CN106868675B - 一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置 - Google Patents

一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，属于静电纺丝和复合纱线生产技术领域；该装置的左右侧喷丝头对称放置于喇叭形辅助接收器的下方两侧，并分别与高压静电正极相连；具有良好变形和回复能力的L形绕线器一端与喇叭形辅助接收器大口径端固定连接，并随其共同旋转；在喇叭形辅助接收器上方设置张力片，芯层纱线经张力片和不锈钢导纱管导入，并由两侧喷丝头产生的纳米纤维包覆后形成纳米纤维包芯纱，其后经位于喇叭形辅助接收器正下方的导纱钩导出后卷绕在卷纱筒上；本发明实现了纳米纤维对芯层纱线的完全包覆和复合纱线的连续生产，提高了纳米纤维的生产速率和利用率，所得纳米纤维包芯纱形貌良好、取向度较高。

Description

一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置
技术领域
本发明涉及一种新型复合纱线的纺制装置，特别涉及一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，属于静电纺丝和复合纱线生产技术领域。
背景技术
静电纺丝是一种特殊的纳米及亚微米级纤维制造技术，该技术具有工艺简单、高效低耗的特点。所得产品具有孔隙率高、比表面积大、吸附性强等优点，在生物医药、化学催化、薄膜过滤、电子器件等领域具有非常广阔的应用前景。
静电纺丝技术借助高压静电(通常为几千到数万伏)产生的强电场进行喷射纺丝制备纳米及亚微米级纤维。聚合物溶液、乳液或熔融体在施加高压静电后，克服自身表面张力并喷出带电射流；所形成的带电射流在静电斥力的作用下进一步劈裂、细化，形成纳米及亚微米级纤维束；纤维束随溶剂的挥发而快速固化，并最终沉积在接收装置上。
然而，静电纺丝纳米纤维一般以无纺毡或取向纤维的形式存在，并受其力学性能的影响存在加捻、编织困难的缺点，无法像传统纺织纤维材料一样取得广泛应用。若能结合传统纱线的强力优势，将传统纱线与静电纺丝纳米纤维进行有效复合，形成由纳米纤维包覆的新型复合纱线，势必将进一步拓宽纳米材料的应用领域和范围。
传统纺织纱线一般可以分为短纤维纱、连续长丝、短纤维与连续长丝的复合纱等，种类繁多，规格多样。该类纱线具有很长的连续长度和优异的力学性能，在服装、饰品、生物医药等领域应用广泛。
到目前为止，已有一些静电纺丝纳米纤维包覆传统纱线制备增强型复合纱线的报道，如周奉磊[Zhou F L,Surface and Coatings Technology,2009,204(5):621-628]等将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)长丝牵引通过纺丝区，得到了由聚氧化乙烯(PEO)纳米纤维覆盖的复合纱线；杨大祥[杨大祥，装甲兵工程学院学报，2011，25(3)，78-81]等人也通过同样的方法得到了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维复合纱线。但该方法使用的复合装置无法实现纳米纤维与传统纱线的旋转包覆，制备的复合纱线不仅存在包覆不完全、包覆层厚度不均匀的缺点，而且纳米纤维浪费问题严重，纱线行走轨迹以外的纳米纤维无法被有效利用。中国专利CN 102912502B公开了一种纳米纤维与长丝复合纱线的纺纱装置，该装置通过物理吸附的方法将纳米纤维附着在增强长丝上，并借助两根长丝的并股来阻止纳米纤维的剥落。该复合装置也存在纳米纤维利用率低、包覆不完全的弊端，所制备的复合纱线中纳米纤维含量较少，不利于纳米纤维功效的发挥。