纤维，长丝自然下垂于90℃水溶液中，因为维纶长丝遇热水将会溶解，长丝溶解后聚丙烯晴-聚苯胺纳米纤维得以保留。
(4)纳米纤维加捻
纤维加捻是通过加捻桶8进行的，所述加捻桶包括圆柱形的桶体以及设置于桶体底部的旋转桨叶9，旋转桨叶9连接于电机，桶体底部的中央设置有出线口，电机带动桶体底部的旋转桨叶9以200rpm的速度旋转，水溶液因为桨叶的旋转形成涡旋，当纳米纤维11穿过溶剂到达底部中间的出线孔时，由于溶液形成涡流而对纳米纤维进行加捻形成纳米纤维纱线10。
(5)纱线卷绕
纳米纤维纱线经槽筒后卷绕在筒子上，卷绕速度为20m/min。纱线直径84μm，组成纱线的纤维的直径在275±36nm，捻度为72t/m，纱线的强度为5.17cN/tex。
(6)碳化
纳米纤维纱线经900℃氩气环境下碳化，所得的碳纳米纤维纱线，纱线表面为多孔结构，其电导率为12.5S/cm。
为了提高纤维细丝在长丝表面的附着均匀度，在静电纺喷丝过程时，牵引长丝从接收板的端移动的同时，控制长丝绕轴心做圆周旋转，从而使纤维细丝均匀的缠绕于长丝表面。
上述实施方式中的纳米纤维纱线制备方法主要采用溶解法，利用静电纺技术将纳米纤维喷在可溶解的长丝组上，然后利用溶剂对纳米纤维和长丝的不同溶解性能溶解去除长丝，然后收集纳米纤维并加以捻度即可制备纳米纤维纱线。按照此方法制备的纳米纤维纱线既具有常规纱线的性能特征有具有纳米纤维的内在性质，可以应用于传统纺纱及组织工程和复合材料等领域。区别于现的技术，上述实施方式的制备工艺更加可控，是将纳米纤维喷丝到可溶性的纱线上，这些纱线的粗细，纱线上覆盖的纳米纤维的量可以通过纱线的给纱速度来进行控制，条件更可控。并且通过纱线携带纳米纤维，使得各项操作更加可控，比如纳米纤维的走向及运动可通过载体的纱线进行控制。通过可溶性纱线的可控性，可合理配置工艺，使得纳米纤维纱线的品种多样化。并且上述制备工艺具有操作简单，纱线可塑性强等特点，成本低廉，产量巨大，将会产生巨大的经济效益。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、长丝组退绕：
多股长丝卷装于筒子架上的多个筒子上，筒子前由近至远依次设置有第一导丝孔、上下罗拉和第二导丝孔，
筒子上的长丝的自由端依次穿过第一导丝孔、上下罗拉和第二导丝孔，长丝由上下罗拉牵引退绕进入静电纺丝设备；
二、静电纺喷丝：
设置静电纺丝设备的控制参数包括：设置电压电源的输出电压为10～50kv，设置喷头至接收板的距离为30～40cm，设置长丝与接收板的距离为0.7～2mm；
配置静电纺丝液；
喷丝：控制静电纺丝设备的喷头向外推送纺丝液，纺丝液在电场作用下形成纤维细丝并向接收板运动，牵引长丝从接收板的端移动至另一端，使纤维细丝在吸附于长丝表面；
三、溶解长丝：
将吸附有纤维细丝的长丝浸泡于溶剂中进行溶解，使长丝被溶解纤维细丝不被溶解；
四、纳米纤维加捻：
将溶解后得到的纤维细丝经加捻桶进行加捻，所述加捻桶包括圆柱形的桶体以及设置于桶体底部的旋转桨叶，桶体底部的中央设置有出线口，加捻时旋转桨叶旋转使加捻桶内的液体形成涡流，纤维细丝的自由端由涡流加捻形成纱线并从底部的出线口穿出；
五、纱线卷绕：
加捻所形成的纱线经槽筒后卷绕于筒子上。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述长丝的密度为1～2dtex。
3.根据权利要求1所述的纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝液按重量份计包括：15～25份的聚丙烯晴、3～8份的樟脑磺酸、3～7份的聚苯胺0.5g和0.7～1.3份的碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝液为质量分数聚丙烯晴9％、炭黑1％的二甲基甲酰胺溶液。
5.根据权利要求1所述的纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，在纳米纤维加捻时，加捻桶底部的旋转桨叶的旋转速度为80～130rpm。
6.根据权利要求1所述的纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，在静电纺喷丝过程中，牵引长丝从接收板的端移动的同时，控制长丝绕轴心匀速旋转。
7.根据权利要求1所述的纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，在纱线卷绕之后还包括碳化处理，碳化处理为将纤维纱线经900℃氩气环境下碳化。
8.一种纳米纤维纱线，其特征在于，该纳米纤维纱线是由权利要求1至7任一所述的纳米纤维纱线的制备方法制备得到的。
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