CN107502957B - 批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，包括宏量无针式静电纺丝系统、纳米纤维纱线成纱及收集系统，所述宏量无针式静电纺丝系统由多组无针式静电纺丝装置组成；所述纳米纤维纱线成纱及收集系统包括与电机连接的螺旋沟槽型滚筒、用于防止纳米纤维束之间粘结的剥离斩刀、用于牵引纺出的纳米纤维束的喂入罗拉、牵伸罗拉及加捻卷绕装置。使用方法为：包括将纺丝液加入供液装置，打开螺旋沟槽型滚筒的电机、导轨座的驱动、供液装置、高压发生器等步骤。本发明可以生产高支化的纳米纤维纱线，同时大幅提高了纳米纤维纱线生产速度，简单易行，操作方便。

Description

批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置及其使用方法
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生产装置。
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方法。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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前纳米纤维纱线生产速度较低、纳米纤维纱线结构不可调控、纳米纤维纱线强力较低、纳米纤维纱线易断头难以连续化生产等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，包括宏量无针式静电纺丝系统、纳米纤维纱线成纱及收集系统，所述宏量无针式静电纺丝系统由多组无针式静电纺丝装置组成，每组无针式静电纺丝装置包括与供液装置的电纺喷头、位于电纺喷头下方的电场控制金属环，每个电场控制金属环均与高压发生器连接，螺旋沟槽型滚筒接地线；所述纳米纤维纱线成纱及收集系统包括与电机连接的螺旋沟槽型滚筒、用于防止纳米纤维束之间粘结的剥离斩刀、用于牵引纺出的纳米纤维束的喂入罗拉、牵伸罗拉及加捻卷绕装置。
优选地，所述螺旋沟槽型滚筒的材质为不锈钢。
优选地，所述螺旋沟槽型滚筒的直径为200mm-1500mm，长度为1m-30m；其侧壁分布有直径0-2mm的通孔，工作时其内部形成负压吸风。
优选地，所述电纺喷头为向上喷丝的无针式静电纺丝喷头，其沿螺旋沟槽型滚筒的中心轴一字型排列并固定于位于螺旋沟槽型滚筒下方且可沿螺旋沟槽型滚筒中心轴方向移动的导轨座上；相邻电纺喷头之间的间距为200mm-1000mm。
更优选地，所述导轨座的移动速度为0-0.5m/s。
优选地，所述剥离斩刀采用stellite合金化纤切断刀。
优选地，所述剥离斩刀固定于斩刀架上。
优选地，所述加捻卷绕装置包括依次设于牵伸罗拉下方的导纱杆、固定于钢丝圈上的钢领及锭子；所述锭子的转速为80-5000r/min。
优选地，所述电场控制金属环固定于电纺喷头顶部的部分为直径50mm-300mm的圆环状结构，其材质采用金属铜材料；圆环状结构厚度方向的截面为三角形，该三角形的底边为1mm-20mm，三角形的定端向外倾斜0°-80°，三角形的高度为10mm-20mm；套于电纺喷头底座外侧部分的壁厚为1mm-20mm，高度为50mm-200mm。
优选地，所述高压发生器的电压调节范围为0-120kv。
优选地，所述螺旋沟槽型滚筒的表面设有截面为三角形或圆弧形的螺旋沟槽，螺旋沟槽的螺距为2mm-20mm，槽底宽度为1.5mm-15mm，槽高度为1mm-10mm。
优选地，所述螺旋沟槽型滚筒的一侧设有牵伸装置；所述牵伸装置采用四罗拉双短圈牵伸装置，牵伸倍数为1-2倍。
优选地，所述电机的转速为0r/min-200r/min。
本发明还提供了上述批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置的使用方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1)：将电纺喷头安装在导轨座上，选择电纺喷头的个数并设定各喷头的间距；
步骤2)：在各个电纺喷头上选择和安装电场控制金属环并设置各电场控制金属环与电纺喷头的相对高度，并将各电场控制金属环用耐超高压电线相连；
步骤3)：将纺丝液加入供液装置，连接电纺喷头与供液装置；
步骤4)：将高压发生器的正极与电场控制金属环相连；
步骤5)：打开螺旋沟槽型滚筒的电机并设置转速；
步骤6)：打开导轨座的驱动，并设置横移速度，使其在螺旋沟槽型滚筒的区域内往复横移；
步骤7)：打开供液装置开关并设置供液速度；
步骤8)：打开高压发生器开关并设置纺丝电压，大量高聚物射流出现在电纺喷头表面；
步骤9)：经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器、供液装置、电机；
步骤10)：将螺旋沟槽型滚筒上的纳米纤维束牵引至喂入罗拉，然后经牵伸罗拉、加捻卷绕装置；转动可选的锭子并设置转速，同时打开电机并设置转动方向和转速；
