CN114134580A - 一种静电纺丝超细纤维集束***、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于人造纤维制造技术领域，公开了一种静电纺丝超细纤维集束***、方法，包括同轴设置的纺丝喷头和集束盘，纺丝喷头设置在集束盘的上部，集束盘通过联轴器和电机相连，电机旋转带动集束盘转动，集束盘的外部还设置有导向槽；集束盘的中心设置有轴，绝缘外圈、中心导电圈、绝缘内圈和轴通过粘接或热复合方式固定；中心导电圈内外边缘为光滑圆弧圆角，绝缘外圈的内边缘和绝缘内圈的外边缘为相应的光滑内圆角。集束盘的下端设置有碳刷本体，碳刷本体固定在碳刷支架上，碳刷本体内的石墨块在弹簧的作用下紧靠在集束盘的中心导电圈底部，石墨块通过导线连接设置在外部的高压静电发生器。能够提高静电纺丝纤维集束的稳定性和均匀性。
Description
技术领域
本发明属于人造纤维制造技术领域，尤其涉及一种静电纺丝超细纤维集束***、方法。
背景技术
静电纺丝法可以将聚合物溶液或者熔体在高压强电场中拉伸形成超细纤维。静电纺丝法具有原理简单，适用材料范围广和所制纤维直径小等特点，近年来受到了广泛的关注，具有工业化应用前景。
目前，研究人员采用静电纺丝法制备超细纤维大多以无纺的状态收集，杂乱且松散的纤维结构使纤维制品强度较低，并极大限制了其在织物方向的应用发展。在纤维应用更为广泛的纺织领域，要求将多根纤维成束收集并进行加捻得到拉伸强度大且易于编制的纱线。并且取向纤维在组织工程支架、传感器、纳米导线等领域有着广泛的应用前景。因此，将静电纺丝制备的纤维采用更方便可靠的方法成束收集是未来的发展方向。
现有技术一，一种多电场耦合强力牵伸的静电纺丝装置，授权公告号：CN203382864U，公开了以下内容：包括纺丝喷头、电极板一、电极板二、高压静电发生器一、高压静电发生器二、纤维接收板、接地电极；纺丝喷头与接地电极相连，电极板安装于纺丝喷头的下方，电极板与静电发生器相连，纤维接收板可位于电极板二的上方或下方。该装置通过采用中间带孔的电极板，并再纺丝喷头下设置多道电极板，以产生多级电场，以实现对纤维的多电场耦合强力牵伸，使纺出的纤维更细，通过调节电极板的距离及所加电压的大小，还可以对纤维的直径做一定的调控。
现有技术二，一种制作微纳纤维支架的静电喷纺设备和方法，申请公布号：CN110409007A，其中设备包括料斗，纤维喷嘴，以及接地的纤维接收器，所述喷嘴内轴向安装有与高压直流电源相连的金属圆柱细针；该制备方法使高分子溶液在高压气体的分散和驱动下形成微纳高分子溶液流，通过高压气体形成微纳纤维；直流高压电使空气电离并吸附到微纳高分子溶液流，与接收器形成静电差而产生静电力，静电力牵拉高分子链而提高链取向和结晶，通过静电力提高纤维力学性能；本发明加工速度明显高于静电纺丝，与气喷技术相当，并且得到的纤维力学性能优于传统气喷所得的微纳纤维。
现有技术三，一种静电纺丝超细纤维捻线装置及方法，申请公布号：113308768A，包括外套筒和中间套筒，外套筒套设在中间套筒上，外套筒与中间套筒之间形成有环形间隙，外套筒上设置有与环形间隙连通的熔体入口，外套筒的底端设置有一锥形孔，且锥形孔的顶端与环形间隙的底端相通，外套筒上包裹有用于加热环形间隙中的熔体的加热圈；中间套筒中穿设有圆柱形的金属杆，金属杆与中间套筒之间具有间隔，金属杆的底端固连有一位于锥形孔下方的圆台，圆台上面积较大的底面与所述金属杆的底端固连，圆台上面积较小的底面固连有一锥形的引导尖端，引导尖端的锥面与圆台的锥面光顺连接；金属杆、圆台、引导尖端及环形间隙同轴。
上述各方案将静电纺丝法制备纤维成束收集的方法有利用旋转水流或者气流带动纤维成束且加捻等，上述方法存在稳定性和均匀性较差的缺点，且不易控制，无法实现工业化生产。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种静电纺丝超细纤维集束***、方法。所述技术方案如下：
