CN108642636B - 批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置及其使用方法。所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，包括宏量无针式静电纺丝系统，和纳米纤维包覆纱成纱及收集系统；所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统包括表面设有沟槽的沟槽型圆柱滚筒，用于将芯纱引入沟槽型圆柱滚筒的沟槽中的芯纱引纱装置，以及用于将纳米纤维包覆纱加捻卷绕的加捻卷绕装置；所述的宏量无针式静电纺丝系统用于静电纺丝以在沟槽型圆柱滚筒上形成用来包覆芯纱的纳米纤维。本发明可实现纳米纤维包覆纱的产业化生产，在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。

Description

批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置及其使用方法

技术领域

本发明属于纳米纤维包覆纱和纺织机械技术领域，特别涉及一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置及其使用方法。

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。

当前纳米纱线批量化制备国内外也有一些报道。中国专利ZL 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ZL 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ZL 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。

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。纳米纤维包覆纱是在传统纺织纱线或长丝表面包覆一层一定厚度的纳米纤维再施加一定捻度成纱，这种新型结构纱比纯纺纳米纤维纱线的强度更高同时兼具纳米纤维的优异特性，但目前鲜有纳米纤维包覆纱的报道。发明人的中国专利ZL 201710548534.1公开了一种批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置，利用螺旋沟槽型滚筒批量化生产高支化纳米纤维纱线，这种装置大幅提高了纯纳米纤维纱线的生产速度，但无法实现纳米纤维包覆纱的生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置及其使用方法，解决目前纯纺纳米纤维纱线强度低、纳米纤维包覆纱产量低、纳米纤维包覆纱结构不可控等问题，实现可控纳米纤维包覆纱的批量化生产。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，包括宏量无针式静电纺丝系统，和纳米纤维包覆纱成纱及收集系统；所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统包括表面设有沟槽的沟槽型圆柱滚筒，用于将芯纱引入沟槽型圆柱滚筒的沟槽中的芯纱引纱装置，以及用于将纳米纤维包覆纱加捻卷绕的加捻卷绕装置；所述的宏量无针式静电纺丝系统用于静电纺丝以在沟槽型圆柱滚筒上形成用来包覆芯纱的纳米纤维。

优选地，所述的宏量无针式静电纺丝系统是多组纳米纤维落点可控的批量化静电纺丝装置。

更优选地，所述的多组静电纺丝装置安装在横移导轨座上，每组包括供液装置、电纺喷头、电场控制金属环，供液装置连接电纺喷头，所述电纺喷头周围安装有高度可调的电场控制金属环，电场控制金属环与高压发生器正极相连，供液装置直接将纺丝液供至电纺喷头，横移导轨座连接用于控制横移导轨座及静电纺丝装置横移的导轨横移运动电机。

更优选地，所述电纺喷头包括圆柱形座，电场控制金属环固定在圆柱形座的顶部，为圆环状结构，材质为金属铜材料，直径是50mm-300mm，包括套在圆柱形座外的部分和高出圆柱形座的部分，套在圆柱形座外的部分壁厚均匀为1mm-20mm高度为50mm-200mm。高出圆柱座的部分的纵截面为三角形，壁厚从1mm-20mm收窄到三角形上顶点0，且向外有一定倾角0°-80°，高度为10mm-20mm。

更优选地，所述的电场控制金属环与高压发生器正极相连，高压发生器电压调节范围为0-120kv。

优选地，所述的芯纱引纱装置包括芯纱筒、芯纱导纱架、张力控制盘、引纱杆、引纱器，所述芯纱筒储有须条、长丝或纱线作为芯纱；所述须条、长丝或纱线经过芯纱导纱架进入张力控制盘；所述张力控制盘可对须条、纱线或长丝的张力和扭矩进行补偿；所述引纱器安装在引纱杆上，可在引纱杆上运动，将芯纱引入沟槽形圆柱滚筒沟槽中。

