CN107326454A - 一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，采用高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过静电力纺丝得到微纳米纤维膜并收集在拉胀结构收集装置上；所述拉胀结构收集装置上拉胀纹路的杆上与杆间的孔隙选用的材料不同；将收集到的具有拉胀结构的微纳米纤维膜从拉胀结构收集装置上剥离并集束；将微纳米纤维膜进行后处理，以提高纤维间的摩擦性能，提高拉胀纳米纤维纱线的力学性能或赋予其功能。本发明可用于拉胀纳米纤维纱线的连续化、规模化制备，提高拉胀纳米纤维纱线的生产效率；制备的拉胀纱线结构稳定，可用于服装、超疏水材料、过滤材料、生物医用、组织工程、光电材料、冲击防护、传感器、复合材料等领域。

Description

一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，具体涉及一种利用静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，属于纺织服装用拉胀结构材料技术领域。

背景技术

纳米纤维不仅具有比表面积高等特性，还有机械稳定性好、纤维连续性好等优点。其应用已涉及过滤、分离、吸声、能源、组织工程、生物医学、传感器等领域。但从纺织材料、复合材料、组织工程以及微电子器件等领域的应用要求来看，取向纳米纤维束以及其加捻后所得的纳米纤维纱线才是纳米纤维走向应用的最终发展方向。

目前关于静电纺制备纳米纤维纱线的研究很多，如授予朱美芳等人的CN200710044034.0(一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法)、孙润军等人的CN200810018267.8(一种静电纺纳米纤维纱线***及纳米纤维纱线的制备方法)。近年来关于静电纺纳米纤维纱线***的研究主要在于集束和加捻装置的改进，包括喷嘴加捻法(何建新；崔世忠等.一种静电纺纳米纤维的喷气纺成纱装置及制备方法.发明专利号CN201210207250.3)、金属圆形靶法(覃小红；吴韶华.一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法.发明专利号CN201310058070.8)、喷气摩擦法(何建新；周玉嫚等.一种静电纺纳米纤维的多股喷气摩擦成纱装置及制备方法.发明专利号CN201510545647.7)、圆环收集法(牛海涛；赵晓利.转环型静电纺纳米纤维纱线制备装置及其制备方法.发明专利号CN201510149182.3)、中空旋转收集法(牛海涛；赵晓利.旋转收集器制备静电纺纳米纤维纱线装置及其制备方法.发明专利号CN201510148744.2)、带牵引线与假捻装置法(刘呈坤；贺海军等.一种静电纺纳米纤维纱装置及纳米纤维纱的制备方法.发明专利号CN201610130682.7)、旋转离心柱法(魏取福；吕鹏飞等.一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法.发明专利号CN201610308336.3)。上述方法虽可以制备纳米纤维纱线，但其功能主要由纳米纤维提供，要使其具备其它性能，只能通过后处理改性等方式，大幅增加成本。

负泊松比性质是材料的反常规特性之一，使材料具备特殊性能，具有负泊松比性质的材料又被称为拉胀材料，被称为21世纪智能材料之一，目前已有拉胀纱线的制备主要采用传统正泊松比长丝通过螺旋结构成形，使其在受轴向拉伸作用时，长丝组分由于模量不同而导致结构变化，位置互换，表现为纱线的表观直径增大，如授予Hook的Usesofauxetic fibres(美国专利，发明专利号U.S.2011/8002879B2)，授予胡红等人的一种负泊松比纱线结构及其制造方法(发明专利号CN201210212844.3)。而其产品也可用于传统纺织，如2016年胡红教授公开的一种负泊松比机织物及制造方法(发明专利公开号CN106149150A)，由最小重复织物结构单元重复组成，单元由经纱和纬纱共同交织构成，最小重复织物结构单元的形状结构是内凹多边形、旋转多边形、星形蜂窝结构、交联多边形或者内凹折叠结构，使机织物在其平面一个或多个方向上呈现负泊松比或零泊松比效应，可用于穿戴，如授予Blakely等人的Articles ofapparel with auxetic fabrics(美国专利，发明专利号U.S.2014/0109286A1)，可用于过滤，如授予Martin等人的Filtering face-piece respirator having an auxetic mesh in the mask body(美国专利，发明专利号U.S.2015/8967147B2)，可用于冲击防护，如授予Rossow等人的Blast control blanket(美国专利，发明专利号U.S.2016/0040962A1)，授予Eberlein等人的Seating unit withauxetic support(美国专利，发明专利号U.S.2015/0320220A1)等，由此可见，拉胀材料用途前景广阔。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种具有拉胀性的纳米纤维纱线的制备方法，制备的纳米纤维纱线能作为超疏水材料使用。