步骤11)：当一纱筒上的纳米纤维纱线收集完成后更换纱筒，连续进行；
步骤12)：螺旋沟槽型滚筒上螺旋沟槽内所有纳米纤维束完成加捻成纱后，重复步骤5)-11)可进行连续生产。
本发明使用快速旋转的螺旋沟槽型滚筒收集到高度取向的纳米纤维束，整个很长的纳米纤维束连续分布在滚筒表面的沟槽内预聚集，在加捻前就具有一定的抱合力，有利于纳米纤维纱线高支化生产，减少断头率，大幅提高生产速度。此外，纳米纤维束中的纳米纤维取向分布具有一定伸长率，能够牵伸一定倍数，生产真正意义上纳米级或亚微米级纤维纱线。
本发明采用螺旋沟槽型滚筒预集束纳米纤维有利于在加捻前提高纤维束的取向度和抱合力，可以生产高支化的纳米纤维纱线，同时大幅提高了纳米纤维纱线生产速度，简单易行，操作方便。
附图说明
图1为本发明提供的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置的示意图；
图2为静电纺丝部分的示意图；
图3为斩刀部分的示意图；
图4为螺旋沟槽及通孔的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1-4所示，为本发明提供的一种批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其包括宏量无针式静电纺丝系统、纳米纤维纱线成纱及收集系统，所述宏量无针式静电纺丝系统由多组无针式静电纺丝装置组成，每组无针式静电纺丝装置包括与供液装置18的电纺喷头15、位于电纺喷头下方的电场控制金属环17，每个电场控制金属环17均与高压发生器16连接，螺旋沟槽型滚筒12接地线10；所述纳米纤维纱线成纱及收集系统包括与电机13连接的螺旋沟槽型滚筒12、用于防止纳米纤维束之间粘结的剥离斩刀20、用于牵引纺出的纳米纤维束11的喂入罗拉9、牵伸罗拉8及加捻卷绕装置。
所述螺旋沟槽型滚筒12的材质为不锈钢。所述螺旋沟槽型滚筒12的直径为200mm-1500mm，长度为1m-30m；其侧壁分布有直径0-2mm的通孔，工作时其内部形成负压吸风。所述电纺喷头15为向上喷丝的无针式静电纺丝喷头，其沿螺旋沟槽型滚筒12的中心轴一字型排列并固定于位于螺旋沟槽型滚筒12下方且可沿螺旋沟槽型滚筒12中心轴方向移动的导轨座1上；相邻电纺喷头15之间的间距为200mm-1000mm。所述导轨座1的移动速度为0-0.5m/s。所述剥离斩刀20采用stellite合金化纤切断刀。所述剥离斩刀10固定于斩刀架21上。所述加捻卷绕装置包括依次设于牵伸罗拉8下方的导纱杆7、固定于钢丝圈5上的钢领6及锭子3；所述锭子3的转速为80-5000r/min。所述电场控制金属环17固定于电纺喷头15顶部的部分为直径50mm-300mm的圆环状结构，其材质采用金属铜材料；圆环状结构厚度方向的截面为三角形，该三角形的底边为1mm-20mm，三角形的定端向外倾斜0°-80°，三角形的高度为10mm-20mm；套于电纺喷头15底座外侧部分的壁厚为1mm-20mm，高度为50mm-200mm。所述高压发生器16的电压调节范围为0-120kv。所述螺旋沟槽型滚筒12的表面设有截面为三角形或圆弧形的螺旋沟槽，螺旋沟槽的螺距为2mm-20mm，槽底宽度为1.5mm-15mm，槽高度为1mm-10mm。所述螺旋沟槽型滚筒12的一侧设有牵伸装置；所述牵伸装置采用四罗拉双短圈牵伸装置，牵伸倍数为1-2倍。所述电机13的转速为0r/min-200r/min。
一种批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：将电纺喷头15安装在导轨座1上，选择电纺喷头15的个数并设定各喷头的间距；
步骤2：在各个电纺喷头15上选择和安装电场控制金属环17并设置各电场控制金属环17与电纺喷头15的相对高度，并将各电场控制金属环17用耐超高压电线相连；
步骤3：将纺丝液19加入供液装置18，连接电纺喷头15与供液装置18；
步骤4：将高压发生器16的正极与电场控制金属环17相连；
步骤5：打开螺旋沟槽型滚筒12的电机13并设置转速；
步骤6：打开导轨座1的驱动，并设置横移速度，使其在螺旋沟槽型滚筒12的区域内往复横移；
步骤7：打开供液装置18开关并设置供液速度；
步骤8：打开高压发生器16开关并设置纺丝电压，大量高聚物射流14出现在电纺喷头15表面；
步骤9：经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器16、供液装置18、电机13；
步骤10：将螺旋沟槽型滚筒12上的纳米纤维束11牵引至喂入罗拉9，然后经牵伸罗拉8、加捻卷绕装置；转动可选的锭子3并设置转速，同时打开电机13并设置转动方向和转速；
步骤11：当一纱筒2上的纳米纤维纱线4收集完成后更换纱筒2，连续进行；
步骤12：螺旋沟槽型滚筒12上螺旋沟槽内所有纳米纤维束11完成加捻成纱后，重复步骤5-11可进行连续生产。
