CN103266365A - 一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置及方法，将纺丝液注入喷丝装置的注射器内，注射器针头与高压静电发生装置相连，纺丝溶液受电场力作用形成泰勒锥喷出射流，并沉积在水槽内溶剂的液面上，形成毡状物，利用溶剂的流动性、导辊以及后续装置的牵引形成纳米纤维束，加热牵伸装置去除纳米纤维束含有的溶剂，实现有效牵伸，通过送入罗拉钳口，打开空气压缩机，纳米纤维束进入双喷嘴加捻器，受第一喷嘴与第二喷嘴的相互作用加捻成纱，纱线由输出罗拉导出，并由卷绕装置卷绕成筒，本发明集喷丝、凝聚、集束、牵伸、加捻和卷绕为一体，设备和工艺简单，适合多种聚合物纺丝溶液，可以实现纳米纤维纱线的连续化和规模化生产。

Description

一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置及方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域以及纺织机械领域，特别是涉及一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置及方法。

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 Formhals 1934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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置及方法，以解决连续单根纳米长丝和取向纳米纤维束所需强度和产量的难题，采用高效可控的静电纺纳米纤维纱线制备结构，可连续化生产纤维定向排列较好的纳米纤维纱线，提高纳米纤维的凝集、转移、取向以及集束性能，通过牵伸改善纳米纤维束的条干均匀度和取向度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，包括喷丝装置，高压静电发生装置，收集装置，导辊，加热牵伸装置，送入罗拉，双喷嘴加捻器，输出罗拉和卷绕装置，所述喷丝装置连接高压静电发生装置，所述喷丝装置和高压静电发生装置均位于收集装置的正上方，所述收集装置旁侧设有导辊，所述导辊位于喷丝装置与收集装置之间，所述导辊旁侧设有加热牵伸装置，所述加热牵伸装置旁侧设有送入罗拉，所述送入罗拉旁侧设有双喷嘴加捻器，所述双喷嘴加捻器旁侧设有输出罗拉，所述输出罗拉旁侧设有卷绕装置，所述导辊、加热牵伸装置、送入罗拉、双喷嘴加捻器、输出罗拉和卷绕装置依次均布置在同一平面上。

所述喷丝装置由一组带有钝头针头的注射器组成，所述注射器的数量至少为1个。

所述收集装置由水槽、溶剂、金属板和接地线组成，所述水槽内贮有溶剂，所述水槽底部安装有金属板，所述金属板和接地线相连。

所述加热牵伸装置由加热干燥箱和一组牵伸罗拉组成，所述一组牵伸罗拉位于加热干燥箱的内部，所述一组牵伸罗拉的数量至少为两对。

所述双喷嘴加捻器由第一喷嘴、第二喷嘴和壳体组成，所述壳体中间开有沟槽，所述沟槽分隔开第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴和第二喷嘴均位于壳体的内部，所述第一喷嘴位于壳体的输入端，所述第二喷嘴位于壳体的输出端，所述第二喷嘴的输入端正对第一喷嘴的输出端。

所述第一喷嘴由吸孔、纱道、喷射孔、气室、补气管和开纤管组成，所述吸孔位于第一喷嘴的输入端，所述开纤管位于第一喷嘴的输出端，所述吸孔与开纤管通过纱道连通，所述纱道外壁上呈圆周布置有喷射孔，所述喷射孔的数量为2-6个、与纱道相连的一端呈30-60度夹角连通，所述喷射孔的另一端与气室连通，所述气室连通补气管，所述补气管与空气压缩机相连，所述开纤管内壁上开有沟槽，所述沟槽数量为2-8个。

所述第二喷嘴由吸孔、纱道、喷射孔、气室和补气管组成，所述吸孔位于第二喷嘴的输入端，所述纱道呈渐扩圆锥型且位于第二喷嘴的输出端，所述吸孔连通纱道，所述纱道外壁上呈圆周布置有喷射孔，所述喷射孔的数量为4-8个、与纱道相连的一端呈70-90度夹角连通，所述喷射孔的另一端与气室连通，所述气室与补气管连通，所述补气管与空气压缩机相连。