Dabirian[Dabirian F,Polymer Engineering&Science,2012,52(8):1724-1732]等采用旋转的金属圆台装置对芯层纱线进行包覆，具有较好的创新性，并收集到了纳米纤维包芯纱线。但该装置的接线方式在一定程度上限制了纳米纤维的产出速率，且纱线表面纳米纤维的取向也不易控制，致使复合纱线因蓬松多节而性能欠佳；另外，纺纱过程中有大量纳米纤维沉积在金属圆台表面，纳米纤维浪费问题依然存在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，该装置很好的将功能纳米纤维和传统纱线复合在一起，得到具有纳米效应和纱线增强效应的形貌良好的纳米纤维包芯纱。
本发明提出的一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，包括左侧喷丝头和右侧喷丝头、导纱钩、喇叭形辅助接收器、绝缘管、不锈钢导纱管、张力片、卷纱筒、用于支撑导纱钩和不锈钢导纱管的固定支架以及两个电机，其特征在于，该装置还包括具有变形和回复能力的L形绕线器；其中，所述左侧喷丝头和右侧喷丝头对称放置于喇叭形辅助接收器的下方两侧，并分别与高压静电正极相连；所述L形绕线器的一端与喇叭形辅助接收器大口径端固定连接，并随喇叭形辅助接收器共同旋转；所述绝缘管、不锈钢导纱管及喇叭形辅助接收器三者同轴设置，绝缘管包裹在不锈钢导纱管外侧后共同穿过喇叭形辅助接收器小口径端，不锈钢导纱管与高压静电负极相连；所述张力片位于喇叭形辅助接收器上方，芯层纱线经张力片和不锈钢导纱管导入，并由两侧喷丝头产生的纳米纤维包覆后形成纳米纤维包芯纱；该纳米纤维包芯纱经位于喇叭形辅助接收器正下方的导纱钩导出后卷绕在卷纱筒上；所述喇叭形辅助接收器和卷纱筒分别由第一电机和第二电机驱动。
所述L形绕线器由L形硬钢丝和套在该硬钢丝外侧可自由旋转的毛细管组件构成；其中，L形硬钢丝两端与水平线的夹角均为45°，该硬钢丝上设有约束毛细管组件滑移的约束焊点，该约束焊点与毛细管组件两端的收口相匹配。
本发明涉及一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，与现有装置相比具有以下优点和积极效果：
集芯层纱线牵引，纳米纤维制备、加捻复合为一体，实现了纳米纤维包芯纱的连续生产；两侧喷丝头均与高压静电正极相连，显著提高了纳米纤维的生产速率；借助L形绕线器和喇叭形辅助接收器的快速旋转，实现了纳米纤维在芯层纱线的层层包覆，包覆完全、密实且厚度均匀；L形绕线器表面设置可旋转的毛细管组件，其良好的变形和回复能力很好的解决了纳米纤维的浪费问题，避免了纳米纤维的局部积聚，提高了纳米纤维的利用率；采用该装置制备的纳米纤维包芯纱形貌可控，纳米纤维取向度高；制备装置结构简单，操作容易，适合多种纺丝溶液。
附图说明
图1是本发明所述纳米纤维包芯纱连续制备装置原理图；
图2是本发明中L形绕线器和喇叭形辅助接收器的局部结构示意图；
图3是采用本发明装置制备的一种纳米纤维包芯纱效果图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施案例对本发明提出的一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置作进一步说明：
本发明涉及一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，其结构如图1所示，该装置包括左侧喷丝头1和右侧喷丝头2，具有变形和回复能力的L形绕线器3，导纱钩4，喇叭形辅助接收器6，绝缘管8，不锈钢导纱管9，张力片10，卷纱筒14，用于支撑导纱钩和不锈钢导纱管的固定支架19(详见图2)，两个电机；其中，左侧喷丝头1和右侧喷丝头2对称放置于喇叭形辅助接收器6的下方两侧，并分别与高压静电正极13相连；L形绕线器3的一端与喇叭形辅助接收器6大口径端固定连接，并随喇叭形辅助接收器6共同旋转；绝缘管8、不锈钢导纱管9及喇叭形辅助接收器6三者同轴设置，绝缘管8包裹在不锈钢导纱管9外侧后共同穿过喇叭形辅助接收器6小口径端，不锈钢导纱管9与高压静电负极12相连；所述张力片10位于喇叭形辅助接收器上方，芯层纱线15经张力片10和不锈钢导纱管9导入，并由两侧喷丝头产生的纳米纤维包覆后形成纳米纤维包芯纱11；该纳米纤维包芯纱经位于喇叭形辅助接收器正下方的导纱钩4导出后卷绕在卷纱筒14上；喇叭形辅助接收器6和卷纱筒14分别由第一电机7和第二电机5驱动。
