CN108035027B - 一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及方法 - Google Patents

一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及方法，该装置为：梳理机(1)的一侧设置传送皮带(17)，在传送皮带(17)上设置静电纺丝装置(4)，在传送皮带(17)的另一侧设置喇叭口固定装置(6)，在喇叭口固定装置(6)上设置喇叭口(18)，在喇叭口固定装置(6)的另一侧设置条筒(7)；该方法包括：功能性纺丝液制备，功能性纳米纤维制备，纳米纤维/短纤网复合层制备，静电纺纳米纤维/短纤混纺纱制备。本发明装置加工简单，操作可行，制备得到的纳米纤维/短纤混纺纱具有较好的功能性和纳米纤维分布均匀性，显著提高了传统纺织品的档次和附加值，具有良好的产业化应用前景。

Description

一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及 方法
技术领域
本发明属于纺纱加工装置及方法领域，特别涉及一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及方法。
背景技术
近年来，随着国家经济的繁荣，国民生活水平的显著提高，功能性纺织品和纳米纺织品逐渐进入了大众的视野，并引起了消费者和技术开发人员的广泛关注和青睐。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，开拓了传统纺织品的适用场合和领域；而纳米纺织品广义上是指含有纳米材料的纺织品，其往往在不改变纺织品原有的物化性能的基础上，赋予其新的性能和效应。两者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。
作为一种能够快速、高效制备纳米纤维的途径，静电纺丝技术经过了数十年的发展，也逐渐由实验室的小规模生产发展到工业化批量生产的地步。由静电纺丝法制备的纳米纤维及纤维膜具有比表面积大、表面能高、孔隙率高等特性，被广泛用于过滤、生物医用、能源、催化、传感等领域，并取得了很好的应用效果。
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，旨在制备纳微纤维包缠短纤纱。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，普遍存在着细纱机上的金属器件干扰引起的纳米纤维沉积紊乱、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普遍问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置及方法，该装置加工简单，操作可行，制备得到的纳米纤维/短纤混纺纱具有较好的功能性和纳米纤维分布均匀性，显著提高了传统纺织品的档次和附加值，具有良好的产业化应用前景。
本发明的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置，在梳理机的一侧设置传送皮带，在传送皮带上设置静电纺丝装置，在传送皮带的另一侧设置喇叭口固定装置，在喇叭口固定装置上设置喇叭口，在喇叭口固定装置的另一侧设置条筒；其中静电纺丝装置内设有悬挂式向下纺丝喷头。
所述梳理机包括给棉罗拉、道夫、锡林、盖板和纤网输出辊，纤网输出辊的钳口与传送皮带位于同一水平线。
所述悬挂式向下纺丝喷头为积极式狭缝控液器，包括实心圆柱体、空心圆柱体和圆台喷头，其中实心圆柱体和空心圆柱体串套组成供液通道，实心圆柱体和空心圆柱体下端连接圆台喷头。
所述圆台喷头包括外层金属、内层金属和边缘带有微沟槽的钢丝圈，外层金属与内层金属的间隙为0.2-1mm，边缘带有微沟槽的钢丝圈设置在外层金属和内层金属之间，与压力泵配合用于精准控制液体流量和流速，射流由狭缝处的内外金属边缘在高压电场下引发的电荷集聚效应产生。
所述静电纺丝装置为悬挂式自上往下纺丝装置；传送皮带是接地的；传送皮带的长度为1.5-3m。
本发明的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，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，其中功能性纺丝液中高聚物的浓度为6-15wt％，功能性纺丝液中功能性试剂的浓度为0.2-5wt％；
(2)将短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷由给棉罗拉喂入梳理机中，经过锡林、盖板和道夫梳理，由纤网输出辊输出，在传送皮带上形成短纤网；
(3)将步骤(1)中功能性纺丝液加入到静电纺丝装置中进行悬挂式自上而下纺丝，得到功能性纳米纤维，并直接沉积到步骤(2)中短纤网的上表面，得到纳米纤维/短纤网复合层，经喇叭口集束汇聚成条，纺纱，得到功能性的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱。
所述步骤(1)中功能性试剂可根据所要赋予最终混纺纱的功能进行合理选择。
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、抗静电试剂或防紫外试剂；溶剂为DMF或去离子水。
所述抗菌试剂为三氯生、壳聚糖、纳米银等；防紫外试剂为纳米氧化锌、二氧化硅等。
所述步骤(2)中短纤为棉、粘胶或化纤短纤。
所述步骤(2)中短纤网的厚度可根据道夫的输出速度调节。
