CN105908272A - 复合结构的超细异形喷丝头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合结构的超细异形喷丝头及其制造方法。所述喷丝头包括支撑壳体与喷丝面板，喷丝面板的内侧设置喷丝导孔与出丝孔。所述制造方法包括：采用机械冲压方式制备支撑壳体；通过机械和/或化学抛光方式制备喷丝面板；通过精密机械加工方式在喷丝面板上加工出喷丝导孔；在喷丝导孔的顶部通过UV‑LIGA技术形成出丝孔；通过电镀或溅射、喷涂等方式在支撑壳体和喷丝面板的内表面、喷丝导孔和出丝孔的内壁形成强化层；通过激光焊接、电子束或离子束焊接将支撑壳体和喷丝面板一体化成型。本发明可实现超细异型喷丝头的高精度加工成型，效率高、成本低、寿命长，制备的喷丝孔可实现不同的异型结构、精度高、均一性好，易于批量化生产。

Description

复合结构的超细异形喷丝头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种异形孔喷丝头及其制造方法，特别涉及一种复合结构的超细异形喷丝头及其制造方法，属于电化学微细加工技术领域。

背景技术

化纤生产的核心工序是纺丝组件，而纺丝组件中的核心是喷丝头。喷丝头是将精确计量过的纺丝溶液通过其上设置的无数喷丝孔喷挤出具有一定粗细和质地细密的纤维束，因此，喷丝头的质量是保证纤维成品质量和良好纺丝工艺的重要条件，并且喷嘴的直径尺寸是实现细旦化、决定化学纤维产品品质的关键。随着对合成纤维品质提升的不断追求，超细旦异型纤维和功能化纤维终将成为合成纤维的主流，而传统方法加工的圆形喷嘴喷丝头已难以满足超细旦纤维发展的要求。

目前传统的喷丝头加工方式主要包括精密机械钻孔、冲针挤压法、微细电火花、线切割和激光微加工等加工技术。但是这些加工技术一方面存在加工的特征尺寸很难降低到微米级别的缺陷，另一个方面，加工表面的粗糙度也不容易控制，所以很难做到超细旦的同时异型化，而且随着喷嘴特征尺寸的不断降低，批量加工复杂造型和精细尺寸控制的微喷嘴难度越来越高。

纤维的各种特性不但与材质有关外，而且还取决于它们的截面形状和纤细程度。如天然棉纤维的截面积是不规则的腰圆形，且断面中心有一空腔，具有良好的吸汗性和保温性；羊毛纤维的截面积近似圆形或椭圆形，外层覆盖有鱼鳞般的鳞片，具有保暖性好，抗起球性高等特点。因此，改变纤维的截面形状可以使纤维获得许多特殊功能。

另外，在截面形状微细化的基础上，如果进一步细化，纤维的轻柔性、手感、颜色和尺寸的稳定性等将会有明显的改善，某些性能甚至超过天然纤维，这就是倍受青睐的细旦化微细纤维，其具有以下优点：

1)纤维质轻，织物轻薄：细旦化异型纤维比重仅为1.0-1.15g/cm³，比棉、毛、丝等天然纤维及常规涤纶、锦纶、腈纶等合成纤维小；

2)保暖性好：微细纤维具备隔离式保暖的功能，能包住空气，保持体温；

3)导湿性好：细旦微细纤维因比表面积大和毛细效应，能快速自然地排出体表的湿气，更加提高穿着的舒适性；

4)纤维滑爽：一些特殊设计的异型纤维手感滑爽，织物手感细腻；

5)织物挺括：悬垂性好；

6)易染色：细旦微细纤维比表面积增大，纤维上染率提高。

而且纤维截面异形化可以改善织物的光泽性、弹性、手感等；纤维截面相同的情况下，异形截面纤维比圆形截面纤维具有更大的抗弯强度，故纤维的抗起球性能优良，弹性好；截面微细化使织物具有吸湿排汗、手感柔软等优良性能。

所以，喷嘴的形状及特征尺寸是实现细旦化和异型化，决定化学纤维产品品质的关键。但是传统的喷丝头受限于加工技术，其异形孔的形状、尺寸及精度都有局限性。如喷丝头加工中常用的机械钻孔法，不能加工出具有异型结构的喷丝孔，而且喷丝孔的一致性也难以保证，加工效率也比较低。激光加工法虽然具有一定的加工精度，但是也难以加工异型结构的喷丝孔，而且喷丝孔的内壁结构也会有烧蚀的影响。

