CN102912456A - 一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法及系统，属于纺织工业领域。该方法包括：将纺丝喷头与收集器相对设置并保持一定距离，使纱线或纤维束在纺丝喷头的喷口与收集器之间通过；将纺丝溶液通过自动输液装置持续供给到所述纺丝喷头内，使收集器接地，在纺丝喷头上施加高压直流电，使纺丝喷头与所述收集器之间产生电场力；控制所述纺丝喷头上的高压直流电，使所述纺丝喷头与收集器之间的电场力大于所述纺丝喷头喷口处纺丝溶液的表面张力，使纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在通过的纱线或纤维束表面形成纳米涂层，表面形成纳米涂层的纱线即为制得的纳米纤维。该方法工艺步骤简单，可控性好，能以较低成本制造出直径分布均匀，性能优异的纳米纤维。

Description

一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法及系统

技术领域

本发明涉及纺织工业领域，尤其涉及一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法及系统。

背景技术

纺织工业中通常用浆纱工艺将纱线包覆一层功能层，以增强纱线的稳定性、耐磨性、耐腐蚀性，或使纱线具有不同的颜色。浆纱工艺具体是在经纱上施加浆料以提高其可织性的工艺过程。可织性是指经纱在织机上能承受经停片、综、筘等的反复摩擦、拉伸、弯曲等作用而不致大量起毛甚至断裂的性能。未上浆的单纱纤维互相抱合不牢，表面毛羽较多，难以织制。上浆一方面要让浆料渗入到纱线内部，使纤维彼此之间抱合粘结在一起，另一方面要让浆料包覆蓬松的纱线表面，伏贴伸出纱体的毛羽，从而形成具有一定强力、韧性、耐磨性且光滑、柔软的浆膜，满足织造要求。以浆液透入单纱纤维之间为主的上浆称浸透性上浆，以浆液粘附在经纱表面为主的上浆称被覆性上浆。

随着纳米材料技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点，并在电子、机械、生物医学、化工、纺织等领域得到一定的应用。纳米技术的发展为开发功能性纤维和纺织品开辟了新的途径。纳米纤维是一种功能性纤维，能满足特殊需求的纤维，如抗菌、除臭、抗紫外线辐射、抗静电、防微波、远红外、拒水拒油等纤维。然而纳米纤维很难用传统化学加工方法如熔融纺丝、溶液纺丝、液晶纺丝和胶体纺丝等生产，用这些方法得到的纤维的直径范围一般为5～500μm。

发明内容

本发明可以解决现在制备纳米纤维方法所存在的不足，提供一种在纱线或纤维束表面制备纳米涂层的方法及系统，可以制备直径分布均匀，性能良好的纳米纤维。

实现本发明目的的技术方案具体如下：

本发明给出一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，该方法包括：

将纺丝喷头与收集器相对设置并保持一定距离，使纱线或纤维束在纺丝喷头的喷口与收集器之间通过；

将纺丝溶液通过自动输液装置持续供给到所述纺丝喷头内，使收集器接地，在纺丝喷头上施加高压直流电，使纺丝喷头与所述收集器之间产生电场力；

控制所述纺丝喷头上的高压直流电，使所述纺丝喷头与收集器之间的电场力大于所述纺丝喷头喷口处纺丝溶液的表面张力，使纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在通过的纱线或纤维束表面形成纳米涂层，表面形成纳米涂层的纱线或纤维束即为制得的纳米纤维。

此外，所述纺丝喷头与纱线或纤维束之间的距离为3cm～30m。

此外，所述向纺丝喷头上施加的高压直流电为：10KV～100KV的直流电压。

此外，所述制备涂层的纺丝溶液为具有为粘度在5～80mm²·s^-1的高分子聚合物或陶瓷前躯体溶液，比如PA6、PA66、PET、PVA、PEO或聚碳硅烷先驱体、聚丙烯腈、氧化硅溶胶、氧化铝溶胶等。

此外，所述在纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出过程中，还包括通过自动输液装置持续向纺丝喷头内输入纺丝溶液的步骤，输入纺丝溶液的速度为0.01mL/min～3mL/min。

此外，所述在纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在所述纱线或纤维束表面过程中，控制纱线或纤维束在纺丝喷头喷出纺丝溶液的射流区域通过的速度为0.05m/min～1m/min。