一种使用上述静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤：

（1）将纺丝液注入喷丝装置各注射器内，各注射器的钝头针头与高压静电发生装置相连；

（2）在收集装置的水槽内注入溶剂，打开高压静电发生装置，各注射器中的纺丝溶液在电场力作用下形成泰勒锥，喷出射流，并沉积在水槽内溶剂的液面上，形成毡状物；

（3）利用溶剂的流动性、导辊以及后续装置的牵引作用，形成纳米纤维束；

（4）纳米纤维束进入加热牵伸装置，去除纳米纤维束中含有的溶剂，并实现纳米纤维束的有效牵伸；

（5）纳米纤维束被牵伸成一定线密度之后，进入送入罗拉钳口，打开空气压缩机，纳米纤维束进入双喷嘴加捻器，在第一喷嘴与第二喷嘴的相互作用下，完成加捻成纱；

（6）纱线由输出罗拉导出，并由卷绕装置卷绕成筒。

有益效果

本发明具有以下的优点和积极效果：

1、本发明集喷丝、凝聚、集束、牵伸、加捻和卷绕为一体，可连续加工纤维定向排列较好的纳米纤维纱线。

2、本发明利用一组带有钝头针头的注射器作为喷丝装置，有效提高纳米纤维的产量。

3、本发明利用溶剂式纳米纤维收集装置，溶剂的流动性可有效提高纳米纤维的凝集、转移、取向以及集束性能。

4、本发明利用加热牵伸装置可有效去除纳米纤维束中的溶剂，并通过牵伸提高纳米纤维束的条干均匀度和取向度。

5、本发明利用双喷嘴加捻器中高速旋转的反向气流对纳米纤维束进行加捻，不需要复杂的加捻机件，生产效率高。

6、本发明比较简单，适合多种聚合物纺丝溶液，能够得到纤维定向排列方向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是本发明的结构示意图。

图2是双喷嘴加捻器的结构示意图。

图3是第一喷嘴气喷射孔的横截面示意图。

图4是第二喷嘴气喷射孔的横截面示意图。

图中：喷丝装置1，高压静电发生装置2，收集装置3，导辊4，加热牵伸装置5，送入罗拉6，双喷嘴加捻器7，输出罗拉8，卷绕装置9，水槽10，溶剂11，金属板12，接地线13，加热干燥箱14，牵伸罗拉15，壳体16，吸孔17，纱道18，喷射孔19，气室20，补气管21，开纤管22，吸孔23，纱道24，喷射孔25，气室26，补气管27。

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。

本发明的第一实施方式涉及一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，如图1-4所示，包括喷丝装置1，高压静电发生装置2，收集装置3，导辊4，加热牵伸装置5，送入罗拉6，双喷嘴加捻器7，输出罗拉8和卷绕装置9，所述喷丝装置1连接高压静电发生装置2，所述喷丝装置1和高压静电发生装置2均位于收集装置3的正上方，所述收集装置3旁侧设有导辊4，所述导辊4位于喷丝装置1与收集装置3之间，所述导辊4旁侧设有加热牵伸装置5，所述加热牵伸装置5旁侧设有送入罗拉6，所述送入罗拉6旁侧设有双喷嘴加捻器7，所述双喷嘴加捻器7旁侧设有输出罗拉8，所述输出罗拉8旁侧设有卷绕装置9，所述导辊4、加热牵伸装置5、送入罗拉6、双喷嘴加捻器7、输出罗拉8和卷绕装置9依次均布置在同一平面上。

所述喷丝装置1由一组带有钝头针头的注射器组成，所述注射器的数量至少为1个。

所述收集装置3由水槽10、溶剂11、金属板12和接地线13组成，所述水槽10内贮有溶剂11，所述水槽10底部安装有金属板12，所述金属板12和接地线13相连。

所述加热牵伸装置5由加热干燥箱14和一组牵伸罗拉15组成，所述一组牵伸罗拉15位于加热干燥箱14的内部，所述一组牵伸罗拉15的数量至少为两对。

所述双喷嘴加捻器7由第一喷嘴、第二喷嘴和壳体16组成，所述壳体16中间开有沟槽，所述沟槽分隔开第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴和第二喷嘴均位于壳体16的内部，所述第一喷嘴位于壳体16的输入端，所述第二喷嘴位于壳体16的输出端，所述第二喷嘴的输入端正对第一喷嘴的输出端。

