CN109322023A - 一种制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置及方法，所述装置包括梳理机、纤网传输装置、静电纺丝装置和输出装置，所述纤网传输装置一侧通过第一传送皮带与梳理机相连，纤网传输装置另一侧通过第二传送皮带与输出装置相连，所述静电纺丝装置设置于纤网传输装置的下方，其特征在于，还包括纳米纤维定向诱导沉积装置，所述纳米纤维定向诱导沉积装置位于纤网传输装置内部，所述的纳米纤维定向诱导沉积装置包括带有透气孔的针板，所述的针板上分布有钢针。利用该装置制备出的纳米纤维均匀分布的混纺纱线在微纳米功能性纺织品中具有巨大的应用潜力和前景。

Description

一种制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置及方法

技术领域

本发明属于纺纱加工装置及方法领域，特别涉及一种带有纳米纤维定向诱导沉积装置的用于制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置及方法。

背景技术

近年来，随着国家经济的繁荣，国民生活水平的显著提高，功能性纺织品和纳米纺织品逐渐进入了大众的视野，并引起了消费者和技术开发人员的广泛关注和青睐。功能性纺织品相较于传统纺织品，不仅满足了人们以往穿衣遮体的需要，而且还赋予了其更多的功能性，开拓了传统纺织品的适用场合和领域；而纳米纺织品广义上是指含有纳米材料的纺织品，其往往在不改变纺织品原有的物化性能的基础上，赋予其新的性能和效应。两者对于提高产品附加值、促进纺织科技革新具有重要的指导意义。

作为一种能够快速、高效制备纳米纤维的途径，静电纺丝技术经过了数十年的发展，也逐渐由实验室的小规模生产发展到工业化批量生产的地步。由静电纺丝法制备的纳米纤维及纤维膜具有比表面积大、表面能高、孔隙率高等特性，被广泛用于过滤、生物医用、能源、催化、传感等领域，并取得了很好的应用效果。

将静电纺丝技术与传统纺织技术相结合制备功能性纺织品和纳米纺织品，无疑是提升传统纺织品的产品档次和附加值、开拓传统纺织品应用领域的重要途径之一，两种技术的交叉因此逐渐成为了工程技术人员的研究热点。目前已有部分研究人员对此作了相关的研究和报道，中国知识产权局2012年11月01日公开的发明专利“纳米纤维与长丝复合纱线的纺纱装置及纺纱方法”，专利申请号ZL201210433332.X，该申请专利公案提出了一种将纳米纤维与长丝复合的纺纱装置和方法，通过静电纺丝技术在两根长丝上分别沉积纳米纤维，然后再对两根长丝集聚加捻，得到兼具纳米效应和强度的纳米纤维复合长丝纱，一定程度上解决了纳米纤维在实际应用中的低强力问题。但如果直接应用于织造成布，由于大部分纳米纤维暴露在纱体外表面，因此，长丝表面的纳米纤维极易在加工和最终使用过程中被刮掉，丧失原有的纳米效应。中国知识产权局2017年1月18日公开的发明专利“纳米静电纺丝与短纤维环锭纺纱一体化成纱的方法”，专利申请号CN201610847286.6，该申请专利公案通过在环锭纺纱机的导纱钩与前罗拉钳口间设置单针头静电纺丝装置纺丝，使纳米纤维网与须条汇聚加捻，旨在制备纳微纤维包缠短纤纱。但该方法制备的包缠纱外层为纳米纤维，同样存在着在后续加工和使用过程中纳米纤维脱落的致命问题，并且制备过程中由于沉积区附近基本为金属部件，干扰纺丝过程，使得纳米纤维沉积极为紊乱，当纺丝时间较长时，纤维沉积成膜，甚至有可能影响正常的短纤纺纱过程。

