CN110205685A - 纺丝自调节静电纺丝装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纺丝自调节静电纺丝装置及其使用方法,静电纺丝装置的供液装置和高压发生装置分别与针式纺丝喷头连接,纤维收集机构包括牵伸卷绕辊和可驱动旋转的纤维收集装置,纤维收集装置包括上部的空心柱和下部的纤维收集架,纤维收集架整体呈下宽上窄的锥形锥面为非连续结构,纤维收集架上端与空心柱连接、下端设有圆环,所述纤维收集架采用绝缘材料制成,两套针式纺丝喷头对称设置于纤维收集架的两侧,牵伸卷绕辊设置于纤维收集装置的下方。本发明能够有效避免纺纱出现断头,实现对连续取向纳米纤维纱线参数的准确控制以提高纱线力学性能。
Description
技术领域
本发明属于静电纺丝的技术领域,特别是涉及一种纺丝自调节静电纺丝装置及其使用方法。
背景技术
纳米纤维的最大特点是小直径和大比表面积,随着纤维直径变细,表面原子数、表面张力和表面能急剧增强,从而在物理化学方面表现出特异性。静电纺丝是当前一种最通用最简便的纺制纳米纤维的技术,其产品可以应用到组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料、复合增强材料、能源、智能穿戴等。由于静电纺丝法的原理是聚合物液滴在高压电场的作用下经过复杂的三维鞭动过程最后沉积固化在接收装置上,一般得到的是无规则排列的纤维。然而以无纺布以及松散的纤维束形式收集的杂乱排列的纳米纤维材料由于其力学性能较低、缺乏可编织性等原因,极大地限制其进一步应用,尤其是在需要实现各项异性复杂结构的组织工程、能源及智能穿戴等领域。
取向纳米纤维纱线由于其优异的各向异性结构得到更为广泛的应用,取向纳米纤维的制备方法有很多种,其基本原理主要可以概括为:
(1)高速运动收集法:其原理是当收集装置的运动速度大于射流沉积前的运动速度时,通过快速卷绕可以取向纤维。如[Chew S Y,Wen J,Yim E K F,Leong WK.Biomacromolecules,2005,6:2017]利用高速旋转的圆筒来获得取向纳米纤维,这种方法装置简单能批量制备但取向度不高,且随着沉积纤维厚度的增加,取向度下降,过高的转速也会引起纤维的断裂。
(2)两端拉伸法:即在纤维沉积在收集板的时候使得一段纤维的两端同时受到吸引,从而实现这一段纤维的拉伸取向。如[DerschR,Liu T Q,Schaper A K,Greiner A,Wendorff J H.J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.,2003,41:545.]、[Teo W E,Ramakrishna S.Nanotechnology,2005,16:1878]等分别利用框架收集装置以及间隔排列金属板的电场力作用拉伸纤维在空隙间取向排列。同样原理,[Yang D Y,Lu B,Zhao Y,Jiang X Y.Adv.Mater.,2007,19:3702.]等采用磁场辅助装置,利用两间隔板间的磁场力作用拉伸、取向纤维。
(3)低速射流牵伸法:即在射流沉积之前降低]射流的速度,再通过后续的拉伸取向纳米纤维。低速射流牵伸法的方法又可以分为三种:①射流直写法:该方法在射流的直线段即发生鞭动之前接收,由于射流的运动速度较低,通过较低速的运动速度即可取向纤维。如[SUN D H,CH ANG C,LI S,et al.Nano.Lett.,2006 6(4):839-842.]。②辅助场降速法:如文献[Wu Y,Yu J Y,He J H,Wan Y Q.Chaos,Solitons&Fractals,2007,32:5.]中采用与电场方向相反的附加磁场作用降低射流的速度。③中间平面静止法:先将纳米纤维沉积在一个中间平面,再对其进行牵伸。如Teo[TeoWE,Polymer,2007,48,3400-3405]等利用液体凝固浴制备连续取向纳米纤维纱线,该方法先将射流沉积于液面上再进行后续的牵伸取向。再如Pan[Pan H,Li LM,Hu L,et al.Polymer,2006,47(14):4901~4904]等采用双针头共轭布置法,利用两带相反电荷的射流间的相互吸引,在两射流中间形成一片膜,后续纤维也静止于该膜上,再通过后续的牵伸取向纤维。
