CN115449936B - 一种高性能膜卷微纳米纤维纱线及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备高性能膜卷微纳米纤维纱线技术领域，尤其是一种高性能膜卷微纳米纤维纱线及其制备工艺，包括如下步骤：(1)、配置纺丝液，通过静电纺丝结合膜卷工艺制备微纳米纤维纱线；(2)、将步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线，或将步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线，或将热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理得到高性能微纳米纤维纱线；通过静电纺丝、膜卷工艺、热牵伸、加捻相结合，以获取结构均匀、纤维取向度高、结晶度高、力学性能强的微纳米纤维纱线。

Description

一种高性能膜卷微纳米纤维纱线及其制备工艺
技术领域
本发明涉及制备高性能微纳米纤维纱线技术领域，尤其是一种高性能膜卷微纳米纤维纱线及其制备工艺。
背景技术
静电纺微纳米纤维纱线是利用静电纺丝技术来制备微纳米纤维，然后将微纳米纤维收集成束和加捻成纱的一种新型纺纱技术，与常规纺丝技术将比，静电纺丝制备的纤维具有更细的直径、更高的比表面积，形成的微纳米纤维纱线替代传统微米纤维纱线，并通过机织、针织、编结等工艺手段制备成高性能纺织产品，改善其机械性能或赋予其额外的声、光、电、磁、热等物理性能和生物学性能，在智能可穿戴纺织品、生物医用纺织品、传感器件等领域具有广阔应用前景。
目前，静电纺微纳米纤维纱线的成型方式繁多，但制得的微纳米纤维纱线普遍存在许多缺陷：一是所制得的纱线机械性能、均匀度较差，难以满足传统纺纱加工基本需求；二是所制得的纱线取向度、结晶度较低；三是制得纱线结构单一。中国专利201910031510.8将包含纳米纤维的纱线于适当浓度的二甲基甲酰胺溶液中浸泡后烘干，通过纳米纤维之间的二次溶解黏连从而形成交联网络结构，能够有效提升纱线的断裂强度，但其纺丝材料仅限能够溶解于二甲基甲酰胺的聚合物，且会明显改变纱线表面形态。中国专利201910434699.5通过设计组合纺丝装置，能够实现取向型纳米纤维纱线的连续生产，但装置复杂且制备的纱线结构多样性不足。因此，从多方面同时进行改进，弥补微纳米纤维纱线的机械性能、均匀度、取向度和结晶度，是有待解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，提供了一种高性能膜卷微纳米纤维纱线及其制备工艺，通过静电纺丝、膜卷工艺、热牵伸、加捻相结合，以获取结构均匀、纤维取向度高、结晶度高、力学性能强的微纳米纤维纱线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，一种高性能膜卷微纳米纤维纱线，由将通过静电纺丝制备的微纳米纤维膜结合膜卷工艺制得，或进一步通过热牵伸处理制得，或加捻处理制得，或将热牵伸处理的膜卷微纳米纤维纱线进行复合加捻制得。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，包括如下步骤：
(1)、配置纺丝液，通过静电纺丝制备微纳米纤维膜，然后采用膜卷工艺获得高性能膜卷微纳米纤维纱线；
(2)、将步骤(1)所得膜卷微纳米纤维纱线进行热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线，或将步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线，或将热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(1)配置的纺丝液，包括聚乳酸溶液、聚乙醇酸溶液、聚己内酯溶液、聚乙交酯-丙交酯溶液、聚丙交酯-乙交酯溶液、聚丙交酯-己内酯溶液、聚对二氧环已酮溶液、聚三亚甲基碳酸酯溶液、聚乙二醇溶液、聚羟基脂肪酸酯溶液、聚丁二酸丁二醇酯溶液及其他可用于静电纺丝的聚合物溶液，溶液浓度为0.1％至50％。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(1)通过静电纺丝结合膜卷工艺制备高性能微纳米纤维纱线，是将静电纺丝得到的微纳米纤维取向排列收集在金属卷绕滚筒上，形成具有一定厚度和宽度的微纳米纤维膜，在垂直于纤维排列的方向上将微纳米纤维膜平行卷搓形成线型圆环，切割后制得。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，所述微纳米纤维膜厚度为10μm至10cm,宽度为10μm至100cm。