所述第一喷嘴由吸孔17、纱道18、喷射孔19、气室20、补气管21和开纤管22组成，所述吸孔17位于第一喷嘴的输入端，所述开纤管22位于第一喷嘴的输出端，所述吸孔17与开纤管22通过纱道18连通，所述纱道18外壁上呈圆周布置有喷射孔19，所述喷射孔19的数量为2-6个、与纱道18相连的一端呈30-60度夹角连通，所述喷射孔19的另一端与气室20连通，所述气室20连通补气管21，所述补气管21与空气压缩机相连，所述开纤管22内壁上开有沟槽，所述沟槽数量为2-8个。

所述第二喷嘴由吸孔23、纱道24、喷射孔25、气室26和补气管27组成，所述吸孔23位于第二喷嘴的输入端，所述纱道24呈渐扩圆锥型且位于第二喷嘴的输出端，所述吸孔23连通纱道24，所述纱道24外壁上呈圆周布置有喷射孔25，所述喷射孔25的数量为4-8个、与纱道24相连的一端呈70-90度夹角连通，所述喷射孔25的另一端与气室26连通，所述气室26与补气管27连通，所述补气管27与空气压缩机相连。

本发明的第二实施方式涉及一种使用静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤：（1）将纺丝液注入喷丝装置1的各注射器内，各注射器的钝头针头与高压静电发生装置2相连；（2）在收集装置3的水槽10内注入溶剂11，打开高压静电发生装置2，各注射器中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，喷出射流，并沉积在水槽10内溶剂11的液面上，形成毡状物；（3）利用溶剂11的流动性、导辊4以及后续装置的牵引作用，形成纳米纤维束；（4）纳米纤维束进入加热牵伸装置5，去除纳米纤维束中含有的溶剂，并实现纳米纤维束的有效牵伸；（5）纳米纤维束被牵伸成一定线密度之后，进入送入罗拉6钳口，打开空气压缩机，纳米纤维束进入双喷嘴加捻器7，在第一喷嘴与第二喷嘴的相互作用下，完成加捻成纱；（6）纱线由输出罗拉8导出，并由卷绕装置9卷绕成筒。

不难看出，本发明将纺丝液注入喷丝装置的各注射器内，各注射器的钝头针头与高压静电发生装置相连；在收集装置的水槽内注入溶剂，打开高压静电发生装置，各注射器中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，喷出射流，并沉积在水槽内溶剂的液面上，形成毡状物；溶剂的种类根据纺纱时所用的聚合物的种类而定，利用溶剂的流动性、导辊以及后续装置的牵引作用，形成纳米纤维束；纳米纤维束进入加热牵伸装置，去除纳米纤维束中含有的溶剂，并实现纳米纤维束的有效牵伸；纳米纤维束被牵伸成一定线密度之后，进入送入罗拉钳口，打开空气压缩机，纳米纤维束进入双喷嘴加捻器，在第一喷嘴与第二喷嘴的相互作用下，完成加捻成纱；纱线由输出罗拉导出，并由卷绕装置卷绕成筒。

本发明采用聚丙烯腈（PAN）与二甲基甲酰胺（DMF）所配制的溶液进行纺纱。将浓度为12%的聚丙烯腈（PAN）溶液注入喷丝装置的各注射器内，各注射器的钝头针头与高压静电发生装置相连；在收集装置的水槽内注入去离子水，打开高压静电发生装置，调节电压为10kV，各注射器中的PAN溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，喷出射流，并沉积在水槽内去离子水的液面上，形成毡状物；纳米纤维束进入加热牵伸装置，去除纳米纤维束中含有的离子水以及残留的DMF，并实现纳米纤维束的有效牵伸；纳米纤维束被牵伸成一定线密度之后，进入送入罗拉钳口，打开空气压缩机，纳米纤维束进入双喷嘴加捻器，在第一喷嘴与第二喷嘴的相互作用下，完成加捻成纱；纱线由输出罗拉导出，并由卷绕装置卷绕成筒；制备的纳米纤维纱线的直径约为52.3μm，其中纳米纤维的直径约为478.6nm。

Claims (8)

