CN108486661A - 取向纳米纤维纱线制备装置及其使用方法 - Google Patents

取向纳米纤维纱线制备装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种取向纳米纤维纱线制备装置及其使用方法，空心外滚筒沿周向设有矩阵式分布的气孔，气流集聚内套筒固定设置于空心外滚筒内部与空心外滚筒连通，气流集聚内套筒与吸气设备连接，空心外滚筒通过传动机构驱动旋转，致密网覆盖于空心外滚筒表面，空心外滚筒表面通过间隔的绝缘分隔环分隔形成纤维集束槽，静电纺喷丝机构与空心外滚筒对应设置，加捻卷绕机构分别与各纤维集束槽对应设置。使用方法包括：开启静电纺喷丝机构产生纺丝溶液射流；打开传动机构驱动空心外滚筒发生转动；打开吸气设备进行抽气，纺丝溶液集聚排布形成取向纳米纤维束；加捻卷绕。本发明实现纳米纤维的分条集束和连续化生产，高度取向，保证结构完整，提高生产效率。

Description

取向纳米纤维纱线制备装置及其使用方法
技术领域
本发明属于纳米纤维纱制备的技术领域，特别是涉及一种取向纳米纤维纱线制备装置及其使用方法。
背景技术
纳米纤维的最大特点是小直径和大比表面积，随着纤维直径变细，表面原子数、表面张力和表面能急剧增强，从而在物理化学方面表现出特异性。因此尝试将纳米技术与传统的纺织产业相结合，以期改善纺织产业的现状，加工出具有高附加值的功能性纺织品是很多纺织研究学者和纤维科学家一直以来的奋斗目标。纳米纤维的制备方法有很多，而静电纺丝的加工工艺简单，自Anton formhals 1934年获得美国专利以来，这种借助静电场作用进行纺丝的方法一直受到人们的广泛关注。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原因，无法与传统纺织纤维材料(机织物、针织物等)有同等的广泛应用，极大地限制其在各个领域的应用。因此将纳米纤维制备成连续的纳米纤维纱线，使其具备更为优良的力学性能及可编织性是近年来的发展方向。
目前，有关静电纺纳米纤维成纱的装置陆续出现并取得了一些突破性的成果。Teo[TeoWE,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，取向度不高，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，这些方法得到的纤维直经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。这种成纱方式主要包括两个相反极性的针头、一个金属圆盘和一个金属空心杆，两针头相对布置，对喷时由于极性相反的纳米纤维之间的吸引以及金属圆盘和金属空心杆对纳米纤维的吸引，在金属圆盘和金属空心杆间形成一个加捻成纱三角区，能够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，但主要是利用单针头或双针头制备纳米纤维纱线，其产量很低，无法适应工业生产的需求。而无针式喷头的纺丝面积极大，无法做到让其直接汇聚于一点成纱。专利CN105970309A公开了一种将纳米纤维喷附在长丝上再将长丝溶解得到纳米纤维纱线的方法，过程复杂，且得到的纳米纤维杂乱无章，力学性能差。专利CN106835412A公开了一种将纳米纤维膜切成细条，再将细条与基底分离加捻成纱的方法，这种方法切割纳米纤维会破坏其结构，得到的纱线中的纳米纤维不连续。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种取向纳米纤维纱线制备装置及其使用方法，实现纳米纤维的分条集束和连续化生产，高度取向，保证结构完整，提高生产效率。
