CN113981552B - 一种弹性纳米纤维纱线的制备方法 - Google Patents

一种弹性纳米纤维纱线的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于纱线制备的技术领域，涉及一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，所述弹性纳米纤维纱线采用水浴涡流逆向成纱机制备，所述方法包括以下步骤：(1)静电纺纳米纤维；(2)静电纺纳米纤维束；(3)静电纺纳米纤维纱；(4)静电纺弹性纳米纤维纱；(5)弹性纳米纤维纱定型。本发明的方法可用于制备均匀性弹性静电纺连续纳米纤维纱、花式弹性静电纺连续纳米纤维纱、弹性静电纺连续纳米纤维花色纱等。本发明提供的弹性纳米纤维纱线的制备方法，改善了纳米纤维纱线的弹性，拓展了其应用领域。

Description

一种弹性纳米纤维纱线的制备方法
技术领域
本发明属于纱线制备的技术领域，涉及一种弹性纳米纤维纱线的制备方法。
背景技术
纳米纤维具有高比表面积、孔隙率高及优异的物化性能等特点，在高效过滤、生物医药、微型传感、复合增强材料、电子器件、防护材料等领域有着极大的应用价值。由于静电纺纳米纤维主要以无纺布的形式收集导致其取向度差、强度低，应用受到很大限制。取向的纳米纤维束可以提高纳米纤维的力学性能，但纳米纤维束的力学性能还不能满足实际应用。将纳米纤维加捻以纱线的形式进行收集，可以使纤维整齐排列，进而提高纤维的力学性能。按照加捻纺丝的不同，目前静电纺纳米纤维纱制备技术主要有机械加捻法、空气涡流加捻法、水浴法、电场加捻等。纳米纤维纱已在电子皮肤、柔性传感器、智能服装等智能化织物领域、生物工程领域及微型电子器件领域显示中重要的应用价值。而目前纳米纤维纱形状单一、弹性差，限制了其应用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，改善了纳米纤维纱线的弹性，拓展了其应用领域。
为解决上述技术问题，本发明的目的通过下述技术方案得以实现：
一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，所述弹性纳米纤维纱线采用水浴涡流逆向成纱机制备，所述方法包括以下步骤：
(1)静电纺纳米纤维：注射泵按照适当的速度推动注射器中的溶液在喷丝头处形成液滴，液滴在适当的静电场力作用下呈射流喷出并经拉伸细化制成纤纳米纤维，同时通过调整喷丝头的位置，使静电纺纳米纤维沉积在远离涡流液面中心处；
(2)静电纺纳米纤维束：步骤(1)中的纳米纤维在涡流液面的作用下，牵伸成纳米纤维束；
(3)静电纺纳米纤维纱：步骤(2)中涡流液面上的纳米纤维束在涡流的旋转下，继续牵伸并加捻形成纳米纤维纱；
(4)静电纺弹性纳米纤维纱：步骤(3)中的纳米纤维纱在涡流的作用下至涡流中心，旋转速度迅速增加，成螺旋状缠绕在涡流中心的氨纶芯纱上，并随着氨纶芯纱上行离开液面。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述纺纱液的配置方法是：选择适当的聚合物、溶剂，配制适当的质量百分比浓度的纺丝液，所述聚合物指成纤高聚物包括聚氨酯、聚酰胺、聚乳酸羟基乙酸、丝素、明胶、胶原等；所述的溶剂包括蒸馏水、六氟异丙醇乙醇、二甲基甲酰胺、四氢呋喃等；所述适当的质量百分比浓度是指静电纺制成型良好的纳米纤维所需的纺丝液浓度。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述涡流液面成型在液槽中，所述液槽中装有水或其他液体溶液，溶液的温度为室温。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述喷丝头位于涡流液面正上方并垂直指向液面，喷丝头在水平方向上远离涡流中心。
优选的，在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述喷丝头与涡流液面的垂直距离为150-300mm，喷丝头与涡流中心的水平距离为200-400mm。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述喷丝头设置有1-8个，所述喷丝头间以相对、垂直、平行或交叉的方式排列组合。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述方法还包括：
(5)弹性纳米纤维纱定型：依据产品设定牵伸倍数和加热定型温度，对弹性纳米纤维纱进行烘干定型，所述牵伸倍数设定为0.5-3，加热定型温度设定为80-130℃，纱线卷绕速度设定为100-300mm/s。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述方法用于制备均匀性弹性静电纺连续纳米纤维纱，所述注射器以恒定的速度向喷丝头输送纺丝液。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述方法用于制备花式弹性静电纺连续纳米纤维纱，所述注射泵、注射器和喷丝头设置有两组，一组中的注射器以恒定速度向喷丝头输送纺丝液，另一组中的注射器间隔向喷丝头输送纺丝液。
在上述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法中，所述方法用于制备弹性静电纺连续纳米纤维花色纱，所述注射泵、注射器和喷丝头设置有两组，两组中的注射器分别以一定速度向喷丝头输送不同的纺丝液、且输送速度之和为恒定值，每间隔一段时间改变两组输送速度的速度比值。
本发明生产的弹性纳米纤维纱线，纳米纤维含量越高，弹性纳米纤维纱的弹性越低，通过调整纺丝速度、牵伸速度，可调整纳米纤维与芯纱的质量比例进而调整弹性纳米纤维纱中的伸长率。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明提供了一种新型的弹性纳米纤维纱线的制备方法，所制纳米纤维纱线弹性高、伸长率可调、成型好且形态稳定。