基于此，本申请的发明人相继申请了系列发明专利“一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及方法”(申请号：CN201810011253.7)、“一种混纺纱体系中纳米纤维的均匀化分布装置及方法”(申请号：CN201810011773.8)、“一种带有纳米纤维防粘连机构用于制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置及方法”(申请号：CN201810012232.7)，***介绍了多种功能性纳米纤维/短纤混纺纱线的制备方法及改良措施，均取得了较好的收效。但纳米纤维在纱体中的均匀化分布仍具有进一步提升的空间和可能性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是纳米纤维在纱体中分布均匀性相对较差的技术难题。本发明在原有的混纺纱生产装置的基础上，增加了纳米纤维取向诱导沉积装置，该装置优化了静电纺纳米纤维的沉积区域的电场分布与二次设计，利用装置上均匀分布的钢针阵列产生的尖端电荷集聚效应，实现了纳米纤维定向沉积，即纳米纤维在钢针间的取向排列，从而实现纳米纤维沉积到短纤网下表面时的均匀性。有效避免了原来纳米纤维在纤网上随机沉积的现象，可实现纳米纤维的均匀定向沉积，有利于纳米纤维在后续系列牵伸作用下的断裂和转移，解决了纳米纤维在纱体中分布均匀性相对较差的技术难题，可保证纳米纤维/短纤混纺纱的功能稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，包括梳理机、纤网传输装置、静电纺丝装置和输出装置，所述纤网传输装置一侧通过第一传送皮带与梳理机相连，纤网传输装置另一侧通过第二传送皮带与输出装置相连，所述静电纺丝装置设置于纤网传输装置的下方，其特征在于，还包括纳米纤维定向诱导沉积装置，所述纳米纤维定向诱导沉积装置位于纤网传输装置内部，所述的纳米纤维定向诱导沉积装置包括带有透气孔的针板，所述的针板上均匀分布有钢针。

优选地，所述梳理机包括盖板，盖板内设有给棉罗拉、锡林、道夫和剥取辊，盖板一侧设有第一纤网输出辊，所述第一纤网输出辊的钳口与第一传送皮带位于同一水平面。

优选地，所述纤网传输装置包括传动托网帘和负压吸风装置，所述的传动托网帘首尾相接围成一个中空腔室，所述负压吸风装置和纳米纤维定向诱导沉积装置均设置在传动托网帘形成的腔室内，纳米纤维定向诱导沉积装置位于负压吸风装置正下方，钢针朝下设置。

优选地，所述的针板水平设置。

优选地，所述的纤网传输装置的下表面与第一传送皮带及第二传送皮带的上表面处于同一水平面。

更优选地，所述的传动托网帘位于该水平面上的部分的一侧与第一传送皮带相连，另一侧与第二传送皮带相连，三者的共同作用实现纤网的连续传输。

优选地，所述纳米纤维定向诱导沉积装置的针板长宽与沉积区域短纤网长宽一致，针板表面均匀分布有直径为1～3mm的镂空透气孔，以便负压下气流的导通，钢针长度为1～2cm，根部直径为1～2mm，相邻钢针间距2～3cm，纳米纤维定向诱导沉积装置工作时，接-1～-3kv直流高压电。

优选地，所述输出装置包括第二纤网输出辊、喇叭口、条筒；所述纤网传输装置通过第二传送皮带与第二纤网输出辊相连，第二纤网输出辊的另一侧设置喇叭口，喇叭口的另一侧设置条筒。

优选地，所述静电纺丝装置包括高压静电发生器、无针式纺丝喷头和纳米纤维沉积装置；所述无针式纺丝喷头采用中国专利CN201310032194.9所公开的“一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法”中所述的伞状喷头，该伞状喷头包括伞状喷丝头、数控式输液装置和溶液收集槽三部分，所述的数控式输液装置包括溶液推进器和控制器；所述的伞状喷丝头中部有一空心处，所述的溶液推进器输出端置入所述的伞状喷丝头的空心处中；所述的控制器控制纺丝溶液的流速和流量，向所述的伞状喷丝头顶层持续注入纺丝溶液；所述的伞状喷丝头底部放置所述的溶液收集槽；所述的伞状喷丝头上设有与高压正电极相连的接线柱；其中伞状喷丝头为圆盘状，具有四层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层的高度为6mm，每层高度相同；所述的伞状喷丝头每层边缘处加有高度为1mm的铜质空心圆柱套，外径大小与每层的直径相同。

一种制备纳米纤维/短纤混纺纱的方法，其特征在于，采用上述的制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，包括以下步骤：

