CN106835387A - 一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置 - Google Patents

一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置，方法包括：稳定连续产出地纳米纤维；螺旋气流带动纳米纤维定向运动；形成螺旋运动的圆锥状纳米纤维束；集束拉细得到取向静电纺纳米纤维纱线。装置包括纺丝喷头、供液装置、绝缘罩、金属圆环和卷绕装置，纺丝喷头通过导管与供液装置连通，绝缘罩为两端开口的圆锥形状，金属圆环通过金属杆固定于绝缘罩内腔的下半部，纺丝喷头设置于绝缘罩以下、金属圆环的正下方，绝缘罩的内侧壁、金属圆环的上方沿周向均匀布设若干空气喷嘴，卷绕装置设置于绝缘罩的上方。本发明能够连续稳定地进行纳米纤维纱线的生产，使纳米纤维在纱线中的排列高度取向有序，并最终获得取向静电纺纳米纤维纱线。

Description

一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置
技术领域
本发明属于静电纺纳米纤维纱线的技术领域，特别是涉及一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置。
背景技术
静电纺丝是当前一种最流行的制备纳米纤维的技术，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性能等，可以应用到组织工程，伤口辅料，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，产品功能优异，自Anton Formhals1934年获得美国专利以来，静电纺丝一直被纤维科学家和纺织开发人员所关注。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。
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来看，连续的单根纳米纤维长丝和取向的纳米纤维束以及其加捻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纤维长丝，且取向纳米纤维的取向度不高，产量也相对较低。同时，连续的单根纳米纤维长丝和取向纳米纤维束强度低，无法用于传统的织造技术。所以，高效制备结构可控的纳米纤维纱线是将静电纺丝的一大发展方向。
中国发明专利申请《一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法》(申请号201310058070.8，公开号CN103088478A)，公开了一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法。
该装置如图1所示，其核心部件包括：正极纺丝头、负极纺丝头、旋转金属圆靶、锥形纳米纤维束。纺纱过程如下：纳米纤维从正极纺丝头和负极纺丝头喷出，旋转金属圆靶带动气流中纳米纤维旋转运动，形成纳米纤维束，该纳米纤维束呈圆锥状螺旋运动，最后导出成纱。
中国发明专利申请《旋转收集器制备静电纺纳米纤维纱线装置及其制备方法》(申请号201510148744.2，公开号CN104711719)，公开了一种制备静电纺纳米纤维装置及其制备方法。
该装置如图2所示，其核心部件包括:高压电源、正极纺丝头、负极纺丝头、旋转空心圆环、锥形纳米纤维束。纺丝过程如下：纳米纤维从正极纺丝头和负极纺丝头喷出，其中纺丝头属于无针式纺丝喷头，纳米纤维在空心圆环内部沉积，随着空心圆环的旋转，形成锥形纳米纤维集束，最后导出成纱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法和装置，能够连续稳定地进行纳米纤维纱线的生产，使纳米纤维在纱线中的排列高度取向。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，包括以下步骤：
(1)通过纺丝喷头连续稳定地向绝缘空间喷射纳米纤维使纳米纤维处于无序随机的漂浮状态；
(2)利用螺旋气流带动纳米纤维作定向螺旋运动；
(3)通过牵引形成螺旋运动的圆锥状纳米纤维束，螺旋运动的圆锥状纳米纤维束在绝缘空间内部产生螺旋管磁场，纳米纤维在螺旋管磁场的作用下取向高度有序地排列形成纳米纤维束；
(4)纳米纤维束集束拉细形成取向静电纺纳米纤维纱线。
作为本发明一种优选的实施方式，所述步骤(1)中的纺丝喷头采用单针式纺丝喷头、双针式纺丝喷头或者无针式纺丝喷头。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述步骤(1)中纳米纤维的喷射采用单向喷射或者多向喷射。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述步骤(2)中的螺旋气流通过电机带动圆靶产生、电机带动圆环产生、电机带动叶片产生、电机带动漏斗形喇叭口产生或者喷气装置喷气产生。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述步骤(3)中的圆锥状纳米纤维束先通过普通纱线牵引形成或者金属丝牵引形成，再通过形成的纳米纤维纱线自身进行牵引。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是提供一种实现上述的自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法的装置，包括纺丝喷头、供液装置、绝缘罩、金属圆环和卷绕装置，所述纺丝喷头通过导管与供液装置连通，所述绝缘罩为两端开口的圆锥形状，所述金属圆环通过金属杆固定于绝缘罩内腔的下半部，所述纺丝喷头设置于绝缘罩以下、金属圆环的正下方，所述绝缘罩的内侧壁、金属圆环的上方沿周向均匀布设若干空气喷嘴，所述卷绕装置设置于绝缘罩的上方。
