CN105648547B - 一种静电纺纳米纤维纱装置及纳米纤维纱的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电纺纳米纤维纱装置，包括供液纺丝装置，退卷绕装置，接收装置，假捻装置和成纱装置；供液纺丝装置包括注射器；退卷绕装置包括退绕辊和卷绕辊，水溶线的两端分别缠绕于退绕辊和卷绕辊上，注射器位于水溶线正上方；接收装置和成纱装置依次位于退绕辊和卷绕辊之间，接收装置位于水溶线下方；接收装置和成纱装置之间设置有假捻装置；成纱装置包括水槽，水溶线穿过水槽内部。本发明还公开了利用上述装置制备连续纳米纤维纱的方法。本发明装置利用纳米纤维的自粘性和假捻原理，将纳米纤维较包覆于水溶线表面，然后将水溶线溶解，得到了结构较为紧密且强力较好的纳米纤维纱。

Description

一种静电纺纳米纤维纱装置及纳米纤维纱的制备方法
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种静电纺纳米纤维纱装置，本发明还涉及利用上述装置制备连续纳米纤维纱的方法。
背景技术
利用静电纺丝技术制备的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高等特性，使其在过滤材料、组织工程、复合材料等领域应用潜力巨大，但是无规则排列的纳米纤维膜的再加工性和机械性能较差，限制了其在某些领域的应用和发展。因此，将纳米纤维加工成纳米纤维纱的形式，对于扩大纳米纤维的应用范围具有十分重要的意义。
目前，静电纺纳米纤维的成纱方法主要有间隙集束机械加捻成纱、静电纺圆盘集束机械加捻成纱、相分离集束水流加捻成纱、静电纺气流集束机械加捻成纱、静电纺电场集束机械加捻成纱和静电纺共轭集束机械加捻成纱等。此外，还有纳米纤维包芯纱技术也有学者在研究，其研究方法大致可分为两大类：静电纺无规则纳米纤维包覆技术和静电纺取向纳米纤维包覆技术。但是上述方法普遍存在捻回传递不均、加捻捻度不易控制等问题，造成纳米纤维纱的机械性能达不到要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种静电纺纳米纤维纱装置，解决了现有纳米纤维纱制备中，由于捻回传递不均、加捻捻度不易控制等问题，造成纳米纤维纱的机械性能达不到要求的问题。
本发明的另一目的是提供利用上述静电纺纳米纤维纱装置制备连续纳米纤维纱的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种静电纺纳米纤维纱装置，包括供液纺丝装置，退卷绕装置，接收装置，假捻装置和成纱装置；
供液纺丝装置包括注射器，注射器设置有金属针头，金属针头与直流高压发生器的正极连接，注射器通过微量注射泵驱动注射；
退卷绕装置包括退绕辊和卷绕辊，水溶线的两端分别缠绕于退绕辊和卷绕辊上，注射器位于水溶线正上方；
接收装置和成纱装置依次位于退绕辊和卷绕辊之间，接收装置位于水溶线下方；接收装置和成纱装置之间设置有假捻装置，假捻装置用于使水溶线旋转；成纱装置包括水槽，水溶线穿过水槽内部。
本发明的特点还在于，
接收装置由两根平行于水溶线的金属丝组成，两根金属丝形成平面平行于水平面，水溶线位于两根金属丝形成平面的中心线偏上方位置。
水槽内依次设置有四条平行导辊，第一导辊和第四导辊位于同一高度，第二导辊和第三导辊位于同一高度，第二导辊和第三导辊低于第一导辊和第四导辊所处位置，水溶线依次经第一导辊、第二导辊、第三导辊和第四导辊穿过水槽。
本发明所采用的另一技术方案是，一种制备连续纳米纤维纱的方法，所采用的一种静电纺纳米纤维纱装置，包括供液纺丝装置，退卷绕装置，接收装置，假捻装置和成纱装置；