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纳米纤维纱线制备装置，包括静电纺喷丝机构、传动机构、纤维束收集机构和若干加捻卷绕机构，所述纤维束收集机构包括吸气设备、气流集聚内套筒、空心外滚筒、致密网和绝缘分隔环，所述空心外滚筒沿周向设有矩阵式分布的气孔，所述气流集聚内套筒固定设置于空心外滚筒内部并与空心外滚筒连通，所述气流集聚内套筒与吸气设备连接，所述空心外滚筒通过传动机构驱动旋转，所述致密网覆盖于空心外滚筒的外表面，所述空心外滚筒表面通过间隔设置的绝缘分隔环分隔形成若干沿周向的纤维集束槽，所述静电纺喷丝机构与空心外滚筒对应设置，所述若干加捻卷绕机构分别与各纤维集束槽对应设置。
所述各纤维集束槽中至少包含一排气孔，形成各纤维集束槽的两相邻绝缘分隔环与相应纤维集束槽中的气孔之间的距离相等。
所述气流集聚内套筒为两端带有连接杆的圆柱体结构，所述吸气设备与气流集聚内套筒一端的连接杆连接且与吸气设备连接的连接杆内开有气道，所述圆柱体结构上开有与连接杆气道相连通的集气槽。
所述气流集聚内套筒通过两端的连接杆支撑在支架上并通过两端的固定块相对紧固。
所述空心外滚筒的两端分别安装有端盖，所述空心外滚筒与气流集聚内套筒之间通过轴承同轴装配。
所述传动机构包括电机、第一带轮、传动带和第二带轮，所述第一带轮与电机的转轴连接，所述第二带轮与端盖连接，所述第一带轮和第二带轮通过传动带连接传动。
所述绝缘分隔环包括两个第一绝缘分隔环和若干第二绝缘分隔环，所述两个第一绝缘分隔环分别固定于空心外滚筒的两端，所述若干第二绝缘分隔环间隔设置于两个第一绝缘分隔环之间，所述第一绝缘分隔环的宽度为5cm～50cm、厚度为1mm～5cm，所述第二绝缘分隔环的宽度为1cm～20cm、厚度为1mm～5cm，各纤维集束槽的宽度为1cm～10cm。
所述致密网的网孔均匀分布、网目为100目～10000目。
所述静电纺喷丝机构包括若干无针式喷丝头、自动供液设备、可调底座和高压静电发生器，所述若干无针式喷丝头安装于可调底座上并位于空心外滚筒的下方，所述无针式喷丝头通过自动供液设备供液、通过与高压静电发生器连接产生纺丝溶液射流。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种上述的取向纳米纤维纱线制备装置的使用方法，包括以下步骤：
a)开启静电纺喷丝机构向空心外滚筒产生纺丝溶液的射流；
b)打开传动机构驱动空心外滚筒发生转动，空心外滚筒接收的纺丝溶液向纤维集束槽中沉积；
c)打开吸气设备进行抽气，空心外滚筒的气孔处产生负压气流，沉积的纺丝溶液在高速旋转和负压气流的双重作用下集聚排布形成取向纳米纤维束；
d)将各纤维集束槽中产生的取向纳米纤维束牵引至相应的加捻卷绕机构中进行加捻卷绕得到纳米纤维纱线。
有益效果
本发明集纺丝溶液的喷丝、纤维的分离、取向、转移、凝聚、加捻、牵伸和卷绕为一体，可以批量连续地制备纳米纤维纱线；利用绝缘分隔环使得纳米纤维向纤维集束槽中间位置集聚，实现纳米纤维的分条集束，不存在切割，不会破坏纳米纤维的结构，保证纳米纤维纱线结构的完整性；利用纤维束收集机构的高速旋转以及负压气流的双重作用，使生成的纳米纤维高度取向；能够同时产出多股取向纳米纤维纱线，有利于提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明纤维束收集机构的结构示意图。
图3为本发明气流集聚内套筒的结构示意图。
图4为本发明空心外滚筒的结构示意图。
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所示的一种取向纳米纤维纱线制备装置，包括静电纺喷丝机构、传动机构、纤维束收集机构和十加捻卷绕机构1。
如图2所示，纤维束收集机构包括吸气设备2、气流集聚内套筒3、空心外滚筒4、致密网5、两个第一绝缘分隔环18和九个第二绝缘分隔环19。
如图3所示，气流集聚内套筒3为两端带有连接杆的圆柱体结构，两端连接杆上分别开有螺纹，气流集聚内套筒3通过两端的连接杆支撑在支架11上，并通过两端的固定块12相对拧紧固定。吸气设备2与气流集聚内套筒3一端的连接杆通过气管接口21连接，且与吸气设备2连接的连接杆内开有气道，圆柱体结构上开有与连接杆气道相连通的集气槽。
