CN108796682A - 一种连续高效增强纳米纤维成纱的装置及纺纱方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纺织加工技术领域，旨在提供一种连续高效增强纳米纤维成纱的装置及纺纱方法。包括：垂直安装的电机，其底部的转轴通过联轴器连接喷丝器；沿喷丝器的周向均匀布置多个喷丝孔；从固定纱筒上引出收集纱后，依次经过加捻器和解捻器后经卷绕罗拉卷绕成筒；导电板平行设于加捻器和解捻器之间的收集纱下方，并与电机转轴保持垂直；导电板通过电缆接至静电发生器的负极；金属材质的喷丝器通过电缆接至静电发生器的正极，使喷丝器和喷丝孔具有导电性；所述收集纱经过粗糙改性与赋加电荷处理。本发明中纳米纤维采用静电离心纺丝方法获得，制备效率高；纺丝原料可溶可熔，同时对纺丝液导电性要求不高，具有更多的选择性，纳米纤维纱线产量高。

Description

一种连续高效增强纳米纤维成纱的装置及纺纱方法

技术领域

本发明属于纺织加工技术领域，具体涉及一种利用静电离心纺连续高效增强纳米纤维成纱的装置及纺纱方法。

背景技术

由于纳米纤维的尺寸效应赋予其特殊的性能，使之能够应用在生物医疗、能源材料、过滤材料和传感器等领域，受到了广泛关注。如果能够将纳米纤维进一步加工成能够满足现代纺织加工的纱线，从而加工出各类功能性织物和面料，必然会突破传统纺织品性能并大大提高产品附加值。

目前，纳米纤维的主要制备方法包括化学法、相分离法、自组装法和纺丝加工法。纺丝加工法被认为是最具前景的加工方法，一般包括静电纺丝法、双组份复合纺丝法、熔喷法、离心纺丝法和静电离心纺丝法。到目前为止，绝大多数纺丝加工方法制备的纳米纤维以非织造膜材料即无纺布形式收集，从力学性能上来讲，纳米纤维绝对强力差，无法满足较高机械强度下的应用场合，限制了纳米纤维产品形式以及应用范围。从传统纺织加工角度出发，纤维经过加捻和纤维集束可以大大提高产品力学性能。因此，纳米纤维纱线是纳米纤维应用领域中最重要的研究发展方向。目前，纳米纤维纱线的研究仍处于起步阶段，纳米纤维纱线的生产效率有待提高、连续生产的稳定性存在问题，纱线品质较差，无法与成熟的传统纺织品有等同应用。因此，如何保证纳米纤维成纱过程的连续稳定与生产效率，并同时调控纱线结构是纳米纤维能够广泛应用的最终方向。

目前，已有一些纳米纤维成纱的报道，这些方法中多数以静电纺为基础。中国专利CN103088478A公开了“一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法”，实现了纤维取向和连续制备。美国专利US6106913A中公开了一种利用气流沉积法将纳米纤维引导到长丝上，经过卷绕形成纳米纤维包芯纱。Dalton[Dalton PD，Polymer，2005，46，611-614]中公开了一种在静电纺丝过程中增加双圆碟装置收集到了取向的纳米纤维纱线，但是纱线长度太短。中国专利CN106868675A中公开了“一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置”得到了形貌较好的纳米纤维包芯纱。中国专利CN101418472A中公开了一种“蜘蛛丝蛋白/聚乳酸复合纳米纤维纱及其制备方法”，利用静态水凝固浴收集取向纳米纤维纱，但是纱线加捻不易控制。这些技术方案均达到了一定的效果，但是由于其本质上均采用了静电纺丝制备纳米纤维，无法避免静电纺过程中出现的射流劈裂和鞭动不稳定现象，这会导致成纱过程出现波动从而影响纱线品质，同时也存在产率较低的客观因素，难以适应工业化生产。中国专利CN105887223A中公开了“一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法”，利用该方法制备纳米纤维纱线的产量很高，然而纤维较粗，并且由于其采用极高的转速，喷丝器周围气流场波动剧烈，纤维形貌较差，同时也影响纱线品质，成纱过程不稳定。