针对上述技术缺陷，CN101033561B采用光刻、电铸的方式对异型孔的喷丝头进行加工，在一定程度上可以实现异型喷丝孔的结构，但是电铸几百微米甚至毫米级别的喷丝头，成本和效率方面难以控制，而且应力也比较大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种复合结构的超细异形喷丝头及其制造方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种复合结构的超细异形喷丝头，其包括：

支撑壳体，具有帽式管壳状结构，至少用以在湿法纺丝时对纺丝原液进行束流；

喷丝面板，设置于所述支撑壳体的顶部，至少用以进行湿法纺丝的出丝成型；

呈倒锥形结构的喷丝导孔，设置于所述喷丝面板内侧；

以及，出丝孔，设于所述喷丝导孔的前部并与喷丝导孔连通，至少用以控制出丝的形状和尺寸。

作为较佳优选实施方案之一，所述超细异形喷丝头还包括：强化层，至少覆设于所述支撑壳体和喷丝面板的内表面以及所述喷丝导孔内壁和出丝孔内壁。

本发明实施例还提供了所述复合结构的超细异形喷丝头的制造方法，其包括：

(1)采用机械冲压方式制备形成具有帽式管壳状结构的支撑壳体；

(2)通过机械和/或化学抛光方式对基材表面进行处理，制备形成表面具有良好平整度的喷丝面板基材；

(3)采用精密机械加工方式在喷丝面板基材上加工出喷丝导孔；

(4)通过UV-LIGA技术在喷丝面板基材上加工形成出丝孔；

(5)至少通过激光焊接、电子束焊接或离子束焊接技术中的任意一种方式将支撑壳体和喷丝面板一体化成型，制得所述超细异形喷丝头。

作为较佳优选实施方案之一，所述制造方法还可包括：在步骤(4)完成后，至少通过电镀、溅射或喷涂中的任意一种方式在支撑壳体和喷丝面板的内表面以及所述喷丝导孔的内壁和出丝孔的内壁形成作为强化层的保护薄膜，之后进行步骤(5)。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)本发明的制造方法采用了机械加工的冲压方式在镍、钛、钽、铜、不锈钢等金属/合金材质上，形成帽式结构的喷丝头支撑壳体，一方面可以降低喷丝头的加工成本，另一方面可以适用于不同环境的纺丝；

(2)本发明的制造方法利用UV-LIGA技术在喷丝导孔顶部加工出具有不同形状的喷丝孔，包括Y型、十字型、C型、米字型等异型结构，此种精密机械加工结合微纳米加工的复合制造技术，一方面可以克服电铸几百微米甚至毫米级别的喷丝头所带来的较大的应力问题，另一方面提高生产效率，降低成本，可以满足现代化、高质量纤维的纺丝需求；

(3)本发明的制造方法通过电镀或溅射的方式在喷丝面板和喷丝导孔内壁形成一层钽合金、黄白金和金刚石薄膜作为保护薄膜，在保持喷丝头具有良好的使用寿命的同时，可以节约钽或黄白金材料的用量，大大降低喷丝头的生产成本；

(4)本发明的制造方法通过激光焊接、电子束或离子束焊接等技术实现支撑壳体和喷丝面板的一体化成型，在保证喷丝头强度的同时，可以在喷丝面板加工的时候保证其具有较高的加工精度，效率高、成本低、寿命长，可适应于目前市场上超细纺丝的需要；

(5)本发明制备的超细异形喷丝头，具有不同的异型结构，精度高、均一性好，易于批量化生产。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案之中一种复合结构的超细异形喷丝头的整体结构示意图；

图2是本发明一典型实施方案之中一种复合结构的超细异型喷丝头的喷丝导孔和出丝孔的剖视图。

附图标记说明：1-支撑壳体，2-喷丝面板，3-喷丝导孔，4-出丝孔，5-强化层。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将予以详细解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种复合结构的超细异形喷丝头，其主要包括支撑壳体、喷丝面板、喷丝导孔、出丝孔和强化层等几个部分。

请参阅图1及图2所示，其中所述支撑壳体1具有在湿法纺丝时液体容易进入的帽式管壳状结构，用于湿法纺丝时对纺丝原液进行束流。

其中，所述喷丝面板2置于支撑壳体的顶部，用于进行湿法纺丝的出丝成型；所述喷丝导孔3位于喷丝面板的内部，优选呈倒锥形结构。

其中，所述出丝孔4位于喷丝导孔的顶部，用于控制出丝的形状和尺寸，并且与喷丝导孔相互连通，且优选具有同一中轴线。

其中，所述强化层5可覆设于整个支撑壳体和喷丝面板的内表面以及喷丝导孔和出丝孔的内壁。

在一些实施例中，所述支撑壳体由镍、钛、钽、铜、不锈钢等金属/合金材质通过机械冲压而成。较为优选的，所述支撑壳体的厚度在0.2-5mm，底部孔径为5-500mm，高度为10-100mm。

