CN110117824A - 连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置及其使用方法，静电纺丝装置的纺丝喷头包括内锥角式喷头和电场屏蔽盘，内锥角式喷头顶部形成锥槽，锥槽外廓自下而上向内倾斜，内锥角式喷头沿轴心设有通孔，电场屏蔽盘底部设有带内部空腔的安装柱，安装柱沿周向开有供液孔，电场屏蔽盘通过安装柱装套于通孔中设置在内锥角式喷头顶部的锥槽中，安装柱与通孔侧壁形成间隙，纤维收集机构包括设置于纺丝喷头正上方且可驱动旋转的纤维收集加捻装置，纤维收集加捻装置包括上部的空心柱和下部纤维收集爪，纤维收集爪底部向内收拢形成纺纱三角锥的形成口。本发明实现对纳米纤维纱线连续取向和加捻的精确控制，提高纳米纤维纱线产量实现批量化生产。

Description

连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置及其使用方法

技术领域

本发明属于静电纺丝的技术领域，特别是涉及一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置及其使用方法。

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。静电纺丝是当前一种最通用最简便的纺制纳米纤维的技术，其产品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、能源、智能穿戴等。由于静电纺丝法的原理是聚合物液滴在高压电场的作用下经过复杂的三维鞭动过程最后沉积固化在接收装置上，一般得到的是无规则排列的纤维。然而以无纺布以及松散的纤维束形式收集的杂乱排列的纳米纤维材料由于其力学性能较低、缺乏可编织性等原因，极大地限制其进一步应用，尤其是在需要实现各项异性复杂结构的组织工程、能源及智能穿戴等领域。取向纳米纤维纱线由于其优异的各向异性结构得到更为广泛的应用，然而到目前为止，还没有能够连续批量制备高度取向的纳米纤维纱线，同时，连续的单根微纳米纤维和取向的微纳米纤维束强度低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。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。

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，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，但产量较低。

中国专利CN 105220246 A将静电纺丝技术与传统摩擦纺纱技术相结合，设计了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，能够增加纱线的产量，但是该方法装置复杂，且利用摩擦加捻纱线的方法有损于纱线的质量，难以控制纱线的加捻参数。

从上述研究可见，尽管制备连续纳米纤维纱线的方法比较多，但这些方法仍存在一些缺陷：纱线产量低无法实现批量化生产，装置复杂，纱线质量及加捻参数难以控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置及其使用方法，实现对纳米纤维纱线连续取向和加捻的精确控制，提高纳米纤维纱线产量实现批量化生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，包括供液装置、高压发生装置、纺丝喷头和纤维收集机构，所述供液装置和高压发生装置分别与纺丝喷头连接，所述纺丝喷头包括内锥角式喷头和电场屏蔽盘，所述内锥角式喷头的顶部形成锥槽，所述锥槽的外廓自下而上向内倾斜，所述内锥角式喷头沿轴心设有与锥槽连通的通孔，所述电场屏蔽盘底部设有带内部空腔的安装柱，所述安装柱沿周向开有与内部空腔连通的供液孔，所述电场屏蔽盘通过安装柱装套于通孔中设置在内锥角式喷头顶部的锥槽中，所述安装柱与通孔侧壁形成间隙，所述纤维收集机构包括设置于纺丝喷头正上方且可驱动旋转的纤维收集加捻装置，所述纤维收集加捻装置包括上部的空心柱和下部纤维收集爪，所述纤维收集爪底部向内收拢形成纺纱三角锥的形成口。