该静电纺丝超细纤维集束***包括同轴设置的纺丝喷头和集束盘，所述纺丝喷头设置在集束盘的上部，所述集束盘通过联轴器和电机相连，电机旋转带动集束盘转动，所述集束盘的外部还设置有导向槽；
所述集束盘的中心设置有轴，以轴为中心由内向外依次设置有：环形的绝缘内圈、中心导电圈、绝缘外圈；绝缘外圈、中心导电圈、绝缘内圈和轴通过粘接或热复合方式固定；中心导电圈内外边缘为光滑圆弧圆角，绝缘外圈的内边缘和绝缘内圈的外边缘为相应的光滑内圆角；
所述集束盘的中心设置有轴，以轴为中心由内向外依次设置有：环形的绝缘内圈、中心导电圈、绝缘外圈；绝缘外圈、中心导电圈、绝缘内圈和轴通过粘接或热复合方式固定；中心导电圈内外边缘为光滑圆弧圆角，圆弧的直径等于中心导电圈厚度，用于消除中心导电圈上下表面和侧面的拼接线，避免电荷集中引起尖端放电，中心导电圈的宽度范围为5-60mm，绝缘外圈的内边缘和绝缘内圈的外边缘为相对应的光滑内圆角，绝缘外圈、中心导电圈和绝缘内圈的上、下表面在同一平面上平齐布置；
在一个实施例中，所述纺丝喷头与集束盘之间的距离为5cm-20cm。
在一个实施例中，所述导向槽带弧度的一端贴近集束盘一侧的边缘，并且导向槽和集束盘之间设有空隙，使导向槽不干扰集束盘转动；所述导向槽的末端布置有旋转收丝的接收辊。
在一个实施例中，所述绝缘外圈、绝缘内圈和轴由绝缘材料制成，中心导电圈由导电材料制成。
在一个实施例中，所述碳刷本体内部安装有弹簧，弹簧用于把石墨块的上表面始终靠在中心导电圈的下表面；所述碳刷本体的外侧设置有外壳，所述外壳固定在碳刷底座上，所述外壳用于使石墨块和弹簧保持直立状态。
在一个实施例中，所述纺丝喷头设置有喷头法兰和喷头主体，喷头法兰中心腔体构成进料口，喷头法兰中心腔体和喷头主体中心腔体连通，所述喷头主体内部布置有喷头芯体，喷头主体的底部为向外延伸的斜面，使纺丝喷头底部形成环形尖端，纺丝喷头接地，用于使纺丝喷头始终保持零电势，以便和中心导电圈之间形成高压电场。
在一个实施例中，所述喷头芯体的外侧周向均匀布置有多个紧定螺钉，用于卡住喷头芯体，使喷头芯体和喷头主体之间的环形缝隙保持均匀。
在一个实施例中，所述喷头法兰与喷头主体同轴固连，所述喷头芯体外径小于喷头主体内径。
在一个实施例中，所述喷头芯体和喷头主体之间的环形缝隙的宽度为0.5-2mm。
本发明的另一目的在于提高一种实现所述静电纺丝超细纤维集束***的方法，该静电纺丝超细纤维集束方法包括以下步骤：：
步骤一、纺丝液进入纺丝喷头后，在喷头芯体上尖端的分流作用下向环形缝隙中流动并逐渐分布均匀；
步骤二、纺丝液流动在喷头主体底部环形尖端处粘附形成环形的液体薄层；
步骤三、通过高压静电发生器产生20-70kV直流电压，中心导电圈带电后与接地的纺丝喷头之间形成高压静电场；
步骤四、打开集束盘和接收辊的驱动电机，分别驱动接收辊和集束盘旋转，接收辊旋转牵动预先放置的绳子向接收辊上缠绕，绳子一端固定绕在接收辊表面上，另外一端盘绕2-5圈放置在中心导电圈表面，进而牵引初始阶段粘附在集束盘上绳子表面的超细纤维经过导向槽向接收棍上缠绕，等绳子缠绕完毕后，后续产生的连续超细纤维被前序超细纤维带动持续缠绕在接收辊上。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明所提供的静电纺丝超细纤维集束方法所产生的纤维为超细纤维，直径小，单根纤维质量轻，所以其产生及下落过程极易被气流干扰而导致纤维断裂或者改变原有规划路径，水流又会带来高压静电击穿等问题，所以利用机械装置对超细纤维进行集束收集可以方便调节收集速度，从而和纤维发生速度相匹配，避免纤维断裂，并且使纤维下落路径更加稳定，利于成束收集，因此，该静电纺丝超细纤维集束***能够提高静电纺丝纤维集束的稳定性和均匀性。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的静电纺丝超细纤维集束***的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的纺丝喷头的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的集束盘和碳刷的配合结构示意图。
