CN110373727B - 一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置及方法，通过在细纱机上设置静电纺丝系统实现了亚微米纤维与微米纤维的跨尺度在线复合成纱，同时亚微米纤维首先在化纤长丝表面取向沉积加捻形成结构稳定的取向亚微米纤维/长丝包芯纱，而后被微米短纤维包覆在纱体芯层，最终形成亚微米纤维/长丝/短纤维多级包芯复合纱线，实现了纱线结构的精细与稳定调控，并且力学性能较好的长丝作为骨架大幅降低了亚微米纤维层在成纱过程中的断头率，提升了加工效率。

Description

一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置及方法

技术领域

本发明涉及纺织加工技术领域，特别是涉及一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置及方法。

背景技术

静电纺丝是目前唯一能够批量化纺制连续亚微米纤维的通用方法，操作简单，可实施性强。由静电纺制备的亚微米纤维的直径通常在100-1000nm，纤维尺度小、比表面积高，并且纤维形貌和组分可通过纺丝工艺参数和聚合物的灵活选择来调控，使静电纺亚微米纤维成为了纤维科学与工程领域的研究热点，并被广泛应用于过滤、能源、生物医学、催化、防水透湿、油水分离等领域。但由于静电纺亚微米纤维的直径小，结晶度低，导致其绝对力学强力极差，远低于传统短纤维和化学长丝的拉伸断裂强力，由此带来了亚微米纤维制品在加工和使用过程中易磨损，结构稳定性差等突出问题，严重限制了其商业化应用。

针对上述问题，目前的一种做法是将静电纺亚微米纤维加工成纯纺亚微米纤维纱线，以提高亚微米纤维集合体的力学性能。中国知识产权局2010年6月23日公开的发明专利“一种静电纺纳米纤维纱线系统及纳米纤维纱线的制备方法”，专利申请号CN200810018267，该申请公案公布了一种通过外边缘固定有环形铜膜的旋转圆盘收集静电纺纳米纤维，利用切刀进行纳米纤维束的剥取，后续再经加捻、卷绕装置成纱的纳米纤维纱线系统和纱线制备方法。中国知识产权局2010年9月15日公开的发明专利“蜘蛛丝蛋白/聚乳酸复合纳米纤维纱及其制备方法”，专利申请号CN200810235929，该申请公案公布了一种通过水浴法收集纳米纤维束，在经导丝、加热、卷绕成形等步骤制备蜘蛛丝蛋白/聚乳酸复合纳米纤维纱的制备方法。中国知识产权局2015年8月31日公开的发明专利“一种静电纺纳米纤维的多股喷气摩擦成纱装置及制备方法”，专利申请号CN201510545647，该申请公案提出了一种通过金属摩擦辊对纳米纤维进行收集和加捻的纳米纤维成纱装置和纺纱方法。尽管关于通过静电纺亚微米纤维取向成纱增强亚微米纤维集合体的力学性能的研究以较为普遍，但现有的成纱机构仍无法实现亚微米纤维纱线的批量制备，加上亚微米纤维纱线自身耐磨性差，导致其在各领域尤其是纺织服装领域的工业化应用受到了严重的限制。

