CN106245165B - 纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法 - Google Patents

纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，属纺织加工技术领域。本发明采用在涡流纺纱机的每一个牵伸系统的前胶辊上方设纳米粉释放装置和静电纺丝装置，静电纺丝装置的静电喷丝头和接收板的接收面之间形成静电纺丝区，静电纺丝区喷出的纳米纤维喷射到铺放有纳米粉的接收面上，形成吸附有纳米粉的纳米纤维网，吸附有纳米粉的纳米纤维网经输出面输入到涡流纺纱机前罗拉钳口处，与牵伸后的短纤维须条进行混合，然后进入涡流纺纱器加捻成纱，吸附有纳米粉的纳米纤维网为填充和增强抱合，提高涡流纺成纱强力。本发明所涉及的设备改造简单，操作使用方便。

Description

纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，属纺织加工技术领域。
技术背景
纱线的结构直接决定纱线性能。线密度不同的环锭纱线，其平均孔隙率一般都在10％-30％之间，但不同线密度纱线的平均孔隙率有差异，纱线越粗，平均孔隙率越大；在环锭纱截面上中间层的孔隙率最小，呈现出紧密结构，纱线外层的孔隙率最大，呈现出松弛结构。较大的纱线孔隙率是纱线具有较大的蓬松、透气性能的主要因素，但孔隙率较大，纱体内纤维间连接较松散，导致纱线内纤维间抱合力下降，纱线强度降低的问题。
涡流纺纱是利用固定不动的涡流纺纱管，来代替高速回转的纺纱杯和纺纱锭子、钢丝圈进行纺纱的一种新型纺纱方法。20世纪50年代初，美国曾利用液体涡流进行纺纱的试验。1955年以后，先后有德意志联邦共和国、波兰等几个国家研究利用空气涡流进行纺纱。中国1960年开始进行利用空气涡流纺纱的研究。 1975年在国际纺织机械展览会上，波兰展出了一台空气涡流纺纱机(PF型)，并建立了一个中间试验车间，使涡流纺纱试用于生产。现行比较成熟、较广泛应用的涡流纺纱机是日本村田研制的MVS型涡流纺纱机。MVS涡流纺纱工艺为：纤维条由给棉罗拉喂入涡流纺纱机的牵伸系统，经过牵伸输出的纤维须条借助气流作用，从输棉管道高速喂入涡流管内。涡流管由芯管和外管两部分组成。外管上开有三只切向的进风口，下端与鼓风机相连，风机不断地从管中抽取空气，外面的空气沿进风口进入涡流管内，产生旋涡状的气流。当旋转向上的气流到达芯管时，与输棉管道进入的纤维汇合，沿涡流管内壁形成一个凝聚纤维环，稳定地围绕涡流管轴线，高速回转，将纤维加捻成纱，从导纱孔中连续不断地由引出罗拉引出卷绕成筒子。MJS涡流纺与MVS纺纱工艺相类似，不同之处在于是从涡流管的外管上的三只切向进风口纱射入气流，在涡流管内形成涡旋气流进行纺纱。由于用涡流代替机械的加捻和凝聚作用而不需要回转的机件，因而具有速度快、产量高、工艺流程短、制成率高等优势。涡流纺纱线优势在于：具有环锭纱线外观结构，且毛羽甚至比环锭纱还要少，纱线耐磨性高；纱体中纤维堆砌密度低，压缩回弹性优异等。然而，现有涡流纺技术存在局限和瓶颈问题：首先，纤维须条保持为不加入捻度的状态被引入涡流室，进入涡流室内的纤维须条在涡流成纱过程中，受到气流抽拔作用，部分纤维能够克服周边纤维的摩擦抱合力而脱离纱体，随进入到排出通道中的气流排出，形成落纤，导致纱线成型质量下降、原料浪费；其次，喷气涡流纺是通过涡流推动自由端纱尾作环形高速回转加捻而成纱，属于自由端非握持纺纱，导致纺纱过程中对纤维的握持力不足，纤维内外转移程度低，纤维抱合程度差，纺纱强力较低，抱合力差、刚度大的纤维无法成纱。研究表明：喷气涡流纺纱线内部呈平行状的芯部纤维约占21％，环锭纺纱线内部呈螺旋状的芯部纤维约占55％，导致涡流纺纱线甚至仅是环锭纱线强度的 66％(A.K.Soe,M.Takahashi,M.Nakajima,T.Matsuo and T.Matsumoto,Textile Res.J.74:819-826,2004.)。因此，涡流纺技术具有成纱结构中纤维抱合力差、纺纱强力低、可纺纤维原料范围有限等局限和瓶颈问题。因此，涡流纺对于纤维品质、纤维条成形品质要求高，模量大的纤维、成形差的纤维条都无法满足高效、高品质涡流纺纱的要求。
