CN107988665A - 一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置及方法 - Google Patents

一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置及方法，装置包括环锭细纱机，环锭细纱机包括前胶辊(1)、前罗拉(8)、第一块绝缘板(2)、定向定点沉积装置(3)、细纱卷绕装置(4)、导纱钩(7)和单针式静电纺丝机(6)，前胶辊(1)与前罗拉(8)形成前罗拉钳口，单针式静电纺丝机(6)设置在前罗拉钳口与导纱钩(7)之间，定向定点沉积装置(3)设置在单针式静电纺丝机(6)下方，第一绝缘板(2)设置在前胶辊(1)的下方，导纱钩(7)与细纱卷绕装置(4)连接。本发明对沉积装置优化将纳米纤维束引入到纱体芯部，有效解决常规纳米纤维与短纤复合成纱在后续加工和使用中易磨损、耐久性差的问题。

Description

一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置及方法
技术领域
本发明属于纺织加工装置及方法领域，特别涉及一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置及方法。
背景技术
纺织品的功能化一直是提高纺织品产品档次和附加值，拓展纺织产品应用领域的研究热点之一。功能性纺织品相较于传统纺织品，不仅满足了人们以往穿衣遮体的需要，而且还赋予了其更多的功能性，丰富了传统纺织品的应用范围和应用领域，显然对于提高产品附加值、促进纺织科技革新具有重要的指导意义。
静电纺作为一种能够连续批量制备微纳米纤维的新兴技术，已成为目前制备纳米纤维最广泛的应用方法。通过静电纺丝制备的纳米纤维直径通常在几十到几百纳米之间，具有显著的纳米效应，由于其比表面积高、表面能高、长径比大等诸多优点，被广泛用于过滤、生物组织工程、抗菌、药物缓释、传感检测、能源等研究领域。另外，由于纳米纤维直径在纳米或亚微米范围，比表面积高，因此也被作为各种功能性物质的良好载体。
将静电纺丝技术与传统纺织技术相结合制备功能性纺织品和纳米纺织品，无疑是提升传统纺织品的产品档次和附加值、开拓传统纺织品应用领域的重要途径之一，两种技术的交叉因此逐渐成为了工程技术人员的研究热点。目前已有部分研究人员对此作了相关的研究和报道，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，该申请专利公案提出了一种将纳米纤维与长丝复合的纺纱装置和方法，通过静电纺丝技术在两根长丝上分别沉积纳米纤维，然后再对两根长丝集聚加捻，得到兼具纳米效应和强度的纳米纤维复合长丝纱，一定程度上解决了纳米纤维在实际应用中的低强力问题。但如果直接应用于织造成布，由于大部分纳米纤维暴露在纱体外表面，因此，长丝表面的纳米纤维极易在加工和最终使用过程中被刮掉，丧失原有的纳米效应。基于此，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，该申请专利公案公布了一种静电纺纳米纤维/棉混纺纱的制备方法，该方法通过在棉纺梳理部分进行技术改造，利用TAYLOR锥多喷头静电纺丝机进行静电纺丝，并让纺丝过程中产生的纳米纤维直接沉积到梳棉网上，与棉网复合并集聚成条，再经多次并条、粗纱、细纱等工序制备纳米纤维/棉混纺纱线，可实现纱线的功能化，具有较好的生产实践指导意义。但该装置需要附加的负压吸风装置以便吸附棉网层，占地面积较大，装置较为复杂。中国知识产权局2017年1月18日公开的发明专利“纳米静电纺丝与短纤维环锭纺纱一体化成纱的方法”，专利申请号CN201610847286.6，该申请专利公案通过在环锭纺纱机的导纱钩与前罗拉钳口间设置单针头静电纺丝装置纺丝，使纳米纤维网与须条汇聚加捻，旨在制备纳米纤维包缠短纤纱。但该方法制备的包缠纱外层为纳米纤维，同样存在着在后续加工和使用过程中纳米纤维脱落的致命问题，并且制备过程中由于沉积区附近基本为金属部件，干扰纺丝过程，使得纳米纤维沉积极为紊乱，当纺丝时间较长时，纤维沉积成膜，甚至有可能影响正常的短纤纺纱过程。中国知识产权局2017年1月18日公开的发明专利“一种纳微尺度增强纤维成纱的长丝环锭复合纺纱方法”，专利申请号CN201610837502.9，该申请专利公案在环锭细纱机的基础上引入长丝喂入装置，并通过静电纺丝法在长丝表面沉积纳米纤维，然后表面包覆有纳米纤维的长丝嵌入前罗拉钳口，与短纤一起加捻成纱。该方法理论上可制备纳米纤维/长丝/短纤复合纱，但纳米纤维沉积到长丝表面的过程不可控，并且在其他金属器件的干扰下，纺丝过程极不稳定，严重制约着最终纱线甚至纺织品的使用性能。