2、本发明拓展了弹性纳米纤维纱线的应用领域，可以用于制备均匀性弹性静电纺连续纳米纤维纱、花式弹性静电纺连续纳米纤维纱、弹性静电纺连续纳米纤维花色纱等。具有花式多、装饰性强、适用性广的优点。
附图说明
图1是静电纺纳米纤维弹性纱扫描电镜图；
图2是静电纺纳米纤维弹性纱的结构示意图；
图3是静电纺纳米纤维弹性花式纱结构示意图；
图4是静电纺纳米纤维弹性花色纱的结构示意图；
图5是静电纺纳米纤维弹性导电纱结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但是这些实例并不限制本发明的范围。此外相关领域的普通技术人员对本发明做的任何改动，只要不脱离本发明的实质，都将等价落在本发明权利要求书所限定的范围内。
实施例中采用的设备为中国发明专利申请201910058640.0中所提供的设备。
实施例1
静电纺纳米纤维弹性纱的制备
纺丝前，先将1.2g的聚氨酯(PU，分子量为60000g/mol)溶解在由5ml二甲基甲酰胺(DMF)和5ml四氢呋喃(THF)组成的混合溶剂中，40℃下磁力搅拌12h，得PU纺丝液。纺丝时，将PU纺丝液装入注射泵中的注射器中以供纺丝。然后调节参数，喷丝头位于涡流液面正上方250mm处并垂直指向液面，与涡流中心水平距离300mm。注射器以2ml/h的速度向喷丝头输送PU纺丝液，两喷丝头均施加+18Kv静电电压，在高压电场作用下射流喷出、拉伸细化成纳米纤维飞向液面涡流，随着涡流旋转进行汇集、牵伸、加捻、螺旋状缠绕在氨纶芯纱上。氨纶纱向上运行带动涡流中的纳米纤维纱离开水面经烘干定型后卷绕在纱管上。定型条件：定型温度为120℃，纱线卷绕速度200mm/s。
本实施例的静电纺纳米纤维弹性纱的扫描电镜图如图1所示；本实施例的结构示意图如图2所示，内层为氨纶芯层，外层为纳米纤维层。通过检测，本实施例的静电纺纳米纤维弹性纱的性能如表1所示。
表1静电纺纳米纤维弹性纱结构与断裂伸长率
Figure BDA0003363846630000051
实施例2
静电纺纳米纤维弹性花式纱的制备
纺丝前，先将1.0g的聚氨酯(PU，分子量为60000g/mol)溶解在由5ml二甲基甲酰胺(DMF)和5ml四氢呋喃(THF)组成的混合溶剂中，40℃下磁力搅拌12h，得PU纺丝液。纺丝时，将PU纺丝液分别装入两注射泵中的注射器中以供纺丝。然后调节参数，喷丝头位于涡流液面正上方200mm处并垂直指向液面，与涡流中心水平距离300mm，两喷丝头位于圆形涡流直径上，相距600mm。一注射器以2ml/h的速度连续向喷丝头输送PU纺丝液，另一注射器以2ml/h的速度每间隔5分钟向喷丝头输送5分钟的PU纺丝液，两喷丝头均施加+18Kv静电电压，在高压电场作用下射流喷出、拉伸细化成纳米纤维飞向液面涡流，随着涡流旋转进行汇集、牵伸、加捻、螺旋状缠绕在氨纶芯纱上。氨纶纱向上运行带动涡流中的纳米纤维纱离开水面经烘干定型后卷绕在纱管上。定型条件：定型温度为120℃，纱线卷绕速度200mm/s。
本实施例的结构示意图如图3所示，内层为氨纶芯层，外层为纳米纤维层。通过检测，本实施例的静电纺纳米纤维弹性花式纱的性能如表2所示。
表2静电纺纳米纤维弹性花式纱结构与断裂伸长率
Figure BDA0003363846630000061
实施例3
静电纺纳米纤维弹性花色纱的制备
纺丝前，先将1.2g的热塑性聚氨酯(TPU，分子量为60000g/mol)和0.024g分散蓝染料溶解在由5ml二甲基甲酰胺(DMF)和5ml四氢呋喃(THF)组成的混合溶剂中，40℃下磁力搅拌12h，得蓝色PU纺丝液。另称取1.2g的热塑性聚氨酯(TPU，分子量为60000g/mol)和0.024g分散黄染料，溶解在由5ml二甲基甲酰胺(DMF)和5ml四氢呋喃(THF)组成的混合溶剂中，40℃下磁力搅拌12h，得黄色PU纺丝液。纺丝时，将纺丝液分别装入两注射泵中的注射器中以供纺丝。然后调节参数，喷丝头位于涡流液面正上方200mm处并垂直指向液面，与涡流中心水平距离300mm，两喷丝头位于圆形涡流直径上，相距600mm。两注射器以一定的推进速度比向喷丝头输送纺丝液，每间隔10分钟改变一次速度比(10:0，5:5，0:10，5:5，......，10:0，5:5，0:10，5:5)，推进速度总和为4ml/h。两喷丝头均施加+18Kv静电电压，在高压电场作用下射流喷出、拉伸细化成纳米纤维飞向液面涡流，随着涡流旋转进行汇集、牵伸、加捻、螺旋状缠绕在氨纶芯纱上。氨纶纱向上运行带动涡流中的纳米纤维纱离开水面经烘干定型后卷绕在纱管上。定型条件：定型温度为120℃，纱线卷绕速度200mm/s。
本实施例的结构示意图如图4所示，内层为氨纶芯层，外层为纳米纤维层，附图中纳米纤维层的颜色由左至右依次为蓝、绿、黄、绿、蓝、绿、黄、绿、蓝、绿、黄、绿。通过检测，本实施例的静电纺纳米纤维花色弹性纱的性能如表3所示。
表3静电纺纳米纤维花色弹性纱结构与断裂伸长率
Figure BDA0003363846630000071
实施例4
静电纺纳米纤维弹性导电纱的制备
纺丝前，先将1.2g的聚偏四氟乙烯(PVDF)溶解在由5ml二甲基甲酰胺(DMF)和5ml四氢呋喃(THF)组成的混合溶剂中，40℃下磁力搅拌12h，得PVDF纺丝液。纺丝时，将PVDF纺丝液分别装入两注射泵中的注射器中以供纺丝。然后调节参数，喷丝头位于涡流液面正上方250mm处并垂直指向液面，与涡流中心水平距离300mm。注射器以0.9ml/h的速度向喷丝头输送PVDF纺丝液，两喷丝头均施加+18Kv静电电压，在高压电场作用下射流喷出、拉伸细化成纳米纤维飞向液面涡流，随着涡流旋转进行汇集、牵伸、加捻、螺旋状缠绕在镀镍氨纶芯纱上。镀镍氨纶芯纱向上运行带动涡流中的纳米纤维纱离开水面经烘干定型后卷绕在纱管上。定型条件：定型温度为120℃，纱线卷绕速度300mm/s。
本实施例的结构示意图如图5所示，内层为氨纶芯层，中间层为镀镍导电层，外层为纳米纤维层。通过检测，本实施例的静电纺弹性纳米纤维导电纱的性能如表4所示。
表4静电纺弹性纳米纤维导电纱结构与断裂伸长率
Figure BDA0003363846630000081