所述L形绕线器3由L形硬钢丝16和套在该L形硬钢丝外侧可自由旋转的毛细管组件17构成，如图2所示。其中，L形硬钢丝16的直径为0.5mm，与喇叭形辅助接收器6之间采用焊接方式连接，L形硬钢丝两端与水平线的夹角均为45°，具有较好的变形和回复能力，应力消除后结构复位良好；所述毛细管组件17的内径为1mm、壁厚0.2mm，两端均做收口处理，可在外力作用下做自由旋转运动；L形硬钢丝16上设有约束焊点18，与毛细管组件17两端的收口相匹配，使得毛细管组件17无法沿L形硬钢丝16的轴向发生滑移；纺纱过程中，所产生的纳米纤维受静电场影响集中排列于L形绕线器3和芯层纱线15之间，并随喇叭形辅助接收器6和L形绕线器3的旋转层层包覆在芯层纱线15上；伴随纳米纤维的快速缠绕，纤维长度不断缩短，从而在L形绕线器3与芯层纱线15之间产生应力，导致L形硬钢丝16缓慢变形，此时，芯层纱线15将毛细管组件17表面的纳米纤维一并加捻，有效规避了纳米纤维的局部积聚；待纳米纤维加捻完毕后应力消除，L形绕线器3迅速复位且结构复位良好，随即进入下一个加捻循环，以此往复。L形硬钢丝16和毛细管组件17的应用显著提高了纳米纤维的利用率，很好的解决了纳米纤维的浪费问题。
本发明其余部件均可采用常规产品实现，其中：
所述左侧喷丝头1和右侧喷丝头2以芯层纱线15为轴线，水平、对称放置，并与高压静电正极13相连，电压可调，可调范围0-50kV；在相同实验条件下，此接线方式与常规接线方式(左侧喷丝头1接高压静电正极，右侧喷丝头2接高压静电负极)相比，纳米纤维的产率提高了25％以上。
左侧喷丝头1和右侧喷丝头2所在平面与喇叭形辅助接收器6大口径端的相对高度可调，可调范围为0-25cm；左右两侧喷丝头之间的距离亦可调，可调范围为15-40cm。
所述喇叭形辅助接收器6为空壳结构，大口径端直径10cm，用于收集未排列在L形绕线器3上的纳米纤维，并将其缠绕到芯层纱线15上；喇叭形辅助接收器6的旋转由第二电机7驱动，转速可调，可调范围0-800rpm。
所述不锈钢导纱管9为外径4mm，壁厚0.5mm的导电钢管，位置由固定支架19(如图2所示)调节，经绝缘管8绝缘后与喇叭形辅助接收器6同轴、无接触放置，不随L形绕线器3和喇叭形辅助接收器6的旋转而转动；不锈钢导纱管9与高压静电负极12相连，电压可调，可调范围-30-0kV。
所述导纱钩4位于不锈钢导纱管9的轴线上，用来固定芯层纱线15和纳米纤维包芯纱11的走丝方向；导纱钩4亦由固定支架19固定，其与L形绕线器3底端的相对高度可调，可调范围0-20cm。
所述卷纱筒14由第二电机5驱动，卷纱速度可调，可调范围0-140rpm。
采用本发明的纳米纤维包芯纱的连续制备装置进行复合纺纱，得到了一种纳米纤维包芯纱，具体工艺步骤如下：
(1)静电纺丝：将配制好的聚合物纺丝液加入到给液装置中，并根据环境因素、溶液性质调节优化实验参数，使纺丝液经左侧喷丝头1和右侧喷丝头2纺丝得到纳米纤维；左侧喷丝头1和右侧喷丝头2接高压静电正极13；
(2)经张力片10和不锈钢导纱管9引入芯层纱线15，使两侧喷丝头经静电纺丝产生的纳米纤维排列在L形绕线器3上，并随L形绕线器3和喇叭形辅助接收器6的快速旋转层层包覆在芯层纱线15上，形成纳米纤维包芯纱11；所述不锈钢导纱管接高压静电负极12；
(3)所形成的纳米纤维包芯纱11经下方导纱钩4，卷绕在卷纱筒14上；由第一电机5驱动卷纱筒14，实现芯层纱线15的不间断行进和纳米纤维包芯纱11的连续生产。