此外，所述制得的纳米纤维的直径为分布在100～2000nm。

本发明还给出一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的系统，该系统包括：

喷头装置、高压直流电源、自动输液装置和缠绕装置；其中，

所述喷头装置包括保持一定距离相对设置的纺丝喷头与接地的收集器；

所述高压直流电源与所述喷头装置的纺丝喷头电连接，所述计量泵自动输液装置与所述喷头装置的纺丝喷头的进液口连通；

所述缠绕装置设置在所述喷头装置的纺丝喷头与接地的收集器之间，缠绕装置上的纱线或纤维束穿过所述喷头装置的纺丝喷头与接地的收集器之间的区域。

此外，所述纺丝喷头采用内径为0.1～2mm的金属针头；

所述收集器为导电金属制成的平板式结构，其竖向设置，与地电连接；

所述高压直流电源采用输出直流电压为10～100KV的高压静电发生器。

此外，所述缠绕装置包括：

驱动辊、进料辊、导丝辊和纱缠绕辊；其中，

所述驱动辊由驱动辊体，驱动所述驱动辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述进料辊由进料辊体，驱动所述进料辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述导丝辊由导丝辊体设置在支架上构成；

所述纱缠绕辊由纱缠绕辊体，驱动所述纱缠绕辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所驱动辊与进料辊、导丝辊以及纱缠绕辊呈一排排列设置，所述驱动辊的驱动辊体与所述进料辊的进料辊体、导丝辊的导丝辊体以及纱缠绕辊的纱缠绕辊体处于一条直线上。

本发明的有益效果是：通过在纺丝喷头上施加高压直流电，使得该纺丝喷头与相对设置的接地的收集器之间形成电场力，通过调节电场力大于纺丝喷头内纺丝溶液的表面张力，来使纺丝喷头内纺丝溶液射流喷出包覆在纺丝喷头与收集器之间通过的纱线或纤维束上，形成具有纳米涂层的纳米纤维。该方法工艺步骤简单，可控性好，能以较低成本制造出直径分布均匀，性能优异的纳米纤维，有效克服了现有化学法制造纳米纤维所存在纤维直径大、性能不好的问题。

附图说明

下面给出实施例描述中所需要使用的附图。

图1为本发明实施例提供的制备方法示意图；

图2为本发明实施例提供的制备系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的制备系统的缠绕装置结构示意图；

图4为本发明实施例提供的制备系统的缠绕装置的驱动辊结构示意图；

图5为本发明实施例提供的制备方法中纱线不同包覆时间的扫描电镜照片。

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。此为应理解，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做各种改动或修改，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。

本发明给出一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，以较简单的工艺制备性能优异的纳米纤维，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，将纺丝喷头与收集器相对设置并保持一定距离，使纱线或纤维束在纺丝喷头的喷口与收集器之间通过；

上述步骤1中，可使纺丝喷头与收集器保持2～50cm，可使纺丝喷头与纱线之间的距离为3cm～30cm。

步骤2，将纺丝溶液通过自动输液装置持续加入到所述纺丝喷头内，使收集器接地，在纺丝喷头上施加高压直流电，使纺丝喷头与所述收集器之间产生电场力；

上述步骤2中，加入纺丝喷头内制备涂层的纺丝溶液可采用浓度为1.5g/mL～2.0g/mL的聚丙烯腈溶液，也可根据制备涂层的不同，采用不同材料、不同浓度的纺丝溶液，纺丝溶液可采用具有为粘度在5～80mm²·s^-1的高分子聚合物或陶瓷前躯体溶液，比如PA6、PA66、PET、PVA、PEO或聚碳硅烷先驱体、聚丙烯腈、氧化硅溶胶、氧化铝溶胶等；可在纺丝喷头上施加10KV～100KV的直流电压。

步骤3，控制所述纺丝喷头上的高压直流电，使所述纺丝喷头与收集器之间的电场力大于所述纺丝喷头喷口处纺丝溶液的张力，使纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在通过的纱线或纤维束表面形成纳米涂层，表面形成纳米涂层的纱线或纤维束即为制得的纳米纤维，制得的纳米纤维的直径分布在100～2000nm。