供液纺丝装置包括注射器，注射器设置有金属针头，金属针头与直流高压发生器的正极连接，注射器通过微量注射泵驱动注射；
退卷绕装置包括退绕辊和卷绕辊，水溶线的两端分别缠绕于退绕辊和卷绕辊上，注射器位于水溶线正上方；
接收装置和成纱装置依次位于退绕辊和卷绕辊之间，接收装置位于水溶线下方；假捻装置位于接收装置和成纱装置之间，假捻装置用于使水溶线旋转；成纱装置包括水槽，水溶线穿过水槽内部；
接收装置由两根平行于水溶线的金属丝组成，两根金属丝形成平面平行于水平面，水溶线位于两根金属丝形成平面的中心线偏上方位置；
水槽内依次设置有四条平行导辊，第一导辊和第四导辊位于同一高度，第二导辊和第三导辊位于同一高度，第二导辊和第三导辊低于第一导辊和第四导辊所处位置，水溶线依次经第一导辊、第二导辊、第三导辊和第四导辊穿过水槽；
具体按以下步骤实施：
将纺丝液注入供液纺丝装置的注射器内，控制环境温度和相对湿度，调节金属丝与金属针头之间的距离，开启微量注射泵和直流高压发生器，调节纺丝液流速和外加电压，金属针头与金属丝之间形成电场，在电场力作用下金属针头尖端产生射流，待液滴和射流稳定后，静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到金属丝与水溶线之间，形成规则排列的纳米纤维；开启假捻装置，使水溶线绕自身轴心旋转，纳米纤维紧密的卷绕在水溶线表面，同时开启退绕辊和卷绕辊，控制退绕速度与卷绕速度保持一致且恒定，使表面包覆有纳米纤维的水溶线匀速水平移动；包覆有纳米纤维的水溶线依次经第一导辊、第二导辊、第三导辊和第四导辊穿过盛有20℃以上清水的水槽，水溶线在水槽内溶解，得到连续的纳米纤维纱，纳米纤维纱由卷绕辊卷绕收集。
本发明的特点还在于，
金属丝与金属针头之间的距离为100mm～200mm。
流速为0.2mL/h～0.6mL/h。
外加电压为10kV～20kV。
环境温度为10℃～35℃，相对湿度为40％～60％。
金属针头的内径为0.5mm～2mm。
本发明的有益效果是，本发明静电纺纳米纤维纱装置利用纳米纤维的自粘性和假捻的原理，将纳米纤维较为紧密得包覆于水溶线表面，然后将包覆有纳米纤维的水溶线溶解，得到纳米纤维纱。制备过程中，可以通过调节假捻装置的旋转速度以及卷绕速度，控制纳米纤维纱结构的紧密程度及细度。利用该装置制备的纳米纤维纱结构较为紧密且强力较好。
附图说明
图1是本发明一种静电纺纳米纤维纱装置的结构示意图。
图中，1.微量注射泵，2.注射器，3.直流高压发生器，4.金属针头，5.退绕辊，6.卷绕辊，7.水溶线，8.纳米纤维，9.假捻装置，10.金属丝，11.第一导辊，12.第二导辊，13.第三导辊，14.第四导辊，15.水槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种静电纺纳米纤维纱装置其结构如图1所示，包括供液纺丝装置，退卷绕装置，接收装置，假捻装置和成纱装置；
供液纺丝装置包括注射器2，注射器2设置有金属针头4，金属针头4与直流高压发生器3的正极连接，注射器2通过微量注射泵1驱动注射；
退卷绕装置包括退绕辊5和卷绕辊6，水溶线7的两端分别缠绕于退绕辊5和卷绕辊6上，注射器2位于水溶线7正上方；
接收装置和成纱装置依次位于退绕辊5和卷绕辊6之间，接收装置位于水溶线7下方；假捻装置9位于接收装置和成纱装置之间，假捻装置9用于使水溶线7旋转；成纱装置包括水槽15，水溶线7穿过水槽15内部。