优选地，所述的沟槽型圆柱滚筒材质为不锈钢。

优选地，所述的沟槽为螺旋沟槽，沟槽壁分布有直径0-5mm的孔，沟槽型圆柱滚筒内部可形成一定负压吸风。

优选地，所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统还包括设于沟槽型圆柱滚筒的沟槽中，用于保证相邻纳米纤维束之间不发生粘结的剥离斩刀，所述的剥离斩刀安装在斩刀架上，剥离斩刀随沟槽型圆柱滚筒的沟槽转动移动。

更优选地，所述剥离斩刀为stellite合金化纤切断刀。

优选地，所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统还包括设于沟槽型圆柱滚筒与加捻卷绕装置之间的喂入罗拉和牵伸罗拉。

更优选地，所述的牵伸罗拉为四罗拉双短圈牵伸装置，牵伸倍数为1-2倍。

优选地，所述的电纺喷头为向上喷丝的无针式静电纺丝喷头，成组安装在沟槽型滚筒下方的导轨座上，各电纺喷头之间的间距为20mm-1000mm。所述导轨座可带动喷头组来回横移，横移速度为0-3m/s。

优选地，所述沟槽型圆柱滚筒直径为200mm-1500mm，长度为1m-30m。

优选地，所述螺旋沟槽形滚筒接地。

优选地，所述沟槽型圆柱滚筒表面刻有截面为三角形或圆弧形螺旋沟槽，螺旋沟槽的螺距为2mm-20mm，截面三角或圆弧底1.5mm-15mm，高1mm-10mm。

优选地，所述加捻卷绕装置包括导纱杆、钢丝圈、钢领、锭子和纱筒，纱筒设于锭子上，钢丝圈套在纱筒外，钢领设于钢丝圈上。

更优选地，所述锭子转速为80-5000r/min。

优选地，所述沟槽型圆柱滚筒由转速可控的控制电机驱动，控制电机转速为0r/min-200r/min。

本发明还提供了上述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置的使用方法，其特征在于，包括：

步骤1：选择无针式静电纺丝喷头安装在横移导轨座上，选择喷头个数并设定各喷头间距；在各个无针式静电纺丝喷头上选择和安装电场控制金属环并设置电场控制金属环与喷头的相对高度，并将各电场控制金属环用耐超高压电线相连，同时设置喷头和沟槽型圆柱滚筒之间的距离；

步骤2：将纺丝液加入供液装置，连接喷头与供液装置，将高压发生器正极与电场控制金属环相连，打开沟槽型圆柱滚筒的控制电机并设置转速；打开导轨横移运动电机并设置横移速度，使喷头在沟槽型圆柱滚筒区域左右往复横移；

步骤3：打开供液装置的开关并设置供液速度；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喷头表面；经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤4：调节张力盘的预加张力，引纱器将芯纱从沟槽型圆柱滚筒一端引入至沟槽型圆柱滚筒的沟槽中；引纱器沿引纱杆运动至芯纱完全引入沟槽并固定芯纱起末点；

步骤5：依次打开高压发生器、供液装置的开关、沟槽型圆柱滚筒的控制电机并设置纺丝电压，大量高聚物射流出现在喷头表面；经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤6：将沟槽型圆柱滚筒上的包覆有纳米纤维的芯纱牵引至喂入罗拉，经牵伸罗拉、导纱杆、钢领至纱筒；转动锭子并设置转速，同时打开沟槽型圆柱滚筒的控制电机设置转动方向和转速；当一纱筒纳米纤维包覆纱收集完成后更换纱筒，连续进行；沟槽内所有包覆有纳米纤维的芯纱完成加捻成纱后，返回步骤2连续生产。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明涉及一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置及其使用方法。本发明的有益效果在于在螺旋沟槽形滚筒中引入芯纱生产纳米纤维包覆纱大幅提高了纳米纤维包覆纱生产速度，易于调控纳米纤维包覆层厚度，简单易行，操作方便，可实现纳米纤维包覆纱的产业化生产，该技术简单易行，在能源、过滤、生物、医疗领域应用极具潜力。

