CN115110188A - 熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱及其制备方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱及其制备方法和装置，包芯纱由纳米纤维和芯纱组成，纳米纤维包覆在芯纱的表面，且与其相互缠结；制备方法为：在利用电场力和气流场的双重作用将聚合物熔体加工为纳米纤维的过程中，将芯纱穿入电场力和气流场的双重作用区域，同时控制电场力和气流场的双重作用区域的温度介于所述聚合物的软化点温度与熔点之间；装置包括用于喷射聚合物熔体的喷丝头、用于供芯纱穿过的中空芯轴、旋风气流辅助装置和高压静电发生器。本发明的制备方法和装置简单，制得的包芯纱中米纤维包覆均匀，纳米纤维与芯纱结合率高，制得的包芯纱具有纳米纤维与包覆纱的双重性能。

Description

熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱及其制备方法和装置
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱及其制备方法和装置。
背景技术
专利CN104032423B公开了一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用，装置包括加捻装置、退绕装置、卷绕装置、双针头静电纺丝装置和控制***，应用即制备静电纺纳米纤维包芯纱，方法为：将配制好的纺丝溶液通过双针头静电纺丝装置纺丝，使纳米纤维沉积在金属漏斗和芯纱上，金属漏斗旋转将纳米纤维均匀地缠绕在匀速运动的芯纱上，最终形成纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱，具体地，其使用了一台正电压静电纺丝机和一台负电压静电纺丝机，两者相对形成正负电场，通过电场力相互吸引，纳米纤维沉积在金属漏斗和芯纱上或搭在金属漏斗和芯纱之间，通过金属漏斗旋转，将纳米纤维缠绕到芯纱上，形成包芯纱。虽然专利CN104032423B成功制得了静电纺纳米纤维包芯纱，然而由于包芯纱为缠绕结构，包芯纱的皮层和芯纱之间容易发生滑移、脱落等现象。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱及其制备方法和装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，由纳米纤维和芯纱组成，纳米纤维包覆在芯纱的表面，且与其相互缠结；缠绕是指用带状或条状物回旋地束缚在别的物体上，缠结是指集结、纠集、盘绕集聚、缠绕纠结，本发明中纳米纤维与芯纱之间是缠结状态，不是缠绕状态；缠结相对于缠绕的优点是：纤维之间缠结形成的网络结构，由于缠结点的存在，纤维之间相互连结不会产生滑移，脱落，纳米纤维在芯纱的表面的结合更好；相对而言，缠绕是将纳米纤维缠绕在芯纱表面，纤维之间只是简单的搭建在一起，容易发生滑移、脱落等现象。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，纳米纤维的材质为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚或聚氨酯；芯纱为聚丙烯纤维长丝、聚乙烯纤维长丝、聚酯纤维长丝、聚酰胺长丝、芳纶纤维长丝、聚乳酸纤维长丝、聚苯硫醚纤维长丝、聚氨酯纤维长丝、聚酰亚胺纤维、碳纤维长丝、棉纱、短纤维纱或包覆纱。
本发明还提供一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备方法，在利用电场力和气流场的双重作用将聚合物熔体加工为纳米纤维的过程中，将芯纱穿入电场力和气流场的双重作用区域，同时控制电场力和气流场的双重作用区域的温度介于所述聚合物的软化点温度与熔点之间，制得熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱。
本发明还提供一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，包括用于喷射聚合物熔体的喷丝头、用于供芯纱穿过的中空芯轴、旋风气流辅助装置和高压静电发生器；
旋风气流辅助装置位于喷丝头和中空芯轴的正下方，且与其间距5~30cm，间距过大，纤维容易在旋风气流辅助装置与喷丝头之间受到环境影响而波动，容易形成飞丝；间距过小，单根纳米纤维离开喷丝头后未经充分拉伸就在旋风气流辅助装置中聚拢集束，导致纳米纤维细度增大；