在一些实施例中，所述喷丝面板为镍、钛、钽、铜等金属或合金材质。较为优选的，所述喷丝面板的厚度为0.2-5mm。

进一步的，所述喷丝面板与支撑壳体顶部相连接。优选的，所述喷丝面板与支撑壳体一体化成型。

在一些实施例中，所述喷丝导孔位于喷丝面板内部，可以是倒锥形结构，也可以是圆台形结构，孔径在0.1-5mm，通过电火花、激光和机械中的一种或几种方式加工。

在一些实施例中，所述出丝孔位于喷丝导孔顶部，可采用UV-LIGA(光刻、电铸、成模)技术制备形成。

其中，所述出丝孔包括Y型、十字型、C型、米字型等异型结构。

优选的，所述出丝孔的孔径尺寸为0.01-0.2mm。

在一些实施例中，所述强化层可覆设于支撑壳体和喷丝面板的内表面以及喷丝导孔内壁和出丝孔的内壁。

优选的，所述强化层的厚度为0.1-1000μm。

优选的，所述强化层的材质包括钽合金、黄白金和金刚石中的任意一种或两种以上的组合。

在一些更为优选的实施例中，所述支撑壳体和/或喷丝面板的外表面也可设置有钽合金薄膜层或金刚石薄膜层等，尤其优选的，所述的钽合金薄膜层或金刚石薄膜层的厚度为0.05-500μm。

本发明实施例的另一个方面还提供了所述复合结构的超细异形喷丝头的制造方法，其可以包括如下步骤：

(1)采用机械加工的冲压方式于基材上制备帽式管壳状结构的支撑壳体；

(2)通过机械抛光或者化学抛光的方式于基材上制备喷丝面板；

(3)在喷丝面板上，采用精密机械加工的方式加工出具有一定锥度的喷丝导孔；

(4)在喷丝导孔的顶部，通过UV-LIGA技术在喷丝面板上形成垂直的出丝孔；

(5)通过电镀或溅射、喷涂的方式在制备好的支撑壳体和喷丝面板的内表面，以及所述喷丝导孔和出丝孔的孔道内壁形成一层钽合金、黄白金和金刚石薄膜，形成强化层；

(6)通过激光焊接、电子束焊接或离子束焊接技术将支撑壳体和喷丝面板一体化成型，制得复合结构的超细异形喷丝头。

在一些实施例中，所述支撑壳体的基材材质包括镍、钛、钽、铜、不锈钢中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施例中，所述喷丝面板的基材材质包括镍、钛、钽、铜中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施例中，所述制造方法还可包括：通过电镀钽合金或溅射金刚石在支撑壳体和/或喷丝面板的外表面形成钽合金薄膜层或金刚石薄膜层。

在一些实施例中，步骤(3)中所述精密机械加工的方式可以包括电火花加工、激光加工、机械钻孔中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些更为具体的实施案例之中，所述制造方法具体包括如下步骤：

1)首先采用机械加工的冲压方式在镍、钛、钽、铜、不锈钢等金属/合金材质上，形成帽式结构的支撑壳体，其厚度在0.2-5mm；

2)然后通过电镀或溅射的方式，在支撑壳体上形成钽合金或金刚石薄膜层等材质的薄膜层，厚度在0.05-500μm；

3)通过机械抛光或者化学抛光的方法，在镍、钛、钽、铜、不锈钢等金属/合金材质进行表面粗糙度处理，使其表面具有良好的平整度，作为喷丝面板的基材，其厚度在0.2-5mm；

4)采用精密机械加工的方式(包括电火花加工、激光加工、机械钻孔等)，在喷丝面板基材上，加工出具有一定锥度的喷丝导孔，孔径在0.1-5mm；

5)在加工好喷丝导孔的喷丝面板基材上，通过UV-LIGA(包括光刻、电铸、成模)技术在喷丝面板基材上形成具有良好垂直度的出丝孔。同时在金属喷丝面板基材上甩光刻胶，并依次进行前烘、曝光、显影、后烘处理，实现光刻胶结构的图形化，然后利用电铸的方式形成异型出丝孔；

6)随后在制备好的喷丝导孔和喷丝孔的表面，通过电镀或溅射的方式在喷丝面板和喷丝导孔内壁形成一层钽合金、黄白金和金刚石薄膜作为保护薄膜，形成整体的喷丝面板，所述喷丝面板的厚度为0.2-5mm，而作为强化层的保护薄膜的厚度为0.1-1000μm；