图4是本发明实施例提供的静电纺丝超细纤维集束方法流程图。
图5是本发明实施例提供的超细纤维在气流作用下紊乱的效果图。
图中：1、纺丝喷头；101、进料口；102、喷头法兰；103、喷头主体；104、喷头芯体；105、紧定螺钉；106、液体薄层；2、超细纤维；3、集束盘；301、绝缘外圈；302、中心导电圈；303、绝缘内圈；304、轴；4、碳刷本体；401、石墨块；402、导线；403、弹簧；404、外壳；405、碳刷底座；5、高压静电发生器；6、碳刷支架；7、电机；8、联轴器；9、导向槽；10、纤维束；11、接收辊。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1-图4所示，该静电纺丝超细纤维集束***设置有纺丝喷头1，纺丝喷头1设置在集束盘3的上部，纺丝喷头1和集束盘3同轴，并保持5-20cm的距离，集束盘3通过联轴器8和电机7相连，电机7旋转带动集束盘3转动，导向槽9的带弧度的一端贴近集束盘3一侧的边缘，导向槽9和集束盘3保持一定的距离，使其不干扰集束盘3转动；接收辊11布置在导向槽9另一端附近，接收辊11旋转收丝。
碳刷本体4固定在碳刷支架6上，碳刷本体4上的石墨块401在弹簧403的作用下紧靠在集束盘3的中心导电圈302底部，高压静电发生器5与碳刷本体4内部的导线402相连，碳刷本体4内部的导线402和石墨块401连接。
集束盘3由四部分组成，最外圈为绝缘外圈301，其次是中心导电圈302，然后是绝缘内圈303，最中心为轴304；其中绝缘外圈301、绝缘内圈303和轴304为聚四氟乙烯等绝缘材料制成，中心导电圈302为金属等导电材料制成，中心导电圈302内外边缘为光滑圆弧圆角，绝缘外圈301的内边缘和绝缘内圈303的外边缘为相应的光滑内圆角，绝缘外圈301、中心导电圈302、绝缘内圈303和轴304通过粘接或热复合等方式固定在一起。碳刷本体4内部的弹簧403用于把石墨块401的上表面始终靠在中心导电圈302的下表面，外壳404用于使石墨块401和弹簧403保持直立状态，导线402穿过弹簧403一端和石墨块401连接，导线402另一端穿过碳刷底座405与高压静电发生器5连接。
喷头法兰102与喷头主体103同轴固连在一起，喷头法兰102中心腔体构成进料口101，喷头法兰102中心腔体和喷头主体103中心腔体连通，喷头芯体104布置在喷头主体103内部，喷头芯体104外径小于喷头主体103内径，周向均匀布置的三个紧定螺钉105卡住喷头芯体104，使喷头芯体104和喷头主体103之间的环形缝隙保持均匀，环形缝隙的宽度为0.5-2mm，喷头主体103的底部为向外延伸的斜面，使纺丝喷头1底部形成环形尖端，纺丝喷头1接地。
工作原理：聚合物熔体或者溶液等纺丝液通过进料口101通入纺丝喷头1，纺丝液进入纺丝喷头1后，在喷头芯体104上尖端的分流作用下向环形缝隙中流动并逐渐分布均匀，纺丝液继续向下流动，在喷头主体103底部向外延伸的斜面上均匀分布，纺丝液进一步流动在喷头主体103底部环形尖端处粘附形成环形的液体薄层106。