目前存在的几种纳米纤维/短纤混纺纱或者包芯纱的制备方法基本是采用单针头在细纱机上进行纺丝，由于细纱机上的金属器件干扰以及纤维收集装置的收集面积大，导致普遍存在着纳米纤维落点紊乱、分布在细纱表面的纳米纤维在加工和使用过程中易磨损等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置及方法，该装置通过在细纱机的纺纱三角区域设置定向定点沉积装置，用以优化纳米纤维的落点，让其直接沉积在纺纱三角区未加捻须条的中线位置上，随着捻度的传递，须条的边缘纤维将沉积在须条中线上的纳米纤维聚集体包覆在纱体内部，从而完成了纳米纤维/短纤包芯纱的生产。该方法通过对纳米纤维沉积装置的优化设计巧妙地将纳米纤维束引入到纱体芯部，有效地解决了常规纳米纤维与短纤复合成纱在后续加工和使用中的易磨损、耐久性差的技术难题。
本发明的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置，包括环锭细纱机，所述环锭细纱机包括前胶辊、前罗拉、第一块绝缘板、定向定点沉积装置、细纱卷绕装置、导纱钩和单针式静电纺丝机，前胶辊与前罗拉形成前罗拉钳口，单针式静电纺丝机设置在前罗拉钳口与导纱钩之间，定向定点沉积装置设置在单针式静电纺丝机下方，第一块绝缘板设置在前胶辊下方，导纱钩与细纱卷绕装置连接；其中定向定点沉积装置由第二块绝缘板、第三块绝缘板、第四块绝缘板和金属铜薄片组成，第二块绝缘板设置在前罗拉下方，第四块绝缘板与前罗拉钳口、导纱钩位于同一平面。
所述定向定点沉积装置设置在纺纱三角区域，，纺纱三角区的中线位置具有狭缝槽，狭缝槽中插有金属铜薄片。
所述第一块绝缘板、第二块绝缘板均用于隔绝环锭纺纱机纺纱三角区附近金属器件，以免对纳米纤维的沉积产生干扰。
所述第二块绝缘板、第三块绝缘板、第四块绝缘板的表面是光滑的；金属铜薄片的厚度为0.1-0.5mm；金属铜薄片为尖端铜薄片。
所述金属铜薄片在纺丝过程中接地线；金属铜薄片沿须条方向长0.5-2cm。
本发明的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，具体步骤如下：
(1)将高聚物和功能性试剂溶于溶剂中，搅拌，得到功能性纺丝液，其中纺丝液中高聚物浓度为6-15wt％，纺丝液中功能性试剂的浓度为0.1-5wt％；
(2)将短纤纺纱，得到粗纱，将粗纱喂入环锭细纱机中，牵伸，由前罗拉钳口输出，在定向定点沉积装置上形成纺纱三角区；
(3)将步骤(1)中的功能性纺丝液放入单针式静电纺丝机中静电纺丝，得到功能性纳米纤维，在定向定点沉积装置的尖端诱导下，沉积在步骤(2)中纺纱三角区中线位置，加捻，卷绕，得到功能性纳米纤维/短纤包芯纱。
所述步骤(1)中高聚物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚氨酯或聚酰胺；功能性试剂为抗菌试剂、抗静电试剂或抗紫外试剂；溶剂为DMF或去离子水。
所述抗菌试剂为三氯生、壳聚糖或纳米银；抗紫外试剂为纳米氧化锌或二氧化硅。
所述步骤(2)中短纤为棉纤维、粘胶纤维或化纤短纤；纺纱的步骤包括：开松、梳理、精梳、并条和粗纱。
所述步骤(2)中牵伸是经过细纱牵伸机构中前、后牵伸区的多次牵伸作用，不断细化。
所述步骤(3)中静电纺丝的工艺参数为：单针式静电纺丝机中单针头针尖与须条的垂直距离为10-15cm，施加电压为8-15kv，纺丝速率为0.2-1mL/h，环境温度为20-25℃，环境湿度为40-65％。
所述功能性纳米纤维/短纤包芯纱中纳米纤维的含量可通过纺丝速率、施加电压、纺丝隔距等工艺参数进行调节，功能性纳米纤维/短纤包芯纱的支数可通过各道工序的工艺参数合理调控。