上述的高性能微纳米纤维纱线的制备工艺，静电纺丝外加电压为+1kV至+150kV，纺丝喷头与金属卷绕滚筒隔距为1cm至100cm，供液箱供液速度为0.1μL/h至50mL/h，金属卷绕滚筒转速为1rpm至20000rpm。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(2)中，热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线中的热牵伸处理工艺为：利用热空气和外力作用进行牵伸处理，牵伸温度为1℃至500℃，牵伸倍数为0.1倍至1000倍，牵伸张力为0.1N至1000N。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(2)中，加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线中的加捻处理工艺为：加捻股数为1根至1000根，加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm，加捻方向包括Z捻和S捻。
上述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(2)中，将热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理得到高性能微纳米纤维纱线，其中，热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线是利用热空气和外力作用进行牵伸处理，其工艺参数为：牵伸温度为1℃至500℃，牵伸倍数为0.1倍至1000倍，牵伸张力为0.1N至1000N；加捻处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线的工艺参数为：加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm，加捻方向包括Z捻和S捻，将热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理的工艺参数为：加捻股数为1根至1000根，加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm，加捻方向包括Z捻和S捻。
本发明一种高性能膜卷微纳米纤维纱线及其制备工艺的有益效果是，采用金属卷绕滚筒进行收集，可保证微纳米纤维高度取向排列；采用横向平行卷搓方式制备微纳米纤维纱线，可实现纱线直径实时调控，确保微纳米纤维排列整齐、均匀；采用热牵伸工艺可进一步提高纱线中微纳米纤维的取向度和结晶度，显著优化纱线结构，调节纱线细度，提高纱线力学性能；采用加捻工艺可实现纱线结构多样化，降低纱线细度不匀，进一步改善纱线力学性能。综上，金属卷绕滚筒收集和垂直于纤维排列方向平行卷搓纱线成型方式，能够生产结构均匀、高度取向、直径可控的微纳米纤维纱线，热牵伸工艺能够获得不同牵伸程度的微纳米纤维牵伸纱线，显著提高纱线取向度、结晶度和力学性能，加捻工艺能够获得加捻效果不同的微纳米纤维加捻纱线和微纳米纤维牵伸加捻纱线，优化纱线结构、均匀性和力学性能。本发明制得的微纳米纤维纱线结构均匀多样、取向度高、结晶度高、力学性能优异。
附图说明
图1为实施例1中膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺流程图；
图2为实施例1中热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线的工艺流程图；
图3为实施例2中加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线的工艺流程图；
图4为实施例3制备热牵伸复合加捻高性能微纳米纤维纱线的工艺流程图；
图5为所制备的膜卷微纳米纤维纱线、3倍牵伸的微纳米纤维牵伸纱线、单股加捻的微纳米纤维加捻纱线和5股加捻的微纳米纤维牵伸加捻纱线的SEM图；
图6为膜卷微纳米纤维纱线、3倍牵伸的微纳米纤维牵伸纱线、单股加捻的微纳米纤维加捻纱线和5股加捻的微纳米纤维牵伸加捻纱线的力学性能。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1
一种高性能膜卷微纳米纤维纱线，由将通过静电纺丝制备的微纳米纤维膜结合膜卷工艺制得，或进一步通过热牵伸处理制得，或加捻处理制得，或将热牵伸处理的膜卷微纳米纤维纱线进行复合加捻制得。
如图1、2所示，一种高性能微纳米纤维纱线的制备工艺，包括如下步骤：
(1)、配置纺丝液，通过静电纺丝制备微纳米纤维膜，然后采用膜卷工艺获得高性能膜卷微纳米纤维纱线；
上述的高性能微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(1)配置的纺丝液，包括聚乳酸溶液、聚乙醇酸溶液、聚己内酯溶液、聚乙交酯-丙交酯溶液、聚丙交酯-乙交酯溶液、聚丙交酯-己内酯溶液、聚对二氧环已酮溶液、聚三亚甲基碳酸酯溶液、聚乙二醇溶液、聚羟基脂肪酸酯溶液、聚丁二酸丁二醇酯溶液及其他可用于静电纺丝的聚合物溶液，溶液浓度为0.1％至50％。