步骤1：将高聚物溶于溶剂中，搅拌，得到静电纺丝液，其中纺丝液中高聚物的浓度为6-15wt％；

步骤2：将短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷经梳理机梳理得到短纤网，短纤网经第一传送皮带输入纤网传输装置；

步骤3：将步骤1中纺丝液加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝得到纳米纤维，所述纳米纤维在纳米纤维定向诱导沉积装置的钢针的诱导下直接沉积到步骤2中短纤网的下表面，得到纳米纤维/短纤网复合网，经第二传送皮带输送给输出装置后，由输出装置的喇叭口集束汇聚成条，纺纱，得到纳米纤维/短纤混纺纱。

优选地，所述步骤1中高聚物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚氨酯或聚酰胺；溶剂为DMF或去离子水。

优选地，所述步骤2中纤维卷经给棉罗拉喂入梳理机中，经过锡林、盖板和道夫的协同梳理后，由纤网输出辊输出短纤网；

优选地，所述步骤2中短纤为棉、粘胶或化纤短纤。

优选地，所述步骤3中静电纺丝的工艺参数为：施加电压为40-65KV，纺丝间距为16-20cm，纺丝环境温度为20-25℃，纺丝环境湿度为30-65％。

优选地，所述步骤3中中纺纱的工艺包括：并条(2-3道)、粗纱和细纱。

本发明在原有的混纺纱生产装置的基础上，增加了纳米纤维取向诱导沉积装置，该装置优化了静电纺纳米纤维的沉积区域的电场分布与二次设计，利用装置上均匀分布的钢针阵列产生的尖端电荷集聚效应，实现了纳米纤维定向沉积，即纳米纤维在钢针间的取向排列，从而实现纳米纤维沉积到短纤网下表面时的均匀性。有效避免了原来纳米纤维在纤网上随机沉积的现象，可实现纳米纤维的均匀定向沉积，有利于纳米纤维在后续系列牵伸作用下的断裂和转移，解决了纳米纤维在纱体中分布均匀性相对较差的技术难题。

本装置的工作原理：纳米纤维定向诱导沉积装置位于纤网传输装置中，与负压吸风装置相连，且在其正下方，由带有透气孔的针板和钢针组成，其中针板上的透气孔可避免对负压吸风装置吸风效果的干扰，保证纤网的连续输出，针板上的钢针由于在施加高压直流电条件下，针尖处电荷集聚，电场强度高，因而纳米纤维定向诱导装置的引入将显著影响纳米纤维沉积区域的场强分布，引导纳米纤维在相邻针尖间沉积，从而提高纳米纤维在纤网下表面的分布均匀性，在源头上控制纳米纤维与微米纤维间的分布均匀性，从而保证制备出纳米纤维均匀分布的混纺纱线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明装置改造简单，在原有的纳米纤维/短纤混纺纱生产装置上增加了纳米纤维定向诱导沉积装置，纳米纤维定向诱导沉积效果明显，沉积的纳米纤维均匀性显著提高，制备出的纳米纤维混纺纱线中的纳米纤维分布良好，对于微纳米纤维混纺纱线的工业化批量生产和商业化应用具有巨大的推动作用。

附图说明

图1为用于制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置的整体示意图；

图2为纳米纤维定向诱导沉积装置的示意图；

图3为实施例1纳米纤维均匀分布的电镜图；

附图标记：1梳理机，2短纤网，3负压吸风装置，4纤网传输装置，5传动托网帘，6第二纤网输出锟，7纳米纤维/短纤复合网，8纳米纤维定向诱导沉积装置，9盖板，10锡林，11道夫，12剥取辊，13第一纤网输出辊，14第一传送皮带，15静电纺丝装置，16第二传送皮带，17喇叭口，18条筒，19针板，20透气孔，21钢针，22给棉罗拉。

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。

实施例1

本实施例提供了一种用于制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，如图1所示，具体包括如下结构：梳理机1、纤网传输装置4、静电纺丝装置15、第一传送皮带14和第二传送皮带16，第二纤网输出辊6，喇叭口17，条筒18，纳米纤维定向诱导沉积装置8；