静电离心纺结合了离心纺和静电纺的优势，既可以采用溶剂法制备纺丝液也可以熔融纺，同时对纺丝液的导电性能要求没有静电纺中高。由于离心力和静电场力的双重拉伸作用，纤维内取向度高，纱线中纤维亦有高度取向排列，且产量很高，纤维品质亦优于离心纺，这种优势在有喷嘴静电离心纺中的体现尤其明显。中国专利CN103409861A公开了“一种离心静电纺纳米捻线高速制备装置及工艺”，制备出了取向可控产量较高的纳米捻线，其实施例中指出电压采用60kV，即其本质仍是静电纺，其离心旋转伞主要起到供料作用，并且无喷嘴的熔融离心过程，射流并丝粘连情况严重，拉伸不充足，纤维形貌较差直径较粗，采用极高的电压存在很大的安全隐患。

花式纱与变形纱是目前纺织纱线加工中的主流方向。到目前为止，未见有一步法生产花式纳米纤维纱或纳米纤维变形纱的报道。由于静电纺丝的过程存在劈裂现象和鞭动不稳定性，同时也存在电场分布不均的现象，利用静电纺丝法制备纳米纤维纱线的成纱过程也会出现不稳定性，这种不稳定性可能导致连续生产中断等问题，电压的改变对静电纺中射流轨迹影响很大，所以静电纺不适合一步法生产花式纳米纤维纱。离心纺丝采用极高的转速，过程较为剧烈，气流场波动大，影响纤维品质，成纱过程较难控制，亦不适合生产花式纳米纤维纱。

本发明中采用较低的转速和低于静电纺中成纤的临界电压，成纱过程稳定，操作安全。电压的改变对纤维运行轨迹影响很弱，这就保证了收集纱与纳米纤维始终能够保持几乎相同的角度，使成纱过程能够稳定连续进行。同时，通过调节电压，本发明可以在线生产花式纳米纤维纱或纳米纤维变形纱，且不影响成纱过程稳定性，这是其他任何制备纳米纤维纱线的方案中均未达到的技术效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种连续高效增强纳米纤维成纱的装置及纺纱方法。本发明解决现有技术中纳米纤维纱线连续生产稳定性差，且无法在线调控纤维形貌的问题。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

提供一种连续高效增强纳米纤维成纱的装置，包括成纤装置和成纱装置；所述成纤装置包括垂直安装的电机，电机底部的转轴通过联轴器连接喷丝器，并能带动喷丝器绕轴旋转；沿喷丝器的周向均匀布置多个喷丝孔，喷丝器的内部空腔通过供料管依次连接蠕动泵和储料槽；

所述成纱装置包括加捻器和解捻器，从固定的纱筒上引出收集纱后，依次经过加捻器和解捻器后经卷绕罗拉卷绕成筒；导电板平行设于加捻器和解捻器之间的收集纱下方，并与电机转轴保持垂直；

导电板通过电缆接至静电发生器的负极；金属材质的喷丝器通过电缆接至静电发生器的正极，使喷丝器和喷丝孔具有导电性(导电性由金属喷丝器、导电连接件或导电涂层提供)；所述收集纱经过粗糙改性与赋加电荷处理。

本发明中，所述联轴器包括圆柱状的弹性件和绝缘件；弹性件的顶部固定安装在电机转轴的末端，其底部通过连接件接至绝缘件的顶部；绝缘件的底部通过连接件固定接至喷丝器的顶部。