上述步骤3中，在纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出过程中，由自动输液装置(如计量泵)持续向纺丝喷头内输入纺丝溶液，输入纺丝溶液的速度为0.01mL/min～3mL/min，此外，在纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在所述纱线表面过程中，控制纱线在纺丝喷头喷出纺丝溶液的射流区域内通过的速度为0.05～1m/min。

本发明还给出一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的系统，可用于实施上述方法制备纳米纤维表面的涂层，如图2所示，该系统包括：喷头装置、高压直流电源、自动输液装置和缠绕装置；

其中，喷头装置包括保持一定距离相对设置的纺丝喷头与接地的收集器；高压直流电源与所述喷头装置的纺丝喷头电连接，自动输液装置与所述喷头装置的纺丝喷头的进液口连通，以控制纺丝喷头的进液量；

所述缠绕装置设置在所述喷头装置的纺丝喷头与接地的收集器之间，缠绕装置上的纱线穿过所述喷头装置的纺丝喷头与接地的收集器之间的区域。

上述系统中的纺丝喷头可采用内径为0.1～2mm的金属针头；收集器可采用导电金属(如铝箔、银、铜等)制成的平板式结构，其竖向设置，与地电连接；高压直流电源采用输出直流电压为10～100KV的高压静电发生器。

如图3所示，上述系统中的缠绕装置包括：驱动辊6、进料辊7、导丝辊8和纱缠绕辊9；

其中，所述的驱动辊由驱动辊体，驱动所述驱动辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述的进料辊由进料辊体，驱动所述进料辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述的导丝辊由导丝辊体，驱动所述导丝辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述的纱缠绕辊由纱缠绕辊体，驱动所述纱缠绕辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述驱动辊与进料辊、导丝辊以及纱缠绕辊呈一排排列设置，所述驱动辊的驱动辊体与所述进料辊的进料辊体、导丝辊的导丝辊体以及纱缠绕辊的纱缠绕辊体处于一条直线上，纱线缠绕在所述驱动辊与进料辊、导丝辊以及纱缠绕辊上，由驱动辊端向纱缠绕辊端缠绕，从而经过射流区包覆涂层，制成纳米纤维。

下面结合具体制备纳米纤维的过程对本发明作进一步说明。

本发明是通过将几万伏的高压静电施加在纺丝喷头上，于纺丝喷头和接地的收集器间产生一个强大的电场力。如果该电场力的大小等于纺丝溶液或熔体的表面张力时，液滴或熔滴就悬挂在纺丝喷头末端并处于平衡状态；随着电场力的增大，在纺丝喷头末端呈半球状的液滴或熔滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状，成为Taylor锥；当电场力超过一个临界值(即液滴或熔滴的表面张力)后，将克服液滴或熔滴的表面张力形成射流喷出。射流在从纺丝喷头末端向收集器运动的过程中，会发生加速现象，会导致射流在电场中的拉伸，最终在射流通路的纱线表面形成涂层，从而制成纳米纤维。

本发明利用静电纺丝包覆纱线的系统如图2所示，该系统包括：计量泵1(自动输液装置)、带有金属针头4的注射器2(纺丝喷头)、收集器5、高压直流电源3、驱动辊6、进料辊7、纱缠绕辊8和导丝辊9，带有金属针头的注射器与收集器5组成喷射装置，驱动辊6、进料辊7、纱缠绕辊8和导丝辊9组成控制纱线的缠绕装置。

其中的高压直流电源用以提供纺丝喷头与收集器之间的强电场，一般采用最大输出电压在10～100KV的直流高压静电发生器，在这种强电场的作用下，溶液细流的速度一般可达到数十米每秒。

其中的注射器2内装满聚合物溶液(如聚丙烯腈溶液)，将高压直流电源与注射器的金属针头相连，使金属针头内溶液带电，一般采用内径为0.8mm的金属针头。在未通电时，溶液应能够充满喷嘴但又不至于滴落。利用注射器与计量泵配合控制控制溶液的流量，流量可精确控制在0.01～100mL/min。

其中的收集器5可采用铝箔制成的平板式接收屏，将收集器接地，这样由于喷嘴和收集器之间的电势差异，在两者之间形成高电场，电场强度可有高压电源的输出值及喷射装置与收集器之间的距离控制。

其中的缠绕装置的驱动辊6如图4所示，由长为200mm、外径为100mm的聚酰胺圆筒作为驱动辊体61和电动机62及电机速度调节器63三部分组成驱动辊，驱动辊的转速可精确控制在0.1～10rad/s；未包覆的纱线缠绕在聚酰胺圆筒上，由电动机驱动进行供纱。

