CN103088478A - 一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法，包括金属圆形靶和导纱杆，所述金属圆形靶中心和绝缘杆的一端相连，所述绝缘杆由电机Ⅰ驱动旋转，所述导纱杆前部金属尖端对准金属圆形靶中心，所述导纱杆和纱筒相互垂直布置，所述纱筒由电机Ⅱ驱动旋转，所述金属圆形靶、绝缘杆、电机Ⅰ、导纱杆布置在同一条中心直线上，所述金属圆形靶和导纱杆的左右两侧布置有相互对称的喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ，所述喷丝头Ⅰ和高压静电正极接线柱相连，所述喷丝头Ⅱ和高压静电负极接线柱相连。本发明实现了纳米纤维纱线的连续生产，增加了静电纺丝的产量，纳米纤维纱线的取向度和产量都较高。

Description

一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝和纺织机械技术领域，特别涉及一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法。

背景技术

静电纺丝是当前一种最流行的纺制纳米纤维的技术。其产品具有非常优异的性能，如有极大的比表面积，可以灵活地进行表面功能化整理以及优异的力学行为等，可以应用到组织工程,伤口敷料,药物释放,过滤材料,复合增强材料,传感器等。由于静电纺丝工艺简单，制备流程比传统常规纺丝短，制品功能优异，自Anton Formhals1934年获得美国专利以来，静电纺丝一直是纤维科学家和纺织开发人员长期以来的奋斗目标。该类纳米纤维将成为我国新世纪的主导产品，市场潜力巨大，前景十分广阔。

静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千乃至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力足够大时，电场力可在泰勒锥的锥尖克服溶液表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。

但到目前为止，大多数静电纺纳米纤维是以无纺布的形式收集到的，因此限制了静电纺纳米纤维的应用范围。从传统的纤维和纺织工业我们知道，连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束以及其加捻后所得的纱线才是纳米纤维的发展方向。然而到目前为止，还没有制取到连续的单根纳米长丝，且取向纳米纤维的取向度不高产量相对也很低，同时，连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束强度低容易损坏，无法与传统纺织纤维材料（机织物、针织物等）有同等的广泛应用。所以，高效制备结构可控的纳米纤维纱线才是静电纺丝达到广泛应用的最终发展方向。

目前已有一些静电纺纳米纤维成纱的报道，如Dalton[Dalton PD,Polymer,2005,46,611-614]等利用双圆碟装置收集到了取向的纳米纤维纱线，此方法制备的纱线条干均匀一致，纤维高度取向，但是最大的缺点是制备的纱线长度太短，无法满足实际的需要。Teo[TeoWE,Polymer,2007,48,3400-3405]等利用动态水凝固浴装置，制得了二偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物（PVDF-co-HFP）取向纳米纤维纱线，但是只适合于非水溶性聚合物的静电纺纱，且纱线加捻不易控制。中国专利200510038571.5公开了一种制备纳米纤维长丝束的方法，利用对称相对配制的金属针头形成纳米纤维束，但是无法加捻，不是严格意义上的纱线。Dabirian[Dabirian F,Fibers and Polymers,2011,12(5),610-615]等采用旋转的金属圆盘装置收集到了纳米纤维纱线，但是纱线中纤维的取向不易控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法，解决了现有技术中纳米纤维无法取向加捻成纱，且无法连续生产的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，包括金属圆形靶和导纱杆，所述金属圆形靶中心和绝缘杆的一端相连，所述绝缘杆由电机Ⅰ驱动旋转，所述的导纱杆位于金属圆形靶正下方并与金属圆形靶呈对称相对配置，所述导纱杆前部金属尖端对准金属圆形靶中心，所述导纱杆下方为纱筒并与纱筒相互垂直布置，所述纱筒由电机Ⅱ驱动旋转，所述金属圆形靶、绝缘杆、电机Ⅰ、导纱杆布置在同一条中心直线上，所述金属圆形靶和导纱杆左右两侧布置有相互对称的喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ，喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ在同一条直线上，且该直线与金属圆形靶和导纱杆所在直线相垂直，所述喷丝头Ⅰ和高压静电正极接线柱相连，所述喷丝头Ⅱ和高压静电负极接线柱相连。