本发明在高压静电作用下，静电纺丝针头处的液滴经过多次拉伸细化作用，形成功能性纳米纤维，并在定向定点沉积装置的诱导下，集中分布在纺纱三角区短纤须条的中线位置上，捻度的向上传递使得须条边缘的短纤绕纱体轴线扭转，并将须条中线位置上的纳米纤维包覆在纱体内部，从而完成了纳米纤维/短纤包芯纱的生产。
本发明通过定向定点沉积装置优化了静电纺纳米纤维的沉积和落点，让制备的纳米纤维能够精准地沉积到纺纱三角区域须条的中线位置，并沿中线定向沉积，由此技术制备的复合纱线的芯层为纳米纤维束，外层为短纤维，有效地解决了常规方法制备的纳米纤维/短纤混纺纱存在的纳米纤维裸露、沉积紊乱、影响正常纺纱加工等技术难题，而且由于功能性纳米纤维位于纱体内部，避免了后续加工和使用过程中所造成的磨损问题，使得功能性复合纱的功能耐久性显著提高。
有益效果
(1)本发明装置通过在细纱机的纺纱三角区域设置定向定点沉积装置，用以优化纳米纤维的落点，让其直接沉积在纺纱三角区未加捻须条的中线位置上，随着捻度的传递，须条的边缘纤维将沉积在须条中线上的纳米纤维聚集体包覆在纱体内部，从而完成了纳米纤维/短纤包芯纱的生产。
(2)本发明通过对纳米纤维沉积装置的优化设计巧妙地将纳米纤维束引入到纱体芯部，有效地解决了常规纳米纤维与短纤复合成纱在后续加工和使用中的易磨损、耐久性差的技术难题。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明定向定点沉积装置的结构示意图；
图3是本发明纳米纤维在纺纱三角区的定向定点沉积示意图。
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。
实施例1
本实施例提供了一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置，包括环锭细纱机，所述环锭细纱机包括前胶辊1、前罗拉8、第一块绝缘板2、定向定点沉积装置3、细纱卷绕装置4、导纱钩7和单针式静电纺丝机6，前胶辊1与前罗拉8形成前罗拉钳口，单针式静电纺丝机6设置在前罗拉钳口与导纱钩7之间，定向定点沉积装置3设置在单针式静电纺丝机6下方，第一块绝缘板2设置在前胶辊1的下方，导纱钩7与细纱卷绕装置4连接；其中定向定点沉积装置3由第二块绝缘板9、第三块绝缘板11、第四块绝缘板12和金属铜薄片10组成，第二块绝缘板9设置在前罗拉8下方，第四块绝缘板12与前罗拉钳口、导纱钩7位于同一平面。
所述定向定点沉积装置3设置在纺纱三角区域，，纺纱三角区的中线位置具有狭缝槽，狭缝槽中插有金属铜薄片10。
所述第二块绝缘板9、第三块绝缘板11、第四块绝缘板12的表面是光滑的；金属铜薄片10的厚度为0.1-0.5mm；金属铜薄片10为尖端铜薄片。
所述金属铜薄片10沿须条方向长0.5-2cm。
实施例2
本实施例提供了一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，具体步骤如下：
(1)将10g聚丙烯腈(分子量为78000)溶解于88gDMF中，再加入2g三氯生抗菌剂，在磁力搅拌器中搅拌均匀，得到三氯生抗菌剂的浓度为2wt％、聚丙烯腈浓度为10wt％的均匀纺丝液。
(2)将棉短纤经开松、除杂、混合、梳理、精梳、并条(1-2道)和粗纱，得到粗纱5，将粗纱5喂入环锭细纱机中，得到须条，经前、后牵伸区的多次牵伸，须条不断细化，并经前罗拉钳口输出，在定向定点沉积装置3上形成纺纱三角区。
(3)将步骤(1)中纺丝液放入单针式静电纺丝机6中静电纺丝，单针头针尖与须条的垂直距离为10cm，施加电压为10kv，纺丝速率为0.5mL/h，环境温度为25℃，环境湿度为60％，得到功能性纳米纤维，在定向定点沉积装置3的尖端诱导下，沉积在步骤(2)中纺纱三角区中线位置，加捻，卷绕，得到功能性纳米纤维/短纤包芯纱。
实施例3
本实施例提供了一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，具体步骤如下：
(1)将10g聚丙烯腈(分子量为78000)溶解于88gDMF中，再加入2g纳米氧化锌粉体，在磁力搅拌器中搅拌均匀，得到纳米氧化锌的浓度为2wt％、聚丙烯腈浓度为10wt％的均匀纺丝液。