7)最后，通过激光焊接、电子束或离子束焊接等技术实现支撑壳体和喷丝面板的一体化成型，构成整体的喷丝头。

以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

实施例1

1)首先采用机械加工的冲压方式在钽合金材质上，加工形成帽式结构的支撑壳体，其厚度约为0.5mm，孔径约为12mm，高度约为10mm；

2)通过机械抛光或者化学抛光的方法，在钽合金材质进行表面粗糙度处理，使其表面具有良好的平整度，作为喷丝面板的基材，其厚度在0.5mm；

3)采用机械钻孔的方法，在喷丝面板基材上，加工出具有约70°锥度的喷丝导孔，上开口孔径约为0.5mm，下开口孔径约为0.1mm；

4)在加工好导孔的喷丝面板基材上，利用线切割的方式将带有喷丝导孔的喷丝面板切割成直径约为100mm的圆片；

5)设计喷丝孔掩膜版，结合机械钻孔的图纸排布，设计出“十”字型的异型孔，长度约为0.1mm，线宽约为0.05mm；

6)在加工好喷丝导孔的喷丝面板基材上，涂覆一层厚约0.5mm的SU-8光刻胶，并利用步骤5)中设计出的掩膜版进行曝光，图形化出需要电镀的区域，然后在电镀液中电镀出具有“十”字型结构的异型出丝孔(电镀液中各组分浓度如下：氯化钠(NaCl)500g/L，氯化钾(KCl)500g/L，氯化铯(CsCl)25g/L，氟钽酸钾(K₂TaF₇)50g/L)；

7)清洗处理。将上述电铸好的喷丝结构中去出负胶，并通过丙酮、乙醇等有机溶剂进行清洗，用去离子水超声去除表面杂质，得到具有喷丝孔的喷丝面板；

8)通过激光焊接焊接技术，将支撑壳体和喷丝面板进行结合，实现支撑壳体和喷丝面板的一体化成型，构成整体具有复合结构的超细异型喷丝头。

实施例2

1)采用机械加工的冲压方式在不锈钢材质上，加工形成帽式结构的支撑壳体，其厚度约为5mm，孔径约为50mm，高度约为30mm；

2)然后通过电镀的方法，在不锈钢支撑壳体上形成钽合金薄膜层材质的薄膜层，厚度约为0.5μm；

3)通过电化学抛光的方法，在5mm厚的不锈钢材质进行表面粗糙度处理，使其表面具有良好的平整度，作为喷丝面板的基材；

4)采用线切割的方法，在不锈钢喷丝面板基材上，加工出具有一定60度锥度的喷丝导孔，上开口孔径约为5mm，下开口孔径约为1mm；

5)在加工好喷丝导孔的喷丝面板基材上，利用线切割的方式将带有喷丝导孔的喷丝面板切割成直径约为100mm的圆片；

6)设计喷丝孔掩膜版，结合机械钻孔的图纸排布，设计出圆形孔，孔径约为1mm；

7)在加工好喷丝导孔的喷丝面板基材上，涂覆一层1mm的SU-8光刻胶，并利用步骤5)中设计出的掩膜版进行曝光，图形化出需要电镀的区域，然后在电镀液中电镀出具有圆形结构的异型出丝孔(电镀液中各组分浓度如下：氯化钠(NaCl)500g/L，氯化钾(KCl)500g/L，氯化铯(CsCl)25g/L，氟钽酸钾(K2TaF7)50g/L)；