旋风气流辅助装置内设环向风腔；环向风腔即内壳的中空部分，内壳外套有外壳，外壳的底部设有进气孔，外壳与内壳围成加热腔，加热腔内部进气孔的上方设有加热棒，加热腔内部加热棒的上方设有分流板（用于使空气流动均匀、温度稳定）；风从进气孔进入加热腔后先经过加热棒进行加热，加热后的热风通过打有小孔的分流板经出气孔进入环向风腔内部，保证内部纺丝过程温度稳定的同时对纳米纤维进行聚拢拉伸；现有技术在静电纺丝过程中一般都是通过向整个纺丝空间吹扫加热的压缩空气，控制整个纺丝空间的温度，此方法一般直接通过加热块加热后气口直接吹出，容易引起整个纺丝过程气流波动，导致纳米纤维的飞丝严重，同时此过程是通过气流加热使周围环境温度上升，然后作用于纳米纤维，整个腔体温度稳定后才可以进行纺丝，此过程中的温度波动大，敏感性差，温度响应时间长，且温度是热空气的温度，而非纺丝过程纳米纤维附近的温度；本发明将旋风气流加热，同时在形成旋风气流前，将气流混合均匀从环向风腔的腔壁的上部出气孔吹出，形成温度稳定的旋风气流，直接作用与纳米纤维，温度更精确、稳定，无需通过控制整个环境温度来控制纺丝温度，此过程时间短、波动小；
高压静电发生器用于在包含环向风腔在内的区域中形成电场；
喷丝头的数量为两个以上，其射流方向都朝向环向风腔，多个喷丝头的配置使得纳米纤维丝束增多，纤维之间相互纠缠，增加了纤维的强度，更有利于制备连续的纳米纤维长丝，极大地提高了纺丝产量；所有的喷丝头的喷丝口位于同一平面上，且环绕中空芯轴分布。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，进气孔处设有温度传感器。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，环向风腔的腔壁上设有多个导流板和多个出气孔，多个导流板和多个出气孔的数量都为2个以上；各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；多个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；所述多个出气孔与所述多个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30~45°，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角不能为直角，必须为锐角，以保证气流从出气孔出来后斜对着导流板，使得气流充分沿着环向风腔内部向下流动，形成涡旋气流，夹角过大，部分气流会导流板被反弹，直到90°时，气流会被全部反弹，不能生产涡旋气流，产生气流扰动；角度太小时，气流大部分不能充分的沿着导流板运动，气流旋转不充分，气流增大后形成湍流，不利于纳米纤维集束；环向风腔的小端（即底部出口）设有吸枪，使环形风腔的出口形成负压区。
本发明改进了旋风气流辅助装置的结构，改变了旋风发生原理，本发明的旋风气流辅助装置在使用时，气体经过出气孔吹出后，顺着导流板螺旋向下，在腔体内部形成向下出气的涡旋气流，环向风腔上端内壁设置出气孔，出气孔的出气方向与导流板的切线呈30~45°夹角，气流从出气孔出来时受到导流板的引导，顺着环向风腔内壁向底部旋转向下，多组气流同时旋转向下，逐渐汇聚，最后形成涡旋气流；本发明中形成的涡旋气流是在倒圆台形环向风腔中定向流动的，定向多孔气流，大小可控，气流更容易在环向风腔内形成稳定的涡旋气流，在环向风腔表面形成稳定的气流层，更易适宜强度较弱的纳米纤维在静电场拉伸的过程中的聚拢；本发明中的涡旋气流是通过环向风腔内的导流板引导形成，且可以通过每个出气孔调节气流量的大小，因此气流沿环向风腔的内壁逐渐形成涡旋气流比较稳定，且速度更易控制。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，环向风腔的上端直径为10~80cm，下端直径为5~40cm，高度为5~50cm；上端直径根据纳米纤维制备工艺所取，如此设置可避免由于直径过大导致的上端纤维的集束变得困难，同时需要更大的进气量来保证形成涡旋气流，达到纳米纤维集束效果，也可避免由于直径过小导致的上端的有效面积变小，纳米纤维太少难以收集；下端直径与上端直径相对应，如此设置可避免直径过大导致的形成的涡旋气流角度太小，纳米聚拢效果差，集束困难，也可避免直径过小导致的下端的出气孔气流压力增大，容易将纳米纤维拉断；高度如此设置可避免由于高度过小导致的作用不明显，也可避免由于高度过大导致的环向风腔内部的行程过大，气流更容易形成湍流，不利于纳米纤维集束。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%~30%，如此设置可避免由于距离过小导致的纳米纤维在导流板上挂丝，也可避免由于距离过大导致的环向风腔的内部气流未完全形成涡旋气流，同时环向风腔出口容易形成气流扰动，纳米纤维难以聚拢集束；导流板的数量为4~32，如此设置既可以避免由于导流板数量过少导致的较难形成涡旋气流，又可以避免由于内部隔板过多造成环向风腔内部空间位置拥堵。