取向纳米纤维纱线,不仅具备取向纳米纤维的优异性能还能够进一步加工得到各种复杂三维结构。目前,有关静电纺纳米纤维成纱的装置陆续出现并取得了一些突破性的成果。这些制备取向纳米纤维纱线的方法是在取向纳米纤维的基础上进行进一步的加捻卷绕,而目前能够实现连续制备的纺纱方法,基本上都采取了中间平面静止法作为其取向方法。如Teo[TeoWE,Polymer,2007,48,3400-3405]先将射流沉积于液面上后再利用液体流动的涡流带动纤维取向加捻,但由于液体的涡流位置、旋转速度不确定导致纤维的加捻参数无法确定。双针头共轭布置法是目前制备纳米纤维纱线方法中应用较广的,在Pan基础上[Ali U,Zhou Y,Wang X,et al.2012;103:80–88.]、[Wu SH and Qin XH.Mater Lett2013;106:204–207]以及[Joseph J,Nair S V,Menon D.2015,15(8):5420-5426.]分别利用旋转的金属圆盘、金属漏斗和开头式尖端收集装置对纤维进行后续的牵伸卷绕。
从上述研究可见,双针头共轭布置法是制备普适性取向纳米纤维纱线的发展方向,然而上述收集装置利用纤维对金属的强吸附将纤维固定在其边缘,虽然能够固定纤维两端的位置,但由于纳米纤维单纤维的强力非常低,纺丝过程极易发生断头。因此,纺纱断头问题以及如何实现连续稳定纺制结构可控高强度的纳米纤维纱线是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纺丝自调节静电纺丝装置及其使用方法,有效避免纺纱出现断头,实现对连续取向纳米纤维纱线参数的准确控制以提高纱线力学性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种纺丝自调节静电纺丝装置,包括两套供液装置、两套针式纺丝喷头、两套高压发生装置和纤维收集机构,所述供液装置和高压发生装置分别与针式纺丝喷头连接,所述纤维收集机构包括牵伸卷绕辊和可驱动旋转的纤维收集装置,所述纤维收集装置包括上部的空心柱和下部的纤维收集架,所述纤维收集架整体呈下宽上窄的锥形锥面为非连续结构,所述纤维收集架上端与空心柱连接、下端设有圆环,所述纤维收集架采用绝缘材料制成,所述两套针式纺丝喷头对称设置于纤维收集架的两侧,所述牵伸卷绕辊对应纤维收集装置设置。
所述纤维收集架为圆锥状螺旋结构,所述螺旋结构的下端为封闭的圆环。
所述圆环与空心柱之间通过若干沿周向均匀分布的支撑杆连接形成圆锥状纤维收集架。
所述牵伸卷绕辊设置于纤维收集装置的下方。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种上述的纺丝自调节静电纺丝装置的使用方法,包括以下步骤:
(1)打开供液装置,向针式纺丝喷头输送纺丝溶液;
(2)启动高压发生装置,分别向两套针式纺丝喷头施加正、负电压,至针式纺丝喷头产生射流;
(3)驱动纤维收集装置旋转,纤维收集装置对纺丝射流进行收集并在圆环中间形成纤维膜;
(4)对纤维膜沿轴心方向向下进行牵伸取向形成纺纱三角锥,通过纤维收集装置的旋转对纺纱三角锥进行加捻得到连续取向纳米纤维纱线,通过牵伸卷绕辊进行牵伸和收集。
有益效果
第一,在本发明中,纤维收集装置下部的纤维收集架采用非连续型绝缘结构,并通过纤维收集装置旋转产生的轴心引力作用,使得纺丝纤维主要向纤维收集装置中间聚集而不容易吸附于纤维收集装置上,有利于提高纤维收集装置对纺丝射流的收集效率。
第二,与现有金属连续型收集装置利用静电力的强吸附作用将纤维固定在其边缘不同,在本发明中,纤维收集装置在旋转过程中主要靠纤维间结合力、旋转过程中产生的轴心旋转吸力和离心力来控制纺纱,纺纱三角锥的引出端纤维的位置能够进行自适应性调节,通过调节收集装置的转速来调节纤维的引出位置及对纤维的握持力,在保证纤维引出端固定状态相对稳定的前提下,能够有效防止因纤维牵伸受力过大发生断裂而导致纱线断头。
第三,本发明能够通过对牵伸速率与加捻速率的控制达到对纱线直径、强度和捻度的准确调节目的,有利于提升连续取向纳米纤维纱线的力学性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为螺旋型纤维收集装置的结构示意图。