1.一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，包括喷丝装置（1），高压静电发生装置（2），收集装置（3），导辊（4），加热牵伸装置（5），送入罗拉（6），双喷嘴加捻器（7），输出罗拉（8）和卷绕装置（9），其特征在于：所述喷丝装置（1）连接高压静电发生装置（2），所述喷丝装置（1）和高压静电发生装置（2）均位于收集装置（3）的正上方，所述收集装置（3）旁侧设有导辊（4），所述导辊（4）位于喷丝装置（1）与收集装置（3）之间，所述导辊（4）旁侧设有加热牵伸装置（5），所述加热牵伸装置（5）旁侧设有送入罗拉（6），所述送入罗拉（6）旁侧设有双喷嘴加捻器（7），所述双喷嘴加捻器（7）旁侧设有输出罗拉（8），所述输出罗拉（8）旁侧设有卷绕装置（9），所述导辊（4）、加热牵伸装置（5）、送入罗拉（6）、双喷嘴加捻器（7）、输出罗拉（8）和卷绕装置（9）依次均布置在同一平面上。

2.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，其特征在于：所述喷丝装置（1）由一组带有钝头针头的注射器组成，所述注射器的数量至少为1个。

3.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，其特征在于：所述收集装置（3）由水槽（10）、溶剂（11）、金属板（12）和接地线（13）组成，所述水槽（10）内贮有溶剂（11），所述水槽（10）底部安装有金属板（12），所述金属板（12）和接地线（13）相连。

4.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，其特征在于：所述加热牵伸装置（5）由加热干燥箱（14）和一组牵伸罗拉（15）组成，所述一组牵伸罗拉（15）位于加热干燥箱（14）的内部，所述一组牵伸罗拉（15）的数量至少为两对。

5.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，其特征在于：所述双喷嘴加捻器（7）由第一喷嘴、第二喷嘴和壳体（16）组成，所述壳体（16）中间开有沟槽，所述沟槽分隔开第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴和第二喷嘴均位于壳体（16）的内部，所述第一喷嘴位于壳体（16）的输入端，所述第二喷嘴位于壳体（16）的输出端，所述第二喷嘴的输入端正对第一喷嘴的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，其特征在于：所述第一喷嘴由吸孔（17）、纱道（18）、喷射孔（19）、气室（20）、补气管（21）和开纤管（22）组成，所述吸孔（17）位于第一喷嘴的输入端，所述开纤管（22）位于第一喷嘴的输出端，所述吸孔（17）与开纤管（22）通过纱道（18）连通，所述纱道（18）外壁上呈圆周布置有喷射孔（19），所述喷射孔（19）的数量为2-6个、与纱道（18）相连的一端呈30-60度夹角连通，所述喷射孔（19）的另一端与气室（20）连通，所述气室（20）连通补气管（21），所述补气管（21）与空气压缩机相连，所述开纤管（22）内壁上开有沟槽，所述沟槽数量为2-8个。

7.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置，其特征在于：所述第二喷嘴由吸孔（23）、纱道（24）、喷射孔（25）、气室（26）和补气管（27）组成，所述吸孔（23）位于第二喷嘴的输入端，所述纱道（24）呈渐扩圆锥型且位于第二喷嘴的输出端，所述吸孔（23）连通纱道（24），所述纱道（24）外壁上呈圆周布置有喷射孔（25），所述喷射孔（25）的数量为4-8个、与纱道（24）相连的一端呈70-90度夹角连通，所述喷射孔（25）的另一端与气室（26）连通，所述气室（26）与补气管（27）连通，所述补气管（27）与空气压缩机相连。

8.一种使用如权利要求1中任一权利要求所述的静电纺纳米纤维喷气加捻成纱装置进行静电纺纱的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将纺丝液注入喷丝装置（1）的各注射器内，各注射器的钝头针头与高压静电发生装置（2）相连；

（2）在收集装置（3）的水槽（10）内注入溶剂（11），打开高压静电发生装置（2），各注射器中的纺丝溶液在电场力作用下形成泰勒锥，喷出射流，并沉积在水槽（10）内溶剂的液面上，形成毡状物；

（3）利用溶剂（11）的流动性、导辊（4）以及后续装置的牵引作用，形成纳米纤维束；

（4）纳米纤维束进入加热牵伸装置（14），去除纳米纤维束中含有的溶剂（11），并实现纳米纤维束的有效牵伸；

（5）纳米纤维束被牵伸成一定线密度之后，进入送入罗拉（6）钳口，打开空气压缩机，纳米纤维束进入双喷嘴加捻器（7），在第一喷嘴与第二喷嘴的相互作用下，完成加捻成纱；

（6）纱线由输出罗拉（8）导出，并由卷绕装置（9）卷绕成筒。

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