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，各螺旋凹槽的形状和尺寸相同。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐减小，即导流板相对于环向风腔的腔壁凸起的高度自上而下递减，如此设计的原因在于：在环向风腔的上部，导流板相对于环向风腔的腔壁凸起的高度较大，能够对气流进行及时引导，在环向风腔的下部，涡旋气流逐渐形成，此时无需导流板继续发挥对涡旋气流的引导作用，同时环向风腔的下部直径较小，导流板相对于环向风腔的腔壁凸起的高度如果较高，将会导致环向风腔的出口的空间变小，不利于纳米纤维的收集。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1~5cm减小至0；螺旋凹槽在环向风腔上端具有一点的深度保证气流可以充分的沿着凹槽边缘导流板螺旋向下，形成涡旋气流，本发明设置螺旋凹槽在环向风腔上端的深度为1~5cm既可避免由于深度过大导致的纳米纤维收集过程中更容易在导流板上形成挂丝，以及环向风腔内部中间空白面积减小，不利于纳米纤维的收集，也可避免由于深度过小导致的当气流过大时，出气孔的气流容易溢过导流板，形成湍流，扰乱环向风腔内部涡旋气流的形成；螺旋凹槽的最小深度设置为0mm是因为环向风腔内部自上向下的涡旋气流已经逐渐形成，如果还存在螺旋凹槽，将使得环向风腔内部的空间变小，容易引起气流波动，不利于纤维集束。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，所述多个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，所述多个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的3%~10%，如此可避免由出气口流出的气流溢过导流板到隔壁凹槽内，扰乱环向风腔内部涡旋气流的形成。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，各出气孔与其对应的导流板的水平距离相同，都为1~5cm，如此可避免由于水平距离过小导致的气流较大情况下，气压高，对导流板的冲击较大，气流更容易溢过导流板，也可避免由于水平距离过大导致的气流较小情况下，气压较小，难以顺着导流板螺旋向下形成稳定的气流。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体，例如铜板、不锈钢、铸铁、铜钨合金、银钨合金、石墨等；高压静电发生器共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头接地；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头连接；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接。
本发明改进了纤维的聚拢和牵伸装置的结构，无需使用高速垂直气流即可实现纤维的充分聚拢和牵伸，进而避免在喷丝头内安装外锥面气流导管，具体机理为本发明中环向风腔的腔壁表面接高压正静电或高压负静电，表面为带有正电荷或负电荷的锥形表面，喷丝头接地或接高压负静电或高压正静电，因此在喷丝头与环向风腔的底部之间会形成一种特殊的异形高压电场，具体如图4所示，异形高压电场10的形成机理为：通过在环向风腔的腔壁接通高压直流电源，腔体内壁金属表面形成电荷聚集（形成环向风腔内表面电荷9）具有较高电势，喷丝头接通高压直流负电或者直接接地，因此在环向风腔的腔壁与喷丝头之间形成电场，随着电压的升高，两者之间的电场力增大，电场线方向从环向风腔内部倒锥形金属表面开始至喷丝头结束，由于环向风腔的形状以及环向风腔与喷丝头的相对位置，两者之间形成电场的电场线非平行直线，而是从环向风腔的腔壁到喷丝头方向的异形曲线，因此在环向风腔的腔壁与上端喷丝头之间形成异形高压电场10；一方面这种特殊的异形高压电场10相对于现有技术的平行电场聚拢和牵伸作用更强，另一方面这种特殊的异形高压电场10所在的区域（喷丝头与环向风腔的底部之间）不同于现有技术（喷丝头与带孔铜板之间），使得纤维受到的静电拉伸作用更充分，因此本发明的装置在实现对纤维的聚拢和牵伸的过程中可以无需借助高速垂直气流的作用。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，喷丝头的数量为2~20个，所有的喷丝头的喷丝口环绕中空芯轴圆周均布，中空芯轴与环向风腔共轴。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，所有的喷丝头与同一供料***连接，供料***由螺杆、计量泵和过滤器组成，相邻两喷丝头之间的距离为2~10cm，距离如此设置既可以避免由于距离过小导致的喷丝头之间相互影响，又可以避免由于距离过大导致的不利于下一步的纳米纤维收集。