空心外滚筒4采用金属导电材料制成，如图4所示，空心外滚筒4沿周向设有矩阵式分布的气孔20，两端开有螺孔，空心外滚筒4的两端分别安装有端盖13，端盖13采用高电阻绝缘材料制成，两个端盖13通过螺钉与空心外滚筒4端部固定。空心外滚筒4与气流集聚内套筒3之间通过轴承同轴装配，气流集聚内套筒3固定设置于空心外滚筒4内部，轴承内环与气流集聚内套筒3两端的连接杆配合固定，外环与空心外滚筒4两端的端盖13配合连接。气流集聚内套筒3的集齐槽与空心外滚筒4的内腔连通。
致密网5采用高电阻绝缘材料制成，覆盖于空心外滚筒4的外表面。致密网5的网孔均匀分布，网目为100目～10000目。两个第一绝缘分隔环18采用高电阻绝缘材料制成，分别固定于空心外滚筒4的两端、靠近端盖13设置，第一绝缘分隔环18的宽度为5cm～50cm，厚度为1mm～5cm。九个第二绝缘分隔环19采用高电阻绝缘材料制成，间隔设置于两个第一绝缘分隔环18之间，第二绝缘分隔环19的宽度为1cm～20cm，厚度为1mm～5cm。通过第一绝缘分隔环18和第二绝缘分隔环19的分隔，空心外滚筒4表面形成十道沿周向的纤维集束槽6，纤维集束槽6的宽度为1cm～10cm，根据所需制备纱线的要求，各纤维集束槽6的宽度可以相同或者不同。各纤维集束槽6中包含一排气孔20，形成各纤维集束槽6的两相邻绝缘分隔环与相应纤维集束槽6中的气孔20之间的距离相等。
空心外滚筒4通过传动机构驱动转动。传动机构包括电机14、第一带轮15、传动带16和第二带轮17。第一带轮15与电机14的转轴连接，第二带轮17与端盖13连接，第一带轮15和第二带轮17通过传动带16连接传动。
静电纺喷丝机构对应设置于空心外滚筒4的下方。静电纺喷丝机构包括无针式喷丝头7、自动供液设备8、可调底座9和高压静电发生器10。无针式喷丝头7可以根据需要设置为单个或者多个，多个无针式喷丝头7并排安装于可调底座9上，喷丝方向向上朝向空心外滚筒4。无针式喷丝头7通过自动供液设备8供液，通过连接高压静电发生器10的静电接线柱引入高压静电后，无针式喷丝头7上纺丝溶液的自由液面在静电力的作用下产生多股射流。
加捻卷绕机构1分别对应设置于各纤维集束槽6的下方，用于对相应纤维集束槽6中产生的取向纳米纤维进行收集加捻和卷绕。
下面提供一种利用上述装置进行取向纳米纤维纱线制备的方法，纺丝溶液选用聚丙烯腈(PAN)与二甲基甲酰胺(DMF)所配制的质量浓度为10％的溶液，包括以下步骤：
a)开启静电纺喷丝机构，通过自动供液设备8将纺丝溶液注入无针式喷丝头7中，
将无针式喷丝头7与高压静电发生器10的正极接线柱连接引入高压静电后，
无针式喷丝头7上溶液的自由液面开始形成射流，向空心外滚筒4产生纺丝溶液的射流；
b)打开电机1驱动空心外滚筒4发生转动，由无针式喷丝头7形成的多股射流被空心外滚筒4接收，由于第一绝缘分隔环18和第二绝缘分隔环19的超高电阻率，射流趋向于向纤维集束槽6中间沉积。
c)打开吸气设备2进行抽气，空心外滚筒4的气孔20处产生负压气流，由于致密网5的存在，纳米纤维将不会被吸入气孔20中，将会在空心外滚筒4的高速旋转及负压气流的双重作用下分别集聚并沿着气孔20排布方向取向形成连续取向的纳米纤维束；
d)将各纤维集束槽6中产生的取向纳米纤维束牵引至相应的加捻卷绕机构1中进行加捻卷绕得到纳米纤维纱线。

Claims (10)