为了解决上述问题，本发明提供了一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：采用高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过静电力纺丝得到微纳米纤维膜并收集在拉胀结构收集装置上；所述拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案中拉胀纹路的杆上选用材料A，拉胀纹路的杆间的孔隙为镂空或选用材料B，其中，材料A与材料B为不同导电率的材料或不同磁导率的材料，通过材料的选择实现杆上沉积的纤维集合体较硬、较厚、高取向，杆间孔隙上镂空结构或沉积的纤维集合体较柔、较薄、低取向/无序排列；

步骤2)：将收集到的具有拉胀结构的微纳米纤维膜从拉胀结构收集装置上剥离并集束；

步骤3)：将微纳米纤维膜进行后处理，以提高纤维间的摩擦性能，提高拉胀纳米纤维纱线的力学性能或赋予其功能。

优选地，所述步骤1)中静电纺丝的方式采用单针头式、多针头式或无针式。

优选地，所述步骤1)中微纳米纤维的收集方法采用干法收集或湿法收集。

更优选地，所述湿法收集为浴液收集法。

优选地，所述步骤2)中微纳米纤维膜在集束前通过辅助设备对其进行定型以稳定拉胀结构。

优选地，所述步骤2)中集束的方式为圆环集束、中空转筒集束、导纱杆集束、金属圆形靶集束或带牵引丝集束。

优选地，所述步骤2)中具有拉胀结构的微纳米纤维膜是指能够通过拉伸、弯曲、旋转、平移、铰接等变形机理作用形成拉胀效应的图案或结构，为二维或三维拉胀结构。

优选地，所述微纳米纤维膜的拉胀结构为内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形和铰接三角形中的任意一种或几种的组合。

优选地，所述步骤3)中后处理工序采用机械加捻、假捻、空气加捻、涡流加捻、喷气摩擦和化学粘结工序中的任意一种或几种。

本发明制得的拉胀纳米纤维纱线具有拉胀性，也兼具纳米纤维的特性。

本发明的原理在于通过高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过电场力牵引纺丝至具有拉胀结构的拉胀结构收集装置上；拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案，通过在拉胀纹路的杆上选用不同导电率的材料、或不同磁导率的材料，以及在拉胀纹路间的孔隙选用区别于拉胀纹路的杆上的不同导电率的材料、或不同磁导率的材料、或普通的材料，可实现高聚物纤维的可控沉积，实现杆上沉积的纤维集合体较硬、较厚、高取向，而杆间的孔隙上沉积的纤维集合体较柔、较薄、低取向或无序排列。沉积于拉胀结构收集装置上的高聚物纤维集合体在集束前形成拉胀结构，通过集束作用和后处理，不仅增加其力学性能和赋予其功能，还保持了原纤维集合体集束之前的拉胀结构，从而具备拉胀效应。又因为纳米纤维沉积过程中的大致无序结构和在集束后处理中的纤维纠缠作用，使拉胀纳米纤维纱线的结构稳定，变形不会过大，且外力去除后能够恢复。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

①本发明方法采用一次成形方法，不需要进行后处理等二次工序就可以制得具有拉胀性能的功能纳米纤维纱线；

②所制备的拉胀纳米纤维纱线在拉胀结构作用下显示拉胀效果，在纤维间相互作用下保持变形后的恢复能力，在纳米纤维个体的存在下保持纳米材料独有的特性，即同时存在稳定拉胀性能和纳米材料独有特性；

③所制备拉胀纳米纤维纱线结构稳定，可应用于服装、超疏水材料领域过滤材料、生物医用、组织工程、光电材料、冲击防护、传感器、复合材料等领域，市场前景广阔，尤其是超疏水材料领域；

④本发明可用于拉胀纳米纤维纱线的连续化、规模化制备。

附图说明

图1为实施例1制得的手性蜂窝二维拉胀结构微纳米纤维膜的示意图；

图2为实施例2制得的正弦二维拉胀结构的示意图；

图3为实施例3制得的内凹六角蜂窝二维拉胀结构的示意图；

图4为实施例4制得的双箭头二维拉胀结构的示意图；

图5为实施例5制得的星型网络二维拉胀结构的示意图；

图6为实施例6制得的内凹蜂窝三维拉胀结构的示意图；

图7a为实施例7制得的双箭头三维拉胀结构的示意图；

图7b为图7a中I部分的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1-7均采用本发明提供的一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)拉胀结构收集装置的准备；

(b)采用高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过静电力牵引纺出微纳米纤维膜并收集在(a)制备的拉胀结构收集装置上；