图3为支撑型纤维收集装置的结构示意图。
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。
如图1所示的一种纺丝自调节静电纺丝装置,包括两套供液装置1、两套针式纺丝喷头2、两套高压发生装置3和纤维收集机构。
供液装置1和高压发生装置3分别与针式纺丝喷头2连接。纤维收集机构包括牵伸卷绕辊5和可驱动旋转的纤维收集装置4,纤维收集装置4包括上部的圆柱状空心柱4-1和下部的纤维收集架4-2,空心柱4-1的内径大小为5mm~50mm,外径大小为10mm~100mm,长度范围为10mm~200mm。纤维收集架4-2整体呈下宽上窄的锥形且锥面为非连续结构,纤维收集架4-2上端与空心柱4-1连接,下端设有圆环4-3,纤维收集装置4采用绝缘材料制成。两套针式纺丝喷头2对称设置于纤维收集架4-2的两侧,牵伸卷绕辊5设置于纤维收集装置4的下方。
如图2所示的是纤维收集装置4的一种具体实施结构,纤维收集架4-2为圆锥状螺旋结构,所述螺旋结构上端与空心柱4-1连接,下端为封闭的圆环4-3。螺旋结构的螺旋圈数为2~10圈,螺距为10mm~100mm,底部口径大小为50mm~500mm。
如图3所示的是纤维收集装置4的另一种具体实施结构,圆环4-3与空心柱4-1之间通过沿周向均匀分布的支撑杆连接形成圆锥状纤维收集架4-2,支撑杆沿周向设置为3~10根,纤维收集架4-2的底部口径大小为50mm~500mm。
下面提供一种权利要求1所述的纺丝自调节静电纺丝装置的使用方法,包括以下步骤:
(1)打开供液装置1,向针式纺丝喷头2输送纺丝溶液;
(2)启动高压发生装置3,分别向两套针式纺丝喷头2施加正、负电压,至针式纺丝喷头2产生射流;
(3)驱动纤维收集装置4旋转,纤维收集装置4对纺丝射流进行收集,并通过旋转轴心吸力向圆环4-3中间集聚形成纤维膜;
(4)采用金属针头对纤维膜沿轴心方向向下进行牵伸取向形成纺纱三角锥6,通过纤维收集装置4的旋转对纺纱三角锥6进行加捻得到连续取向纳米纤维纱线7,通过牵伸卷绕辊5进行牵伸和收集。
Claims (5)
1.一种纺丝自调节静电纺丝装置,包括两套供液装置(1)、两套针式纺丝喷头(2)、两套高压发生装置(3)和纤维收集机构,所述供液装置(1)和高压发生装置(3)分别与针式纺丝喷头(2)连接,其特征在于:所述纤维收集机构包括牵伸卷绕辊(5)和可驱动旋转的纤维收集装置(4),所述纤维收集装置(4)包括上部的空心柱(4-1)和下部的纤维收集架(4-2),所述纤维收集架(4-2)整体呈下宽上窄的锥形且锥面为非连续结构,所述纤维收集架(4-2)上端与空心柱(4-1)连接、下端设有圆环(4-3),所述纤维收集架(4-2)采用绝缘材料制成,所述两套针式纺丝喷头(2)对称设置于纤维收集架(4-2)的两侧,所述牵伸卷绕辊(5)对应纤维收集装置(4)设置。
2.根据权利要求1所述的一种纺丝自调节静电纺丝装置,其特征在于:所述纤维收集架(4-2)为圆锥状螺旋结构,所述螺旋结构的下端为封闭的圆环(4-3)。
3.根据权利要求1所述的一种纺丝自调节静电纺丝装置,其特征在于:所述圆环(4-3)与空心柱(4-1)之间通过若干沿周向均匀分布的支撑杆连接形成圆锥状纤维收集架(4-2)。
4.根据权利要求1所述的一种纺丝自调节静电纺丝装置,其特征在于:所述牵伸卷绕辊(5)设置于纤维收集装置(4)的下方。
5.一种权利要求1所述的纺丝自调节静电纺丝装置的使用方法,包括以下步骤:
(1)打开供液装置(1),向针式纺丝喷头(2)输送纺丝溶液;
(2)启动高压发生装置(3),分别向两套针式纺丝喷头(2)施加正、负电压,至针式纺丝喷头(2)产生射流;
(3)驱动纤维收集装置(4)旋转,纤维收集装置(4)对纺丝射流进行收集并在圆环(4-3)中间形成纤维膜;
(4)对纤维膜沿轴心方向向下进行牵伸取向形成纺纱三角锥(6),通过纤维收集装置(4)的旋转对纺纱三角锥(6)进行加捻得到连续取向纳米纤维纱线(7),通过牵伸卷绕辊(5)进行牵伸和收集。
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