所述纺丝喷头设置于上端敞口的溶液回收装置内部，所述溶液回收装置设有导电极柱，所述导电极柱***到电场屏蔽盘的安装柱内部空腔中，所述导电极柱与高压发生装置连接。

所述供液装置的供液管与电场屏蔽盘的安装柱内部空腔连通。

所述电场屏蔽盘与锥槽的结构相匹配且电场屏蔽盘顶端高出于锥槽。

所述供液孔沿安装柱的周向均匀分布。

所述纤维收集爪通过若干纤维收集杆沿周向均匀间隔分布形成，所述纤维收集爪整体呈圆锥状，所述若干纤维收集杆顶部与空心柱连接、底部向轴心方向延伸形成收拢结构。

所述纤维收集爪通过若干弧形纤维收集杆沿周向均匀间隔分布形成，所述纤维收集爪整体呈灯笼状，所述若干纤维收集杆顶部与空心柱连接、底部向轴心方向弯曲形成收拢结构。

所述纤维收集爪整体采用绝缘材料制成且靠近纺纱三角锥的形成口的头端采用金属材料制成。

所述纤维收集机构还包括牵伸辊和收卷辊，所述牵伸辊设置于纤维收集加捻装置的上方。

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连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝溶液注入供液装置，通过供液装置向内锥角式喷头与电场屏蔽盘之间的间隙输送纺丝溶液，调节流量使得内锥角式喷头与电场屏蔽盘之间的纺丝溶液液面达到饱和/近饱和状态；

(2)启动高压发生装置向纺丝喷头施加高压，使得多根纺丝溶液射流从内锥角式喷头与电场屏蔽盘之间喷出；

(3)驱动纤维收集加捻装置旋转，通过旋转引力作用将纤维收集爪上收集的纤维吸引至纺纱三角锥的形成口形成纤维膜；

(4)对纤维膜沿轴心方向向上进行牵伸取向形成纺纱三角锥，并通过纤维收集加捻装置的旋转对纺纱三角锥进行加捻得到连续取向纳米纤维纱线并导出。

有益效果

第一，在本发明中，内锥角式喷头与电场屏蔽盘相配合形成纺丝喷头，电场屏蔽盘能够减弱多射流之间的相互干扰，且内锥角式喷头顶部向内倾斜的结构设计使得电场方向指向轴向，使得喷丝相对集中和稳定，有利于对喷丝的收集。

第二，在本发明中，纺丝喷头中电场屏蔽盘的存在避免了纺丝溶液自由表面与大气环境的接触，有效地降低了溶剂挥发，有利于保证纺丝溶液的持续顺畅射出。

第三，在本发明中，利用无针式多射流纺丝喷头与纤维收集加捻装置的配合，能够对纺丝喷头形成的多射流进行有效的收集，有利于提高纱线产量，通过纤维收集加捻装置旋转产生的中心引力作用实现对多射流的集聚，通过牵伸得到取向性纳米纤维纱线，并通过牵伸速率与加捻速率的控制达到对纱线直径、强度和捻度的准确控制目的。因此，本发明实现了连续取向纳米纤维纱线的批量化生产，有利于提升纳米纤维纱线质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明纺丝喷头的结构示意图。

图3为内锥角式喷头的结构示意图。

图4为电场屏蔽盘的结构示意图。

图5为圆锥状纤维收集加捻装置的结构示意图。

图6为灯笼状纤维收集加捻装置的结构示意图。

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所示的一种内锥角式静电纺丝装置，包括供液装置1、高压发生装置2、纺丝喷头3、纤维收集机构和溶液回收装置8。

如图2所示，纺丝喷头3包括内锥角式喷头4和电场屏蔽盘5。

如图3所示，内锥角式喷头4的顶部形成锥槽4-1，锥槽4-1的高度为2mm～10mm。锥槽4-1的外廓自下而上向内倾斜，外廓沿竖向的倾斜角度为1°～75°。锥槽4-1的内圈向内倾斜或者向外倾斜，且与竖向的最大倾斜角度为60°。内锥角式喷头4沿轴心位置设有与锥槽4-1连通的通孔4-2，用于电场屏蔽盘5的装套。内锥角式喷头4采用金属铜材料。

