CN107366052A - 取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法 - Google Patents

取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法，取向集束装置包括负压纤维收集滚筒、电机、连通装置和抽气装置，负压纤维收集滚筒表面设有气孔，通过电机驱动旋转，通过抽气装置抽气形成负压，静电纺纱设备还包括喷丝头、高压静电发生器、滑轨、自动供液装置和加捻卷绕装置，由喷丝头喷射产生的纺丝溶液射流被负压纤维收集滚筒接收，纳米纤维在负压纤维收集滚筒的高速旋转及负压气流的双重作用下集聚并沿着气孔的排布方向取向，纳米纤维束从负压纤维收集滚筒上牵引到加捻卷绕装置上进行加捻和卷绕得到连续取向纳米纤维纱线。本发明能够有效减弱加捻三角区的影响，能够稳定控制纱线的基本参数，提高纳米纤维纱线的质量和产量。

Description

取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法
技术领域
本发明属于静电纺丝的技术领域，特别是涉及一种取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法。
背景技术
静电纺丝是当前一种最通用的纺制纳米纤维的技术，其产品具有非常优异的性能，如有极大的比表面积，可以灵活地进行表面功能化整理以及优异的力学行为等，可以应用到组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料、复合增强材料、传感器等。由于静电纺丝工艺简单，制备流程比传统常规纺丝短，制品功能优异，自Anton formhals1934年获得美国专利以来，静电纺丝一直是纤维科学家和纺织开发人员长期以来的奋斗目标。该类纳米纤维将成为我国新世纪的主导产品，市场潜力巨大，前景十分广阔。
但到目前为止，大多数静电纺纳米纤维是以无纺布的形式或松散的取向纤维束收集到的，由于其杂乱无章的结构、较低的力学性能、缺乏缝编性以及量产困难等，无法与传统纺织纤维材料有同等的广泛应用(机织物、针织物等)是制约其发展的根本因素。从传统的纤维和纺织工业我们知道，连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束以及其加捻后所得的纱线才是纳米纤维的发展方向。近些年由于纳米纤维纱线具有取向度好、抗拉强度大、易于编织等诸多优良特性，在许多应用领域生物医学、工程支架、导电材料、智能穿戴等方面甚至比传统纳米纤维无纺布(膜)有更好的应用前景和更重要的价值。所以，高效制备结构可控的纳米纤维纱线才是静电纺丝达到广泛应用的最终发展方向。
目前已有一些学者研究了将纳米纤维以纤维束的形式进行收集或将纳米纤维直接加工成纱线的方法，并取得了一些突破性的成果。Teo[Teo WE,Polymer,2007,48,3400-3405]等利用液体凝固浴制备连续取向纳米纤维纱线，该方法是靠液体的涡流作用对纤维进行加捻，由于难以控制液体的涡流，因此难以控制加捻点、加捻区域及加捻系数，所得的纱线的模量变异系数较大，加捻参数不易控制，且只适用于非水溶性聚合物的静电纺纱。[Afifi AM,Macromol Mater Eng,2010(295),660-665]等、Dalton[Dalton PD,Polymer,2005(46),611-614]等、Lee[Lee J H，Polymer,2016,84,52-58]等分别利用漏斗型靶、圆形、圆环形等收集装置制备连续取向纳米纤维纱线，这些方法同样无法稳定控制加捻点及加捻区域，加捻三角区大，受力不均匀，转速大会导致纤维受力增大而发生断裂，且纤维直径较粗或两端握持加捻制备的纱线长度太短，无法满足实际的需要；最近几年常用制备连续取向纳米纤维纱线的方法是双针头共轭布置法，中国专利201310058070.8公开了一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法即采用了这种双针头共轭布置法。这种成纱方式能够连续制备取向纳米纤维纱线，但仍然存在纺纱加捻三角区导致纤维受力不均断头无法持续生产的问题，使得制备纳米纤维纱线的取向度不可控、捻度不可控、成纱连续性差。