1.一种取向纳米纤维纱线制备装置，包括静电纺喷丝机构、传动机构、纤维束收集机构和若干加捻卷绕机构(1)，其特征在于：所述纤维束收集机构包括吸气设备(2)、气流集聚内套筒(3)、空心外滚筒(4)、致密网(5)和绝缘分隔环，所述空心外滚筒(4)沿周向设有矩阵式分布的气孔(20)，所述气流集聚内套筒(3)固定设置于空心外滚筒(4)内部并与空心外滚筒(4)连通，所述气流集聚内套筒(3)与吸气设备(2)连接，所述空心外滚筒(4)通过传动机构驱动旋转，所述致密网(5)覆盖于空心外滚筒(4)的外表面，所述空心外滚筒(4)表面通过间隔设置的绝缘分隔环分隔形成若干沿周向的纤维集束槽(6)，所述静电纺喷丝机构与空心外滚筒(4)对应设置，所述若干加捻卷绕机构(1)分别与各纤维集束槽(6)对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述各纤维集束槽(6)中至少包含一排气孔(20)，形成各纤维集束槽(6)的两相邻绝缘分隔环与相应纤维集束槽(6)中的气孔(20)之间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述气流集聚内套筒(3)为两端带有连接杆的圆柱体结构，所述吸气设备(2)与气流集聚内套筒(3)一端的连接杆连接且与吸气设备(2)连接的连接杆内开有气道，所述圆柱体结构上开有与连接杆气道相连通的集气槽。
4.根据权利要求3所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述气流集聚内套筒(3)通过两端的连接杆支撑在支架(11)上并通过两端的固定块(12)相对紧固。
5.根据权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述空心外滚筒(4)的两端分别安装有端盖(13)，所述空心外滚筒(4)与气流集聚内套筒(3)之间通过轴承同轴装配。
6.根据权利要求5所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述传动机构包括电机(14)、第一带轮(15)、传动带(16)和第二带轮(17)，所述第一带轮(15)与电机(14)的转轴连接，所述第二带轮(17)与端盖(13)连接，所述第一带轮(15)和第二带轮(17)通过传动带(16)连接传动。
7.根据权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述绝缘分隔环包括两个第一绝缘分隔环(18)和若干第二绝缘分隔环(19)，所述两个第一绝缘分隔环(18)分别固定于空心外滚筒(4)的两端，所述若干第二绝缘分隔环(19)间隔设置于两个第一绝缘分隔环(18)之间，所述第一绝缘分隔环(18)的宽度为5cm～50cm、厚度为1mm～5cm，所述第二绝缘分隔环(19)的宽度为1cm～20cm、厚度为1mm～5cm，各纤维集束槽(6)的宽度为1cm～10cm。
8.根据权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述致密网(5)的网孔均匀分布、网目为100目～10000目。
9.根据权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：所述静电纺喷丝机构包括若干无针式喷丝头(7)、自动供液设备(8)、可调底座(9)和高压静电发生器(10)，所述若干无针式喷丝头(7)安装于可调底座(9)上并位于空心外滚筒(4)的下方，所述无针式喷丝头(7)通过自动供液设备(8)供液、通过与高压静电发生器(10)连接产生纺丝溶液射流。
10.一种权利要求1所述的取向纳米纤维纱线制备装置的使用方法，包括以下步骤：
a)开启静电纺喷丝机构向空心外滚筒(4)产生纺丝溶液的射流；
b)打开传动机构驱动空心外滚筒(4)发生转动，空心外滚筒(4)接收的纺丝溶液向纤维集束槽(6)中沉积；
c)打开吸气设备(2)进行抽气，空心外滚筒(4)的气孔(20)处产生负压气流，沉积的纺丝溶液在高速旋转和负压气流的双重作用下集聚排布形成取向纳米纤维束；
d)将各纤维集束槽(6)中产生的取向纳米纤维束牵引至相应的加捻卷绕机构(1)中进行加捻卷绕得到纳米纤维纱线。
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