CN107400934B - 批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，包括表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒，控制电机连接圆柱形滚筒；圆柱形滚筒上沿圆柱中心轴向外设有多个极板安装槽，极板安装槽内设有导向极板，导向极板通过圆柱中心轴与高压发生器负极相连或接地，导向极板外部设有多个用于固定导向极板、并保证圆柱形滚筒的螺旋沟槽沿螺旋线方向平滑完整无缺口的聚四氟乙烯固定块；圆柱形滚筒下方设有批量化静电纺丝装置。本发明还提供了利用批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置生产连续取向纳米纤维束的方法。本发明可以诱导螺旋沟槽内的纳米纤维沿连续纤维束轴向取向，有利于生产高支化的纳米纤维纱线，提高了纱线强度和生产速度。

Description

批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置及方法

技术领域

本发明属于纳米纤维纱线和纺织机械技术领域，特别涉及一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置及其使用方法。

背景技术

当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列惊奇的特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工材料范围、加工耗时等，静电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维的技术。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维及纳米纤维集合体成为工程材料科学界的研究热点。

传统的单针头静电纺丝装置较为简单，主要由高压电源系统、供液系统和收集系统三部分组成。供液系统包括微量注射泵、医用针管及平口金属针头，高聚物溶液流量由微量注射泵控制，高压电源的正极与平口金属针头连接，收集系统是金属平板并接地。高压电源电压逐渐增大，金属针头的液滴逐渐形成泰勒锥，当高压电源电压进一步增大，电场力会克服高聚物溶液的表面张力、黏滞力等作用形成微小的直线射流而后会出现鞭动现象到达接地金属收集板，在这个过程中，溶剂挥发，高聚物固化形成纳米纤维沉积在金属收集板上。

利用传统的静电纺丝方法制备的纳米纤维是以杂乱无章的纤维毡形式沉积在金属收集板上，这种无取向的纳米纤维毡极大地限制了纳米纤维在组织工程支架、细胞诱导生长方面的应用。另外，传统的静电纺丝装置得到的纳米纤维产量很低，很难满足纳米纤维在大量应用时的需求，单针头静电纺丝装置还存在针头容易堵塞的问题，这会严重影响到纳米纤维纺丝过程的顺利进行。

受限于纳米纤维束及纳米纱线难以结构控制和大批量生产，纳米纤维束及纳米纤维纱线的应用研究目前仍处于起步阶段，但现有应用研究表明纳米纤维束及纳米纤维纱线在创敷材料、组织工程、灵敏传感器、电子器件方面极具应用前景。

目前，国内外采用无针式静电纺丝装置产生大量纳米纤维来集束成纱的技术并无报道，主要是因为目前的无针式静电纺丝装置出丝量大但纤维落点及沉积半径不可控。

当前纳米纱线批量化制备国内外也有一些报道。中国专利201610308336.3公开了一种高速离心一步成型纳米纤维纱线装置，该装置通过在旋转离心柱外壁设置与离心柱中心腔体相连的多个喷嘴在旋转过程中收集高取向的纳米纤维束，再经加捻形成纳米纱线；这种方法一定程度上提高了纳米纱线的产量，同时有良好的取向效果，但离心力作用形成的纳米纤维直径较粗分布较宽。中国专利201610455645.3公开了一种纳米纤维纱线加工装置及方法，该装置将多股长丝穿过静电纺丝区域以吸附纳米纤维，再将长丝浸泡溶解，加捻纳米纤维成纱；这种方法可以实现纳米纤维的批量化连续制备，但操作复杂，原料选择有限。中国专利201510149182.3公开了一种转环型静电纺纳米纤维纱线制备装置，利用中空圆环汇集纳米纤维形成一根连续纳米纤维纱线，这种方法的生产速度因单根纳米纤维纱线强力较低而受限，难以批量化生产纳米纤维纱线。中国专利201310454345.X公开了一种取向纳米纤维纱线连续制备及方法，利用牵引出一个漏斗状的纳米纤维网的牵伸作用诱导取向，这种方法连续取向纳米纤维束容易造成纳米纤维的损伤，且取向效果不明显。中国专利201320083418.4公开了一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，集喷丝、纤维取向、凝聚、加捻、牵伸、卷绕为一体，利用气体涡流作用诱导纳米纤维取向，这种装置能得到取向的纳米纤维束，但仍存在涡流作用不稳定、生产速率有限等问题。