作为本发明一种优选的实施方式，所述纺丝喷头采用无针式静电纺丝喷头，所述无针式静电纺丝喷头设有溶液槽，所述溶液槽通过导管与供液装置连通，所述无针式静电纺丝喷头通过导线与高压电源的正极连接，所述高压电源的负极接地，所述无针式静电纺丝喷头与绝缘罩下端的距离为1cm～10cm。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述绝缘罩沿竖直方向的倾斜角度为10°～30°。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述金属圆环固定于绝缘罩内部的正中间，所述金属杆一端固定在绝缘罩内侧壁、另一端与金属圆环连接，所述金属圆环的中空半径为4～10cm。
作为本发明另一种优选的实施方式，所述空气喷嘴设置为2～6个，空气喷嘴通过气管与空气压缩机连接。
有益效果
在本发明中，通过空气喷嘴喷出高速气流，从而带动绝缘罩内腔处于无序随机漂浮状态的纳米纤维进行螺旋定向运动，通过牵引形成圆锥状纳米纤维束，纳米纤维上附着的大量静电荷，在绝缘空间内，随着纳米纤维束的螺旋运动成为高速移动的电荷，螺旋移动的电荷形成螺旋的电流，螺旋电流形成螺线管磁场，在纳米纤维纱线的收集过程中，螺线管磁场的存在不仅使得这一过程连续稳定，并在内部磁场力和牵引力的作用下，使得纳米纤维伸直并高度取向排列。因此，本发明能够连续稳定地进行纳米纤维纱线的生产，使纳米纤维在纱线中的排列高度取向有序，并最终获得取向纳米纤维纱线。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图。
图2为另一现有技术的结构示意图。
图3为本发明的结构示意图。
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。
一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，包括以下步骤：
(1)通过纺丝喷头连续稳定地产出纳米纤维，并将纳米纤维喷向绝缘空间，纳米纤维处于可移动的自由状态，在成纱过程中不经过机械的引导，处于无序随机的漂浮状态。在该过程中，纺丝喷头可以采用单针式纺丝喷头、双针式纺丝喷头或者无针式纺丝喷头，喷射方式可以采用单向喷射或者多向喷射，其电压配置可以是单一的正极或负极配置，也可以是正极、负极相对配置。
(2)利用螺旋气流带动纳米纤维作定向螺旋运动。螺旋气流可以通过电机带动圆靶产生、电机带动圆环产生、电机带动叶片产生、电机带动漏斗形喇叭口产生或者喷气装置喷气产生。
(3)通过牵引形成螺旋运动的圆锥状纳米纤维束。圆锥状纳米纤维束先通过普通纱线牵引或者金属丝牵引，再通过形成的纳米纤维纱线自身进行牵引。纳米纤维上附着的大量静电荷，在绝缘空间内，随着纳米纤维束的螺旋运动成为高速移动的电荷，螺旋移动的电荷形成螺旋的电流，螺旋电流形成螺线管磁场，在内部磁场的存在下，使得纳米纤维取向高度有序地排列形成纳米纤维束。
(4)纳米纤维束在圆锥顶部集束拉细，并被缓慢抽出得到取向静电纺纳米纤维纱线。
如图3所示的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的装置，包括无针式静电纺丝喷头1、供液装置2、绝缘罩8、金属圆环5、金属杆4、空气压缩机7和卷绕装置9。
无针式静电纺丝喷头1设有溶液槽，溶液槽通过导管与供液装置2连通，通过供液装置2向无针式静电纺丝喷头1输送纺丝溶液。无针式静电纺丝喷头1通过导线与高压电源3的正极连接，高压电源3的负极接地。
绝缘罩8为两端开口的圆锥形状，绝缘罩8沿竖直方向的倾斜角度为30°。金属圆环5的中空半径为10cm，通过金属杆4固定于绝缘罩8内腔下半部的正中间，金属杆4一端固定在绝缘罩8内侧壁，另一端与金属圆环5连接。无针式静电纺丝喷头1设置于绝缘罩8以下、金属圆环5的正下方，无针式静电纺丝喷头与绝缘罩8下端的距离为1～10cm。
绝缘罩8的内侧壁、金属圆环5的上方设有两个相对的空气喷嘴6，空气喷嘴6通过气管与空气压缩机7连接，通过空气喷嘴6喷出高速气流，能够在绝缘罩8内部形成螺旋运动的气流，从而带动纳米纤维作定向螺旋运动。
卷绕装置9设置于绝缘罩8的上方，用于卷绕成型的纳米纤维纱线。
在开始静电纺丝之前，需要将无针式静电纺丝喷头1放置在绝缘罩8下方，控制无针式静电纺丝喷头1与绝缘罩8下端距离1cm～10cm；开始静电纺丝时，打开供液装置2，稳定连续的产出静电纺纳米纤维；打开两个空气压缩机7，使高速运动的空气从两个空气喷嘴6中喷出，并在绝缘罩8中形成螺旋运动的气流，带动纳米纤维做螺旋定向移动，形成锥形纳米纤维束10；再由卷绕装置9卷绕成纱，获得纳米纤维取向排列的静电纺纳米纤维纱线。