纺丝喷头1接地，调节纺丝喷头1底部尖端和集束盘3上表面距离为15cm，预先放置一根棉质或者尼龙绝缘绳子在导向槽9内，绳子一端绕在接收辊11上3-5圈或者粘接在接收辊11上，使绳子固定在接收辊11上，绳子另外一端在集束盘3的中心导电圈302上表面盘若干圈，然后打开高压静电发生器5电源，调节施加电压至70kV，此时，高压静电由导线402传导至石墨块401上进而传导至中心导电圈302上，中心导电圈302带电后与接地的纺丝喷头1之间形成高压静电场，纺丝喷头1底部尖端的纺丝液环形液体薄层106被极化或者感应带电后激发形成多射流，多射流携带同等电荷，相互排斥，经过短暂时间后多射流逐渐分布均匀形成稳定且间隔一直的多股射流，射流下落溶剂挥发或者熔体冷却形成超细纤维2，由于集束盘3的中心导电圈302带高压静电，在静电吸附效应作用下，超细纤维2被吸附在中心导电圈302的上表面，初始产生的纤维粘附在中心导电圈302上的绳子上，然后，打开集束盘3和接收辊11的驱动电机7，分别驱动接收辊11和集束盘3旋转，接收辊11旋转牵动绳子向接收辊11上缠绕，进而牵引初始阶段粘附在集束盘3上绳子表面的超细纤维2经过导向槽9向接收棍上缠绕。
打开高压静电发生器5并调整到预定电压值后，高压静电通过石墨块401传导至中心导电圈302使其带高压静电，中心导电圈302和纺丝喷头1底部尖端之间形成高压电场，纺丝喷头1底部尖端处环形分布的液体薄层在高压电场中被极化，极化电荷超过阈值后熔体被激发形成均匀分布的多股射流，多股射流下落过程中固化形成纤维。
由于纺丝喷头1产生的纤维具有连续性，设备初始阶段牵引超细纤维2缠绕在接收辊11上以后，后续产生的超细纤维2会在前面纤维的牵引下连续的被牵引至接收棍上缠绕收集，逐渐调节接收棍和集束盘3的驱动电机7转速，使中心导电盘对应纺丝喷头1底部尖端处的线速度和接收棍的线速度与纺丝速度相近，此时，纺丝喷头1底部尖端产生的多根超细纤维2被静电吸引至集束盘3的中心导电圈302上，然后随着集束盘3转动，多股超细纤维2逐渐汇合成一股并通过导向槽9后缠绕在接收辊11上，集束后的纤维束10后续可以加捻形成纱线，进而纺织成布等。
集束盘3上中心导电圈302两侧为光滑圆角设计是为了避免产生尖端放电现象，尖端放电会引起空气击穿从而中断纺丝过程，中心导电圈302两侧分别被绝缘外圈301和绝缘内圈303包覆，为了避免纤维被吸引到中心导电圈302两侧，使纤维集中收集在中心导电圈302上表面后集束，图5展示了超细纤维在气流作用下紊乱的效果。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述静电纺丝超细纤维集束***包括同轴设置的纺丝喷头(1)和集束盘(3)，所述纺丝喷头(1)设置在集束盘(3)的上部，所述集束盘(3)通过联轴器(8)和电机(7)相连，电机(7)旋转带动集束盘(3)转动，所述集束盘(3)的外部还设置有导向槽(9)；
所述集束盘(3)的中心设置有轴(304)，以轴(304)为中心由内向外依次设置有：环形的绝缘内圈(303)、中心导电圈(302)、绝缘外圈(301)；绝缘外圈(301)、中心导电圈(302)、绝缘内圈(303)和轴(304)通过粘接或热复合方式固定；中心导电圈(302)内外边缘为光滑圆弧圆角，圆弧的直径等于中心导电圈厚度，用于消除中心导电圈(302)上下表面和侧面的拼接线，避免电荷集中引起尖端放电，中心导电圈(302)的宽度范围为5-60mm，绝缘外圈(301)的内边缘和绝缘内圈(303)的外边缘为相对应的光滑内圆角，绝缘外圈(301)、中心导电圈(302)和绝缘内圈(303)的上、下表面在同一平面上平齐布置；
集束盘(3)的下端设置由碳刷本体(4)，所述碳刷本体(4)固定在碳刷支架(6)上，碳刷本体(4)内的石墨块(401)在弹簧(403)的作用下紧靠在集束盘(3)的中心导电圈(302)底部，石墨块(401)通过导线(402)连接设置在外部的高压静电发生器(5)。