所述喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ有相互对称的若干对。

所述喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ采用金属材料制成。

所述导纱杆为内部空心结构，且圆柱形后端采用绝缘材料制成。

所述喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ之间的距离可调，可调范围5cm-50cm。

所述金属圆形靶和导纱杆之间的距离可调，可调范围1cm-20cm。

本发明还提供一种使用上述取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤：

（1）通过自动输液装置向各喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ中添加纺丝溶液；

（2）将喷丝头Ⅰ和喷丝头Ⅱ分别连接高压静电正极接线柱和高压静电负极接线柱，引入高压静电；

（3）由喷丝头Ⅰ形成的射流Ⅰ和喷丝头Ⅱ形成的射流Ⅱ搭接在金属圆形靶与导纱杆前部金属尖端之间，得到取向纳米纤维束；

（4）打开与绝缘杆相连的电机Ⅰ，驱动与绝缘杆相连的金属圆形靶转动，导纱杆处于固定状态，实现对取向纳米纤维束的加捻成纱线；

（5）纱线从导纱杆内部空心部分引出，卷绕在纱筒上；

（6）电机Ⅱ（8）开始启动，驱动纱筒（7）转动，实现连续的取向纳米纤维束（13）不间断生产。

有益效果

本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：集喷丝、纤维取向、纤维转移、凝聚、加捻、牵伸和卷绕为一体，可以连续制备取向纳米纤维纱线；采用两个甚至多个喷丝头，可同时形成两根甚至多根射流，增加了静电纺丝的产量；利用圆形金属靶与导纱杆金属尖端之间的空气沟，使生成的纳米纤维高度取向，结构相对简单，适合多种聚合物纺丝溶液，能够得到取向度和产量都较高的纳米纤维纱线，可以实现纳米纤维纱线的连续化和规模化生产。

附图说明

图1是本发明进行静电纺纱的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明部分组件的主视图。

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申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1-3所示，本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，包括金属圆形靶3和导纱杆6，所述金属圆形靶3中心和绝缘杆4的一端相连，所述绝缘杆4由电机Ⅰ5驱动旋转，所述的导纱杆6位于金属圆形靶3正下方并与金属圆形靶3呈对称相对配置，所述导纱杆6前部金属尖端对准金属圆形靶3中心，所述导纱杆6下方为纱筒7并与纱筒7相互垂直布置，所述纱筒7由电机Ⅱ8驱动旋转，所述金属圆形靶3、绝缘杆（4）、电机Ⅰ5、导纱杆6布置在同一条中心直线上，所述金属圆形靶3和导纱杆6左右两侧布置有相互对称的喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2，喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2在同一条直线上，且该直线与金属圆形靶3和导纱杆6所在直线相垂直，所述喷丝头Ⅰ1和高压静电正极接线柱9相连，所述喷丝头Ⅱ2和高压静电负极接线柱10相连，所述喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2有相互对称的若干对，所述喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2采用金属材料制成，所述导纱杆6为内部空心结构，且圆柱形后端采用绝缘材料制成，所述喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2之间的距离可调，可调范围5cm-50cm，所述金属圆形靶3和导纱杆6之间的距离可调，可调范围1cm-20cm。

一种使用所述一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤：

（1）通过自动输液装置向各喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2中添加纺丝溶液；

（2）将喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2分别连接高压静电正极接线柱9和高压静电负极接线柱10，引入高压静电；