针对上述技术问题，目前常规增加涡流纺成纱强度的方法是采用或设计较大的纺纱捻系数，增加短纤维须条成纱时加捻力度，促使成纱结构更加紧密、成纱纱体内纤维间接触更充分、抱合力更大，实现成纱强度的较大提高；但是常规方法增强纱线强度，也改变了纱线结构，较大捻度的纱线紧密，强力增加的同时，硬度增加，不适合对柔软性能要求较高的针织生产，一般只用作机织纱。由于涡流纺纱成纱强度低的核心机制是纱体内纤维内外转移率低造成的纤维间抱合力差，只通过加强涡流力度来增加捻度，不但对纱线强度增加量较小、纱线硬挺度提高，而且能耗增加。
纳米纤维直径处在1nm-100nm范围内，具有孔隙率高、比表面积大、长径比大、表面能和活性高等性能优势，体现出优异的增强、抗菌、拒水、过滤等功能，应用在分离过滤、生物医疗、能源材料、聚合物增强、光电传感等各领域。如将纳米纤维加工成宏观纱线，将可采用现代纺织手段生产出各类功能医用、功能服装、工业面料等制品，将突破传统纺织产品性能和价值，应用前景广阔；目前将纳米材料加工成纱线主要以纯纳米纱线加工技术的尝试为主：中国知识产权局 2005年11月09日公开的发明专利“纳米纤维纱线、带和板的制造和应用”，专利申请号ZL201310153933.X，该申请公案提供了一种采用平行铺放的带状或板状碳纳米管阵列，进行抽拉加捻形成纳米纱线的方法，并将纳米带或纱用于复合增强有机聚合物、制作电极、光学传感器等领域；中国知识产权局2013年09月27日公开的发明专利“一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法”，专利申请号 ZL201310454345.X，该申请公案提出采用自制旋转加捻装置，将纳米纺丝所制作的纤维直接加捻卷绕成线性状材料。但是纳米纤维本身形状尺度太细，纤维绝对强力低，特别是碳纳米纤维具有脆性高的特征，导致纯纳米纤维进行扭转加捻成纱后，纤维受到严重损伤和破坏，据报道纳米纤维加捻成纱时纳米纤维扭转断裂较多，没有发挥出纳米纤维的力学优势，所纺纱线远远低于预期的理论效果。基于纯纳米纤维纱的技术问题和瓶颈，中国知识产权局2012年11月01日公开的发明专利“纳米纤维与长丝复合纱线的纺纱装置及纺纱方法”，专利申请号 ZL201210433332.X，该申请公案提供了一种采用在静电纺丝的同时，向两个纳米纤维接收盘上引入长丝，使纳米纤维粘附在两根纳米长丝上，然后再将两根长丝进行加捻并合，得到具有纳米纤维的超高比表面积和长丝的高强力特性的长丝/ 纳米纤维复合纱；该申请公案虽然克服了纳米纤维自身强力低，难以纯纺成纱的难题，但只涉及长丝伴和纳米纤维加捻成纱，而常规大规模纺织加工是天然、化学短纤维纺纱，因此该申请公案所涉及加工应用范围狭小，未解决和实现纺织工业领域常规短纤维的纳米复合纺纱生产。基于上述技术问题和瓶颈，特别是纳米纤维与常规棉纤维复合成纱的技术生产需求，中国知识产权局2013年11月20日公开的发明专利“一种纳米纤维混纺复合纱线的制备方法”，专利申请号 ZL201310586642.X，该申请公案提出了一种在梳棉工序，采用静电纳米纺丝直接喷射到梳棉机输出的棉网上，与棉网混合后制成棉/纳米纤维条，再将棉/纳米纤维条经粗纱、细纱等工序制成混纺复合纱线的方法，该方法看似简单、有效地将纳米纤维与棉纤维复合在一起，但该方法存在先天性的原理和实际生产问题：关键问题在于纳米纤维比表面积大，与常规棉纤维之间的粘附和抱合力强，这种情况下，棉条在粗纱、细纱工序的牵伸过程中，棉纤维之间将难以自由、顺畅地进行相对滑移，多出现弯钩、牵伸困难、牵伸不匀等现象，导致最终加捻纺制的纱线品质差，不能实现高功能、高品质纳米复合纱线的生产和加工。