从上述研究可见，尽管制备静电纺纱线的方法比较多，但仍未发现真正有效的纳米纤维纱线规模化制备方法来迎合今后的工业化生产。主要表现在现有方法均无法做到纳米纤维的加捻三角区域稳定控制。加捻三角区的存在使得纤维不仅受到纵向拉伸力，同时还将受到一个水平牵伸力，当纵向拉伸力一定时，三角区的加捻角度越大，单根纤维所受到的力就越大越容易发生断裂；加捻三角区长度越大，单根纤维的非握持长度越长，纤维弱环问题越严重。因此，加捻三角区越大，越容易导致纤维断裂，使得纱线的基本参数(纱线捻度、成纱速度、细度、条干均匀度、强力等)调控困难，造成纱线断头，难以连续成纱，无法批量制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法，有效减弱加捻三角区的影响，能够稳定控制纱线的基本参数，提高纳米纤维纱线的质量和产量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种取向集束装置，包括负压纤维收集滚筒、电机、连通装置和抽气装置，所述负压纤维收集滚筒为中空结构、表面设有通过负压集聚纳米纤维形成连续取向纳米纤维束的气孔，所述负压纤维收集滚筒一端通过电机驱动旋转、另一端通过连通装置与抽气装置连接并通过抽气装置抽气使负压纤维收集滚筒内部形成负压。
作为本发明一种优选的实施方式，所述负压纤维收集滚筒与电机连接的一端为密闭结构、另一端圆心处设有圆孔，所述连通装置为中通连接杆、一端通过负压纤维收集滚筒的端部圆孔与负压纤维收集滚筒转动式连接、另一端与抽气装置连接。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述连通装置一端通过轴承与负压纤维收集滚筒连接、另一端通过螺纹结构与抽气装置连接。
作为本发明一种优选的实施方式，所述负压纤维收集滚筒沿圆周表面开有螺旋状连续的沟槽，所述沟槽的截面形状呈上宽下窄宽度逐渐减小的结构，所述气孔开设于沟槽的底部、沿着沟槽的方向间隔均匀地排列若干排。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述负压纤维收集滚筒表面沿周向开有若干间隔分布的沟槽，所述沟槽的截面形状呈上宽下窄宽度逐渐减小的结构，所述气孔开设于沟槽的底部、沿着沟槽的方向间隔均匀地排列若干排。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述负压纤维收集滚筒的沟槽的底部采用金属材料、其他部位及负压纤维收集滚筒两端的连接件均采用绝缘材料。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述负压纤维收集滚筒整体采用金属材料、除沟槽底部以外的其他部位及负压纤维收集滚筒两端的连接件均采用绝缘材料覆盖。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还提供一种利用上述取向集束装置的静电纺纱设备，还包括若干喷丝头、高压静电发生器、滑轨、自动供液装置和若干加捻卷绕装置，所述滑轨设置于负压纤维收集滚筒的正下方，所述若干喷丝头可滑动地安装于滑轨上且喷丝方向设置为竖直向上，所述高压静电发生器的正极接线柱与喷丝头连接，所述喷丝头通过自动供液装置提供纺丝溶液，所述负压纤维收集滚筒上各根纳米纤维束通过对应设置的加捻卷绕装置进行加捻和卷绕收集。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述喷丝头采用无针式喷头。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还提供一种利用上述静电纺纱设备的纳米纤维纱线制备方法，包括以下步骤：
a)打开自动供液装置向喷丝头添加纺丝溶液，启动高压静电发生器，喷丝头内的纺丝溶液在静电力的作用下产生多股射流，所述喷丝头沿滑轨来回移动；
b)打开电机驱动负压纤维收集滚筒高速转动，打开抽气装置使负压纤维收集滚筒表面的气孔形成负压，由喷丝头喷射产生的纺丝溶液射流被负压纤维收集滚筒接收，纳米纤维在负压纤维收集滚筒的高速旋转及负压气流的双重作用下集聚并沿着气孔的排布方向取向；
c)将连续取向的纳米纤维束从负压纤维收集滚筒上牵引到相对应的加捻卷绕装置上进行加捻和卷绕收集，得到连续取向的纳米纤维纱线。
有益效果