所述纤网传输装置4一侧通过第一传送皮带14与梳理机1相连，纤网传输装置4另一侧通过第二传送皮带16与第二纤网输出辊6相连，所述静电纺丝装置15设置于纤网传输装置4的下方，所述纳米纤维定向诱导沉积装置8位于纤网传输装置4内部，所述的纳米纤维定向诱导沉积装置8包括带有透气孔20的针板19，所述的针板19上均匀分布有钢针21。

所述的梳理机1包括盖板9，盖板9内设有给棉罗拉22、锡林10、道夫11和剥取辊12，盖板9一侧设有第一纤网输出辊13，所述第一纤网输出辊13的钳口与第一传送皮带14位于同一水平面。

所述的纤网传输装置4包括传动托网帘5和负压吸风装置3，所述的传动托网帘5的两侧分别设于两个梯形轨道上，所述两个梯形轨道设于第一传送皮带14和第二传送皮带16之间，分别位于短纤网2两侧，传动托网帘5的首尾相接围成一个中空腔室，传动托网帘5能够沿该梯形轨道与短纤网2同步运动，短纤网2设于传动托网帘5下侧。

所述负压吸风装置3和纳米纤维定向诱导沉积装置8均设置在传动托网帘5形成的腔室内，纳米纤维定向诱导沉积装置8位于负压吸风装置3正下方，钢针21朝下设置。所述的针板19水平设置。

所述的纤网传输装置8的下表面与第一传送皮带14和第二传送皮带16的上表面处于同一水平面。传动托网帘5位于该水平面上的部分的一侧与第一传送皮带14相连，另一侧与第二传送皮带16相连，三者的共同作用实现纤网的连续传输。

输出装置由第二纤网输出辊6、喇叭口17、条筒18组成；所述纤网传输装置4通过第二传送皮带16与第二纤网输出辊6相连，第二纤网输出辊6的另一侧设置喇叭口17，喇叭口17的另一侧设置条筒18。

纳米纤维定向诱导沉积装置8位于纤网传输装置4内部，与负压吸风装置3相连，且在其正下方；如图2所示，针板19长宽与沉积区域短纤网长宽一致，针板19表面均匀分布有直径为3mm的镂空的透气孔20，以便负压下气流的导通，钢针21长度为1cm，根部直径为2mm，相邻钢针21的间距3cm，纳米纤维定向诱导沉积装置工作时，接-1kv直流高压电。

所述的静电纺丝装置15包括高压静电发生器、无针式纺丝喷头、纳米纤维沉积装置；所述无针式纺丝喷头采用中国专利CN201310032194.9所公开的“一种伞状静电纺丝喷头及静电纺丝方法”中所述的伞状喷头，该伞状喷头包括伞状喷丝头、数控式输液装置和溶液收集槽三部分，所述的数控式输液装置包括溶液推进器和控制器；所述的伞状喷丝头中部有一空心处，所述的溶液推进器输出端置入所述的伞状喷丝头的空心处中；所述的控制器控制纺丝溶液的流速和流量，向所述的伞状喷丝头顶层持续注入纺丝溶液；所述的伞状喷丝头底部放置所述的溶液收集槽；所述的伞状喷丝头上设有与高压正电极相连的接线柱；其中伞状喷丝头为圆盘状，具有四层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层的高度为6mm，每层高度相同；所述的伞状喷丝头每层边缘处加有高度为1mm的铜质空心圆柱套，外径大小与每层的直径相同。

所述用于制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置的应用，具体步骤如下：

步骤1：将聚丙烯腈(PAN)溶于溶剂DMF中，搅拌，得到静电纺丝液，其中纺丝液中高聚物的浓度为12wt％；

步骤2：将粘胶短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷经梳理机1梳理得到短纤网，短纤网经第一传送皮带14输入纤网传输装置4；所述的梳理机1梳理过程包括：纤维卷经给棉罗拉22喂入梳理机1中，经过盖板9、锡林10、道夫11协同梳理，由第一纤网输出辊13输出短纤网；