(c)将(b)收集到的具有拉胀结构的微纳米纤维膜从拉胀结构收集装置上剥离并集束；

(d)将微纳米纤维膜集束后进行处理，以提高纤维间的摩擦性能，提高拉胀纳米纤维纱线的力学性能或赋予其功能。

本发明可用于拉胀纳米纤维纱线的连续化、规模化制备，提高拉胀纳米纤维纱线的生产效率；制备的拉胀纱线结构稳定，可用于服装、超疏水材料、过滤材料、生物医用、组织工程、光电材料、冲击防护、传感器、复合材料等领域，尤其可用于超疏水材料领域。

实施例1

采用聚酰胺6为原料，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用金丝、杆间孔隙为铜丝，多针头静电纺，湿法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用手性蜂窝结构，之后加辅助干燥机构干燥，采用金属圆形靶集束沉积的纳米纤维网(如图1所示)，最后采用空气加捻成拉胀纳米纤维纱线。

实施例2

采用聚氨基甲酸酯为原料，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用铜丝、杆间孔隙为铝丝，多针头静电纺，干法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用正弦二维拉胀结构，采用金属圆形靶集束沉积的纳米纤维网(如图2所示)，最后采用空气加捻成拉胀纳米纤维纱线。

实施例3

原料采用涤纶，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用铜丝，杆间孔隙为不锈钢，单针头静电纺，干法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用内凹六角蜂窝，采用圆环集束沉积的纳米纤维网(如图3所示)，最后采用机械加捻成拉胀纳米纤维纱线。

实施例4

采用聚丙烯腈为原料，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用银丝、杆间孔隙为不锈钢，无针头静电纺，干法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用双箭头拉胀结构，采用金属圆形靶集束沉积的纳米纤维网(如图4所示)，最后采用摩擦加捻成拉胀纳米纤维纱线。

实施例5

采用聚丙烯为原料，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用不锈钢丝、杆间孔隙为聚四氟乙烯薄膜，多针头静电纺，干法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用星型网络结构，采用圆环集束沉积的纳米纤维网(如图5所示)，最后采用假捻形成拉胀纳米纤维纱线。

实施例6

采用聚乙烯醇为原料，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用铜丝、杆间孔隙镂空，无针头静电纺，干法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用内凹六角蜂窝(如图6所示)，采用圆环集束沉积的纳米纤维网，最后采用机械加捻成拉胀纳米纤维纱线。

实施例7

采用聚乳酸为原料，拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案的杆选用银丝、杆间孔隙为铝丝，无针头静电纺，干法收集沉积纤维，拉胀结构图案选用双箭头三维拉胀结构，采用金属圆形靶集束沉积的纳米纤维网(如图7a、7b所示)，最后采用空气加捻成拉胀纳米纤维纱线。

Claims (9)

1.一种静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：采用高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过静电力纺丝得到微纳米纤维膜并收集在拉胀结构收集装置上；所述拉胀结构收集装置上的拉胀结构图案中拉胀纹路的杆上选用材料A，拉胀纹路的杆间的孔隙为镂空或选用材料B，其中，材料A与材料B为不同导电率的材料或不同磁导率的材料，通过材料的选择实现杆上沉积的纤维集合体较硬、较厚、高取向，杆间孔隙上镂空结构或沉积的纤维集合体较柔、较薄、低取向/无序排列；

步骤2)：将收集到的具有拉胀结构的微纳米纤维膜从拉胀结构收集装置上剥离并集束；

步骤3)：将微纳米纤维膜进行后处理，以提高纤维间的摩擦性能，提高拉胀纳米纤维纱线的力学性能或赋予其功能。

2.如权利要求1所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述步骤1)中静电纺丝的方式采用单针头式、多针头式或无针式。

3.如权利要求1所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述步骤1)中微纳米纤维的收集方法采用干法收集或湿法收集。

4.如权利要求3所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述湿法收集为浴液收集法。

5.如权利要求1所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述步骤2)中微纳米纤维膜在集束前通过辅助设备对其进行定型以稳定拉胀结构。

6.如权利要求1所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述步骤2)中集束的方式为圆环集束、中空转筒集束、导纱杆集束、金属圆形靶集束或带牵引丝集束。

7.如权利要求1所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述步骤2)中具有拉胀结构的微纳米纤维膜为二维或三维拉胀结构。

8.如权利要求7所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述微纳米纤维膜的拉胀结构为内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形和铰接三角形中的任意一种或几种的组合。

9.如权利要求1所述的静电纺丝制备拉胀纳米纤维纱线的方法，其特征在于，所述步骤3)中后处理工序采用机械加捻、假捻、空气加捻、涡流加捻、喷气摩擦和化学粘结工序中的任意一种或几种。