（3）由喷丝头Ⅰ1形成的射流Ⅰ11和喷丝头Ⅱ2形成的射流Ⅱ12搭接在金属圆形靶3与导纱杆6前部金属尖端之间，得到取向纳米纤维束13；

（4）打开与绝缘杆4相连的电机Ⅰ5，驱动与绝缘杆4相连的金属圆形靶3转动，导纱杆6处于固定状态，实现对取向纳米纤维束13的加捻成纱线14；

（5）纱线14从导纱杆6内部空心部分引出，卷绕在纱筒7上；

（6）电机Ⅱ8开始启动，驱动纱筒7转动，实现连续的取向纳米纤维束13不间断生产。

实施例1

下面采用聚丙烯腈（PAN）与二甲基甲酰胺（DMF）所配制的溶液进行纺纱。通过自动输液装置将浓度为15%的聚丙烯腈（PAN）溶液注入喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2中，喷丝头Ⅰ1和高压静电正极接线柱9相连，喷丝头Ⅱ2和高压静电负极接线柱10相连，设置喷丝头Ⅰ1和喷丝头Ⅱ2之间的相对距离为16cm，设置金属圆形靶3与导纱杆6尖端的距离为6cm，打开高压静电发生装置，设置正负电压值分别为+9kV和-9kV，通电后，喷丝头Ⅰ1形成射流Ⅰ11，喷丝头Ⅱ2形成射流Ⅱ12，当射流Ⅰ11和射流Ⅱ12搭接在金属圆形靶3与导纱杆6前部金属尖端之间的位置，并形成取向纳米纤维束13时，启动电机Ⅰ5，使金属圆形靶3随绝缘杆4一起转动，转速为96rpm，使取向纳米纤维束13加捻成纱线14，将纱线14从导纱杆6的空心部分引出，卷绕到纱筒7上，启动电机Ⅱ8使纱筒7旋转，转速为30rpm，随着纱筒7的旋转，卷绕在纱筒7上的纱线慢慢增多，制备出的纳米纤维纱线的直径约为134μm。

Claims (7)

1.一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，包括金属圆形靶（3）和导纱杆（6），其特征在于，所述金属圆形靶（3）中心和绝缘杆（4）的一端相连，所述绝缘杆（4）由电机Ⅰ（5）驱动旋转，所述的导纱杆（6）位于金属圆形靶（3）正下方并与金属圆形靶（3）呈对称相对配置，所述导纱杆（6）前部金属尖端对准金属圆形靶（3）中心，所述导纱杆（6）下方为纱筒（7）并与纱筒（7）相互垂直布置，所述纱筒（7）由电机Ⅱ（8）驱动旋转，所述金属圆形靶（3）、绝缘杆（4）、电机Ⅰ（5）、导纱杆（6）布置在同一条中心直线上，所述金属圆形靶（3）和导纱杆（6）左右两侧布置有相互对称的喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2），喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2）在同一条直线上，且该直线与金属圆形靶（3）和导纱杆（6）所在直线相垂直，所述喷丝头Ⅰ（1）和高压静电正极接线柱（9）相连，所述喷丝头Ⅱ（2）和高压静电负极接线柱（10）相连。

2.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，其特征在于，所述喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2）有相互对称的若干对。

3.根据权利要求1或2所述的一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，其特征在于，所述喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2）采用金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，其特征在于，所述导纱杆（6）为内部空心结构，且圆柱形后端采用绝缘材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，其特征在于，所述喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2）之间的距离可调，可调范围5cm-50cm。

6.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置，其特征在于，所述金属圆形靶（3）和导纱杆（6）之间的距离可调，可调范围1cm-20cm。

7.一种使用权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤：

（1）通过自动输液装置向各喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2）中添加纺丝溶液；

（2）将喷丝头Ⅰ（1）和喷丝头Ⅱ（2）分别连接高压静电正极接线柱（9）和高压静电负极接线柱（10），引入高压静电；

（3）由喷丝头Ⅰ（1）形成的射流Ⅰ（11）和喷丝头Ⅱ（2）形成的射流Ⅱ（12）搭接在金属圆形靶（3）与导纱杆（6）前部金属尖端之间，得到取向纳米纤维束（13）；

（4）打开与绝缘杆（4）相连的电机Ⅰ（5），驱动与绝缘杆（4）相连的金属圆形靶（3）转动，导纱杆（6）处于固定状态，实现对取向纳米纤维束（13）的加捻成纱线（14）；

（5）纱线（14）从导纱杆（6）内部空心部分引出，卷绕在纱筒（7）上；

（6）电机Ⅱ（8）开始启动，驱动纱筒（7）转动，实现连续的取向纳米纤维束（13）不间断生产。

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