其中接收装置由两根平行于水溶线7的金属丝10组成，两根金属丝10形成平面平行于水平面，水溶线7位于两根金属丝10形成平面的中心线偏上方位置，即水溶线7平行于两根金属丝10形成平面的中心线，水溶线7位于两根金属丝10形成平面上方，且水溶线7与中心线形成平面垂直于两根金属丝10形成平面。
水槽15内依次设置有四条平行导辊，第一导辊11和第四导辊14位于同一高度，第二导辊12和第三导辊13位于同一高度，第二导辊12和第三导辊13低于第一导辊11和第四导辊14所处位置，水溶线7依次经第一导辊11、第二导辊12、第三导辊13和第四导辊14穿过水槽15。
金属针头4的内径为0.5mm～2mm。
利用上述静电纺纳米纤维纱装置制备纳米纤维纱的方法，具体按以下步骤实施：
将聚合物溶解于适当的溶剂中，通过充分搅拌，配制成不同浓度的纺丝溶液，将纺丝液注入供液纺丝装置的注射器2内，在温度为10℃～35℃和相对湿度为40％～60％的环境中，调节金属丝10与金属针头4的距离为100mm～200mm，开启微量注射泵1和直流高压发生器3，调节纺丝液流速为0.2mL/h～0.6mL/h，直流高压发生器3外加电压为10kV～20kV，金属针头4与金属丝10之间形成电场，在电场力作用下金属针头4尖端产生射流，待液滴和射流稳定后，静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到金属丝10与水溶线7之间，形成规则排列的纳米纤维8；开启假捻装置9，使水溶线7绕自身轴心旋转，使纳米纤维8紧密的卷绕在水溶线7表面，同时开启退绕辊5和卷绕辊6，控制退绕速度与卷绕速度保持一致且恒定，使表面有纳米纤维8的水溶线7匀速水平移动；包覆有纳米纤维8的水溶线7依次经第一导辊11、第二导辊12、第三导辊13和第四导辊14穿过盛有20℃以上清水的水槽15，水溶线7在水槽15内溶解，即得到连续且具有一定强力的纳米纤维纱，纳米纤维纱由卷绕辊6卷绕收集。
本发明静电纺纳米纤维纱装置利用纳米纤维的自粘性和假捻的原理，将纳米纤维较为紧密得包覆于水溶线表面，然后将包覆有纳米纤维的水溶线溶解，得到纳米纤维纱。制备过程中，可以通过调节假捻装置的旋转速度以及卷绕速度，控制纳米纤维纱结构的紧密程度及细度。利用该装置制备的纳米纤维纱结构较为紧密且强力较好。
实施例1
将聚丙烯腈(PAN)溶解在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，配制成浓度为12wt％的纺丝液。将纺丝液注入供液纺丝装置的注射器2内，在温度为10℃和相对湿度为40％的环境中，调节金属丝10与金属针头4的距离为100mm，开启微量注射泵1和直流高压发生器3，调节纺丝液流速为0.2mL/h，直流高压发生器3外加电压为10kV，金属针头4与金属丝10之间形成电场，在电场力作用下金属针头4尖端产生射流，待液滴和射流稳定后，静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到金属丝10与水溶线7之间，形成规则排列的纳米纤维8；开启假捻装置9，使水溶线7绕自身轴心旋转，使纳米纤维8紧密的卷绕在水溶线7表面，同时开启退绕辊5和卷绕辊6，控制退绕速度与卷绕速度保持一致且恒定，使表面有纳米纤维8的水溶线7匀速水平移动；包覆有纳米纤维8的水溶线7依次经第一导辊11、第二导辊12、第三导辊13和第四导辊14穿过盛有20℃以上清水的水槽15，水溶线7在水槽15内溶解，得到纳米纤维纱，纳米纤维纱由卷绕辊6卷绕收集。实验结果表明，利用此设备纺丝，制得的纳米纤维纱连续性较好，结构较为紧密，强力较高，断裂强度可达240MPa。
实施例2
