CN109137199B - 一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置及方法 - Google Patents

一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，包括退绕装置及卷绕装置，芯纱出退绕装置后被由上至下地送至卷绕装置，其特征在于，退绕装置与卷绕装置之间的区域沿芯纱的运动方向被分为N个纺纱区，N≥1，在每个纺纱区内设有至少一组接收装置及静电纺丝装置，芯纱经过至少N组接收装置后成为纳米纤维包芯纱并由卷绕装置收集。本发明的另一个技术方案是提供了一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备方法。本发明提供的装置利用金属喇叭和S形金属支架作为接收装置实现纳米纤维在芯纱表面的均匀、取向可控包覆，从而可进一步利用纺织加工技术制备具有纳米结构的织物。

Description

一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置及方法
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维的制备装置及方法，特别涉及一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置及方法，属于纳米纤维和复合纱线成型技术领域。
背景技术
纳米纤维，是指直径为纳米尺度而长度较长的线状材料。纳米纤维具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等纳米级材料所特有的属性，可广泛用于过滤材料、化学传感器、防护材料和生物医用材料等领域。静电纺丝技术是近年来制备纳米纤维的一种热门纺丝方法。静电纺丝，本质是高分子溶液或熔体的静电雾化。由于纺丝过程中带电射流运动轨迹的不可控性及接收装置处的静电斥力作用，传统静电纺收集到的纳米纤维集合体结构无序、取向度低，致使其强力低、加工困难，从而严重限制了其实际应用。因此，如何制得取向高、强力高、易于加工的纳米纤维成为近年来的研究热点。
为了提高纳米纤维的强力及可纺性，有研究尝试将纳米纤维与高强长丝结合，制备纳米纤维包芯纱。早期的纳米纤维包覆形式主要为对传统纱线或高强长丝进行纳米纤维涂层，纳米纤维排列紊乱无序。为了控制纳米纤维的取向，有研究利用旋转的金属圆盘、金属漏斗和金属喇叭等作为纳米纤维的接收装置，使纳米纤维桥接在接收装置与芯纱之间，并随接收装置的旋转包覆于芯纱表面，实现了纳米纤维的取向包覆，但结果表明，纳米纤维取向控制难度大，无法精确调控，且存在纳米纤维利用率低、包覆牢度难以保证等问题。目前，关于如何实现纳米纤维在芯纱表面均匀、取向、精控包覆的纺丝技术的相关研究尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是：实现纳米纤维在芯纱表面均匀、取向、精控包覆。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，包括退绕装置及卷绕装置，芯纱出退绕装置后被由上至下地送至卷绕装置，其特征在于，退绕装置与卷绕装置之间的区域沿芯纱的运动方向被分为N个纺纱区，N≥1，在每个纺纱区内设有至少一组接收装置及静电纺丝装置，每组静电纺丝装置用于产生纳米纤维，与静电纺丝装置同组的接收装置用于接收纳米纤维并将纳米纤维包覆于芯纱表面，芯纱经过至少N组接收装置后成为纳米纤维包芯纱并由卷绕装置收集，其中：
接收装置包括金属喇叭接收器及S形金属支架，芯纱由金属喇叭接收器的轴心进入与当前接收装置相对应的纺丝区，与当前接收装置相对应的静电纺丝装置产生的纳米纤维在高压电场的作用下被牵伸并桥接在S形金属支架和芯纱间，由金属喇叭接收器带动S形金属支架旋转，从而将纳米纤维包覆于芯纱表面。
优选地，在最后一组所述接收装置与所述卷绕装置之间设有假捻装置，通过假捻装置使得最后一组所述接收装置输出的所述纳米纤维包芯纱绕自身轴心进行旋转，利用机械作用对纳米纤维与芯纱的结合进行加固。