所述步骤(1)通过静电纺丝制备微纳米纤维纱线，是将静电纺丝结合膜卷工艺得到的微纳米纤维取向排列收集在金属卷绕滚筒上，形成具有一定厚度和宽度的微纳米纤维膜，在垂直于纤维排列的方向上将微纳米纤维膜平行卷搓形成线型圆环，切割后制得微纳米纤维纱线。
静电纺丝外加电压为+1kV至+150kV，纺丝喷头与金属卷绕滚筒隔距为1cm至100cm，供液箱供液速度为0.1μL/h至50mL/h，金属卷绕滚筒转速为1rpm至20000rpm。
所述微纳米纤维膜厚度为10μm至10cm,宽度为10μm至100cm。
实施例2
本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于：
将步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线。
上述的高性能微纳米纤维纱线的制备工艺，所述步骤(2)中，热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线中的热牵伸处理工艺为：利用热空气和外力作用进行牵伸处理，牵伸温度为1℃至500℃，牵伸倍数为0.1倍至1000倍，牵伸张力为0.1N至1000N。
实施例3
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，其不同之处在于：
将步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线。
加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线中的加捻处理工艺为：加捻股数为1根至1000根，加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm，加捻方向包括Z捻和S捻。
实施例4
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，其不同之处在于：
将热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线加捻复合处理得到高性能微纳米纤维纱线，
其中，热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线是利用热空气和外力作用进行牵伸处理，其工艺参数为：牵伸温度为1℃至500℃，牵伸倍数为0.1倍至1000倍，牵伸张力为0.1N至1000N；加捻处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线的工艺参数为：加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm，加捻方向包括Z捻和S捻，将热牵伸处理的步骤(1)所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理的工艺参数为：加捻股数为1根至1000根，加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm，加捻方向包括Z捻和S捻。
实施例5
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，其不同之处在于：
下面采用聚左旋乳酸(PLLA)与六氟异丙醇所配置的纺丝液为例，进行纺纱。包括以下步骤：(1)将PLLA粉末溶于六氟异丙醇中，经过搅拌、溶解、静置配制得到浓度为10％的纺丝液；(2)将PLLA纺丝液装入供液箱中，向纺丝喷头供液，速率为0.8mL/h；(3)打开高压静电发生器，为纺丝喷头提供+12kV的高压静电，纺丝喷头喷出的纳米纤维能够在纺丝喷头和金属卷绕滚筒间集聚形成喇叭形；(4)启动电机设置金属卷绕滚筒的转速为1000rpm，将纳米纤维初步收集为具有一定厚度的取向排列纳米纤维膜；(5)关闭电机，待金属卷绕滚筒静止后，在垂直于纤维排列的方向上将纳米纤维膜平行卷搓形成线型圆环，切割后制得纳米纤维纱线；(6)将纳米纤维纱线冷冻干燥一段时间后，送入热牵伸装置，温度为70℃，牵伸倍数设置为3倍；(7)纳米纤维纱线和3倍牵伸后的纱线分别进行加捻处理，加捻股数分别为1股和5股，加捻捻数分别为120捻/10cm和70捻/10cm。图5展示了所制备的纳米纤维纱线、3倍牵伸的纳米纤维牵伸纱线、单股加捻的纳米纤维加捻纱线和5股加捻的纳米纤维牵伸加捻纱线的SEM图，分别随机计算50根纱线的直径，得到纳米纤维纱线的直径为424.65±4.69μm，3倍牵伸的纳米纤维牵伸纱线的直径为278.99±6.98μm，单股加捻的纳米纤维加捻纱线的直径为305.22±5.17μm，5股加捻的纳米纤维牵伸加捻纱线的直径为376.69±12.61μm；分别随机计算100根纳米纤维的直径，得到纳米纤维纱线的直径为990.7±258nm，3倍牵伸的纳米纤维牵伸纱线的直径为654.2±150nm，即得出牵伸后纱线的直径以及纳米纤维的直径均有下降。