综上所述，目前批量化生产纳米纤维纱线存在沿连续纤维轴取向度低、纳米纤维纱线强度低、纳米纤维纱线生产速度低下等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提高目前批量化生产纳米纤维纱线沿连续纤维轴取向度、纳米纤维纱线强度、纳米纤维纱线生产速度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：包括表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒，控制电机连接圆柱形滚筒；圆柱形滚筒上沿圆柱中心轴向外设有多个极板安装槽，极板安装槽内设有导向极板，导向极板通过圆柱形滚筒的圆柱中心轴与高压发生器负极相连或接地，导向极板外部设有多个用于固定导向极板、并保证圆柱形滚筒的螺旋沟槽沿螺旋线方向平滑完整无缺口的聚四氟乙烯固定块；圆柱形滚筒下方设有批量化静电纺丝装置。

优选地，所述批量化静电纺丝装置包括多组无针式静电纺丝装置，多组无针式静电纺丝装置设于横移导轨上，且可沿横移导轨左右往复移动；无针式静电纺丝装置的喷头设于所述圆柱形滚筒下方。

优选地，所述圆柱形滚筒的材质为聚四氟乙烯材料，长度为1m-30m，直径为200mm-1500mm。

优选地，所述圆柱形滚筒表面的螺旋沟槽的螺距为2mm-80mm，所述圆柱形滚筒表面的螺旋沟槽的截面为长1mm-10mm、宽1.5mm-20mm的矩形。

优选地，所述极板安装槽沿圆柱形滚筒的圆周方向均匀布置，相邻极板安装槽之间的夹角为1°～60°。

优选地，所述极板安装槽长度与圆柱形滚筒长度相等，所述极板安装槽高度为圆柱形滚筒半径的1/2-1/5，所述极板安装槽宽度为2mm-20mm。

优选地，所述导向极板为导电的金属极板，所述圆柱形滚筒的圆柱中心轴为导电的金属中心轴。

优选地，所述导向极板为不锈钢矩形条状，所述导向极板长度与圆柱形滚筒长度相等，所述导向极板宽度与极板安装槽宽度相等，所述导向极板高度与极板安装槽高度相差正负1mm-6mm。

优选地，所述控制电机为无级变速电机，转速为0-200r/min。

本发明还提供了利用上述的批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置生产连续取向纳米纤维束的方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：打开表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒，启动控制电机并设置其转速；

步骤2：设置好批量化静电纺丝装置的各项工艺参数；

步骤3：启动批量化静电纺丝装置；

步骤4：打开高压发生器电源，将电压调至设定值；

步骤5：射流从批量化静电纺丝装置的喷头拉伸出，高聚物纺丝液溶剂挥发，纳米纤维在导向极板的电场诱导下，取向沉积在圆柱形滚筒的螺旋沟槽中，形成沿连续纤维束轴向取向的纳米纤维束。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，可以诱导螺旋沟槽内的纳米纤维沿连续纤维束轴向取向，提高纳米纤维束的取向度，有利于生产高支化的纳米纤维纱线，大幅度提高了纳米纤维纱线强度和生产速度。装置结构简单，操作方便，有利于大范围推广使用。