如上所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置还包括芯纱退绕辊、油雾发生器和卷绕机，芯纱退绕辊位于中空芯轴的上方，油雾发生器和卷绕机位于旋风气流辅助装置的下方，油雾发生器用于纳米纤维长丝上油，卷绕机用于纳米纤维长丝的收卷。
本发明的装置在使用过程中聚合物熔体从喷丝头喷出射流形成泰勒锥，射流在环向风腔内的异形高压电场的作用下被拉伸细化，经过涡旋气流牵伸集束，通过抱团效应使纳米纤维相互纠缠聚拢，电场力和气流场使纳米纤维形成一定的拉伸取向，最后从环向风腔的底部负压区出口拉出生头，纳米纤维形成的同时，芯纱从中空芯轴由上向下连续喂入，芯纱与四周的纳米纤维接触，纳米纤维聚拢收集在芯纱外表面，形成纳米纤维复合包芯纱。此外，在涡旋气流中，纳米纤维的尺寸小、表面带电，同时具有尺寸效应，纳米纤维之间很容易通过范德华力相互缠绕纠结在芯纱表面，同时涡旋气流可调节温度，纳米纤维聚合物在温度场中通过涡旋气流相互缠绕，当温度升高达到聚合物软化点温度后，纤维之间的接触点的聚合物大分子相互运动纠缠，使得纤维之间形成物理交联点，在宏观上表现为纤维之间部分粘结，最终形成纳米纤维网状结构，包覆在芯纱上形成纳米纤维包覆纱。
有益效果：
（1）本发明的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，制备过程简单，纳米纤维的直径为200~1000nm，纳米纤维包覆均匀，纳米纤维与芯纱结合率高；
（2）本发明的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备方法，通过纳米纤维在腔体内，同时在温度场的作用下，通过涡旋气流旋转拉伸，缠绕在芯纱上，形成包覆纱，制备过程无溶剂挥发，制备过程操作简单，无溶剂挥发，包覆效率高，使纳米纤维包覆纱具有抗菌、隔热、保暖等性能，纳米纤维包覆纱既具有纳米纤维的性能，又具有包覆纱的性能，拓展了纳米纤维包覆纱的应用领域；
（3）本发明的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，通过一步法制备纳米纤维包覆纱，通过调节腔体内的温度，纳米纤维在包覆过程中的温度可控，纳米纤维充分拉伸，最终通过涡旋气流将纳米纤维缠绕在芯纱上形成纳米纤维包覆纱；实现了纳米纤维与微米纤维的跨尺度复合，纳米纤维复合纱线的结构可控，采用长丝作为芯纱增加了纳米纤维复合纱的强度，使芯纱表面具有纳米纤维直径小、比表面积高等优异特性，同时降低了纳米纤维在成纱过程中的断头率，本发明结构简单，操作容易，具备产业化的能力，同时将纳米纤维的制备过程与包覆纱的工艺结合，极大的缩短工艺流程，有利于纳米纤维包覆纱的产业化推广。
附图说明
图1为本发明的旋风气流辅助装置的俯视图；
图2为本发明的旋风气流辅助装置中的导流板的示意图；
图3为本发明的旋风气流辅助装置的立体结构示意图；
图4为本发明的一种多喷丝头静电纺丝装置中喷丝头与环向风腔的底部形成的一种特殊的异形高压电场（图中省略了导流板等部件）；
图5为本发明熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱制备过程局部示意图；
其中，1-出气孔，2-导流板，3-气流，4-进气孔，5-分流板，6-喷丝头，7-中空芯轴，8-高压静电发生器，9-环向风腔内表面电荷，10-异形高压电场，11-芯纱退绕辊，12-芯纱，13-旋风气流辅助装置，14-油雾发生器，15-卷绕机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，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发明所附权利要求书所限定的范围。
一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，如图1~图3以及图5所示，包括用于喷射聚合物熔体的喷丝头6、用于供芯纱12穿过的中空芯轴7、旋风气流辅助装置13、高压静电发生器8、芯纱退绕辊11、油雾发生器14和卷绕机15；
旋风气流辅助装置13（用于形成涡旋气流3）内设环向风腔，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为10~80cm，下端直径为5~40cm，高度为5~50cm；
旋风气流辅助装置13位于喷丝头6和中空芯轴7的正下方，且与其间距5~30cm；
环向风腔的腔壁上设有4~32个导流板2和4~32个出气孔1；