Claims (10)

1.一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，包括以下步骤：
(1)通过纺丝喷头连续稳定地向绝缘空间喷射纳米纤维使纳米纤维处于无序随机的漂浮状态；
(2)利用螺旋气流带动纳米纤维作定向螺旋运动；
(3)通过牵引形成螺旋运动的圆锥状纳米纤维束，螺旋运动的圆锥状纳米纤维束在绝缘空间内部产生螺旋管磁场，纳米纤维在螺旋管磁场的作用下取向高度有序地排列形成纳米纤维束；
(4)纳米纤维束集束拉细形成取向静电纺纳米纤维纱线。
2.根据权利要求1所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的纺丝喷头采用单针式纺丝喷头、双针式纺丝喷头或者无针式纺丝喷头。
3.根据权利要求1所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，其特征在于：所述步骤(1)中纳米纤维的喷射采用单向喷射或者多向喷射。
4.根据权利要求1所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的螺旋气流通过电机带动圆靶产生、电机带动圆环产生、电机带动叶片产生、电机带动漏斗形喇叭口产生或者喷气装置喷气产生。
5.根据权利要求1所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的圆锥状纳米纤维束先通过普通纱线牵引形成或者金属丝牵引形成，再通过形成的纳米纤维纱线自身进行牵引。
6.一种实现权利要求1所述的自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的方法的装置，包括纺丝喷头、供液装置(2)、绝缘罩(8)、金属圆环(5)、金属杆(4)和卷绕装置(9)，所述纺丝喷头通过导管与供液装置(2)连通，其特征在于：所述绝缘罩(8)为两端开口的圆锥形状，所述金属圆环(5)通过金属杆(4)固定于绝缘罩(8)内腔的下半部，所述纺丝喷头设置于绝缘罩(8)以下、金属圆环(5)的正下方，所述绝缘罩(8)的内侧壁、金属圆环(5)的上方沿周向均匀布设若干空气喷嘴(6)，所述卷绕装置(9)设置于绝缘罩(8)的上方。
7.根据权利要求6所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的装置，其特征在于：所述纺丝喷头采用无针式静电纺丝喷头(1)，所述无针式静电纺丝喷头(1)设有溶液槽，所述溶液槽通过导管与供液装置(2)连通，所述无针式静电纺丝喷头(1)通过导线与高压电源(3)的正极连接，所述高压电源(3)的负极接地，所述无针式静电纺丝喷头(1)与绝缘罩(8)下端的距离为1cm～10cm。
8.根据权利要求6所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的装置，其特征在于：所述绝缘罩(8)沿竖直方向的倾斜角度为10°～30°。
9.根据权利要求6所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的装置，其特征在于：所述金属圆环(5)固定于绝缘罩(8)内部的正中间，所述金属杆(4)一端固定在绝缘罩(8)内侧壁、另一端与金属圆环(5)连接，所述金属圆环(5)的中空半径为4～10cm。
10.根据权利要求6所述的一种自磁场制备取向静电纺纳米纤维纱线的装置，其特征在于：所述空气喷嘴(6)设置为2～6个，空气喷嘴(6)通过气管与空气压缩机(7)连接。
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