8)清洗处理。将上述电铸好的喷丝结构中去出负胶，并通过丙酮、乙醇等有机溶剂进行清洗，用去离子水超声去除表面杂质，得到具有喷丝孔的喷丝面板；

9)将形成喷丝孔径的喷丝面板，切割成直径约为50mm的圆形结构；

10)通过激光焊接焊接技术，将支撑壳体和喷丝面板进行结合，实现支撑壳体和喷丝面板的一体化成型，构成整体具有复合结构的圆形喷丝头。

实施例3

1)采用机械加工的冲压方式在金属钛衬底上，加工形成帽式结构的支撑壳体，其厚度约为1mm，孔径约为20mm，高度约为15mm；

2)然后通过化学气相沉积的方法，在金属钛支撑壳体上形成钽合金薄膜层材质的薄膜层，厚度在0.2μm；

3)通过电化学机械抛光的方法，在1mm厚的金属钛材质进行表面粗糙度处理，使其表面具有良好的平整度，作为喷丝面板的基材；

4)采用激光加工的方法，在金属钛基材表面进行喷丝导孔的加工，喷丝导孔具有80度的锥度，上开口孔径约为1mm，下开口直径约为0.3mm；

5)在加工好喷丝导孔的喷丝面板基材上，利用线切割的方式将带有喷丝导孔的喷丝面板切割成直径约为100mm的圆片；

6)设计喷丝孔掩膜版，结合激光钻孔的图纸排布，设计出“Y”型的异型孔，孔径约为0.3mm，线宽约为0.05mm；

7)在加工好喷丝导孔的喷丝面板基材上，涂覆一层1mm的SU-8光刻胶，并利用步骤6)中设计出的掩膜版进行曝光，图形化出需要电镀的区域，然后在电镀液中电镀出具有圆形结构的金属镍异型出丝孔(电镀液中各组分浓度如下：氨基磺酸镍(Ni[NH₂SO₃]₂)500g/L，氯化镍(NiCl₂·6H₂O)5g/L，硼酸(HBO₃)25g/L)；

8)释放清洗。在上述电铸好的喷丝结构中去出负胶，并通过丙酮、乙醇等有机溶剂进行清洗，用去离子水超声去除表面杂质，具有超细异型喷丝孔的喷丝面板；

9)然后通过化学气相沉积的方法，在金属钛支撑壳体上形成钽合金薄膜层材质的薄膜层，厚度在0.2μm；

10)通过激光焊接焊接技术，将支撑壳体和喷丝面板进行结合，实现支撑壳体和喷丝面板的一体化成型，构成整体具有复合结构的超细异型喷丝头。

藉由上述技术方案，本发明可实现超细异型喷丝头的高精度加工成型，效率高、成本低、寿命长，制备的喷丝孔可实现不同的异型结构、精度高、均一性好，易于批量化生产。

应理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于包括：

支撑壳体，具有帽式管壳状结构，至少用以在湿法纺丝时对纺丝原液进行束流；

喷丝面板，设置于所述支撑壳体的顶部，至少用以进行湿法纺丝的出丝成型；

呈倒锥形结构的喷丝导孔，设置于所述喷丝面板内侧；

以及，出丝孔，设于所述喷丝导孔的前部并与喷丝导孔连通，至少用以控制出丝的形状和尺寸。

2.根据权利要求1所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于还包括：强化层，至少覆设于所述支撑壳体和喷丝面板的内表面以及所述喷丝导孔内壁和出丝孔内壁。

3.根据权利要求1所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于：所述支撑壳体的厚度为0.2-5mm，底部孔径为5-500mm，高度为10-100mm；和/或，所述喷丝面板的厚度为0.2-5mm；和/或，所述支撑壳体与喷丝面板一体化设置。

4.根据权利要求1或3所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于：所述支撑壳体的材质包括镍、钛、钽、铜、不锈钢中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述喷丝面板的材质包括镍、钛、钽、铜中的任意一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1或3所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于：所述支撑壳体和/或喷丝面板表面还设置有保护薄膜层，所述保护薄膜层包括钽合金或黄白金薄膜层或金刚石薄膜层；优选的，所述保护薄膜层的厚度为0.05-500μm。

6.根据权利要求1或3所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于：所述喷丝导孔的孔径为0.1-5mm；和/或，所述出丝孔的孔径为0.01-0.2mm；和/或，所述喷丝导孔与出丝孔同轴设置。

7.根据权利要求1或3所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于：所述出丝孔的形状包括Y型、十字型、C型、米字型中的任意一种。

8.根据权利要求2所述的复合结构的超细异形喷丝头，其特征在于：所述强化层的材质包括钽合金、黄白金和金刚石中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述强化层的厚度为0.1-1000μm。

9.权利要求l至8中任一项所述复合结构的超细异形喷丝头的制造方法，其特征在于包括：

(1)采用机械冲压方式制备形成具有帽式管壳状结构的支撑壳体；

(2)通过机械和/或化学抛光方式对基材表面进行处理，制备形成表面具有良好平整度的喷丝面板基材；

(3)采用精密机械加工方式在喷丝面板基材上加工出喷丝导孔；

(4)通过UV-LIGA技术在喷丝面板基材上加工形成出丝孔；

(5)至少通过激光焊接、电子束焊接或离子束焊接技术中的任意一种方式将支撑壳体和喷丝面板一体化成型，制得所述超细异形喷丝头。

10.根据权利要求9所述复合结构的超细异形喷丝头的制造方法，其特征在于还包括：在步骤(4)完成后，至少通过电镀、溅射或喷涂中的任意一种方式在支撑壳体和喷丝面板的内表面以及所述喷丝导孔的内壁和出丝孔的内壁形成作为强化层的保护薄膜，之后进行步骤(5)。