各导流板2的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板2的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%~30%；
各导流板2沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板2的螺旋角度相同，每相邻两个导流板2和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1~5cm减小至0；
4~32个出气孔1设置在环向风腔的腔壁的上部；4~32个出气孔1与4~32个导流板2一一对应，各出气孔1都位于其对应的导流板2的同一侧，与其对应的导流板2的水平距离相同，都为1~5cm；各出气孔1的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板2的位置a，中心轴c与位置a处导流板2的切线的夹角为30~45°；4~32个出气孔1的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，4~32个出气孔1的出气口与各导流板2的上端的间距相同都为环向风腔高度的3%~10%；
喷丝头6的数量为两个以上，其射流方向都朝向环向风腔；所有的喷丝头6的喷丝口位于同一平面上，数量为2~20个，环绕中空芯轴7圆周均布，中空芯轴7与环向风腔共轴；各喷丝头6内通道的种类为一，其为熔体流道；所有的喷丝头6与同一供料***连接，供料***由螺杆、计量泵和过滤器组成，相邻两喷丝头6之间的距离为2~10cm；
喷丝头6和旋风气流辅助装置13的材料为导体；
高压静电发生器8共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置13的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头6接地；或者，高压静电发生器8共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置13的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头6连接；或者，高压静电发生器8共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置13的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头6连接；
环向风腔即内壳的中空部分，内壳外套有外壳，外壳的底部设有进气孔4，外壳与内壳围成加热腔，加热腔内部进气孔4的上方设有加热棒，加热腔内部加热棒的上方设有分流板5；进气孔4处设有温度传感器；
环向风腔的小端（即底部出口）设有吸枪，使环形风腔的出口形成负压区；
芯纱退绕辊11位于中空芯轴7的上方，油雾发生器14和卷绕机15位于旋风气流辅助装置13的下方。
采用上述装置制备一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，具体的制备过程为：
在利用电场力和气流场的双重作用将聚合物熔体加工为纳米纤维的过程中，将芯纱穿入电场力和气流场的双重作用区域，同时控制电场力和气流场的双重作用区域的温度介于所述聚合物的软化点温度与熔点之间，制得熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱。
其中，纳米纤维的材质为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚或聚氨酯；芯纱为聚丙烯纤维长丝、聚乙烯纤维长丝、聚酯纤维长丝、聚酰胺长丝、芳纶纤维长丝、聚乳酸纤维长丝、聚苯硫醚纤维长丝、聚氨酯纤维长丝、聚酰亚胺纤维、碳纤维长丝、棉纱、短纤维纱或包覆纱。
最终制得的熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱由纳米纤维和芯纱组成，纳米纤维包覆在芯纱的表面，且与其相互缠结。
实施例1
一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，包括用于喷射聚合物熔体的喷丝头、用于供芯纱穿过的中空芯轴、旋风气流辅助装置、高压静电发生器、芯纱退绕辊、油雾发生器和卷绕机；
旋风气流辅助装置位于喷丝头和中空芯轴的正下方，且与其间距5cm；
旋风气流辅助装置内设环向风腔（环向风腔即内壳的中空部分），环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形；环向风腔的上端直径为20cm，下端直径为5cm，高度为13cm；