(2)将棉短纤经开松、除杂、混合、梳理、精梳、并条(1-2道)和粗纱，得到粗纱5，将粗纱5喂入环锭细纱机中，得到须条，经前、后牵伸区的多次牵伸，须条不断细化，并经前罗拉钳口输出，在定向定点沉积装置3上形成纺纱三角区。
(3)将步骤(1)中纺丝液放入单针式静电纺丝机6中静电纺丝，单针头针尖与须条的垂直距离为15cm，施加电压为15kv，纺丝速率为1mL/h，环境温度为25℃，环境湿度为60％，得到功能性纳米纤维，在定向定点沉积装置3的尖端诱导下，沉积在步骤(2)中纺纱三角区中线位置，加捻，卷绕，得到功能性纳米纤维/短纤包芯纱。

Claims (8)

1.一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置，包括环锭细纱机，其特征在于，所述环锭细纱机包括前胶辊(1)、前罗拉(8)、第一块绝缘板(2)、定向定点沉积装置(3)、细纱卷绕装置(4)、导纱钩(7)和单针式静电纺丝机(6)，前胶辊(1)与前罗拉(8)形成前罗拉钳口，单针式静电纺丝机(6)设置在前罗拉钳口与导纱钩(7)之间，定向定点沉积装置(3)设置在单针式静电纺丝机(6)下方，第一块绝缘板(2)设置在前胶辊(1)的下方，导纱钩(7)与细纱卷绕装置(4)连接；其中定向定点沉积装置(3)由第二块绝缘板(9)、第三块绝缘板(11)、第四块绝缘板(12)和金属铜薄片(10)组成，第二块绝缘板(9)设置在前罗拉(8)下方，第四块绝缘板(12)与前罗拉钳口、导纱钩(7)位于同一平面。
2.按照权利要求1所述的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置，其特征在于，所述定向定点沉积装置(3)设置在纺纱三角区域，纺纱三角区的中线位置具有狭缝槽，狭缝槽中插有金属铜薄片(10)。
3.按照权利要求1所述的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的装置，其特征在于，所述金属铜薄片(10)的厚度为0.1-0.5mm；金属铜薄片(10)为尖端铜薄片。
4.一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，具体步骤如下：
(1)将高聚物和功能性试剂溶于溶剂中，搅拌，得到功能性纺丝液，其中纺丝液中高聚物的浓度为6-15wt％，纺丝液中功能性试剂的浓度为0.1-5wt％；
(2)将短纤纺纱，得到粗纱(5)，将粗纱(5)喂入环锭细纱机中，牵伸，由前罗拉钳口输出，在定向定点沉积装置(3)上形成纺纱三角区；
(3)将步骤(1)中的功能性纺丝液放入单针式静电纺丝机(6)中静电纺丝，得到功能性纳米纤维，在定向定点沉积装置(3)的尖端诱导下，沉积在步骤(2)中纺纱三角区中线位置，加捻，卷绕，得到功能性纳米纤维/短纤包芯纱。
5.按照权利要求4所述的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，其特征在于，所述步骤(1)中高聚物为聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚氨酯或聚酰胺；功能性试剂为抗菌试剂、抗静电试剂或抗紫外试剂；溶剂为DMF或去离子水。
6.按照权利要求5所述的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，其特征在于，所述抗菌试剂为三氯生、壳聚糖或纳米银；抗紫外试剂为纳米氧化锌或二氧化硅。
7.按照权利要求4所述的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，其特征在于，所述步骤(2)中短纤为棉纤维、粘胶纤维或化纤短纤；纺纱的步骤包括：开松、梳理、精梳、并条和粗纱。
8.按照权利要求4所述的一种批量化环锭纺纳米纤维/短纤包芯纱的方法，其特征在于，所述步骤(3)中静电纺丝的工艺参数为：单针式静电纺丝机(6)中单针头针尖与须条的垂直距离为10-15cm，施加电压为8-15kv，纺丝速率为0.2-1mL/h，环境温度为20-25℃，环境湿度为40-65％。
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