优选地，相邻两组所述接收装置的间距为20-30cm。
优选地，所述S形金属支架的旋转速度为100-5000r/min。
优选地，所述金属喇叭接收器为锥形且轴心中空，金属喇叭接收器的内径为5-10mm、外径为50-400mm、喇叭斜角为5°-85°。
优选地，所述S形金属支架的横截面为直径为1mm的圆形，长度为3-6cm。
优选地，所述S形金属支架和所述金属喇叭接收器的连接端与水平线夹角为45°，所述S形金属支架中段与芯纱夹角为30°-60°。
优选地，制作所述S形金属支架的材料为钢丝。
本发明的另一个技术方案是提供了一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备方法，其特征在于，采用如上所述的制备装置，包括以下步骤：
第一步：静电纺丝
配制纺丝液，将高分子可吸收材料均匀溶于六氟异丙醇或N,N-二甲基甲酰胺中制成纺丝液，然后将纺丝液选择性地注入各组静电纺丝装置进行纺丝；
第二步：制备纳米纤维包芯纱
芯纱以恒定退绕速度由退绕装置输出后，匀速穿过各组接收装置的金属喇叭接收器的轴心进入相应的纺丝区，同时，相应纺丝区产生的纳米纤维从静电纺丝装置中喷出，在高压电场的作用下被牵伸并桥接在接收装置的S形金属支架和芯纱间，金属喇叭接收器带动S形金属支架旋转，从而将纳米纤维呈S捻/Z捻均匀包覆于芯纱表面；
芯纱经过N组接收装置后形成N层包覆的纳米纤维包芯纱，皮层纳米纤维的取向及包覆结构通过调节N组接收装置的旋转速度和旋转方向进行调控。
第三步：卷绕加捻
由步骤二得到的N层包覆的纳米纤维包芯纱由假捻装置加固，在接收装置的带动下旋转加捻并缠绕于纱筒上，从而得到取向可控的纳米纤维包芯纱，实现了纳米纤维包芯纱的连续制备，其中，卷绕速度与退绕速度保持恒定且一致。
本发明提供的装置利用金属喇叭和S形金属支架作为接收装置实现纳米纤维在芯纱表面的均匀、取向可控包覆，从而可进一步利用纺织加工技术制备具有纳米结构的织物。目前与本发明内容相关但具有实质性差别的专利及研究是：(1)授权号为CN104032423B的发明专利介绍了一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用，该装置利用金属漏斗作为纳米纤维接收装置制备静电纺纳米纤维包芯纱。采用双针头静电纺丝装置，使纳米纤维沉积在金属漏斗和芯纱上，通过金属漏斗的旋转将纳米纤维包覆在芯纱上，该发明通过控制漏斗转速使纳米纤维均匀缠绕，通过加捻装置对纳米纤维与芯纱的结合进行加固。该装置控制纳米纤维取向的前提是纳米纤维直接搭接在金属漏斗和芯纱间，由于纳米纤维制备过程的不可控性，此理想状态较难实现；其次，可能存在纳米纤维局部堆积现象，包覆密度及包覆均匀性较差；存在部分纳米纤维未搭接在金属漏斗和芯纱间，纳米纤维利用率低；该装置仅有两个纺丝液注射器，生产效率低，难以大规模生产。(2)公开号为CN106868675A的发明专利公布了一种纳米纤维包芯纱的连续制备装置，该装置在传统的金属喇叭接收器的基础上辅以L形绕线器，通过金属喇叭的旋转带动L形绕线器旋转，从而使纳米纤维包覆于匀速通过纺丝区的芯纱表面。该发明实现了纳米纤维对芯层纱线的完全包覆，L形绕线器的存在大幅度提高了纳米纤维的利用率；其次，制备的纳米纤维包芯纱具有一定取向。该装置具有一对喷丝头及接收装置，仅能实现纳米纤维对芯纱的单向包覆；经纺丝区得到的纳米纤维包芯纱直接由卷绕装置卷绕，未对纳米纤维与芯纱的结合进行加固，包覆牢度差。上述专利仅通过控制接收装置与卷绕装置的相对速度以使纳米纤维具有一定取向，但难以实现对纳米纤维取向的精控调节；且仅存在单个纺丝-收集装置，仅能实现纳米纤维对芯纱的单向包覆，包覆密度较低；纳米纤维与芯纱的结合牢度难以保证。这与本发明存在实质性差异。
附图说明
图1为一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置示意图；
图2A至图2C为纳米纤维包芯纱结构示意图，图2A表示单Z捻包覆的纳米纤维包芯纱，2B表示复合捻包覆的纳米纤维包芯纱，图2C表示双S捻包覆的纳米纤维包芯纱。