中国知识产权局2011年08月04日公开的发明专利“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”，专利申请号ZL201110221637.X，该申请公案提供了一种采用纱线从在纺丝喷头的喷口与收集器之间通过时，纱线表面直接受到喷口的纳米喷丝喷涂作用，形成一层纳米涂层膜的方法；很明显，该申请公案属于喷涂法，纳米纤维没能进入到纱体内，不能与纱线内部的短纤维之间形成优良的抱合作用，必将在后续使用和加工过程中，导致纳米涂覆层从纱线表面脱离或磨损脱落，产品耐久性性差。因此，纳米纤维太细、生产中牵伸不足，存在强力过低、粘附和耐久性差，涂覆在织物表面易磨损脱落、不能常规纺纱加工，导致纳米纤维在纺织工业化生产中，只能少量的加工成无纺布或纳米膜，尚无法进行批量高速纺织加工生产，严重制约纳米纤维的纺织工业化应用。
发明内容
针对现有涡流纺成纱内部纤维抱合力弱、强度低，纳米纤维尚未实现高功能高品质纳米纱线生产的技术难题，本发明目的在于提供一种纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法。为了实现上述目的，其技术解决方案为：
纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，包括静电纺丝装置与涡流纺纱机，采用在涡流纺纱机的每一个牵伸系统的前胶辊上方设置纳米粉释放装置和静电纺丝装置，纳米粉释放装置固定安装在涡流纺纱机的摇架上，纳米粉释放装置上部为储粉腔，下部为出粉口，出粉口呈扁平缝隙状，出粉口与前胶辊的轴线平行，静电纺丝装置的接收板通过绝缘基座设置在涡流细纱机的摇架上，接收板一端为输出面，输出面呈弧面状，输出面沿前胶辊圆周方向，输出面的端头位于由前胶辊和前罗拉啮合形成的前罗拉钳口的进口处，接收板的另一端为接收面，接收面为平面状，接收面位于纳米粉释放装置的出粉口下方，接收面宽度与出粉口宽度相等，接收面向输出面一侧倾斜，静电纺丝装置的静电喷丝头位于纳米粉释放装置与前胶辊之间，并位于接收板的接收面上方，静电喷丝头和接收板的接收面之间形成静电纺丝区，静电喷丝头通过连通管连接到静电纺丝装置的计量泵上；
纺纱时，经涡流纺纱机牵伸系统牵伸后的短纤维须条进入由涡流细纱机前胶辊、前罗拉啮合形成的前罗拉钳口，纳米粉释放装置储粉腔内的纳米粉从出粉 口连续缓慢地释放到接收板的接收面上，并滑落铺放在静电喷丝头下方的接收面上，纳米纺丝液经计量泵注入静电喷丝头，在静电喷丝头与接收板的接收面之间的高压静电作用下，从静电喷丝头纺出的纳米纤维持续喷射到铺放有纳米粉的接收面上，形成紧紧吸附有纳米粉的纳米纤维网，吸附有纳米粉的纳米纤维网经接收板的输出面输入到涡流纺纱机前罗拉钳口，在涡流纺纱机前罗拉钳口处与牵伸后的短纤维须条进行混合，形成吸附有纳米粉的微/纳纤维须条，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条从前罗拉钳口输出后，进入涡流纺纱器的入纤通道内，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条的纤维头端在导针引导作用下进入涡流纺纱器的静止纺锭的中空引纱通道中，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条的纤维尾端在涡旋气流作用下包缠在微/纳纤维须条的纤维头端上，进行包缠形成吸附有纳米粉的纳/微涡流纱，纳/微涡流纱经中空引纱通道输出涡流纺纱器外，然后依次经引纱辊、检测器、张力控制器、上蜡装置，最终卷绕到筒管上。