图6展示了纳米纤维纱线、3倍牵伸的纳米纤维牵伸纱线、单股加捻的纳米纤维加捻纱线和5股加捻的纳米纤维牵伸加捻纱线的力学性能，纳米纤维纱线的断裂应力为29.7±1.2MPa，3倍牵伸的纳米纤维牵伸纱线的断裂应力为89.8±0.9MPa，单股加捻的纳米纤维加捻纱线的断裂应力为55.4±1.1MPa，5股加捻的纳米纤维牵伸加捻纱线的断裂应力为120.7±0.4MPa，即牵伸纱线的断裂应力明显高于未牵伸纱线的断裂应力，加捻纱线的断裂应力明显高于无捻纱线。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征在于：由将通过静电纺丝制备的微纳米纤维膜结合膜卷工艺制得，进一步通过热牵伸处理制得，或加捻处理制得，或将热牵伸处理的膜卷微纳米纤维纱线进行复合加捻制得；所述高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，包括如下步骤：
（1）、配置纺丝液，通过静电纺丝制备微纳米纤维膜，然后采用膜卷工艺获得高性能膜卷微纳米纤维纱线；
（2）、将步骤（1）所得膜卷微纳米纤维纱线进行热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线，或将步骤（1）所得微纳米纤维纱线进行加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线，或将热牵伸处理的步骤（1）所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线；
所述步骤（1）通过静电纺丝结合膜卷工艺制备高性能微纳米纤维纱线，是将静电纺丝得到的微纳米纤维取向排列收集在金属卷绕滚筒上，形成具有一定厚度和宽度的微纳米纤维膜，在垂直于纤维排列的方向上将微纳米纤维膜平行卷搓形成线型圆环，切割后制得。
2.根据权利要求1所述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征是，所述步骤（1）配置的纺丝液，包括聚乳酸溶液、聚乙醇酸溶液、聚己内酯溶液、聚乙交酯-丙交酯溶液、聚丙交酯-乙交酯溶液、聚丙交酯-己内酯溶液、聚对二氧环已酮溶液、聚三亚甲基碳酸酯溶液、聚乙二醇溶液、聚羟基脂肪酸酯溶液、聚丁二酸丁二醇酯溶液及其他可用于静电纺丝的聚合物溶液，溶液浓度为0.1%至50%。
3.根据权利要求2所述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征是，所述微纳米纤维膜厚度为10μm至10cm, 宽度为10μm至100cm。
4.根据权利要求3所述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征是，静电纺丝外加电压为+1kV至+150 kV，纺丝喷头与金属卷绕滚筒隔距为1cm至100cm，供液箱供液速度为0.1μL/h至50mL/h，金属卷绕滚筒转速为1rpm至20000rpm。
5.根据权利要求4所述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征是，所述步骤（2）中，热牵伸处理制备高性能微纳米纤维纱线中的热牵伸处理工艺为：利用热空气和外力作用进行牵伸处理，牵伸温度为1℃至500℃，牵伸倍数为0.1倍至1000倍，牵伸张力为0.1N至1000N。
6.根据权利要求5所述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征是，所述步骤（2）中，加捻处理制备高性能微纳米纤维纱线中的加捻处理工艺为：加捻股数为1根至1000根，加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm。
7.根据权利要求5所述的高性能膜卷微纳米纤维纱线的制备工艺，其特征是，所述步骤（2）中，将热牵伸处理的步骤（1）所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理得到高性能微纳米纤维纱线，其中，热牵伸处理的步骤（1）所得微纳米纤维纱线是利用热空气和外力作用进行牵伸处理，其工艺参数为：牵伸温度为1 ℃至500 ℃，牵伸倍数为0.1倍至1000倍，牵伸张力为0.1 N至1000 N；加捻处理的步骤（1）所得微纳米纤维纱线的工艺参数为：加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm；将热牵伸处理的步骤（1）所得微纳米纤维纱线进行复合加捻处理的工艺参数为：加捻股数为1根至1000根，加捻捻度为0.5捻/10cm至5000捻/10cm。
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