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纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％。将配置好的PAN/DMF高聚物溶液19注入供液装置18中，选择无针式静电纺丝喷头15安装在横移导轨座1上，选择喷头个数为8并设定各喷头间距为15cm；在各个无针式静电纺丝喷头座上选择和安装电场控制金属环17并设置各金属环17与喷头15的相对高度为10mm，并将各金属环17用耐超高压电线相连；将纺丝液19加入供液装置18，连接喷头15与供液装置18；将高压发生器16正极与电场控制金属环17相连；打开螺旋沟槽型滚筒控制电机13并设置转速为80r/min；打开导轨1横移运动电机并设置横移速度为0.1m/s，在滚筒区域左右往复横移；打开供液装置18开关并设置供液速度为60ml/h；打开高压发生器16开关并设置纺丝电压为60KV；经过设定的10min后，依次关闭高压发生器16、供液装置18开关、螺旋沟槽型滚筒电机13；将螺旋沟槽型滚筒12上的纤维束11牵引至喂入罗拉9，经牵伸罗拉8、导纱杆7、钢领6至纳米纤维纱线纱筒2；转动锭子3并设置转速为1000r/min，同时打开螺旋沟槽型滚筒电机13设置转动方向为另一方向和转速为20r/min；当一纱筒纳米纤维纱线4收集完成后更换纱筒2，连续进行。
实施例2
下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为14％。将配置好的PAN/DMF高聚物溶液19注入供液装置18中，选择无针式静电纺丝喷头15安装在横移导轨座1上，选择喷头个数为8并设定各喷头间距为15cm；在各个无针式静电纺丝喷头座上选择和安装电场控制金属环17并设置各金属环17与喷头15的相对高度为5mm，并将各金属环17用耐超高压电线相连；将纺丝液19加入供液装置18，连接喷头15与供液装置18；将高压发生器16正极与电场控制金属环17相连；打开螺旋沟槽型滚筒控制电机13并设置转速为150r/min；打开导轨1横移运动电机并设置横移速度为0.4m/s，在滚筒区域左右往复横移；打开供液装置18开关并设置供液速度为80ml/h；打开高压发生器16开关并设置纺丝电压为60KV；经过设定的10min后，依次关闭高压发生器16、供液装置18开关、螺旋沟槽型滚筒电机13；将螺旋沟槽型滚筒12上的纤维束11牵引至喂入罗拉9，经牵伸罗拉8、导纱杆7、钢领6至纳米纤维纱线纱筒2；转动锭子3并设置转速为1500r/min，同时打开螺旋沟槽型滚筒电机13设置转动方向为另一方向和转速为30r/min；当一纱筒纳米纤维纱线4收集完成后更换纱筒2，连续进行。
实施例3
下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米纤维。下面采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液制备纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％。将配置好的PAN/DMF高聚物溶液19注入供液装置18中，选择无针式静电纺丝喷头15安装在横移导轨座1上，选择喷头个数为8并设定各喷头间距为15cm；在各个无针式静电纺丝喷头座上选择和安装电场控制金属环17并设置各金属环17与喷头15的相对高度为10mm，并将各金属环17用耐超高压电线相连；将纺丝液19加入供液装置18，连接喷头15与供液装置18；将高压发生器16正极与电场控制金属环17相连；打开螺旋沟槽型滚筒控制电机13并设置转速为80r/min；打开导轨1横移运动电机并设置横移速度为0.1m/s，在滚筒区域左右往复横移；打开供液装置18开关并设置供液速度为60ml/h；打开高压发生器16开关并设置纺丝电压为80KV；经过设定的7min后，依次关闭高压发生器16、供液装置18开关、螺旋沟槽型滚筒电机13；将螺旋沟槽型滚筒12上的纤维束11牵引至喂入罗拉9，经牵伸罗拉8、导纱杆7、钢领6至纳米纤维纱线纱筒2；转动锭子3并设置转速为1000r/min，同时打开螺旋沟槽型滚筒电机13设置转动方向为另一方向和转速为20r/min；当一纱筒纳米纤维纱线4收集完成后更换纱筒2，连续进行。

Claims (14)

1.一种批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，包括宏量无针式静电纺丝系统、纳米纤维纱线成纱及收集系统，所述宏量无针式静电纺丝系统由多组无针式静电纺丝装置组成，每组无针式静电纺丝装置包括与供液装置(18)连接的电纺喷头(15)、位于电纺喷头下方的电场控制金属环(17)，每个电场控制金属环(17)均与高压发生器(16)连接，螺旋沟槽型滚筒(12)接地线(10)；所述纳米纤维纱线成纱及收集系统包括与电机(13)连接的螺旋沟槽型滚筒(12)、用于防止纳米纤维束之间粘结的剥离斩刀(20)、用于牵引纺出的纳米纤维束(11)的喂入罗拉(9)、牵伸罗拉(8)及加捻卷绕装置。
2.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述螺旋沟槽型滚筒(12)的材质为不锈钢。