将聚乙烯醇(PVA)1788粉末溶解在70℃蒸馏水中，配置成浓度为16wt％的纺丝液。将纺丝液注入供液纺丝装置的注射器2内，在温度为35℃和相对湿度为60％的环境中，调节金属丝10与金属针头4的距离为200mm，开启微量注射泵1和直流高压发生器3，调节纺丝液流速为0.6mL/h，直流高压发生器3外加电压为20kV，金属针头4与金属丝10之间形成电场，在电场力作用下金属针头4尖端产生射流，待液滴和射流稳定后，静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到金属丝10与水溶线7之间，形成规则排列的纳米纤维8；开启假捻装置9，使水溶线7绕自身轴心旋转，使纳米纤维8紧密的卷绕在水溶线7表面，同时开启退绕辊5和卷绕辊6，控制退绕速度与卷绕速度保持一致且恒定，使表面有纳米纤维8的水溶线7匀速水平移动；包覆有纳米纤维8的水溶线7依次经第一导辊11、第二导辊12、第三导辊13和第四导辊14穿过盛有20℃以上清水的水槽15，水溶线7在水槽15内溶解，得到纳米纤维纱，纳米纤维纱由卷绕辊6卷绕收集。实验结果表明，利用此设备纺丝，制得的纳米纤维纱连续性较好，结构较为紧密，强力较高，断裂强度可达280MPa。
实施例3
将聚氧化乙烯(PEO)溶解在60℃蒸馏水中，配置成浓度为14wt％的纺丝液。将纺丝液注入供液纺丝装置的注射器2内，在温度为25℃和相对湿度为50％的环境中，调节金属丝10与金属针头4的距离为150mm，开启微量注射泵1和直流高压发生器3，调节纺丝液流速为0.4mL/h，直流高压发生器3外加电压为15kV，金属针头4与金属丝10之间形成电场，在电场力作用下金属针头4尖端产生射流，待液滴和射流稳定后，静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到金属丝10与水溶线7之间，形成规则排列的纳米纤维8；开启假捻装置9，使水溶线7绕自身轴心旋转，使纳米纤维8紧密的卷绕在水溶线7表面，同时开启退绕辊5和卷绕辊6，控制退绕速度与卷绕速度保持一致且恒定，使表面有纳米纤维8的水溶线7匀速水平移动；包覆有纳米纤维8的水溶线7依次经第一导辊11、第二导辊12、第三导辊13和第四导辊14穿过盛有20℃以上清水的水槽15，水溶线7在水槽15内溶解，得到纳米纤维纱，纳米纤维纱由卷绕辊6卷绕收集。实验结果表明，利用此设备纺丝，制得的纳米纤维纱连续性较好，结构较为紧密，强力较高，断裂强度可达260MPa。

Claims (9)

1.一种静电纺纳米纤维纱装置，其特征在于，包括供液纺丝装置，退卷绕装置，接收装置，假捻装置和成纱装置；
所述供液纺丝装置包括注射器(2)，注射器(2)设置有金属针头(4)，金属针头(4)与直流高压发生器(3)的正极连接，注射器(2)通过微量注射泵(1)驱动注射；
所述退卷绕装置包括退绕辊(5)和卷绕辊(6)，水溶线(7)的两端分别缠绕于退绕辊(5)和卷绕辊(6)上，注射器(2)位于水溶线(7)正上方；
所述接收装置和成纱装置依次位于退绕辊(5)和卷绕辊(6)之间，接收装置位于水溶线(7)下方；假捻装置(9)位于接收装置和成纱装置之间，假捻装置(9)用于使水溶线(7)旋转；成纱装置包括水槽(15)，水溶线(7)穿过水槽(15)内部。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维纱装置，其特征在于，所述接收装置由两根平行于水溶线(7)的金属丝(10)组成，两根金属丝(10)形成平面平行于水平面，水溶线(7)位于两根金属丝(10)形成平面的中心线偏上方位置。