附图说明

图1一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置示意图

图2一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱装置静电纺丝部分示意图

图3一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱装置斩刀部分示意图

图4一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱装置螺旋沟槽壁孔示意图

图5一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱装置静电纺丝装置相对距离示意图

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

如图1所示，一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，包括宏量无针式静电纺丝系统，和纳米纤维包覆纱成纱及收集系统。

所述的宏量无针式静电纺丝系统是多组纳米纤维落点可控的批量化静电纺丝装置。所述的多组静电纺丝装置安装在横移导轨座1上，每组静电纺丝装置包括供液装置24、电纺喷头21、电场控制金属环23，供液装置24连接电纺喷头21，所述电纺喷头21周围安装有高度可调的电场控制金属环23，电场控制金属环23与高压发生器22正极相连，供液装置24直接将纺丝液25供至电纺喷头21，横移导轨座1连接用于控制横移导轨座1及静电纺丝装置横移的导轨横移运动电机19。

如图2所示，所述电纺喷头21包括圆柱形座，电场控制金属环23固定在圆柱形座的顶部，为圆环状结构，材质为金属铜材料，直径是50mm-300mm，包括套在圆柱形座外的部分和高出圆柱形座的部分，套在圆柱形座外的部分壁厚均匀为1mm-20mm高度为50mm-200mm。高出圆柱座的部分的纵截面为三角形，壁厚从1mm-20mm收窄到三角形上顶点0，且向外有一定倾角0°-80°，高度为10mm-20mm。所述的电场控制金属环23与高压发生器22正极相连，高压发生器22电压调节范围为0-120kv。所述的电纺喷头21为向上喷丝的无针式静电纺丝喷头，成组安装在沟槽型滚筒18下方的导轨座1上，各电纺喷头21之间的间距为20mm-1000mm。所述导轨座1可带动喷头组来回横移，横移速度为0-3m/s。

所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统包括表面设有沟槽的沟槽型圆柱滚筒18，用于将芯纱引入沟槽型圆柱滚筒18的沟槽中的芯纱引纱装置，以及用于将纳米纤维包覆纱加捻卷绕的加捻卷绕装置；所述的宏量无针式静电纺丝系统用于静电纺丝以在沟槽型圆柱滚筒18上形成用来包覆芯纱的纳米纤维。

所述的芯纱引纱装置包括芯纱筒15、芯纱导纱架14、张力控制盘13、引纱杆17、引纱器12，所述芯纱筒15储有须条、长丝或纱线16作为芯纱；所述须条、长丝或纱线经过芯纱导纱架14进入张力控制盘13；所述张力控制盘13可对须条、纱线或长丝16的张力和扭矩进行补偿；所述引纱器12安装在引纱杆17上，可在引纱杆17上运动，将芯纱引入沟槽形圆柱滚筒18的沟槽中。

所述沟槽型圆柱滚筒18直径为200mm-1500mm，长度为1m-30m。所述螺旋沟槽形滚筒18接地10。所述的沟槽型圆柱滚筒18的材质为不锈钢。沟槽型圆柱滚筒18表面刻有截面为三角形或圆弧形螺旋沟槽11，螺旋沟槽11的螺距为2mm-20mm，截面三角或圆弧底1.5mm-15mm，高1mm-10mm。如图4所示，沟槽壁分布有直径0-5mm的孔28，沟槽型圆柱滚筒18内部可形成一定负压吸风。所述沟槽型圆柱滚筒11由转速可控的控制电机19驱动，控制电机19转速为0r/min-200r/min。

如图3所示，所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统还包括设于沟槽型圆柱滚筒18的沟槽中，用于保证相邻纳米纤维束之间不发生粘结的剥离斩刀26，所述的剥离斩刀26安装在斩刀架27上，剥离斩刀26随沟槽型圆柱滚筒18的沟槽转动移动。所述剥离斩刀为stellite合金化纤切断刀。所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统还包括设于沟槽型圆柱滚筒18与加捻卷绕装置之间的喂入罗拉9和牵伸罗拉8。所述的牵伸罗拉8为四罗拉双短圈牵伸装置，牵伸倍数为1-2倍。