环向风腔的腔壁上设有4个导流板和4个出气孔；
各导流板的上端与环向风腔的腔壁的上端相交且交点沿圆周均布，各导流板的下端与环向风腔的腔壁的下端的距离为环向风腔高度的10%；
各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，螺旋角度为30°，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；各螺旋凹槽的形状和尺寸相同；各螺旋凹槽的深度自上而下逐渐由1cm减小至0；
4个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；4个出气孔与4个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，与其对应的导流板的水平距离相同，都为1cm；各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30°；4个出气孔的出气口的形状都为椭圆形，尺寸都相同，4个出气孔的出气口与各导流板的上端的间距相同都为环向风腔高度的3%；
喷丝头的数量为4个，其射流方向都朝向环向风腔；所有的喷丝头的喷丝口位于同一平面上，数量为4个，环绕中空芯轴圆周均布，中空芯轴与环向风腔共轴；各喷丝头内通道的种类为一，其为熔体流道；所有的喷丝头与同一供料***连接，供料***由螺杆、计量泵和过滤器组成，相邻两喷丝头之间的距离为5cm；
喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；
高压静电发生器共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头接地；
内壳外套有外壳，外壳的底部设有进气孔，外壳与内壳围成加热腔，加热腔内部进气孔的上方设有加热棒，加热腔内部加热棒的上方设有分流板；进气孔处设有温度传感器；
环向风腔的小端（即底部出口）设有吸枪，使环形风腔的出口形成负压区；
芯纱退绕辊位于中空芯轴的上方，油雾发生器和卷绕机位于旋风气流辅助装置的下方。
采用上述装置制备一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，具体的制备过程为：
在利用电场力和气流场的双重作用将聚合物熔体加工为纳米纤维的过程中，将芯纱穿入电场力和气流场的双重作用区域，同时控制电场力和气流场的双重作用区域的温度介于所述聚合物的软化点温度与熔点之间，制得熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱。
其中，纳米纤维的材质为聚丙烯（牌号为Y-1500，厂家为中国石化）；芯纱为聚酯纤维长丝（牌号为FDY-75D，厂家为盛虹化纤）；
工艺参数为：聚丙烯熔融温度230℃，纺丝电压40KV，纺丝腔体气流10m3/min，芯纱速度5m/min，加热腔内气流的温度为145℃。
最终制得的熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱由纳米纤维和芯纱组成，纳米纤维包覆在芯纱的表面，且与其相互缠结；纳米纤维与芯纱结合紧密，纳米纤维的直径为200~1000nm，通过气流加捻，同时纳米纤维的拉伸过程温度可调，将纳米纤维通过旋转缠绕在芯纱上，纳米纤维包覆均匀，纳米纤维与芯纱的抱合性良好。
对比例1
一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，基本同实施例1，不同之处在于对比文件1的制备装置在使用时加热棒不工作。
采用如上所述的装置制备纤维，制备步骤如下：
聚丙烯树脂熔融温度230℃，纺丝电压40KV，纺丝腔体气流10m3/min，芯纱速度5m/min，通过涡旋气流将纳米纤维报复在芯纱上形成纳米纤维复合包芯纱；纳米纤维与芯纱结合紧密，纳米纤维的直径为800~2000nm，通过气流加捻，将纳米纤维通过旋转缠绕在芯纱上，由于纳米纤维在包覆的过程中纤维快速冷却，同时纳米纤维未得到充分拉伸，纳米纤维直径为800~2000nm，尺寸效应较弱，纳米纤维冷却后与芯纱的包覆结合强度较低，包覆纱表面的纳米纤维均匀性较差。
与对比例1相比，实施例1中的纳米纤维通过温度场电场、气流场多物理场的拉伸作用下，纳米纤维的直径可达200~1000nm，直径更小，同时纳米纤维在包覆的过程中缓慢冷却的同时拉伸取向，纳米纤维拉伸更均匀，通过控制气流场温度在145℃，使聚丙烯纳米纤维在其软化点附件包覆在芯纱的表面，纳米纤维与芯纱具有良好的结合性，同时保留了纳米纤维在芯纱表面的具有的纤维直径小、比表面积高等性能，明显优于对比例1，这是因为在环形风腔结构中增加温度调节单元，使纳米纤维在拉伸成型的过程中，逐渐冷却，充分拉伸，同时熔融静电纺丝包覆纱的制备过程相比于溶液静电纺丝包覆纱制备过程无溶剂挥发等环境污染问题，同时制备过程简单。