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。
以下实施例均采用了如图1所示的取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置包括静电纺丝装置、由上金属喇叭接收装置6-1和上S形金属支架6-2固定连接组成的上接收装置6、由下金属喇叭接收装置7-1和下S形金属支架7-2固定连接组成的下接收装置7、假捻装置11、退绕装置和卷绕装置。
在本实施例中，退绕装置包括退绕纱筒1、退绕辊2、张力夹3及导纱钩4。卷绕装置包括导纱钩12、卷取辊13、卷绕纱筒14。退绕装置与卷绕装置的速度保持恒定且一致，为10-100r/min。
芯纱5出退绕装置后先进入上接收装置6，上接收装置6的两侧分别有一个静电纺丝装置的纺丝液注射器8-1、8-2，纺丝液注射器8-1、8-2分别与高压电源正负极相连，左右对称分布于上接收装置6两侧，形成上纺丝区。同理，下接收装置7的两侧分别有一个静电纺丝装置的纺丝液注射器8-3、8-4，纺丝液注射器8-3、8-4分别与高压电源正负极相连，左右对称分布于下接收装置7两侧，形成下纺丝区。静电纺丝装置的纺丝距离为10-25cm，纺丝液注射器8-1与纺丝液注射器8-3之间及纺丝液注射器8-2与纺丝液注射器8-4之间的距离为30-40cm，高压发生器电压为±10KV-20KV，静电纺丝装置的溶液流量为0.5-1.5mL/h。静电纺丝装置所使用的纺丝液溶质为PGA、PLA、PGLA、PLLA、PHA、PCL、SF等高分子可吸收材料中的一种或两种，其所使用的纺丝液溶剂为六氟异丙醇(HFIP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等。
在本实施例中，上接收装置6与下接收装置7的结构相同，两者之间的间距为20-30cm。具体而言：金属喇叭接收装置为锥形，轴心中空，内径为5-10mm，外径为50-400mm，喇叭斜角为5°-85°。S形金属支架由钢丝制成，横截面为直径为1mm的圆形，长度为3-6cm。S形金属支架和金属喇叭连接端与水平线夹角为45°，S形金属支架中段与芯纱夹角为30°-60°。金属喇叭接收装置顺时针/逆时针旋转带动S形金属支架顺时针/逆时针旋转，旋转速度为100-5000r/min，从而将纳米纤维呈S捻/Z捻均匀包覆于芯纱表面。
假捻装置11位于双接收装置和卷绕装置之间，假捻装置11可使包覆有纳米纤维的芯纱5绕自身轴心进行旋转，利用机械作用对纳米纤维与芯纱的结合进行加固。芯纱5材料为蚕丝、PET、PGLA、PCL等高分子不可吸收或可吸收的长丝纤维、纱线或股线。
实施实例1
第一步：静电纺丝。配制纺丝液，配制浓度为10wt％的PGA/HFIP纺丝液，将其注入上纺丝区的两个纺丝液注射器8-1、8-2中进行纺丝。其中，纺丝距离10cm，纺丝液注射器8-1与纺丝液注射器8-2之间的距离为30cm，高压发电器电压分别为±10KV，溶液流量为0.5mL/h；金属喇叭接收器内径为10mm，外径为100mm，喇叭斜角为20°；S形金属支架长度为3cm，横截面直径为1mm，S形支架和金属喇叭连接端与水平线夹角为45°，S形支架中段与芯纱夹角为50°。
第二步：制备纳米纤维包芯纱。将缠绕有PCL芯纱的退绕纱筒1置于静电纺丝装置上方，芯纱5以20r/min的恒定退绕速度退绕后经退绕辊2、张力夹3、导纱钩4退绕后匀速穿过上接收装置6的上金属喇叭接收器6-1的轴心进入上纺丝区；同时，上纺丝区产生的纳米纤维从纺丝液注射器8-1、8-2中喷出，在高压电场的作用下被牵伸并桥接在上S形金属支架6-2和芯纱5间，上金属喇叭接收器6-1逆时针旋转带动上S形金属支架6-2逆时针旋转，旋转速度为1500r/min，从而将纳米纤维呈Z捻均匀包覆于芯纱表面，形成纳米纤维包芯纱9。单层包覆的纳米纤维包芯纱9继续匀速通过下纺丝区，下纺丝区的纺丝液注射器8-3、8-4及下接收装置7处于关闭状态。上下双接收装置的间距为20cm。