附图说明

图1为批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置左视示意图；

图2为批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束生产装置主视示意图；

图3为表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒正视示意图；

图4为表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒斜二视示意图；

图5为取向极板组纳米纤维束取向装置示意图；

图6为金属极板组示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1和图2为批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置的结构示意图，所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置由圆柱滚筒螺旋沟槽纳米纤维收集系统、取向极板组纳米纤维束取向装置、批量化静电纺丝装置等组成。

结合图3和图4，圆柱滚筒螺旋沟槽纳米纤维收集系统包括表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒4和控制电机5，控制电机5连接圆柱形滚筒4，用于驱动圆柱形滚筒4运转。圆柱形滚筒4上沿圆柱中心轴向外车有多个极板安装槽41，各极板安装槽41沿圆周方向均匀布置。

结合图5和图6，取向极板组纳米纤维束取向装置由金属极板组9和聚四氟乙烯固定块10构成。金属极板组9的各金属极板分别安装在圆柱形滚筒4上的极板安装槽41内，多块聚四氟乙烯固定块10等距安装在金属极板外端。金属极板组9通过圆柱形滚筒4金属中心轴与高压发生器8负极相连或接地2。

批量化静电纺丝装置由多组无针式静电纺丝装置7组成，多组无针式静电纺丝装置7安装在横移导轨1上，可沿横移导轨1左右往复移动。无针式静电纺丝装置7的喷头位于圆柱形滚筒4下方。

圆柱形滚筒4的材质为聚四氟乙烯材料，长度为1m-30m，直径为200mm-1500mm。圆柱形滚筒4表面车有螺距为2mm-80mm、截面为矩形的螺旋沟槽。截面矩形长1mm-10mm、宽1.5mm-20mm。极板安装槽41长度与圆柱形滚筒4长度相等，高度为圆柱形滚筒4半径的1/2-1/5，宽度为2mm-20mm。

金属极板组9由多个不锈钢矩形条状的金属极板构成，金属极板长度与圆柱形滚筒4长度相等，金属极板宽度与极板安装槽41宽度相等，金属极板高度与极板安装槽41高度相差正负1mm-6mm。金属极板上部分布有多个聚四氟乙烯固定块10，以固定金属极板，保证螺旋沟槽沿螺旋线方向平滑完整无缺口。

控制电机5为无级变速电机，转速为0r/min-200r/min。

金属极板组9的材质为金属不锈钢。

金属极板组9在圆柱形滚筒4上安装后，金属极板两两之间夹角相等，夹角为1°～60°。

利用上述批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置生产连续取向纳米纤维束的方法，主要包括以下步骤：

步骤1：打开表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒4，启动控制电机5并设置转速；

步骤2：设置好批量化静电纺丝装置7的各项工艺参数；

步骤3：打开批量化静电纺丝装置7的横移导轨1的开关；

步骤4：打开高压发生器电源8，将电压调至设定值；

步骤5：大量射流6从批量化静电纺丝装置7的喷头拉伸出，高聚物纺丝液溶剂挥发，纳米纤维3在金属极板组9的电场诱导下，取向沉积在圆柱形滚筒4的螺旋沟槽中，形成高度取向的纳米纤维束。

下面以具体的应用实例对本发明的使用方法做进一步的说明。

实施例1

采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备连续取向纳米纤维束。

配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％。调节环境湿度不超过40％，打开表面刻有螺旋沟槽的圆柱滚筒4的控制电机5，并设置转速为60r/min；设置批量化静电纺丝装置7的接收距离为20cm；打开批量化静电纺丝装置7的横移导轨1的开关；打开高压发生器8电源，将电压调至60KV；大量射流6从批量化静电纺丝装置7的喷头拉伸出，高聚物纺丝液溶剂挥发，纳米纤维3在金属极板组9的电场诱导下，取向沉积在螺旋沟槽中，形成高度取向的纳米纤维束，30m长滚筒生产速度为1.8kg/h，生产的纳米纤维纱线强度0.5CN/tex，纳米纤维沿着纳米纤维纱线轴高度取向。