为此，越来越多的科学技术人员展开了微米纤维与静电纺亚微米纤维复合成纱的探索，期望充分结合静电纺亚微米纤维的尺度效应和微米纤维的力学性能的优势，赋予传统纱线新的内涵。中国知识产权局2014年6月20日公开的发明专利“一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用”，专利申请号201410280734.X，该申请公案公布了一种通过金属漏斗作为纳米纤维沉积器和加捻器的微纳米纤维包芯纱线的制备方法。中国知识产权局2014年6月20日公开的发明专利“一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用”，专利申请号201410280734.X，该申请公案公布了一种通过金属漏斗作为纳米纤维沉积器和加捻器的微纳米纤维包芯纱线的制备方法。中国知识产权局2015年8月31日公开的发明专利“一种静电纺纳米纤维的多股喷气摩擦成纱装置及制备方法”，专利申请号CN201510545647，该申请公案同样也提供了一种通过金属摩擦辊制备纳米纤维包芯纱的成纱方法。通过上述方法所获取的亚微米纤维包芯纱线的结构为微米纤维作为芯层，亚微米纤维作为皮层而暴露在纱体外表面，因此纱线力学性能显著提升，但仍未解决亚微米纤维耐磨性差的问题，另外上述方法的制备效率低，仍难以满足亚微米纤维纱线的工业化应用需求。鉴于此，徐卫林等人相继提出了在细纱机上实施的微纳米纤维复合纱线的制备方法(“纳米静电纺丝与短纤维环锭纺纱一体化成纱的方法”，申请号CN106337229A；“纳米静电纺丝与短纤维摩擦纺纱一体化成纱的方法”，申请号CN106245166A；“纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法”，申请号CN106245165A；“一种纳微尺度增强纤维成纱的长丝环锭复合纺纱方法”，申请号CN106480556A；“一种纳微尺度增强短纤维成纱的赛络纺纱方法”，申请号CN106480566A；“一种纳微尺度增强纤维成纱的长丝摩擦复合纺纱方法”，申请号CN106337228A)，通过在环锭细纱机、摩擦纺纱机、涡流纺纱机、赛络纺纱机上安装静电纺丝装置，分别制备了纳米纤维包覆短纤的复合纱线和微纳米纤维混合纱线，为微纳米纤维复合纱线的批量化制备提供了一条新的思路，但由于所涉及的成纱方法和装置并未对纳米纤维的沉积进行有效的控制，使得纳米纤维沉积紊乱，难以有效的嵌入到纱体中，从而导致微纳米纤维复合纱线的结构不可控，影响纱线性能；此外，包覆在纱体表面的纳米纤维同样存在着在加工和使用过程中易磨损和脱落的致命缺陷。由此可见，微纳米纤维复合纱线加工的难点在于亚微米纤维在纱体中的排列控制以及亚微米纤维的有效保护问题，这是决定微纳米纤维复合纱线结构稳定性以及使用耐久性的基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对亚微米纤维复合纱线的生产效率低、纱线结构成形的可控性差、暴露在纱体表层的亚微米纤维易磨损和脱落等突出问题，由此提供一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置及方法。

本发明涉及一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，包括纱条牵伸细化组件和静电纺丝系统，所述的静电纺丝系统包括导丝轮、带有中心孔的不锈钢圆盘、空心不锈钢管、高压发生器、纺丝针头、储液注射器和精密推进，所述的纺丝针头套在储液注射器头端，所述的储液注射器安装在精密推进泵上且与高压发生器的正极相连，所述的带有中心孔的不锈钢圆盘位于纱条牵伸细化组件的一端正上方，所述的纱条牵伸细化组件的一侧下端设置有导纱钩和细纱管。

进一步的，所述的纱条牵伸细化组件包括靠近纺纱三角区布置的前罗拉与前胶辊、位于中部的中罗拉与中胶辊、分别设置在中罗拉与中胶辊上的上皮圈与下皮圈以及靠近粗纱进口的后罗拉与后胶辊。

进一步的，所述的导丝轮位于带有中心孔的不锈钢圆盘的上方，所述的导丝轮、带有中心孔的不锈钢圆盘和空心不锈钢管位于同一竖直线上，且与前胶辊的相切。

进一步的，所述的导丝轮、带有中心孔的不锈钢圆盘和空心不锈钢管三者间的间距可调。

进一步的，所述的带有中心孔的不锈钢圆盘和空心不锈钢管均始终接地。

进一步的，所述的细纱管的外侧设置有随着细纱管同步旋转的钢丝圈。

本专利申请还包括一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱方法，具体步骤如下：

(a)打开电源，粗纱条通过导条口进入细纱牵伸区，在后罗拉与后胶辊、中罗拉与中胶辊、上皮圈与下皮圈、前罗拉与前胶辊的共同牵伸作用下，在前罗拉口处被抽细拉长为短纤维束；

(b)启动带有中心孔的不锈钢圆盘，调节精密推进泵的推进速度，使储液注射器中的纺丝液稳定流出，打开高压发生器电源开关，调节高压，开始纺制亚微米纤维；

(c)化纤长丝通过导丝轮依次穿过不锈钢圆盘和空心不锈钢管，到达前罗拉与前胶辊形成的前钳口处，形成的亚微米纤维取向沉积在带有中心孔的不锈钢圆盘和空心不锈钢管之间，不锈钢圆盘的高速旋转运动使取向的亚微米纤维包覆在化纤长丝表面，加捻成亚微米纤维包芯纱；