其中的缠绕装置的纱缠绕辊由长为200mm、外径为100mm的聚酰胺收集筒作为纱缠绕辊体和电动机及电机速度调节器三部分组成纱缠绕辊，纱缠绕辊的转速可精确控制在0.1～10rad/s；已包覆的纱线经导丝辊后整齐地缠绕在电机驱动的收集筒上。

其中的缠绕装置的进料辊由直径为20mm的聚酰胺辊作为进料辊体与电动机及电机速度调节器三部分组成进料辊，进料辊的转速可精确控制在0.1～10rad/s；由驱动辊提供的纱线经进料辊后进入纱线包覆区，对纱线进行包覆。通过调节电机速度调节器及与导丝轮联用，可以控制纱线经过包覆区的速度，从而达到调节纱线被包覆的时间；并且还可以通过调节速度调节纱线的张力。

其中的缠绕装置的导丝辊由直径为20mm的聚酰胺辊作为导丝辊体固定在支架上构成；已包覆的纱线经导丝轮后整齐地排列在纱缠绕辊上。导丝辊与进料辊联用可以控制纱线经过包覆区的速度，从而达到调节纱线被包覆的时间，控制涂层的厚度实现控制制成纳米纤维的厚度。

上述缠绕装置中的进料辊、纱缠绕辊的结构基本与图4所示的驱动辊相同，不同只是进料辊体和纱缠绕辊体的形状与驱动辊体略有不同。

利用上述系统制备纳米纤维的工艺过程如下：

打开总电源开关→打开高压直流电源以预热高压静电发生器→开启计量泵输液→打开高压静电发生器高压开关，调整电压，开始纺丝→打开驱动辊，调节驱动辊速度进行供纱→打开进料辊，调节进料辊使纱线具有一定张力并按一定速度通过包覆区→已包覆的纱线经过导丝辊→打开纱缠绕辊，调节纱缠绕辊速度对已包覆的纱线进行收集→纺丝完毕后关掉计量泵，停止输液→关闭高压静电发生器高压开关，停止纺丝→依次关闭纱缠绕辊、进料辊及驱动辊的电源，停止纱线的包覆→关闭高压发生器的电源→关闭总电源开关→从纱缠绕辊上取下放好的纱线。

当使用本发明采用聚丙烯腈(PAN)进行纺丝时，采用PAN溶液(即纺丝溶液)的质量浓度为1.5～2.0g/mL，PAN溶液的制备过程为：称取适量的固体PAN(聚丙烯腈)粉末与DMF溶剂放入锥形瓶内，在一定水浴温度下磁力搅拌12h，得到质量浓度为1.5～2.0g/mL的PAN溶液；纺丝溶液注入计量泵，输液速度控制在0.01mL/min～0.1mL/min；将高压静电发生器的电压调节到20kV，缠绕装置以0.5m/min的速度控制纱线平移，缠绕装置与纺丝喷头的距离为20cm；制造出的纳米纤维的直径约分布在300～800nm。可根据生产不同直径的纳米纤维，调节工艺流程的参数。纱线不同包覆时间的扫描电镜照图如图5所示，其中图5中的a为包覆时间为0S的纱线扫描电镜照图，b为包覆时间为2S的纱线扫描电镜照图，c为包覆时间为5S的纱线扫描电镜照图，d为包覆时间为20S的纱线扫描电镜照图。由图5可见，大量PAN纳米纤维已经很好的包覆在纱线表面，部分PAN纳米纤维呈弯曲缠绕状，和纱线很好地结合在一起。

综上所述，本发明的优点在于：将纳米纤维包覆在纱线上可以使纱线具有连续一致的包覆层，克服包覆在基体布上的纳米纤维层易于从基体布上脱落，耐磨性差等缺点；采用水平喷射的方法，使得喷丝液不会滴到纱线上使得纱线质量恶化；在工艺条件相同的情况下，纺制的纳米纤维细度比传统静电纺丝机的小一半；在本发明的缠绕装置中，通过设置驱动辊由精密电机控制可以自动连续的进行供纱；设置纱缠绕辊由精密电机控制可以自动连续的对已包覆的纱线进行收集；设置进料辊由调节电机速度调节器及与导丝辊联用，可以控制纱线经过包覆区的速度，从而达到调节纱线被包覆的时间。计量泵作为自动输液装置可以满足连续自动输液，保持精密控制输液量，为静电纺丝连续化生产提供了保障，能使纺丝喷头内溶液的液面保持理想的弧形，多根射流能同时不间断地从弧形液面抽出。