如图4所示，电场屏蔽盘5底部设有带内部空腔的安装柱5-1，安装柱5-1高度范围为1mm-8mm，内部空腔高度为0.5mm-4mm，安装柱5-1沿周向均匀开有与内部空腔连通的供液孔5-2。电场屏蔽盘5采用聚四氟乙烯材料。电场屏蔽盘5设置在内锥角式喷头4顶部的锥槽4-1中，安装柱5-1装套于通孔4-2中，且安装柱5-1与通孔4-2侧壁形成间隙。电场屏蔽盘5与锥槽4-1的结构相匹配，且电场屏蔽盘5顶端高出于锥槽4-1，高出内锥角式喷头4的高度为2mm～50mm。

纺丝喷头3设置于上端敞口的溶液回收装置8内部。溶液回收装置8设有导电极柱，导电极柱***到电场屏蔽盘5的安装柱5-1内部空腔中，导电极柱与高压发生装置2连接。溶液回收装置8的底部开有穿孔，用于穿过供液装置1的供液管，供液管与电场屏蔽盘5的安装柱5-1内部空腔连通，供液装置1采用精密供液泵。

纤维收集机构包括纤维收集加捻装置6、牵伸辊9和收卷辊11。纤维收集加捻装置6可驱动旋转地设置于纺丝喷头3的正上方，牵伸辊9设置于纤维收集加捻装置6的正上方。

纤维收集加捻装置6包括上部的圆柱状空心柱6-1和下部纤维收集爪6-2。空心柱6-1内径范围为5mm-50mm，外径的范围为10mm-100mm，长度范围为10mm-200mm。纤维收集爪6-2底部向内收拢形成纺纱三角锥7的形成口，外圈直径的范围为100mm-1000mm，向内收拢形成的内圈直径范围为50mm-500mm。如图5所示的是纤维收集加捻装置6的一种具体实施例结构，纤维收集爪6-2通过十根纤维收集杆沿周向均匀间隔分布形成，纤维收集爪6-2整体呈圆锥状，纤维收集杆顶部与空心柱6-1连接，底部水平折弯向轴心方向延伸形成收拢结构。如图6所示的是纤维收集加捻装置6的另一种具体实施例结构，纤维收集爪6-2通过十根弧形纤维收集杆沿周向均匀间隔分布形成，纤维收集爪6-2整体呈灯笼状，纤维收集杆顶部与空心柱6-1连接，底部向轴心方向弯曲形成收拢结构。纤维收集爪6-2整体采用绝缘材料制成，在靠近纺纱三角锥7的形成口的头端采用金属材料制成。

上述的无针式纺丝喷头3多射流分布相对集中且纤维直径分布较窄，有利于纤维收集加捻装置6对多射流的收集，避免多射流的间隔太大导致各纤维收集杆得到的纤维较少以及单纤维强力差距较大导致的纤维断裂引起的纺纱不稳定。

下面提供一种上述的连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝溶液注入供液装置1，通过供液装置1向内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间的间隙输送纺丝溶液，调节流量使得内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间的纺丝溶液液面达到饱和/近饱和状态。所谓的液面饱和状态是指纺丝溶液沿内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间的周向间隙完全填充。

(2)启动高压发生装置2向纺丝喷头3施加高压，使得多根纺丝溶液射流从内锥角式喷头4与电场屏蔽盘5之间喷出。

(3)驱动纤维收集加捻装置6旋转，通过旋转引力作用将纤维收集爪6-2上收集的纤维吸引至纺纱三角锥7的形成口形成纤维膜。

(4)采用金属针头对纤维膜沿轴心方向向上进行牵伸取向形成纺纱三角锥7，并通过纤维收集加捻装置6的旋转对纺纱三角锥7进行加捻得到连续取向纳米纤维纱线10，导出至收卷辊11卷绕收集。通过对连续取向纳米纤维纱线10的牵伸速率与加捻速率进行控制，能够达到对纱线直径、强度和捻度的准确控制目的。