(d)亚微米纤维包芯纱随前胶辊转动与短纤维束交汇，并与短纤维束一起运动至纺纱三角区，此时，钢丝圈带动已成形的纱线绕纱管旋转，产生的捻度经过导纱钩向上传递至纺纱三角区，使得微米短纤维将亚微米纤维包芯纱包覆在复合纱线芯层，最终形成亚微米多级包芯纱线，并卷绕在细纱管上。

有益效果：本发明涉及一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置及方法，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过在细纱机上设置静电纺丝系统实现了亚微米纤维与微米纤维的跨尺度在线复合成纱，使亚微米纤维复合纱线的制备满足了工业化生产的要求；同时亚微米纤维首先在化纤长丝表面取向沉积加捻形成结构稳定的取向亚微米纤维包芯纱，而后被微米短纤维包覆在纱体芯层，最终形成亚微米纤维/长丝/短纤维多级包芯复合纱线，实现了纱线结构的精细与稳定调控，并且力学性能较好的长丝作为骨架大幅降低了亚微米纤维层在成纱过程中的断头率，提升了加工效率；另外由于亚微米纤维作为芯层被包覆在复合纱线内部，因而可被皮层的微米短纤维保护免受磨损和脱落，并显著增强了微米短纤维纱的力学性能，有望拓宽亚微米纤维复合纱线的加工和应用场合。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图示：1、粗纱条；2、导条口；3、后罗拉；4、后胶辊；5、中罗拉；6、中胶辊；7：上皮圈；8：下皮圈；9、前罗拉；10、前胶辊；11、化纤长丝；12、导丝轮；13、带有中心孔的不锈钢圆盘；14、空心不锈钢管；15、亚微米纤维包芯纱；16、高压发生器；17、纺丝针头；18、储液注射器；19、精密推进泵；20、导纱钩；21、钢丝圈；22、细纱管；23、纱条牵伸细化组件。

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，本发明的实施方式涉及一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，包括纱条牵伸细化组件23和静电纺丝系统，所述的静电纺丝系统包括导丝轮12、带有中心孔的不锈钢圆盘13、空心不锈钢管14、高压发生器16、纺丝针头17、储液注射器18和精密推进泵19，所述的纺丝针头17套在储液注射器18头端，所述的储液注射器18安装在精密推进泵19上且与高压发生器16的正极相连，所述的带有中心孔的不锈钢圆盘13位于纱条牵伸细化组件23的一端正上方，所述的纱条牵伸细化组件23的一侧下端设置有导纱钩20和细纱管22。

所述的纱条牵伸细化组件23包括靠近纺纱三角区布置的前罗拉9与前胶辊10、位于中部的中罗拉5与中胶辊6、分别设置在中罗拉5与中胶辊6上的上皮圈7与下皮圈8以及靠近粗纱进口的后罗拉3与后胶辊4。

所述的导丝轮12位于带有中心孔的不锈钢圆盘13的上方，所述的导丝轮12、带有中心孔的不锈钢圆盘13和空心不锈钢管14位于同一竖直线上，且与前胶辊10的相切。

所述的导丝轮12、带有中心孔的不锈钢圆盘13和空心不锈钢管14三者间的间距可调，导丝轮12、带有中心孔的不锈钢圆盘13、空心不锈钢管14三者间的间距分别为5cm和10cm。

所述的带有中心孔的不锈钢圆盘13和空心不锈钢管14均始终接地，带有中心孔的不锈钢圆盘13逆时针旋转，转速为1000r/min。

所述的细纱管22的外侧设置有随着细纱管22同步旋转的钢丝圈21。

作为本发明的一种实施例，纺纱方法的具体步骤如下：

打开电源，粗纱条1通过导条口2进入细纱牵伸区，在后罗拉3与后胶辊4、中罗拉5与中胶辊6、上皮圈7与下皮圈8、前罗拉9与前胶辊10的共同牵伸作用下，在前罗拉口处被抽细拉长为短纤维束；

启动带有中心孔的不锈钢圆盘13，调节精密推进泵的推进速度为0.5ml/h，使储液注射器中的纺丝液稳定流出，打开高压发生器16电源开关，调节高压为10kv，开始纺制由聚丙烯腈(PAN,重均分子量为86000)和N-N二甲基甲酰胺(DMF)配制的质量分数为10％高聚物溶液，获得取向PAN亚微米纤维；