所述步骤(3)中悬挂式自上而下纺丝的工艺参数为：施加电压为40-65kv，悬挂式向下纺丝喷头与纤网间距为10-15cm，环境温度T为20-25℃，湿度RH为40-65％。
所述步骤(3)中静电纺丝装置与接地的传送皮带形成静电纺丝区，高压静电作用下，纺丝喷头与传送皮带间形成纳米纤维。
所述步骤(3)中纺纱的工艺包括：并条(1-2道)、粗纱和细纱。
所述步骤(3)中功能性的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱的支数可以通过设置纺纱的工艺参数进行合理调节。
本发明利用一种自上而下纺丝的悬挂式静电纺丝装置制备纳米纤维，让其直接沉积在纤网表面，形成纳米纤维/短纤网复合层，经并条、粗纱和细纱工序制备出功能性纳米纤维/短纤混纺纱，不仅装置简单，容易改造，而且纳米纤维在纱体中分布较为均匀。
有益效果
本发明装置加工简单，操作可行，制备得到的纳米纤维/短纤混纺纱具有较好的功能及耐久性和纳米纤维分布均匀性，显著提高了传统纺织品的档次和附加值，具有良好的产业化应用前景。
附图说明
图1是本发明制备功能性的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱的工艺流程图；
图2是本发明装置的整体示意图；
图3是本发明纺丝喷头(a)和圆台喷头(b)的结构示意图；
图4是实施例2中纳米纤维/短纤网复合层的光学显微图；
图5是实施例2中静电纺纳米纤维/短纤混纺纱的扫描电镜图。
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静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置，在梳理机1的一侧设置传送皮带17，在传送皮带17上设置静电纺丝装置4，在传送皮带17的另一侧设置喇叭口固定装置6，在喇叭口固定装置6上设置喇叭口18，在喇叭口固定装置6的另一侧设置条筒7；其中静电纺丝装置4内设有悬挂式向下纺丝喷头3。
所述梳理机1包括给棉罗拉19、道夫8、锡林15、盖板16和纤网输出辊20，纤网输出辊20的钳口与传送皮带17位于同一水平线。
所述悬挂式向下纺丝喷头3为积极式狭缝控液器，包括实心圆柱体9、空心圆柱体10和圆台喷头11，其中实心圆柱体9和空心圆柱体10串套组成供液通道，实心圆柱体9和空心圆柱体10下端连接圆台喷头11。
所述圆台喷头11包括外层金属12、内层金属13和边缘带有微沟槽的钢丝圈14，外层金属12与内层金属13的间隙为0.2-1mm，边缘带有微沟槽的钢丝圈14设置在外层金属12和内层金属13之间。
所述静电纺丝装置4为悬挂式自上往下纺丝装置；传送皮带17是接地的；传送皮带17的长度为1.5-3m。
实施例2
本实施例提供了一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，具体步骤如下：
(1)将10g聚丙烯腈(分子量为78000)溶解于85g DMF中，加入5g三氯生抗菌剂，在磁力搅拌器中搅拌均匀，得到抗菌剂浓度为5wt％、聚丙烯腈浓度为10wt％的均匀纺丝液。
(2)将棉短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷由给棉罗拉19喂入梳理机1中，经过锡林15、盖板16和道夫8梳理，由纤网输出辊20输出，在传送皮带17上形成短纤网2。
(3)将步骤(1)中纺丝液加入到静电纺丝装置4中进行悬挂式自上而下纺丝，施加电压为60kv，悬挂式向下纺丝喷头3与短纤网2的间距为10cm，环境温度为25℃，环境湿度为60％，得到功能性纳米纤维，并直接沉积到步骤(2)中短纤网2的上表面，得到纳米纤维/短纤网复合层5，经喇叭口18集束汇聚成条，条子经并条(1-2道)、粗纱、细纱工序，得到具有抗菌耐久性的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱。
图4表明：静电纺纳米纤维与棉网复合较好，且纳米纤维含量较多。
图5表明：在本实施例制备的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱中，纳米纤维的分布量较多，并且许多抗菌纳米纤维被夹杂在纱体内部，可以保证在长期的使用过程中不被破坏或脱落，从而赋予了纱线优异的抗菌耐久性。
实施例3
本实施例提供了一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，具体步骤如下：
(1)将10g聚丙烯腈(分子量为78000)溶解于89.5g DMF中，加入0.5g纳米氧化锌，在磁力搅拌器中搅拌均匀，得到纳米氧化锌浓度为0.5wt％、聚丙烯腈浓度为10wt％的均匀纺丝液。
(2)将粘胶短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷由给棉罗拉19喂入梳理机1中，经过锡林15、盖板16和道夫8梳理，由纤网输出辊20输出，在传送皮带17上形成短纤网2。
(3)将步骤(1)中纺丝液加入到静电纺丝装置4中进行悬挂式自上而下纺丝，施加电压为60kv，悬挂式向下纺丝喷头3与短纤网2的间距为10cm，环境温度为25℃，环境湿度为60％，得到功能性纳米纤维，并直接沉积到步骤(2)中短纤网2的上表面，得到纳米纤维/短纤网复合层5，经喇叭口18集束汇聚成条，条子经并条(1-2道)、粗纱、细纱工序，得到具有抗紫外耐久性的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱。