Claims (10)

1.一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，其特征在于，由纳米纤维和芯纱组成，纳米纤维包覆在芯纱的表面，且与其相互缠结。
2.根据权利要求1所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱，其特征在于，纳米纤维的材质为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚或聚氨酯；芯纱为聚丙烯纤维长丝、聚乙烯纤维长丝、聚酯纤维长丝、聚酰胺长丝、芳纶纤维长丝、聚乳酸纤维长丝、聚苯硫醚纤维长丝、聚氨酯纤维长丝、聚酰亚胺纤维、碳纤维长丝、棉纱、短纤维纱或包覆纱。
3.一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备方法，其特征在于，在利用电场力和气流场的双重作用将聚合物熔体加工为纳米纤维的过程中，将芯纱穿入电场力和气流场的双重作用区域，同时控制电场力和气流场的双重作用区域的温度介于所述聚合物的软化点温度与熔点之间，制得熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱。
4.一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，包括用于喷射聚合物熔体的喷丝头、用于供芯纱穿过的中空芯轴、旋风气流辅助装置和高压静电发生器；
旋风气流辅助装置位于喷丝头和中空芯轴的正下方；
旋风气流辅助装置内设环向风腔；环向风腔即内壳的中空部分，内壳外套有外壳，外壳的底部设有进气孔，外壳与内壳围成加热腔，加热腔内部进气孔的上方设有加热棒，加热腔内部加热棒的上方设有分流板；
高压静电发生器用于在包含环向风腔在内的区域中形成电场；
喷丝头的数量为两个以上，其射流方向都朝向环向风腔；所有的喷丝头的喷丝口位于同一平面上，且环绕中空芯轴分布。
5.根据权利要求4所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，环向风腔为大端在上且小端在下的倒圆台形。
6.根据权利要求5所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，环向风腔的腔壁上设有多个导流板和多个出气孔，多个导流板和多个出气孔的数量都为2个以上；各导流板沿环向风腔的腔壁自上向下螺旋盘绕，各导流板的螺旋角度相同，每相邻两个导流板和环向风腔的腔壁围成一螺旋凹槽；多个出气孔设置在环向风腔的腔壁的上部；所述多个出气孔与所述多个导流板一一对应，各出气孔都位于其对应的导流板的同一侧，各出气孔的中心轴c都倾斜向下，且朝向与其对应的导流板的位置a，中心轴c与位置a处导流板的切线的夹角为30~45°。
7.根据权利要求4所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，喷丝头和旋风气流辅助装置的材料为导体；高压静电发生器共一种，用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，喷丝头接地；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生正静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生负静电，其与喷丝头连接；或者，高压静电发生器共两种，一种用于产生负静电，其与旋风气流辅助装置的环向风腔的腔壁表面连接，另一种用于产生正静电，其与喷丝头连接。
8.根据权利要求4所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，喷丝头的数量为2~20个，所有的喷丝头的喷丝口环绕中空芯轴圆周均布，中空芯轴与环向风腔共轴。
9.根据权利要求8所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，所有的喷丝头与同一供料***连接，供料***由螺杆、计量泵和过滤器组成，相邻两喷丝头之间的距离为2~10cm。
10.根据权利要求4所述的一种熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置，其特征在于，熔融静电纺纳米纤维复合包芯纱的制备装置还包括芯纱退绕辊、油雾发生器和卷绕机，芯纱退绕辊位于中空芯轴的上方，油雾发生器和卷绕机位于旋风气流辅助装置的下方。
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