化纤长丝11通过导丝轮12依次穿过不锈钢圆盘13和空心不锈钢管14，到达前罗拉9与前胶辊10形成的前钳口处，形成的亚微米纤维取向沉积在带有中心孔的不锈钢圆盘13和空心不锈钢管14之间，不锈钢圆盘13的高速旋转运动使取向的亚微米纤维包覆在化纤长丝11表面，加捻成亚微米纤维包芯纱15；

亚微米纤维包芯纱15随前胶辊10转动与短纤维束交汇，并与短纤维束一起运动至纺纱三角区，此时，钢丝圈21带动已成形的纱线绕纱管旋转，产生的捻度经过导纱钩20向上传递至纺纱三角区，使得微米短纤维将亚微米纤维包芯纱15包覆在复合纱线芯层，最终形成PAN亚微米纤维/涤纶长丝/棉纤维的多级包芯纱线，并卷绕在细纱管22上。

Claims (7)

1.一种在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，包括纱条牵伸细化组件(23)和静电纺丝系统，其特征在于，所述的静电纺丝系统包括导丝轮(12)、带有中心孔的不锈钢圆盘(13)、空心不锈钢管(14)、高压发生器(16)、纺丝针头(17)、储液注射器(18)和精密推进泵(19)，所述的纺丝针头(17)套在储液注射器(18)头端，所述的储液注射器(18)安装在精密推进泵(19)上且与高压发生器(16)的正极相连，所述的带有中心孔的不锈钢圆盘(13)位于纱条牵伸细化组件(23)的一端正上方，所述的纱条牵伸细化组件(23)的一侧下端设置有导纱钩(20)和细纱管(22)。

2.根据权利要求1所述的在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，其特征在于：所述的纱条牵伸细化组件(23)包括靠近纺纱三角区布置的前罗拉(9)与前胶辊(10)、位于中部的中罗拉(5)与中胶辊(6)、分别设置在中罗拉(5)与中胶辊(6)上的上皮圈(7)与下皮圈(8)以及靠近粗纱进口的后罗拉(3)与后胶辊(4)。

3.根据权利要求2所述的在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，其特征在于：所述的导丝轮(12)位于带有中心孔的不锈钢圆盘(13)的上方，所述的导丝轮(12)、带有中心孔的不锈钢圆盘(13)和空心不锈钢管(14)位于同一竖直线上，且与前胶辊(10)的相切。

4.根据权利要求3所述的在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，其特征在于：所述的导丝轮(12)、带有中心孔的不锈钢圆盘(13)和空心不锈钢管(14)三者间的间距可调。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，其特征在于：所述的带有中心孔的不锈钢圆盘(13)和空心不锈钢管(14)均始终接地。

6.根据权利要求1所述的在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置，其特征在于：所述的细纱管(22)的外侧设置有随着细纱管(22)同步旋转的钢丝圈(21)。

7.一种使用根据权利要求1所述的在线式微纳米纤维多级包芯复合纺纱装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(a)打开电源，粗纱条(1)通过导条口(2)进入细纱牵伸区，在后罗拉(3)与后胶辊(4)、中罗拉(5)与中胶辊(6)、上皮圈(7)与下皮圈(8)、前罗拉(9)与前胶辊(10)的共同牵伸作用下，在前罗拉口处被抽细拉长为短纤维束；

(b)启动带有中心孔的不锈钢圆盘(13)，调节精密推进泵(19)的推进速度，使储液注射器(18)中的纺丝液稳定流出，打开高压发生器(16)电源开关，调节高压，开始纺制亚微米纤维；

(c)化纤长丝(11)通过导丝轮(12)依次穿过不锈钢圆盘(13)和空心不锈钢管(14)，到达前罗拉(9)与前胶辊(10)形成的前钳口处，形成的亚微米纤维取向沉积在带有中心孔的不锈钢圆盘(13)和空心不锈钢管(14)之间，不锈钢圆盘(13)的高速旋转运动使取向的亚微米纤维包覆在化纤长丝(11)表面，加捻成亚微米纤维包芯纱(15)；

(d)亚微米纤维包芯纱(15)随前胶辊(10)转动与短纤维束交汇，并与短纤维束一起运动至纺纱三角区，此时，钢丝圈(21)带动已成形的纱线绕纱管旋转，产生的捻度经过导纱钩(20)向上传递至纺纱三角区，使得微米短纤维将亚微米纤维包芯纱(15)包覆在复合纱线芯层，最终形成亚微米多级包芯纱线，并卷绕在细纱管(22)上。

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