实施例2

采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备连续取向纳米纤维束。

配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％。调节环境湿度不超过40％，打开表面刻有螺旋沟槽的圆柱滚筒4的控制电机5，并设置转速为80r/min；设置批量化静电纺丝装置接收距离为18cm；打开批量化静电纺丝装置的横移导轨1开关；打开高压发生器8电源，将电压调至60KV；大量射流6从批量化静电纺丝装置7的喷头拉伸出，高聚物纺丝液溶剂挥发，纳米纤维3在金属极板组9的电场诱导下，取向沉积在螺旋沟槽中，形成高度取向的纳米纤维束，30m长滚筒生产速度为2.1kg/h，生产的纳米纤维纱线强度0.6CN/tex，纳米纤维沿着纳米纤维纱线轴高度取向。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：包括表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒(4)，控制电机(5)连接圆柱形滚筒(4)；圆柱形滚筒(4)上沿圆柱中心轴向外设有多个极板安装槽(41)，极板安装槽(41)内设有导向极板，导向极板通过圆柱形滚筒(4)的圆柱中心轴与高压发生器(8)负极相连或接地，导向极板外部设有多个用于固定导向极板、并保证圆柱形滚筒(4)的螺旋沟槽沿螺旋线方向平滑完整无缺口的聚四氟乙烯固定块(10)；圆柱形滚筒(4)下方设有批量化静电纺丝装置。

2.如权利要求1所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述批量化静电纺丝装置包括多组无针式静电纺丝装置(7)，多组无针式静电纺丝装置(7)设于横移导轨(1)上，且可沿横移导轨(1)左右往复移动；无针式静电纺丝装置(7)的喷头设于所述圆柱形滚筒(4)下方。

3.如权利要求1所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述圆柱形滚筒(4)的材质为聚四氟乙烯材料，长度为1m-30m，直径为200mm-1500mm。

4.如权利要求1或3所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述圆柱形滚筒(4)表面的螺旋沟槽的螺距为2mm-80mm，所述圆柱形滚筒(4)表面的螺旋沟槽的截面为长1mm-10mm、宽1.5mm-20mm的矩形。

5.如权利要求1所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述极板安装槽(41)沿圆柱形滚筒(4)的圆周方向均匀布置，相邻极板安装槽(41)之间的夹角为1°～60°。

6.如权利要求1或5所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述极板安装槽(41)长度与圆柱形滚筒(4)长度相等，所述极板安装槽(41)高度为圆柱形滚筒(4)半径的1/2-1/5，所述极板安装槽(41)宽度为2mm-20mm。

7.如权利要求1所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述导向极板为导电的金属极板，所述圆柱形滚筒(4)的圆柱中心轴为导电的金属中心轴。

8.如权利要求1或7所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述导向极板为不锈钢矩形条状，所述导向极板长度与圆柱形滚筒(4)长度相等，所述导向极板宽度与极板安装槽(41)宽度相等，所述导向极板高度与极板安装槽(41)高度相差正负1mm-6mm。

9.如权利要求1所述的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置，其特征在于：所述控制电机(5)为无级变速电机，转速为0-200r/min。

10.一种利用如权利要求1～9任一项所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线的纤维束取向装置生产连续取向纳米纤维束的方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：打开表面刻有螺旋沟槽的圆柱形滚筒(4)，启动控制电机(5)并设置其转速；

步骤2：设置好无针式静电纺丝装置(7)的各项工艺参数；

步骤3：启动无针式静电纺丝装置(7)；

步骤4：打开高压发生器(8)电源，将电压调至设定值；

步骤5：射流(6)从无针式静电纺丝装置(7)的喷头拉伸出，高聚物纺丝液溶剂挥发，纳米纤维(3)在导向极板的电场诱导下，取向沉积在圆柱形滚筒(4)的螺旋沟槽中，形成沿连续纤维束轴向取向的纳米纤维束。