Claims (10)

1.一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，包括供液装置(1)、高压发生装置(2)、纺丝喷头(3)和纤维收集机构，所述供液装置(1)和高压发生装置(2)分别与纺丝喷头(3)连接，其特征在于：所述纺丝喷头(3)包括内锥角式喷头(4)和电场屏蔽盘(5)，所述内锥角式喷头(4)的顶部形成锥槽(4-1)，所述锥槽(4-1)的外廓自下而上向内倾斜，所述内锥角式喷头(4)沿轴心设有与锥槽(4-1)连通的通孔(4-2)，所述电场屏蔽盘(5)底部设有带内部空腔的安装柱(5-1)，所述安装柱(5-1)沿周向开有与内部空腔连通的供液孔(5-2)，所述电场屏蔽盘(5)通过安装柱(5-1)装套于通孔(4-2)中设置在内锥角式喷头(4)顶部的锥槽(4-1)中，所述安装柱(5-1)与通孔(4-2)侧壁形成间隙，所述纤维收集机构包括设置于纺丝喷头(3)正上方且可驱动旋转的纤维收集加捻装置(6)，所述纤维收集加捻装置(6)包括上部的空心柱(6-1)和下部纤维收集爪(6-2)，所述纤维收集爪(6-2)底部向内收拢形成纺纱三角锥(7)的形成口。

2.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述纺丝喷头(3)设置于上端敞口的溶液回收装置(8)内部，所述溶液回收装置(8)设有导电极柱，所述导电极柱***到电场屏蔽盘(5)的安装柱(5-1)内部空腔中，所述导电极柱与高压发生装置(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述供液装置(1)的供液管与电场屏蔽盘(5)的安装柱(5-1)内部空腔连通。

4.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述电场屏蔽盘(5)与锥槽(4-1)的结构相匹配且电场屏蔽盘(5)顶端高出于锥槽(4-1)。

5.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述供液孔(5-2)沿安装柱(5-1)的周向均匀分布。

6.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述纤维收集爪(6-2)通过若干纤维收集杆沿周向均匀间隔分布形成，所述纤维收集爪(6-2)整体呈圆锥状，所述若干纤维收集杆顶部与空心柱(6-1)连接、底部向轴心方向延伸形成收拢结构。

7.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述纤维收集爪(6-2)通过若干弧形纤维收集杆沿周向均匀间隔分布形成，所述纤维收集爪(6-2)整体呈灯笼状，所述若干纤维收集杆顶部与空心柱(6-1)连接、底部向轴心方向弯曲形成收拢结构。

8.根据权利要求1、6或7所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述纤维收集爪(6-2)整体采用绝缘材料制成且靠近纺纱三角锥(7)的形成口的头端采用金属材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置，其特征在于：所述纤维收集机构还包括牵伸辊(9)和收卷辊(11)，所述牵伸辊(9)设置于纤维收集加捻装置(6)的上方。

10.一种权利要求1所述的连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝溶液注入供液装置(1)，通过供液装置(1)向内锥角式喷头(4)与电场屏蔽盘(5)之间的间隙输送纺丝溶液，调节流量使得内锥角式喷头(4)与电场屏蔽盘(5)之间的纺丝溶液液面达到饱和/近饱和状态；

(2)启动高压发生装置(2)向纺丝喷头(3)施加高压，使得多根纺丝溶液射流从内锥角式喷头(4)与电场屏蔽盘(5)之间喷出；

(3)驱动纤维收集加捻装置(6)旋转，通过旋转引力作用将纤维收集爪(6-2)上收集的纤维吸引至纺纱三角锥(7)的形成口形成纤维膜；

(4)对纤维膜沿轴心方向向上进行牵伸取向形成纺纱三角锥(7)，并通过纤维收集加捻装置(6)的旋转对纺纱三角锥(7)进行加捻得到连续取向纳米纤维纱线(10)并导出。