所述加捻卷绕装置包括导纱杆7、钢丝圈5、钢领6、锭子3和纱筒2，纱筒2设于锭子3上，钢丝圈5套在纱筒2外，钢领6设于钢丝圈5上。所述锭子3转速为80-5000r/min。

下面采用聚丙烯腈(PAN)(分子量为(86000))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10％。采用上述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置制备包覆纱：

步骤1：选择无针式静电纺丝喷头安装在横移导轨座1上，选择无针式静电纺丝喷头个数为8并设定各喷头间距为12cm；如图5所示，在各个无针式静电纺丝喷头的圆柱形座上选择和安装电场控制金属环23并设置电场控制金属环23与喷头的相对高度h为15mm，并将各电场控制金属环用耐超高压电线相连，同时设置喷头和沟槽型圆柱滚筒18之间的距离d为20cm；

步骤2：将纺丝液25加入供液装置24，连接喷头与供液装置24，将高压发生器22正极与电场控制金属环23相连，打开沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19并设置转速为100r/min；打开导轨横移运动电机并设置横移速度为0.5m/s，使喷头在沟槽型圆柱滚筒区域左右往复横移；

步骤3：打开供液装置24的开关并设置供液速度为60ml/h；打开高压发生器22开关并设置纺丝电压为55KV，大量高聚物射流20出现在喷头表面；经过设定的3min后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤4：调节张力盘13的预加张力，引纱器12将32支的棉芯纱从沟槽型圆柱滚筒18一端引入至沟槽型圆柱滚筒18的螺旋沟槽11中；引纱器12沿引纱杆17运动至芯纱完全引入螺旋沟槽11并固定芯纱起末点；

步骤5：依次打开高压发生器22、供液装置24的开关、沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19并设置纺丝电压为60KV，大量高聚物射流20出现在喷头表面；经过设定的3min后，依次关闭高压发生器22、供液装置24的开关和沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19；

步骤6：将沟槽型圆柱滚筒18上的包覆有PAN纳米纤维的棉芯纱牵引至喂入罗拉9，经牵伸罗拉8、导纱杆7、钢领6至纱筒2；转动锭子3并设置转速为1000r/min，同时打开沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19设置转动方向为相反方向，转速为1Or/min；当一纱筒纳米纤维包覆纱收集完成后更换纱筒2，连续进行；沟槽内所有包覆有纳米纤维的芯纱完成加捻成纱后，返回步骤2连续生产。

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纳米纤维。配制PAN高聚物溶液的质量分数为12％。采用实施例1的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置制备包覆纱：

步骤1：选择无针式静电纺丝喷头安装在横移导轨座1上，选择无针式静电纺丝喷头个数为8并设定各喷头间距为12cm；如图5所示，在各个无针式静电纺丝喷头的圆柱形座上选择和安装电场控制金属环23并设置电场控制金属环23与喷头的相对高度h为15mm，并将各电场控制金属环用耐超高压电线相连，同时设置喷头和沟槽型圆柱滚筒18之间的距离d为18cm；

步骤2：将纺丝液25加入供液装置24，连接喷头与供液装置24，将高压发生器22正极与电场控制金属环23相连，打开沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19并设置转速为110r/min；打开导轨横移运动电机并设置横移速度为0.6m/s，使喷头在沟槽型圆柱滚筒区域左右往复横移；

步骤3：打开供液装置24的开关并设置供液速度为60ml/h；打开高压发生器22开关并设置纺丝电压为55KV，大量高聚物射流20出现在喷头表面；经过设定的3min后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤4：调节张力盘13的预加张力，引纱器12将32支的棉芯纱从沟槽型圆柱滚筒18一端引入至沟槽型圆柱滚筒18的螺旋沟槽11中；引纱器12沿引纱杆17运动至芯纱完全引入螺旋沟槽11并固定芯纱起末点；