Claims (8)

1.一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述弹性纳米纤维纱线采用水浴涡流逆向成纱机制备，所述方法包括以下步骤：
(1)静电纺纳米纤维：注射泵按照适当的速度推动注射器中的溶液在喷丝头处形成液滴，液滴在适当的静电场力作用下呈射流喷出并经拉伸细化制成纤纳米纤维，同时通过调整喷丝头的位置，使静电纺纳米纤维沉积在远离涡流液面中心处；
(2)静电纺纳米纤维束：步骤(1)中的纳米纤维在涡流液面的作用下，牵伸成纳米纤维束；
(3)静电纺纳米纤维纱：步骤(2)中涡流液面上的纳米纤维束在涡流的旋转下，继续牵伸并加捻形成纳米纤维纱；
(4)静电纺弹性纳米纤维纱：步骤(3)中的纳米纤维纱在涡流的作用下至涡流中心，旋转速度迅速增加，成螺旋状缠绕在涡流中心的芯纱上，并随着芯纱上行离开液面。
2.根据权利要求1所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述喷丝头位于涡流液面正上方并垂直指向液面，喷丝头在水平方向上远离涡流中心。
3.根据权利要求2所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述喷丝头与涡流液面的垂直距离为150-300mm，喷丝头与涡流中心的水平距离为200-400mm。
4.根据权利要求1所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述喷丝头设置有1-8个，所述喷丝头间以相对、垂直、平行或交叉的方式排列组合。
5.根据权利要求1所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
(5)弹性纳米纤维纱定型：依据产品设定牵伸倍数和加热定型温度，对弹性纳米纤维纱进行烘干定型，所述牵伸倍数设定为0.5-3，加热定型温度设定为80-130℃，纱线卷绕速度设定为100-300mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备均匀性弹性静电纺连续纳米纤维纱，所述注射器以恒定的速度向喷丝头输送纺丝液。
7.根据权利要求1所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备花式弹性静电纺连续纳米纤维纱，所述注射泵、注射器和喷丝头设置有两组，一组中的注射器以恒定速度向喷丝头输送纺丝液，另一组中的注射器间隔向喷丝头输送纺丝液。
8.根据权利要求1所述的一种弹性纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备弹性静电纺连续纳米纤维花色纱，所述注射泵、注射器和喷丝头设置有两组，两组中的注射器分别以一定速度向喷丝头输送不同的纺丝液、且输送速度之和为恒定值，每间隔一段时间改变两组输送速度的速度比值。
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