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明的纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，其优点在于：本发明采用在涡流纺纱机的每一个牵伸系统的前胶辊上方设置纳米粉释放装置和静电纺丝装置，纳米粉释放装置固定安装在涡流纺纱机的摇架上，纳米粉释放装置的出粉口与前胶辊的轴线平行，静电纺丝装置的接收板的一端为弧面状的输出面，接收板的另一端为平面状的接收面，接收面位于纳米粉释放装置的出粉口下方，接收面宽度与出粉口宽度相等，接收面向输出面一侧倾斜，静电纺丝装置的静电喷丝头位于纳米粉释放装置与前胶辊之间，并位于接收板的接收面上方，静电喷丝头和接收板的接收面之间形成静电纺丝区，使得静电喷丝头纺出的纳米纤维连续喷射到铺放有纳米粉的的接收面上，形成紧紧吸附有纳米粉的纳米纤维网，附有纳米粉的纳米纤维网经接收板的输出面输入到涡流纺纱机前罗拉钳口，在涡流纺纱机前罗拉钳口处与牵伸后的短纤维须条进行混合，形成附有纳米粉的微/纳纤维须条，克服了“以往在梳棉工序时短纤维网内加入纳米纤维，造成后续短纤维条或短纤维粗纱内纤维抱合力大，牵伸困难和牵伸效果差，导致最终成纱条干、纱疵、毛羽等品质性能恶化”的技术难题；附有纳米粉的微/纳纤维须条经前罗拉钳口输出后，进入涡流纺纱器内进行气流包缠式加捻，形成附有纳米粉的微/纳纤维混合纱条，纳微纤维混合纱条内纳米纤维增加微米级短纤维间的接触抱合，大幅增加常规短纤维之间的成纱抱合力，有效解决了针对常规涡流纺纱时纤维之间抱合力不足的技术问题。由于本发明本质上是将纳米纺丝与常规短纤维涡流纺纱有机结合在一起，常规短纤维涡流纺纱为骨架，附有纳米粉的纳米纤维网为填充和增强抱合，大幅提高纳微纤维混合纺纱的条干和强力等成纱品质，解决了纯纳米纤维纺纱时绝对强力低、无法连续高品质成纱的技术问题。本发明所涉及的设备改造简单，操作使用方便。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
见附图。
纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，包括静电纺丝装置与涡流纺纱机，采用在涡流纺纱机的每一个牵伸系统的前胶辊上方设置纳米粉释放装置4和静电纺丝装置，纳米粉释放装置4固定安装在涡流纺纱机的摇架上，纳米粉释放装置4上部为储粉腔，下部为出粉口，出粉口呈扁平缝隙状，出粉口与前胶辊6的轴线平行，静电纺丝装置的接收板5通过绝缘基座设置在涡流细纱机的摇架上，接收板5的一端为输出面，输出面呈弧面状，输出面沿前胶辊圆周方向，输出面的端头位于由前胶辊6和前罗拉8啮合形成的前罗拉钳口的进口处，接收板5的另一端为接收面，接收面为平面状，接收面位于纳米粉释放装置4的出粉口下方，接收面宽度与出粉口宽度相等，接收面向输出面一侧倾斜，倾斜角度为 20-60°，静电纺丝装置的静电喷丝头2位于纳米粉释放装置4与前胶辊6之间，并位于接收板5的接收面上方，静电喷丝头2和接收板5的接收面之间形成静电纺丝区，静电喷丝头2通过连通管连接到静电纺丝装置的计量泵3上；
纺纱时，在涡流纺纱机的每一个牵伸机构上，从条筒退绕下来的至少一根短纤维条，经喇叭口喂入由后罗拉、后皮辊、中后罗拉、中后皮辊、中后下皮圈、中后上皮圈、中前罗拉、中前胶辊、中前下皮圈、中前上皮圈、前胶辊6、前罗拉8组成的牵伸区进行牵伸，经涡流纺纱机牵伸系统牵伸后的短纤维须条进入由涡流细纱机前胶辊6、前罗拉8啮合形成的前罗拉钳口，纳米粉释放装置4储粉腔内的纳米粉从出粉 口连续缓慢地释放到接收板5的接收面上，并滑落铺放在静电喷丝头2下方的接收面上，纳米纺丝液经计量泵3注入静电喷丝头2，纳米静电喷丝头2通过导线外接电压为10KV-100KV的高压直流电源1，接收板5通过导线进行接地，使得纳米静电喷丝头2与接收板5的接收面之间形成高压静压场，在静电喷丝头2与接收板5的接收面之间的高压静电作用下，从静电喷丝头2纺出的纳米纤维持续喷射到铺放有纳米粉的接收面上，形成紧紧吸附有纳米粉的纳米纤维网，吸附有纳米粉的纳米纤维网经接收板5的输出面输入到涡流纺纱机前罗拉钳口，在涡流纺纱机前罗拉钳口处与牵伸后的短纤维须条进行混合，形成吸附有纳米粉的微/纳纤维须条，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条从前罗拉钳口输出后，进入涡流