本发明中，所述成纱装置有若干组，各组中加捻器和解捻器分别位于所述导电板的两侧；每根收集纱均平行布置在导电板的上方，彼此保持相同间距且相互平行。

本发明中，所述导电板是矩形的导电板。

本发明中，导电板与喷丝器之间的间距可调，调节范围为8～20cm；导电板与收集纱之间的间距是1-5cm。

本发明进一步提供了利用前述装置实现连续高效增强纳米纤维成纱的纺纱方法，包括以下步骤：

(1)启动蠕动泵，由储料槽向喷丝器的内部空腔连续充注纺丝液(流量可调节)；

(2)启动静电发生器，使喷丝器和导电板之间形成静电场(电压可调节)；

(3)启动电机并控制转速为1000-5000rpm/min，使纺丝液从喷丝器的喷丝孔喷出，纺丝液细流在离心力与静电场力的共同作用下形成纳米纤维；

(4)启动成纱装置，向加捻器连续喂入收集纱进行加捻；带有捻度的收集纱持续运动后经过解捻器反向解捻，在此过程中位于导电板上方的纳米纤维下落并粘附在收集纱上，持续的解捻过程使得收集纱捻度消失而纳米纤维出现加捻，最后由卷绕装置卷绕成纱筒。

本发明中，所述收集纱是经过粗糙改性与赋加电荷处理的长丝纱。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中纳米纤维采用静电离心纺丝方法获得，制备效率高；纺丝原料可溶可熔，同时对纺丝液导电性要求不高，可纺纤维原料具有更多的选择性；

(2)本发明中可采用较低的转速和电压，安全性更高；

(3)本发明中可以在线调控纤维结构与纤维直径并且不影响成纱过程也不会损坏成纱品质，为生产花式纳米纤维纱或纳米纤维变形纱提供了新的方法；

(4)本发明中纳米纤维纱线产量高，成纱过程连续稳定性好，且纱线中纤维取向良好，保证成纱的连续稳定是纳米纤维纱线高效制备的关键。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明联轴器主视图；

图3是图2中A-A向的剖视图。

附图标记说明：静电发生器1、电机2、联轴器3、蠕动泵4、储料槽5、喷丝器6、纳米纤维7、收集纱8、解捻器9、导电板10、加捻器11、电机转轴12、弹性件13、绝缘件14。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。需指出的是，这些实施例仅用于说明本发明，便于本领域的技术人员进一步理解本发明的技术构思及特点，而不用于限制本发明的范围。应当指出的是，对本领域技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明作出各种改动或修改，这些等价形式同样属于本发明所附权利要求书所限定的范围。

如图1和2所示，连续高效增强纳米纤维成纱的装置包括成纤装置和成纱装置。其中，成纤装置包括垂直安装的电机2，电机2底部的电机转轴12通过联轴器4连接喷丝器6，并能带动喷丝器6绕轴旋转；沿喷丝器6的周向均匀布置多个喷丝孔，喷丝器6的内部空腔通过供料管依次连接蠕动泵3和储料槽5；成纱装置包括加捻器11和解捻器9，收集纱8的纱筒固定后，引出收集纱并依次经过加捻器11和解捻器9后经卷绕罗拉卷绕成筒；矩形的导电板10平行设于加捻器11和解捻器9之间的收集纱8下方，并与电机转轴12保持垂直；成纱装置有若干组，各组中加捻器11和解捻器9分别位于导电板10的两侧；每根收集纱8均平行布置在导电板10的上方，彼此保持相同间距且相互平行。导电板10通过电缆接至静电发生器1(运行电压范围2-10kV)的负极；金属材质的喷丝器6通过电缆接至静电发生器1的正极，使喷丝器6和喷丝孔具有导电性；所述收集纱8经过粗糙改性与赋加电荷处理。导电板10与喷丝器6之间的间距可调，调节范围为8-20cm；导电板10与收集纱8之间的间距是1-5cm。

如图2、3所示，联轴器3包括圆柱状的弹性件13和绝缘件14；弹性件13的顶部固定安装在电机转轴12的末端，其底部通过连接件接至绝缘件14的顶部；绝缘件14的底部通过连接件固定接至喷丝器6的顶部。该设计的目的是减少喷丝器6旋转过程的震动提高纺丝稳定性，同时与电机2绝缘。