本发明与现有技术相比：第一，集喷丝、纤维取向、纤维转移、凝聚、加捻、牵伸和卷绕为一体，可以连续制备取向纳米纤维纱线；第二，通过采用单个甚至多个无针式喷丝头，可同时产生多股射流，大大增加了静电纺丝的产量；第三，利用负压纤维收集滚筒的高速旋转以及表面气孔处的负压气流作用，使生成的纳米纤维高度取向；第四，可通过调节装置的各项参数达到控制纱线直径、强度和捻度的目的，且捻度可由加捻卷绕装置单独调控，有效减弱加捻三角区的影响，能够稳定控制纱线的基本参数，提高纳米纤维纱线的质量。本发明装置的结构相对简单，适合多种聚合物纺丝溶液，能够得到取向度较高的纳米纤维纱线，可以实现纳米纤维纱线的连续化和规模化生产。
附图说明
图1为本发明取向集束装置的结构示意图，其中负压纤维收集滚筒的表面沟槽为螺旋状。
图2为本发明静电纺纱设备的结构示意图。
图3为本发明负压纤维收集滚筒(表面沟槽为圆环形)与加捻卷绕装置配合的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示的一种取向集束装置，包括负压纤维收集滚筒7、电机8、连通装置6和抽气装置5。
负压纤维收集滚筒7为中空结构、表面设有通过负压集聚纳米纤维形成连续取向纳米纤维束9的气孔11。负压纤维收集滚筒7一端通过电机8驱动旋转、另一端通过连通装置6与抽气装置5连接并通过抽气装置5抽气使负压纤维收集滚筒7内部形成负压。
负压纤维收集滚筒7与电机8连接的一端为密闭结构，另一端圆心处设有圆孔，连通装置6为中通连接杆，一端采用轴承通过端部圆孔与负压纤维收集滚筒7转动式连接，另一端通过螺纹结构与抽气装置5连接。
如图1所示，负压纤维收集滚筒7沿圆周表面开有螺旋状连续的沟槽12，沟槽12的截面形状呈上宽下窄宽度逐渐减小的结构。气孔11开设于沟槽12的底部、沿着沟槽12的方向间隔均匀地排列。
负压纤维收集滚筒7的另一种优选结构如图3所示，负压纤维收集滚筒7表面沿周向开有若干间隔分布的沟槽12，沟槽12的截面形状呈上宽下窄宽度逐渐减小的结构。气孔11开设于沟槽12的底部、沿着沟槽12的方向间隔均匀地排列。
负压纤维收集滚筒7的沟槽12的底部采用金属材料，其他部位及负压纤维收集滚筒7两端的连接件均采用绝缘材料。也可以将负压纤维收集滚筒7整体采用金属材料，除沟槽12底部以外的其他部位及负压纤维收集滚筒7两端的连接件均采用绝缘材料覆盖。
如图2所示的一种静电纺纱设备，包括上述的取向集束装置、喷丝头1、高压静电发生器2、滑轨3、自动供液装置4和加捻卷绕装置10。
滑轨3设置于负压纤维收集滚筒7的正下方，喷丝头1可滑动地安装于滑轨3上且喷丝方向设置为竖直向上，喷丝头1采用无针式喷头，可同时产生多根射流，有利于提高产量。高压静电发生器2的正极接线柱与喷丝头1连接，喷丝头1通过自动供液装置4提供纺丝溶液，负压纤维收集滚筒7上各根纳米纤维束9通过对应设置的加捻卷绕装置10进行加捻和卷绕收集。
下面提供一种利用上述的静电纺纱设备进行纳米纤维纱线制备的方法，包括以下步骤：
a)打开自动供液装置4向喷丝头1添加纺丝溶液，启动高压静电发生器2，喷丝头1内的纺丝溶液在静电力的作用下产生多股射流，喷丝头1沿滑轨3来回移动；
b)打开电机8驱动负压纤维收集滚筒7转动，打开抽气装置5使负压纤维收集滚筒7表面的气孔11形成负压，由喷丝头1喷射产生的纺丝溶液射流被负压纤维收集滚筒7接收，纳米纤维在负压纤维收集滚筒7的高速旋转及负压气流的双重作用下集聚并沿着气孔11的排布方向取向；
c)将连续取向的纳米纤维束9从负压纤维收集滚筒7上牵引到相对应的加捻卷绕装置10上进行加捻和卷绕收集，得到连续取向的纳米纤维纱线。
下面提供两例具体的实施例：
实施例1
采用如图2所示的静电纺纱设备，喷丝头1为无针式喷头。溶液选用聚丙烯腈(PAN)与二甲基甲酰胺(DMF)所配制的质量浓度为10％的溶液，通过自动供液装置4将溶液注入喷丝头1中。将喷丝头1与高压静电发生器2正极接线柱相连，打开高压静电发生器2，喷丝头1处开始形成射流，打开电机8驱动负压纤维收集滚筒7转动，射流被负压纤维收集滚筒7接收，其中负压纤维收集滚筒7圆周外表面的沟槽12呈圆周螺旋连续。打开抽气装置5对收集装置进行抽气，收集装置的气孔11处产生负压气流，纳米纤维在滚筒的高速旋转及负压气流的作用下集聚到螺旋沟槽12处，其中气孔11沿着沟槽12的螺旋线方向排布，因此纳米纤维沿着气孔12排布的螺旋线方向取向，从而形成一条连续取向的纳米纤维束9。将纳米纤维束9牵引到加捻卷绕装置10中，对其进行加捻卷绕从而形成连续取向的纳米纤维纱线。
实施例2