纺纱器7的入纤通道内，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条的纤维头端在导针引导作用下进入涡流纺纱器7的静止纺锭的中空引纱通道中，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条的纤维尾端在涡旋气流作用下包缠在微/纳纤维须条的纤维头端上，进行包缠形成吸附有纳米粉的纳/微涡流纱，纳/微涡流纱经中空引纱通道输出涡流纺纱器7外，然后依次经引纱辊、检测器、张力控制器、上蜡装置，最终卷绕到筒管上。
采用5.7克/米的粘胶纤维条纺制35英支涡流纱时，选用粒径为50-80纳米、管长10-15微米的多壁碳纳米管粉末作为纳米粉，采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB) 质量浓度为8％、乙醇(EA)为92％的PVB纳米纺丝溶液，纳米静电喷丝头2的头端与接收板4的接收面之间的距离为50毫米纳米静电喷丝头2通过导线外接电压为30KV的高压直流电源1；结果表明：与未加入纳米纤维的原纱相比，本发明生产粘胶涡流纱内含有1.2％的PVB纳米纤维，PVB纳米纤维直径分布为 150-300纳米，纱线强度增加11.5％。

Claims (1)

1.纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，包括静电纺丝装置与涡流纺纱机，其特征在于：在涡流纺纱机的每一个牵伸系统的前胶辊上方设置纳米粉释放装置(4)和静电纺丝装置，纳米粉释放装置(4)固定安装在涡流纺纱机的摇架上，纳米粉释放装置(4)上部为储粉腔，下部为出粉口，出粉口呈扁平缝隙状，出粉口与前胶辊(6)的轴线平行，静电纺丝装置的接收板(5)通过绝缘基座设置在涡流细纱机的摇架上，接收板(5)的一端为输出面，输出面呈弧面状，输出面沿前胶辊圆周方向，输出面的端头位于由前胶辊(6)和前罗拉(8)啮合形成的前罗拉钳口的进口处，接收板(5)的另一端为接收面，接收面为平面状，接收面位于纳米粉释放装置(4)的出粉口下方，接收面宽度与出粉口宽度相等，接收面向输出面一侧倾斜，静电纺丝装置的静电喷丝头(2)位于纳米粉释放装置(4)与前胶辊(6)之间，并位于接收板(5)的接收面上方，静电喷丝头(2)和接收板(5)的接收面之间形成静电纺丝区，静电喷丝头(2)通过连通管连接到静电纺丝装置的计量泵(3)上；
纺纱时，经涡流纺纱机牵伸系统牵伸后的短纤维须条进入由涡流细纱机前胶辊(6)、前罗拉(8)啮合形成的前罗拉钳口，纳米粉释放装置(4)储粉腔内的纳米粉从出粉 口连续缓慢地释放到接收板(5)的接收面上，并滑落铺放在静电喷丝头(2)下方的接收面上，纳米纺丝液经计量泵(3)注入静电喷丝头(2)，在静电喷丝头(2)与接收板(5)的接收面之间的高压静电作用下，从静电喷丝头(2)纺出的纳米纤维持续喷射到铺放有纳米粉的接收面上，形成紧紧吸附有纳米粉的纳米纤维网，吸附有纳米粉的纳米纤维网经接收板(5)的输出面输入到涡流纺纱机前罗拉钳口，在涡流纺纱机前罗拉钳口处与牵伸后的短纤维须条进行混合，形成吸附有纳米粉的微/纳纤维须条，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条从前罗拉钳口输出后，进入涡流纺纱器(7)的入纤通道内，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条的纤维头端在导针引导作用下进入涡流纺纱器(7)的静止纺锭的中空引纱通道中，吸附有纳米粉的微/纳纤维须条的纤维尾端在涡旋气流作用下包缠在微/纳纤维须条的纤维头端上，进行包缠形成吸附有纳米粉的纳/微涡流纱，纳/微涡流纱经中空引纱通道输出涡流纺纱器(7)外，然后依次经引纱辊、检测器、张力控制器、上蜡装置，最终卷绕到筒管上。
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