第三步：卷绕加捻。卷绕装置位于静电纺丝装置下方，由步骤二得到的单Z捻包覆的纳米纤维包芯纱10由假捻装置11加固，在导纱钩12和卷取辊13的带动下旋转加捻并缠绕于卷绕纱筒14上，从而得到取向可控的纳米纤维包芯纱15，实现了纳米纤维包芯纱的连续制备。其中，卷绕速度与退绕速度保持恒定且一致，为20r/min。
实施实例2
第一步，静电纺丝。配制纺丝液，配制浓度为10wt％的PHA/DMF纺丝液，将其注入四个纺丝液注射器8-1、8-2、8-3、8-4中进行纺丝。其中，纺丝距离20cm，上下针头距离35cm，高压发电器电压分别为±10KV，溶液流量为0.7mL/h；金属喇叭接收器内径为7mm，外径为80mm，喇叭斜角为45°；S形金属支架长度为5cm，横截面直径为1mm，S形金属支架和金属喇叭接收器连接端与水平线夹角为45°，S形金属支架中段与芯纱夹角为40°。
第二步：制备纳米纤维包芯纱。将缠绕有PET芯纱5的退绕纱筒1置于静电纺丝装置上方，芯纱5以50r/min的恒定退绕速度退绕后经退绕辊2、张力夹3、导纱钩4退绕后匀速穿过上接收装置6的上金属喇叭接收器6-1的轴心进入上纺丝区；同时，上纺丝区的纺丝液注射器8-1、8-2产生的纳米纤维从纺丝液注射器8-1、8-2中喷出，在高压电场的作用下被牵伸并桥接在上S形金属支架6-2和芯纱5间，上金属喇叭接收器6-1顺时针旋转带动上S形金属支架6-2顺时针旋转，旋转速度为800r/min，从而将纳米纤维呈S捻均匀包覆于芯纱5表面，形成纳米纤维包芯纱9。单层包覆的纳米纤维包芯纱9继续匀速通过下纺丝区，下纺丝区的纺丝液注射器8-3、8-4产生的纳米纤维在高压电场的作用下被牵伸并桥接在下S形金属支架7-2和单层包覆的纳米纤维包芯纱9间，下金属喇叭接收器7-1逆时针旋转带动下S形金属支架7-2逆时针旋转，旋转速度为800r/min。上下双接收装置的间距为25cm。
第三步：卷绕加捻。卷绕装置位于静电纺丝装置下方，由步骤二得到的复合捻包覆的纳米纤维包芯纱10由假捻装置11加固，在导纱钩12和卷取辊13的带动下旋转加捻并缠绕于卷绕纱筒14上，从而得到取向可控的纳米纤维包芯纱15，实现了纳米纤维包芯纱的连续制备。其中，卷绕速度与退绕速度保持恒定且一致，为50r/min。
实施实例3
第一步，静电纺丝。配制纺丝液，配制浓度为15wt％的PLLA/HFIP纺丝液，将其注入四个纺丝液注射器8-1、8-2、8-3、8-4中进行纺丝。其中，纺丝距离13cm，上下针头距离40cm，高压发电器电压分别为±20KV，溶液流量为0.5mL/h；金属喇叭接收器内径为5mm，外径为50mm，喇叭斜角为60°；S形金属支架长度为6cm，横截面直径为1mm，S形金属支架和金属喇叭接收器连接端与水平线夹角为45°，S形金属支架中段与芯纱夹角为30°。
第二步：制备纳米纤维包芯纱。将缠绕有蚕丝芯纱5的退绕纱筒1置于静电纺丝装置上方，芯纱5以90r/min的恒定退绕速度退绕后经退绕辊2、张力夹3、导纱钩4退绕后匀速穿过上接收装置6的上金属喇叭接收器6-1的轴心进入上纺丝区；同时，上纺丝区的纺丝液注射器8-1、8-2产生的纳米纤维从纺丝液注射器8-1、8-2中喷出，在高压电场的作用下被牵伸并桥接在上S形金属支架6-2和芯纱5间，上金属喇叭接收器6-1顺时针旋转带动上S形金属支架6-2顺时针旋转，旋转速度为200r/min，从而将纳米纤维呈S捻均匀包覆于芯纱5表面，形成纳米纤维包芯纱9。单层包覆的纳米纤维包芯纱9继续匀速通过下纺丝区，下纺丝区的纺丝液注射器8-3、8-4产生的纳米纤维在高压电场的作用下被牵伸并桥接在下S形金属支架7-2和单层包覆的纳米纤维包芯纱9间，下金属喇叭接收器7-1顺时针旋转带动下S形金属支架7-2顺时针旋转，旋转速度为200r/min。上下双接收装置的间距为30cm。
第三步：卷绕加捻。卷绕装置位于静电纺丝装置下方，由步骤二得到的双S捻包覆的纳米纤维包芯纱10由假捻装置11加固，在导纱钩12和卷取辊13的带动下旋转加捻并缠绕于卷绕纱筒14上，从而得到取向可控的纳米纤维包芯纱15，实现了纳米纤维包芯纱的连续制备。其中，卷绕速度与退绕速度保持恒定且一致，为90r/min。