3.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维纱装置，其特征在于，所述水槽(15)内依次设置有四条平行导辊，第一导辊(11)和第四导辊(14)位于同一高度，第二导辊(12)和第三导辊(13)位于同一高度，第二导辊(12)和第三导辊(13)低于第一导辊(11)和第四导辊(14)所处位置，水溶线(7)依次经第一导辊(11)、第二导辊(12)、第三导辊(13)和第四导辊(14)穿过水槽(15)。
4.一种制备连续纳米纤维纱的方法，其特征在于，所采用的一种静电纺纳米纤维纱装置，包括供液纺丝装置，退卷绕装置，接收装置，假捻装置和成纱装置；
所述供液纺丝装置包括注射器(2)，注射器(2)设置有金属针头(4)，金属针头(4)与直流高压发生器(3)的正极连接，注射器(2)通过微量注射泵(1)驱动注射；
所述退卷绕装置包括退绕辊(5)和卷绕辊(6)，水溶线(7)的两端分别缠绕于退绕辊(5)和卷绕辊(6)上，注射器(2)位于水溶线(7)正上方；
所述接收装置和成纱装置依次位于退绕辊(5)和卷绕辊(6)之间，接收装置位于水溶线(7)下方；假捻装置(9)位于接收装置和成纱装置之间，假捻装置(9)用于使水溶线(7)旋转；成纱装置包括水槽(15)，水溶线(7)穿过水槽(15)内部；
所述接收装置由两根平行于水溶线(7)的金属丝(10)组成，水溶线(7)位于两根金属丝(10)形成平面的中心线偏上方位置；
所述水槽(15)内依次设置有四条平行导辊，第一导辊(11)和第四导辊(14)位于同一高度，第二导辊(12)和第三导辊(13)位于同一高度，第二导辊(12)和第三导辊(13)低于第一导辊(11)和第四导辊(14)所处位置，水溶线(7)依次经第一导辊(11)、第二导辊(12)、第三导辊(13)和第四导辊(14)穿过水槽(15)；
具体按以下步骤实施：
将纺丝液注入供液纺丝装置的注射器(2)内，控制环境温度和相对湿度，调节金属丝(10)与金属针头(4)之间的距离，开启微量注射泵(1)和直流高压发生器(3)，调节纺丝液流速和外加电压，金属针头(4)与金属丝(10)之间形成电场，在电场力作用下金属针头(4)尖端产生射流，待液滴和射流稳定后，静电纺射流以螺旋状运动轨迹沉积到金属丝(10)与水溶线(7)之间，形成规则排列的纳米纤维(8)；开启假捻装置(9)，使水溶线(7)绕自身轴心旋转，纳米纤维(8)紧密的卷绕在水溶线(7)表面，同时开启退绕辊(5)和卷绕辊(6)，控制退绕速度与卷绕速度保持一致且恒定，使表面包覆有纳米纤维(8)的水溶线(7)匀速水平移动；包覆有纳米纤维(8)的水溶线(7)依次经第一导辊(11)、第二导辊(12)、第三导辊(13)和第四导辊(14)穿过盛有20℃以上清水的水槽(15)，水溶线(7)在水槽(15)内溶解，即得到连续的纳米纤维纱，纳米纤维纱由卷绕辊(6)卷绕收集。
5.根据权利要求4所述的制备连续纳米纤维纱的方法，其特征在于，所述金属丝(10)与金属针头(4)之间的距离为100mm～200mm。
6.根据权利要求4所述的制备连续纳米纤维纱的方法，其特征在于，所述流速为0.2mL/h～0.6mL/h。
7.根据权利要求4所述的制备连续纳米纤维纱的方法，其特征在于，所述外加电压为10kV～20kV。
8.根据权利要求4所述的制备连续纳米纤维纱的方法，其特征在于，所述环境温度为10℃～35℃，相对湿度为40％～60％。
9.根据权利要求4-8任一项所述的制备连续纳米纤维纱的方法，其特征在于，所述金属针头(4)的内径为0.5mm～2mm。
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