利用前述装置实现连续高效增强纳米纤维成纱的纺纱方法，包括以下步骤：

(1)启动蠕动泵4，由储料槽5向喷丝器6的内部空腔连续充注纺丝液(流量可调节)；

(2)启动静电发生器1，使喷丝器6和导电板10之间形成静电场(电压可调节)；

(3)启动电机2并控制转速为1000-5000rpm/min，使纺丝液从喷丝器6的喷丝孔喷出，纺丝液细流在离心力与静电场力的共同作用下形成纳米纤维7(纤维形貌可在线调控且成纱过程不受影响)；

(4)启动成纱装置，向加捻器11连续喂入收集纱8(经过粗糙改性与赋加电荷处理的长丝纱)进行加捻；带有捻度的收集纱8持续运动后经过解捻器9反向解捻，在此过程中位于导电板10上方的纳米纤维7下落并粘附在收集纱8上，持续的解捻过程使得收集纱捻度消失而纳米纤维出现加捻，最后由卷绕装置卷绕成纱筒。

具体实施例：

采用乙基纤维素与乙醇/水溶液所配制的纺丝液进行纺纱。通过蠕动泵3将浓度为20％的纺丝液注入到喷丝器6中，喷丝器6与静电发生器1正极连接，设置喷丝器6的喷丝孔与导电矩形板10之间的距离为8cm，打开静电发生器，设置电压为6kV，启动电机2，设置转速为2500rpm，当纳米纤维7出现在导电板10上时，启动成纱装置，收集纱8经过加捻器11带有一定捻度后，在导电板10上方与纳米纤维7发生接触，收集纱8在解捻器9作用下开始解捻，收集纱8的解捻过程会使与其发生接触的纳米纤维7不断加捻，收集纱8带有相反电荷增加纳米纤维与收集纱的抱合程度，启动卷绕电机，设置转速为100rpm，连续收集纳米纤维纱线。

Claims (7)

1.一种连续高效增强纳米纤维成纱的装置，包括成纤装置和成纱装置；其特征在于，所述成纤装置包括垂直安装的电机，电机底部的转轴通过联轴器连接喷丝器，并能带动喷丝器绕轴旋转；沿喷丝器的周向均匀布置多个喷丝孔，喷丝器的内部空腔通过供料管依次连接蠕动泵和储料槽；

所述成纱装置包括加捻器和解捻器，从固定纱筒上引出收集纱后，依次经过加捻器和解捻器后经卷绕罗拉卷绕成筒；导电板平行设于加捻器和解捻器之间的收集纱下方，并与电机转轴保持垂直；

导电板通过电缆接至静电发生器的负极；金属材质的喷丝器通过电缆接至静电发生器的正极，使喷丝器和喷丝孔具有导电性；所述收集纱经过粗糙改性与赋加电荷处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述联轴器包括圆柱状的弹性件和绝缘件；弹性件的顶部固定安装在电机转轴的末端，其底部通过连接件接至绝缘件的顶部；绝缘件的底部通过连接件固定接至喷丝器的顶部。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成纱装置有若干组，各组中加捻器和解捻器分别位于所述导电板的两侧；每根收集纱均平行布置在导电板的上方，彼此保持相同间距且相互平行。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电板是矩形的导电板。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，导电板与喷丝器之间的间距可调，调节范围为8～20cm；导电板与收集纱之间的间距是1-5cm。

6.利用权利要求1所述装置实现连续高效增强纳米纤维成纱的纺纱方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)启动蠕动泵，由储料槽向喷丝器的内部空腔连续充注纺丝液；

(2)启动静电发生器，使喷丝器和导电板之间形成静电场；

(3)启动电机并控制转速为1000-5000rpm/min，使纺丝液从喷丝器的喷丝孔喷出，纺丝液细流在离心力与静电场力的共同作用下形成纳米纤维；

(4)启动成纱装置，向加捻器连续喂入收集纱进行加捻；带有捻度的收集纱持续运动后经过解捻器反向解捻，在此过程中位于导电板上方的纳米纤维下落并粘附在收集纱上，持续的解捻过程使得收集纱捻度消失而纳米纤维出现加捻，最后由卷绕装置卷绕成纱筒。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述收集纱是经过粗糙改性与赋加电荷处理的长丝纱。