2.根据权利要求1所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述纺丝喷头(1)与集束盘(3)之间的距离为5cm-20cm。
3.根据权利要求1所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述导向槽(9)带弧度的一端贴近集束盘(3)一侧的边缘，并且导向槽(9)和集束盘(3)之间设有空隙，使导向槽(9)不干扰集束盘(3)转动；所述导向槽(9)的末端布置有旋转收丝的接收辊(11)。
4.根据权利要求1所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述绝缘外圈(301)、绝缘内圈(303)和轴(304)由绝缘材料制成，中心导电圈(302)由导电材料制成。
5.根据权利要求1所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述碳刷本体(4)内部安装有弹簧(403)，弹簧(403)用于把石墨块(401)的上表面始终靠在中心导电圈(302)的下表面；所述碳刷本体(4)的外侧设置有外壳(404)，所述外壳(404)固定在碳刷底座(405)上，所述外壳(404)用于使石墨块(401)和弹簧(403)保持直立状态。
6.根据权利要求1所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述纺丝喷头(1)设置有喷头法兰(102)和喷头主体(103)，喷头法兰(102)中心腔体构成进料口(101)，喷头法兰(102)中心腔体和喷头主体(103)中心腔体连通，所述喷头主体(103)内部布置有喷头芯体(104)，喷头主体(103)的底部为向外延伸的斜面，使纺丝喷头(1)底部形成环形尖端，纺丝喷头(1)接地，用于使纺丝喷头(1)始终保持零电势，以便和中心导电圈(302)之间形成高压电场。
7.根据权利要求6所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述喷头芯体(104)的外侧周向均匀布置有多个紧定螺钉(105)，用于卡住喷头芯体(104)，使喷头芯体(104)和喷头主体(103)之间的环形缝隙保持均匀。
8.根据权利要求6所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述喷头法兰(102)与喷头主体(103)同轴固连，所述喷头芯体(104)外径小于喷头主体(103)内径。
9.根据权利要求6所述的静电纺丝超细纤维集束***，其特征在于，所述喷头芯体(104)和喷头主体(103)之间的环形缝隙的宽度为0.5-2mm。
10.一种实现如权利要求1-9任意一项所述静电纺丝超细纤维集束***的方法，其特征在于，该静电纺丝超细纤维集束方法包括以下步骤：：
步骤一、纺丝液进入纺丝喷头(1)后，在喷头芯体(104)上尖端的分流作用下向环形缝隙中流动并逐渐分布均匀；
步骤二、纺丝液流动在喷头主体(103)底部环形尖端处粘附形成环形的液体薄层(106)；
步骤三、通过高压静电发生器产生20-70kV直流电压，中心导电圈(302)带电后与接地的纺丝喷头(1)之间形成高压静电场；
步骤四、打开集束盘(3)和接收辊(11)的驱动电机(7)，分别驱动接收辊(11)和集束盘(3)旋转，接收辊(11)旋转牵动预先放置的绳子向接收辊(11)上缠绕，绳子一端固定绕在接收辊(11)表面上，另外一端盘绕2-5圈放置在中心导电圈(302)表面，进而牵引初始阶段粘附在集束盘(3)上绳子表面的超细纤维(2)经过导向槽(9)向接收棍上缠绕，等绳子缠绕完毕后，后续产生的连续超细纤维(2)被前序超细纤维(2)带动持续缠绕在接收辊(11)上。
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