步骤3：将步骤1中纺丝液加入到静电纺丝装置15中进行静电纺丝得到PAN纳米纤维，静电纺丝的工艺参数为：施加电压为45KV，纺丝间距为18cm，纺丝环境温度为24℃，纺丝环境湿度为60％；所述PAN纳米纤维在纳米纤维定向诱导沉积装置的钢针的诱导下直接并均匀沉积到步骤2中短纤网的下表面，得到纳米纤维/短纤网复合网，经传送皮带输送给输出装置后，由输出装置的喇叭口集束汇聚成条，经并条(2-3道)、粗纱和细纱，得到PAN纳米纤维/短纤混纺纱。

将得到的纳米纤维/短纤混纺纱使用电镜观察，结果如图3所示。

Claims (10)

1.一种制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，包括梳理机、纤网传输装置、静电纺丝装置和输出装置，所述纤网传输装置一侧通过第一传送皮带与梳理机相连，纤网传输装置另一侧通过第二传送皮带与输出装置相连，所述静电纺丝装置设置于纤网传输装置的下方，其特征在于，还包括纳米纤维定向诱导沉积装置，所述纳米纤维定向诱导沉积装置位于纤网传输装置内部，所述的纳米纤维定向诱导沉积装置包括带有透气孔的针板，所述的针板上均匀分布有钢针。

2.如权利要求1所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，其特征在于，所述梳理机包括盖板，盖板内设有给棉罗拉、锡林、道夫和剥取辊，盖板一侧设有第一纤网输出辊，所述第一纤网输出辊的钳口与第一传送皮带位于同一水平面。

3.如权利要求1所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，其特征在于，所述纤网传输装置包括传动托网帘和负压吸风装置，所述的传动托网帘首尾相接围成一个中空腔室，所述负压吸风装置和纳米纤维定向诱导沉积装置均设置在传动托网帘形成的腔室内，纳米纤维定向诱导沉积装置位于负压吸风装置正下方，钢针朝下设置。

4.如权利要求1所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，其特征在于，所述的纤网传输装置的下表面与第一传送皮带及第二传送皮带的上表面处于同一水平面。

5.如权利要求4所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，其特征在于，所述的传动托网帘位于该水平面上的部分的一侧与第一传送皮带相连，另一侧与第二传送皮带相连，三者的共同作用实现纤网的连续传输。

6.如权利要求1所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，其特征在于，所述纳米纤维定向诱导沉积装置的针板长宽与沉积区域短纤网长宽一致，针板表面均匀分布有直径为1～3mm的镂空透气孔，以便负压下气流的导通，钢针长度为1～2cm，根部直径为1～2mm，相邻钢针间距2～3cm，纳米纤维定向诱导沉积装置工作时，接-1～-3kv直流高压电。

7.如权利要求1所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，其特征在于，所述输出装置包括第二纤网输出辊、喇叭口、条筒；所述纤网传输装置通过第二传送皮带与第二纤网输出辊相连，第二纤网输出辊的另一侧设置喇叭口，喇叭口的另一侧设置条筒。

8.一种制备纳米纤维/短纤混纺纱的方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的制备纳米纤维/短纤混纺纱的装置，包括以下步骤：

步骤1：将高聚物溶于溶剂中，搅拌，得到静电纺丝液，其中纺丝液中高聚物的浓度为6-15wt％；

步骤2：将短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷经梳理机梳理得到短纤网，短纤网经第一传送皮带输入纤网传输装置；

步骤3：将步骤1中纺丝液加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝得到纳米纤维，所述纳米纤维在纳米纤维定向诱导沉积装置的钢针的诱导下直接沉积到步骤2中短纤网的下表面，得到纳米纤维/短纤网复合网，经第二传送皮带输送给输出装置后，由输出装置的喇叭口集束汇聚成条，纺纱，得到纳米纤维/短纤混纺纱。

9.如权利要求8所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的方法，其特征在于，所述步骤1中高聚物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚氨酯或聚酰胺；溶剂为DMF或去离子水；所述步骤2中短纤为棉、粘胶或化纤短纤。

10.如权利要求8所述制备纳米纤维/短纤混纺纱的方法，其特征在于，所述步骤3中静电纺丝的工艺参数为：施加电压为40-65KV，纺丝间距为16-20cm，纺丝环境温度为20-25℃，纺丝环境湿度为30-65％；所述步骤3中纺纱的工艺包括：并条、粗纱和细纱。