采用如图3所示的静电纺纱设备，喷丝头1为无针式喷头。溶液选用聚丙烯腈(PAN)与二甲基甲酰胺(DMF)所配制的质量浓度为10％的溶液，通过自动供液装置4将溶液注入喷丝头1中。将喷丝头1与高压静电发生器2正极接线柱相连，打开高压静电发生器2，喷丝头1处开始形成射流，打开电机8驱动负压纤维收集滚筒7收集装置转动，射流被负压滚筒收集装置接收，其中负压滚筒收集装置圆周外表面的沟槽12沿着滚筒圆周平行排列。打开抽气装置5对收集装置进行抽气，收集装置的气孔11处产生负压气流，纳米纤维在滚筒的高速旋转及负压气流的作用下分别集聚到各圆周沟槽12处，其中气孔11沿着圆周方向排布，因此纳米纤维沿着气孔排布的圆周方向取向，从而形成多条连续取向的纳米纤维束9。将多条纳米纤维束9分别牵引到各自对应的加捻卷绕装置10中，对其进行加捻卷绕从而形成连续取向的纳米纤维纱线。

Claims (10)

1.一种取向集束装置，包括负压纤维收集滚筒(7)、电机(8)、连通装置(6)和抽气装置(5)，其特征在于：所述负压纤维收集滚筒(7)为中空结构、表面设有通过负压集聚纳米纤维形成连续取向纳米纤维束(9)的气孔(11)，所述负压纤维收集滚筒(7)一端通过电机(8)驱动旋转、另一端通过连通装置(6)与抽气装置(5)连接并通过抽气装置(5)抽气使负压纤维收集滚筒(7)内部形成负压。
2.根据权利要求1所述的一种取向集束装置，其特征在于：所述负压纤维收集滚筒(7)与电机(8)连接的一端为密闭结构、另一端圆心处设有圆孔，所述连通装置(6)为中通连接杆、一端通过负压纤维收集滚筒(7)的端部圆孔与负压纤维收集滚筒(7)转动式连接、另一端与抽气装置(5)连接。
3.根据权利要求2所述的一种取向集束装置，其特征在于：所述连通装置(6)一端通过轴承与负压纤维收集滚筒(7)连接、另一端通过螺纹结构与抽气装置(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种取向集束装置，其特征在于：所述负压纤维收集滚筒(7)沿圆周表面开有螺旋状连续的沟槽(12)，所述沟槽(12)的截面形状呈上宽下窄宽度逐渐减小的结构，所述气孔(11)开设于沟槽(12)的底部、沿着沟槽(12)的方向间隔均匀地排列若干排。
5.根据权利要求1所述的一种取向集束装置，其特征在于：所述负压纤维收集滚筒(7)表面沿周向开有若干间隔分布的沟槽(12)，所述沟槽(12)的截面形状呈上宽下窄宽度逐渐减小的结构，所述气孔(11)开设于沟槽(12)的底部、沿着沟槽(12)的方向间隔均匀地排列若干排。
6.根据权利要求4或5所述的一种取向集束装置，其特征在于：所述负压纤维收集滚筒(7)的沟槽(12)的底部采用金属材料、其他部位及负压纤维收集滚筒(7)两端的连接件均采用绝缘材料。
7.根据权利要求4或5所述的一种取向集束装置，其特征在于：所述负压纤维收集滚筒(7)整体采用金属材料、除沟槽(12)底部以外的其他部位及负压纤维收集滚筒(7)两端的连接件均采用绝缘材料覆盖。
8.一种利用权利要求1、4或5所述的取向集束装置的静电纺纱设备，还包括若干喷丝头(1)、高压静电发生器(2)、滑轨(3)、自动供液装置(4)和若干加捻卷绕装置(10)，其特征在于：所述滑轨(3)设置于负压纤维收集滚筒(7)的正下方，所述若干喷丝头(1)可滑动地安装于滑轨(3)上且喷丝方向设置为竖直向上，所述高压静电发生器(2)的正极接线柱与喷丝头(1)连接，所述喷丝头(1)通过自动供液装置(4)提供纺丝溶液，所述负压纤维收集滚筒(7)上各根纳米纤维束(9)通过对应设置的加捻卷绕装置(10)进行加捻和卷绕收集。
9.根据权利要求8所述的一种静电纺纱设备，其特征在于：所述喷丝头(1)采用无针式喷头。
10.一种利用权利要求8所述的静电纺纱设备的纳米纤维纱线制备方法，包括以下步骤：
a)打开自动供液装置(4)向喷丝头(1)添加纺丝溶液，启动高压静电发生器(2)，喷丝头(1)内的纺丝溶液在静电力的作用下产生多股射流，所述喷丝头(1)沿滑轨(3)来回移动；
b)打开电机(8)驱动负压纤维收集滚筒(7)转动，打开抽气装置(5)使负压纤维收集滚筒(7)表面的气孔(11)形成负压，由喷丝头(1)喷射产生的纺丝溶液射流被负压纤维收集滚筒(7)接收，纳米纤维在负压纤维收集滚筒(7)的高速旋转及负压气流的双重作用下集聚并沿着气孔(11)的排布方向取向；
c)将连续取向的纳米纤维束(9)从负压纤维收集滚筒(7)上牵引到相对应的加捻卷绕装置(10)上进行加捻和卷绕收集，得到连续取向的纳米纤维纱线。
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