步骤5：依次打开高压发生器22、供液装置24的开关、沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19并设置纺丝电压为60KV，大量高聚物射流20出现在喷头表面；经过设定的3min后，依次关闭高压发生器22、供液装置24的开关和沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19；

步骤6：将沟槽型圆柱滚筒18上的包覆有PAN纳米纤维的棉芯纱牵引至喂入罗拉9，经牵伸罗拉8、导纱杆7、钢领6至纱筒2；转动锭子3并设置转速为1200r/min，同时打开沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19设置转动方向为相反方向，转速为15r/min；当一纱筒纳米纤维包覆纱收集完成后更换纱筒2，连续进行；沟槽内所有包覆有纳米纤维的芯纱完成加捻成纱后，返回步骤2连续生产。

实施例3

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10％。采用实施例1的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置制备包覆纱：

步骤1：选择无针式静电纺丝喷头安装在横移导轨座1上，选择无针式静电纺丝喷头个数为8并设定各喷头间距为12cm；如图5所示，在各个无针式静电纺丝喷头的圆柱形座上选择和安装电场控制金属环23并设置电场控制金属环23与喷头的相对高度h为15mm，并将各电场控制金属环用耐超高压电线相连，同时设置喷头和沟槽型圆柱滚筒18之间的距离d为20cm；

步骤2：将纺丝液25加入供液装置24，连接喷头与供液装置24，将高压发生器22正极与电场控制金属环23相连，打开沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19并设置转速为100r/min；打开导轨横移运动电机并设置横移速度为0.5m/s，使喷头在沟槽型圆柱滚筒区域左右往复横移；

步骤3：打开供液装置24的开关并设置供液速度为60ml/h；打开高压发生器22开关并设置纺丝电压为55KV，大量高聚物射流20出现在喷头表面；经过设定的1min后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤4：调节张力盘13的预加张力，引纱器12将500D涤纶长丝芯纱从沟槽型圆柱滚筒18一端引入至沟槽型圆柱滚筒18的螺旋沟槽11中；引纱器12沿引纱杆17运动至芯纱完全引入螺旋沟槽11并固定芯纱起末点；

步骤5：依次打开高压发生器22、供液装置24的开关、沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19并设置纺丝电压为60KV，大量高聚物射流20出现在喷头表面；经过设定的1min后，依次关闭高压发生器22、供液装置24的开关和沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19；

步骤6：将沟槽型圆柱滚筒18上的包覆有PAN纳米纤维的涤纶长丝芯纱牵引至喂入罗拉9，经牵伸罗拉8、导纱杆7、钢领6至纱筒2；转动锭子3并设置转速为1000r/min，同时打开沟槽型圆柱滚筒18的控制电机19设置转动方向为相反方向，转速为10r/min；当一纱筒纳米纤维包覆纱收集完成后更换纱筒2，连续进行；沟槽内所有包覆有纳米纤维的芯纱完成加捻成纱后，返回步骤2连续生产。

Claims (9)

1.一种批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，包括宏量无针式静电纺丝系统，和纳米纤维包覆纱成纱及收集系统；所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统包括表面设有沟槽的沟槽型圆柱滚筒，用于将芯纱引入沟槽型圆柱滚筒的沟槽中的芯纱引纱装置，以及用于将纳米纤维包覆纱加捻卷绕的加捻卷绕装置；所述的宏量无针式静电纺丝系统用于静电纺丝以在沟槽型圆柱滚筒上形成用来包覆芯纱的纳米纤维；所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置的使用方法，包括：

步骤1：选择无针式静电纺丝喷头安装在横移导轨座上，选择喷头个数并设定各喷头间距；在各个无针式静电纺丝喷头上选择和安装电场控制金属环并设置电场控制金属环与喷头的相对高度，并将各电场控制金属环用耐超高压电线相连，同时设置喷头和沟槽型圆柱滚筒之间的距离；

步骤2：将纺丝液加入供液装置，连接喷头与供液装置，将高压发生器正极与电场控制金属环相连，打开沟槽型圆柱滚筒的控制电机并设置转速；打开导轨横移运动电机并设置横移速度，使喷头在沟槽型圆柱滚筒区域左右往复横移；