实施例一
(1)首先配制质量分数为12.6％的聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)的氯化锂(LiCl)/二甲基乙酰胺(DMAC)初始溶液，溶液中氯化锂(LiCl)的质量分数为3.0％。
(2)将一定质量的相变功能组分羟丙基纤维素脂肪酸混合酯(HPCMEs)加入到上述PMIA初始溶液中，并在复合溶液中添加少量环己烷/二甲苯/正辛烷(质量比为1/2/2)三元混合液，搅拌至HPCMEs完全溶解，得到均一的纺丝乳液。纺丝乳液中，相变功能组分HPCMEs与PMIA的质量比为1.5/1，环己烷/二甲苯/正辛烷三元混合液与DMAC的质量比为1/2。
(3)将上述纺丝乳液加入到左右两个纺丝注射器中，设置溶液的供给速率为150μL/h；左右两侧纺丝注射器分别与左侧喷丝头1和右侧喷丝头2相连，左侧喷丝头1和右侧喷丝头2对称、水平放置，两者之间的间距设定为20cm；左侧喷丝头1和右侧喷丝头2均与高压静电正极相连，纺丝电压为14kV；喷丝头所在水平面与喇叭形辅助接收器6大口径端平面的垂直距离为10cm；不锈钢导纱管9与高压静电负极12相连，电压设为-2kV；周围环境温度和相对湿度分别为25.0±2.3℃和45±4％。
(4)静电纺丝制备纳米相变纤维的同时，将芯层聚维纶(PVA)纱线经张力片10、不锈钢导纱管9导入，纱线的纱支为40s；纱线经纳米纤维包覆后形成纳米纤维包芯纱11，经导纱钩4卷绕在卷纱筒14上；导纱钩4距L形绕线器3底端的距离为10cm。
(5)L形绕线器3和喇叭形辅助接收器6的转速设定为250rpm，卷纱筒14的转速设定为0.8rpm。
(6)如图3所示，所得纳米纤维包芯纱11的形貌良好，外层纳米纤维的取向度较高，且纱线包覆完全、密实、均匀。经测量，复合纱线直径约为174μm，外层纳米纤维的平均直径约为350nm，纳米纤维包覆层厚度约为25μm。

Claims (4)

1.一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，包括左侧喷丝头和右侧喷丝头、导纱钩、喇叭形辅助接收器、绝缘管、不锈钢导纱管、张力片、卷纱筒、用于支撑导纱钩和不锈钢导纱管的固定支架以及两个电机，其特征在于，该装置还包括具有变形和回复能力的L形绕线器；其中，所述左侧喷丝头和右侧喷丝头对称放置于喇叭形辅助接收器的下方两侧，并分别与高压静电正极相连；所述L形绕线器的一端与喇叭形辅助接收器大口径端固定连接，并随喇叭形辅助接收器共同旋转；所述绝缘管、不锈钢导纱管及喇叭形辅助接收器三者同轴设置，绝缘管包裹在不锈钢导纱管外侧后共同穿过喇叭形辅助接收器小口径端，不锈钢导纱管与高压静电负极相连；所述张力片位于喇叭形辅助接收器上方，芯层纱线经张力片和不锈钢导纱管导入，并由两侧喷丝头产生的纳米纤维包覆后形成纳米纤维包芯纱；该纳米纤维包芯纱经位于喇叭形辅助接收器正下方的导纱钩导出后卷绕在卷纱筒上；所述喇叭形辅助接收器和卷纱筒分别由第一电机和第二电机驱动。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维包芯纱的连续制备装置，其特征在于，所述L形绕线器由L形硬钢丝和套在该硬钢丝外侧可自由旋转的毛细管组件构成；其中，L形硬钢丝两端与水平线的夹角均为45°，该硬钢丝上设有约束毛细管组件滑移的约束焊点，该约束焊点与毛细管组件两端的收口相匹配。
3.根据权利要求2所述的纳米纤维包芯纱的连续制备装置，其特征在于，所述L形硬钢丝的直径为0.5mm。
4.根据权利要求2所述的纳米纤维包芯纱的连续制备装置，其特征在于，所述毛细管组件的内径为1mm、壁厚为0.2mm。
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