Claims (9)

1.一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，包括退绕装置及卷绕装置，芯纱出退绕装置后被由上至下地送至卷绕装置，其特征在于，退绕装置与卷绕装置之间的区域沿芯纱的运动方向被分为N个纺纱区，N≥1，在每个纺纱区内设有至少一组接收装置及静电纺丝装置，每组静电纺丝装置用于产生纳米纤维，与静电纺丝装置同组的接收装置用于接收纳米纤维并将纳米纤维包覆于芯纱表面，芯纱经过至少N组接收装置后成为纳米纤维包芯纱并由卷绕装置收集，芯纱经过N组接收装置后形成N层包覆的纳米纤维包芯纱，皮层纳米纤维的取向及包覆结构通过调节N组接收装置的旋转速度和旋转方向进行调控，其中：
接收装置包括金属喇叭接收器及S形金属支架，芯纱由金属喇叭接收器的轴心进入与当前接收装置相对应的纺丝区，与当前接收装置相对应的静电纺丝装置产生的纳米纤维在高压电场的作用下被牵伸并桥接在S形金属支架和芯纱间，由金属喇叭接收器带动S形金属支架旋转，从而将纳米纤维包覆于芯纱表面。
2.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，在最后一组所述接收装置与所述卷绕装置之间设有假捻装置，通过假捻装置使得最后一组所述接收装置输出的所述纳米纤维包芯纱绕自身轴心进行旋转，利用机械作用对纳米纤维与芯纱的结合进行加固。
3.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，相邻两组所述接收装置的间距为20-30cm。
4.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，所述S形金属支架的旋转速度为100-5000r/min。
5.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，所述金属喇叭接收器为锥形且轴心中空，金属喇叭接收器的内径为5-10mm、外径为50-400mm、喇叭斜角为5°-85°。
6.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，所述S形金属支架的横截面为直径为1mm的圆形，长度为3-6cm。
7.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，所述S形金属支架和所述金属喇叭接收器的连接端与水平线夹角为45°，所述S形金属支架中段与芯纱夹角为30°-60°。
8.如权利要求1所述的一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备装置，其特征在于，制作所述S形金属支架的材料为钢丝。
9.一种取向可控的静电纺纳米纤维包芯纱的制备方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的制备装置，包括以下步骤：
第一步：静电纺丝
配制纺丝液，将高分子可吸收材料均匀溶于六氟异丙醇或N,N-二甲基甲酰胺中制成纺丝液，然后将纺丝液选择性地注入各组静电纺丝装置进行纺丝；
第二步：制备纳米纤维包芯纱
芯纱以恒定退绕速度由退绕装置输出后，匀速穿过各组接收装置的金属喇叭接收器的轴心进入相应的纺丝区，同时，相应纺丝区产生的纳米纤维从静电纺丝装置中喷出，在高压电场的作用下被牵伸并桥接在接收装置的S形金属支架和芯纱间，金属喇叭接收器带动S形金属支架旋转，从而将纳米纤维呈S捻/Z捻均匀包覆于芯纱表面；
芯纱经过N组接收装置后形成N层包覆的纳米纤维包芯纱，皮层纳米纤维的取向及包覆结构通过调节N组接收装置的旋转速度和旋转方向进行调控；
第三步：卷绕加捻
由步骤二得到的N层包覆的纳米纤维包芯纱由假捻装置加固，在接收装置的带动下旋转加捻并缠绕于纱筒上，从而得到取向可控的纳米纤维包芯纱，实现了纳米纤维包芯纱的连续制备，其中，卷绕速度与退绕速度保持恒定且一致。
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