3.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述螺旋沟槽型滚筒(12)的直径为200mm-1500mm，长度为1m-30m；其侧壁分布有直径0-2mm的通孔，工作时其内部形成负压吸风。
4.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述电纺喷头(15)为向上喷丝的无针式静电纺丝喷头，其沿螺旋沟槽型滚筒(12)的中心轴一字型排列并固定于位于螺旋沟槽型滚筒(12)下方且可沿螺旋沟槽型滚筒(12)中心轴方向移动的导轨座(1)上；相邻电纺喷头(15)之间的间距为200mm-1000mm。
5.如权利要求4所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述导轨座(1)的移动速度为0-0.5m/s。
6.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述剥离斩刀(20)采用stellite合金化纤切断刀。
7.如权利要求1或6所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述剥离斩刀(20)固定于斩刀架(21)上。
8.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述加捻卷绕装置包括依次设于牵伸罗拉(8)下方的导纱杆(7)、固定于钢领(6)上的钢丝圈(5)及锭子(3)；所述锭子(3)的转速为80-5000r/min。
9.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述电场控制金属环(17)固定于电纺喷头(15)顶部的部分为直径50mm-300mm的圆环状结构，其材质采用金属铜材料；圆环状结构厚度方向的截面为三角形，该三角形的底边为1mm-20mm，三角形的顶端向外倾斜0°-80°，三角形的高度为10mm-20mm；套于电纺喷头(15)底座外侧部分的壁厚为1mm-20mm，高度为50mm-200mm。
10.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述高压发生器(16)的电压调节范围为0-120kv。
11.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述螺旋沟槽型滚筒(12)的表面设有截面为三角形或圆弧形的螺旋沟槽，螺旋沟槽的螺距为2mm-20mm，槽底宽度为1.5mm-15mm，槽高度为1mm-10mm。
12.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述螺旋沟槽型滚筒(12)的一侧设有牵伸装置；所述牵伸装置采用四罗拉双短圈牵伸装置，牵伸倍数为1-2倍。
13.如权利要求1所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，其特征在于，所述电机(13)的转速为0r/min-200r/min。
14.一种权利要求1-13任意一项所述的批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置的使用方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1)：将电纺喷头(15)安装在导轨座(1)上，选择电纺喷头(15)的个数并设定各喷头的间距；
步骤2)：在各个电纺喷头(15)上选择和安装电场控制金属环(17)并设置各电场控制金属环(17)与电纺喷头(15)的相对高度，并将各电场控制金属环(17)用耐超高压电线相连；
步骤3)：将纺丝液(19)加入供液装置(18)，连接电纺喷头(15)与供液装置(18)；
步骤4)：将高压发生器(16)的正极与电场控制金属环(17)相连；
步骤5)：打开螺旋沟槽型滚筒(12)的电机(13)并设置转速；
步骤6)：打开导轨座(1)的驱动，并设置横移速度，使其在螺旋沟槽型滚筒(12)的区域内往复横移；
步骤7)：打开供液装置(18)开关并设置供液速度；
步骤8)：打开高压发生器(16)开关并设置纺丝电压，大量高聚物射流(14)出现在电纺喷头(15)表面；
步骤9)：经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器(16)、供液装置(18)、电机(13)；
步骤10)：将螺旋沟槽型滚筒(12)上的纳米纤维束(11)牵引至喂入罗拉(9)，然后经牵伸罗拉(8)、加捻卷绕装置；转动锭子(3)并设置转速，同时打开电机(13)并设置转动方向和转速；
步骤11)：当一纱筒上的纳米纤维纱线(4)收集完成后更换纱筒(2)，连续进行；
步骤12)：螺旋沟槽型滚筒(12)上螺旋沟槽内所有纳米纤维束(11)完成加捻成纱后，重复步骤5)-11)可进行连续生产。
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