Claims (8)

1.一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置，其特征在于，在梳理机(1)的一侧设置传送皮带(17)，在传送皮带(17)上设置静电纺丝装置(4)，在传送皮带(17)的另一侧设置喇叭口固定装置(6)，在喇叭口固定装置(6)上设置喇叭口(18)，在喇叭口固定装置(6)的另一侧设置条筒(7)；其中静电纺丝装置(4)内设有悬挂式向下纺丝喷头(3)；所述悬挂式向下纺丝喷头(3)为积极式狭缝控液器，包括实心圆柱体(9)、空心圆柱体(10)和圆台喷头(11)，其中实心圆柱体(9)和空心圆柱体(10)串套组成供液通道，实心圆柱体(9)和空心圆柱体(10)下端连接圆台喷头(11)；所述圆台喷头(11)包括外层金属(12)、内层金属(13)和边缘带有微沟槽的钢丝圈(14)，外层金属(12)与内层金属(13)的间隙为0.2-1mm，边缘带有微沟槽的钢丝圈(14)设置在外层金属(12)和内层金属(13)之间。
2.按照权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置，其特征在于，所述梳理机(1)包括给棉罗拉(19)、道夫(8)、锡林(15)、盖板(16)和纤网输出辊(20)，纤网输出辊(20)的钳口与传送皮带(17)位于同一水平线。
3.按照权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的装置，其特征在于，所述静电纺丝装置(4)为悬挂式自上往下纺丝装置；传送皮带(17)是接地的；传送皮带(17)的长度为1.5-3m。
4.一种利用权利要求1所述装置静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，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，其中功能性纺丝液中高聚物的浓度为6-15wt％，功能性纺丝液中功能性试剂的浓度为0.2-5wt％；
(2)将短纤配棉，开清棉，得到纤维卷，将纤维卷由给棉罗拉(19)喂入梳理机(1)中，经过锡林(15)、盖板(16)和道夫(8)梳理，由纤网输出辊(20)输出，在传送皮带(17)上形成短纤网(2)；
(3)将步骤(1)中功能性纺丝液加入到静电纺丝装置(4)中进行悬挂式自上而下纺丝，得到功能性纳米纤维，并直接沉积到步骤(2)中短纤网(2)的上表面，得到纳米纤维/短纤网复合层(5)，经喇叭口(18)集束汇聚成条，纺纱，得到功能性的静电纺纳米纤维/短纤混纺纱。
5.按照权利要求4所述的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，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4所述的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，其特征在于，所述步骤(2)中短纤为棉或化纤短纤，所述化纤短纤为粘胶。
7.按照权利要求4所述的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，其特征在于，所述步骤(3)中悬挂式自上而下纺丝的工艺参数为：施加电压为40-65kv，悬挂式向下纺丝喷头(3)与短纤网(2)的间距为10-15cm，环境温度为20-25℃，环境湿度为40-65％。
8.按照权利要求4所述的一种静电纺纳米纤维复合短纤网批量化制备混纺纱的方法，其特征在于，所述步骤(3)中纺纱的工艺包括：并条、粗纱和细纱。
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