步骤3：打开供液装置的开关并设置供液速度；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喷头表面；经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤4：调节张力盘的预加张力，引纱器将芯纱从沟槽型圆柱滚筒一端引入至沟槽型圆柱滚筒的沟槽中；引纱器沿引纱杆运动至芯纱完全引入沟槽并固定芯纱起末点；

步骤5：依次打开高压发生器、供液装置的开关、沟槽型圆柱滚筒的控制电机并设置纺丝电压，大量高聚物射流出现在喷头表面；经过设定的一段时间后，依次关闭高压发生器、供液装置的开关和沟槽型圆柱滚筒的控制电机；

步骤6：将沟槽型圆柱滚筒上的包覆有纳米纤维的芯纱牵引至喂入罗拉，经牵伸罗拉、导纱杆、钢领至纱筒；转动锭子并设置转速，同时打开沟槽型圆柱滚筒的控制电机设置转动方向和转速；当一纱筒纳米纤维包覆纱收集完成后更换纱筒，连续进行；沟槽内所有包覆有纳米纤维的芯纱完成加捻成纱后，返回步骤2连续生产。

2.如权利要求1所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述的宏量无针式静电纺丝系统是多组纳米纤维落点可控的批量化静电纺丝装置；所述的多组静电纺丝装置安装在横移导轨座上，每组包括供液装置、电纺喷头、电场控制金属环，供液装置连接电纺喷头，所述电纺喷头周围安装有高度可调的电场控制金属环，电场控制金属环与高压发生器正极相连，供液装置直接将纺丝液供至电纺喷头，横移导轨座连接用于控制横移导轨座及静电纺丝装置横移的导轨横移运动电机。

3.如权利要求2所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述电纺喷头包括圆柱形座，电场控制金属环固定在圆柱形座的顶部，为圆环状结构，材质为金属铜材料，直径是50mm-300mm，包括套在圆柱形座外的部分和高出圆柱形座的部分，套在圆柱形座外的部分壁厚均匀为1mm-20mm高度为50mm-200mm， 高出圆柱座的部分的纵截面为三角形，壁厚从1mm-20mm收窄到三角形上顶点0，且向外有一定倾角0°-80°，高度为10mm-20mm。

4.如权利要求2所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述的电场控制金属环与高压发生器正极相连，高压发生器电压调节范围为0-120kv。

5.如权利要求2所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述的芯纱引纱装置包括芯纱筒、芯纱导纱架、张力控制盘、引纱杆、引纱器，所述芯纱筒储有须条、长丝或纱线作为芯纱；所述须条、长丝或纱线经过芯纱导纱架进入张力控制盘；所述张力控制盘可对须条、纱线或长丝的张力和扭矩进行补偿；所述引纱器安装在引纱杆上，可在引纱杆上运动，将芯纱引入沟槽形圆柱滚筒沟槽中。

6.如权利要求5所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述的沟槽为螺旋沟槽，沟槽壁分布有直径0-5mm的孔，沟槽型圆柱滚筒内部可形成一定负压吸风。

7.如权利要求5所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统还包括设于沟槽型圆柱滚筒的沟槽中，用于保证相邻纳米纤维束之间不发生粘结的剥离斩刀，所述的剥离斩刀安装在斩刀架上，剥离斩刀随沟槽型圆柱滚筒的沟槽转动移动；所述的纳米纤维包覆纱成纱及收集系统还包括设于沟槽型圆柱滚筒与加捻卷绕装置之间的喂入罗拉和牵伸罗拉。

8.如权利要求7所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述加捻卷绕装置包括导纱杆、钢丝圈、钢领、锭子和纱筒，纱筒设于锭子上，钢丝圈套在纱筒外，钢领设于钢丝圈上。

9.如权利要求8所述的批量化可控结构纳米纤维包覆纱的制备装置，其特征在于，所述沟槽型圆柱滚筒由转速可控的控制电机驱动。

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