利用本发明的制备方法，可将具有特殊功能的纳米微粒与纺织原料进行复合，可以得到纳米纤维，从而开发出多功能、高附加值的纺织品，有效地改善织物性能。

上述仅是本发明较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限在这些实施例，本技术领域的技术人员在本发明披露技术范围内，可以想到的变化及替换，都在本发明保护范围内。因此，本发明保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，其特征在于，该方法包括：

将纺丝喷头与收集器相对设置并保持一定距离，使纱线或纤维束在纺丝喷头的喷口与收集器之间通过；

将纺丝溶液通过自动输液装置持续供给到所述纺丝喷头内，使收集器接地，在纺丝喷头上施加高压直流电，使纺丝喷头与所述收集器之间产生电场力；

控制所述纺丝喷头上的高压直流电，使所述纺丝喷头与收集器之间的电场力大于所述纺丝喷头喷口处纺丝溶液的表面张力，使纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在通过的纱线或纤维束表面形成纳米涂层，表面形成纳米涂层的纱线或纤维束即为制得的纳米纤维。

2.根据权利要求1所述的一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，其特征在于，所述纺丝喷头与纱线或纤维束之间的距离为3cm～30m。

3.根据权利要求1所述的一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，其特征在于，所述向纺丝喷头上施加的高压直流电为：10KV～100KV的直流电压。

4.根据权利要求1所述的制备纳米纤维的方法，其特征在于，所述制备涂层的纺丝溶液为粘度在5～80mm²·s^-1的高分子聚合物或陶瓷前躯体溶液。

5.根据权利要求1所述的一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，其特征在于，所述在纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出过程中，还包括通过自动输液装置持续向纺丝喷头内输入纺丝溶液的步骤，输入纺丝溶液的速度为0.01mL/min～3mL/min。

6.根据权利要求1所述的一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，其特征在于，所述在纺丝喷头内的纺丝溶液从其喷口内射流喷出包覆在所述纱线或纤维束表面过程中，控制纱线或纤维束在纺丝喷头喷出纺丝溶液的射流区域通过的速度为0.05m/min～1m/min。

7.根据权利要求1所述的一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的方法，其特征在于，所述制得的纳米纤维的直径为100～2000nm。

8.一种在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的系统，其特征在于，该系统包括：

喷头装置、高压直流电源、自动输液装置和缠绕装置；其中，

所述喷头装置包括保持一定距离相对设置的纺丝喷头与接地的收集器；

所述高压直流电源与所述喷头装置的纺丝喷头电连接，所述计量泵自动输液装置与所述喷头装置的纺丝喷头的进液口连通；

所述缠绕装置设置在所述喷头装置的纺丝喷头与接地的收集器之间，缠绕装置上的纱线或纤维束穿过所述喷头装置的纺丝喷头与接地的收集器之间的区域。

9.根据权利要求8所述的在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的系统，其特征在于，所述纺丝喷头采用内径为0.1～2mm的金属针头；

所述收集器为导电金属制成的平板式结构，其竖向设置，与地电连接；

所述高压直流电源采用输出直流电压为10～100KV的高压静电发生器。

10.根据权利要求8所述的在纱线或纤维束表面制备纳米纤维涂层的系统，其特征在于，所述缠绕装置包括：

驱动辊、进料辊、导丝辊和纱缠绕辊；其中，

所述驱动辊由驱动辊体，驱动所述驱动辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述进料辊由进料辊体，驱动所述进料辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所述导丝辊由导丝辊体设置在支架上构成；

所述纱缠绕辊由纱缠绕辊体，驱动所述纱缠绕辊体转动的电动机以及调节电动机速度的电机速度调节器连接；

所驱动辊与进料辊、导丝辊以及纱缠绕辊呈一排排列设置，所述驱动辊的驱动辊体与所述进料辊的进料辊体、导丝辊的导丝辊体以及纱缠绕辊的纱缠绕辊体处于一条直线上。

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