CN111945237A - 一种可直接编织的纺丝收集设备及纤维编织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可直接编织的纺丝收集设备，包括收集球、三个驱动轮、驱动轮控制器和纺丝针头；三个驱动轮设置于收集球外周，空间上互相垂直，若从收集球球心发出三条互相垂直的射线，则三个驱动轮分别位于收集球表面与射线的交点处；每个驱动轮包括驱动电机和转轮，转轮安装于驱动电机输出轴的端部，转轮的外缘沿周向设置一圈滑轮，滑轮是驱动轮与收集球接触的部位；三个驱动轮分别与驱动轮控制器连接，通过驱动轮控制器控制各个驱动轮的转速和方向；纺丝针头活动安装于收集球的上方，纺丝针头距离收集球的距离能够进行调节。本发明装置通过控制三个驱动轮可使收集球沿任意轨迹旋转，进而可以高效的编织任意纤维结构，具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及纤维制造技术领域，具体涉及一种可直接编织的纺丝收集设备及纤维编织方法。
背景技术
纤维是天然或人工合成的细丝状物质.在现代生活中，纤维的应用无处不在。但是单纯的纤维无序排列难以形成高强度材料，为了提高纤维的力学性能可以将其在二维或三维空间内以纺织工艺方法制成一定几何形状的织物结构。
2018年Nature发表论文公开了蜘蛛丝拥有优异力学性能的原因，蜘蛛丝由有机高分子蛋白质组成，但是强度却是钢丝的5倍以上，同时蜘蛛丝在空间中还拥有优异的抗扭转性能，其原因在于蜘蛛丝在空间上是一种高度编织的材料，蜘蛛丝中包含用于支撑网状结构的高强度纵丝，同时还含有逆时针螺旋状编织的横丝用于提供弹性。2019年华盛顿大学课题组对聚(3,4-乙烯二氧噻吩)进行编织，使得该材料在导电性能不变的情况获得了柔性，为可穿戴柔性电子设备提供了有效途径。
但是目前的纤维编织方法主要是在纤维制备完成之后再对其进行经编或纬编，这样的编织方法效率较低，虽然近年来也有针对纤维生产过程中进行自编织的报道，但是尚无通用装置可以实现高效的编织任意纤维结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种可直接编织的纺丝收集设备及纤维编织方法，利用该设备能够实现高效的编织任意纤维结构。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种可直接编织的纺丝收集设备，包括收集球、三个驱动轮、驱动轮控制器和纺丝针头；
所述三个驱动轮设置于所述收集球外周，用于支撑收集球并驱动其转动；三个驱动轮空间上互相垂直，若从收集球球心发出三条互相垂直的射线，分别记为X、Y、Z方向，则三个驱动轮分别位于收集球表面与射线的交点处，其中，轴向与X方向平行的驱动轮为X驱动轮，轴向与Y方向平行的驱动轮为Y驱动轮，轴向与Z方向平行的驱动轮为Z驱动轮；每个驱动轮包括驱动电机和转轮，所述转轮安装于驱动电机输出轴的端部，所述转轮的外缘沿周向设置一圈滑轮，所述滑轮是驱动轮与收集球接触的部位；三个驱动轮分别与所述驱动轮控制器连接，通过驱动轮控制器控制各个驱动轮的转速和方向；
所述纺丝针头活动安装于所述收集球的上方，纺丝针头距离收集球的距离能够进行调节。
上述方案中，所述纺丝收集设备还包括安装支架，所述安装支架包括下基座、上基座和支撑杆，所述支撑杆位于下基座与上基座之间；所述三个驱动轮的驱动电机通过底座固定安装于下基座上；所述纺丝针头通过上支臂安装于上基座的下方，上支臂上端固定安装于上基座的下表面，纺丝针头夹持于上支臂的下端，所述上支臂能够带动纺丝针头上下移动，以调整纺丝针头与收集球的距离。
上述方案中，当所述纺丝收集设备用于干法纺丝、湿法纺丝、吹法纺丝时，收集球采用绝缘材料制成；当纺丝收集设备用于静电纺丝时，收集球采用导电材料制成，或在绝缘材料制成的收集球外包裹一层锡纸或铝箔纸。
相应的，本发明还提出一种纤维编织方法，该方法采用上述可直接编织的纺丝收集设备，可以进行干法纺丝、湿法纺丝、吹法纺丝或静电纺丝，具体包括以下步骤：
S1、配置纺丝所需的混合溶液；
S2、根据纺丝方法和纺丝溶液调节纺丝针头与收集球之间的距离，设定驱动轮的转速程序，并以此程序循环运行；
S3、用蠕动式恒流泵以恒定流速将步骤S1制得的混合溶液抽至纺丝针头，纤维落在收集球上，同时按照设定程序在收集球上缠绕，从而获得编织后的纤维。
上述方法中，通过该方法进行干法纺丝，获得具有编织结构的纤维，步骤S3中，纺丝溶液从针头中挤出，纺丝溶液中的溶剂在空气中迅速挥发，形成纤维落在收集球上。
上述方法中，通过该方法进行吹法纺丝，增加高压气泵与所述纺丝收集设备配合使用，在步骤S3中，用蠕动式恒流泵将混合溶液抽至纺丝针头，打开高压气泵，高压气泵的高速气流通过导气管吹向纺丝针头，将纺丝溶液从针头中吹出，纤维落在收集球上。
上述方法中，该方法进行静电纺丝，在收集球外包裹一层锡纸或铝箔纸，增加高压发生器电源与所述纺丝收集设备配合使用，在步骤S3中，高压发生器电源的正极连接纺丝针头，负极连接碳刷，碳刷与包裹在收集球上的锡纸或铝箔纸接触，用蠕动式恒流泵将混合溶液抽至纺丝针头，溶液在电场力作用下飞向负极收集球，并形成纤维，纤维落在收集球上。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种可直接编织的纺丝收集设备，该装置通过控制三个驱动轮可使收集球沿任意轨迹旋转，进而可以高效的编织任意纤维结构。
(2)本发明所提供的方法可以适用于干法纺丝、湿法纺丝、吹法纺丝和静电纺丝，通用性强，具有普适性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明可直接编织的纺丝收集设备的结构图；
图2是图1所示可直接编织的纺丝收集设备中收集球的结构示意图；
图3是图1所示可直接编织的纺丝收集设备中驱动轮的结构示意图；
图4是采用可直接编织的纺丝收集设备进行干法纺丝的结构示意图；
图5是采用可直接编织的纺丝收集设备进行吹法纺丝的结构示意图；
图6是采用可直接编织的纺丝收集设备进行静电纺丝的结构示意图。
图中：10、收集球；20、驱动轮；21、驱动电机；22、转轮；23、滑轮；24、底座；31、X驱动轮；32、Y驱动轮；33、Z驱动轮；40、驱动轮控制器；41、驱动轮供电线；50、上支臂；60、纺丝针头；70、安装支架；71、下基座；72、上基座；73、支撑杆；80、蠕动式恒流泵；90、气泵；100、碳刷。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明一较佳实施例的可直接编织的纺丝收集设备，包括收集球10、三个驱动轮20、驱动轮控制器40、上支臂50、纺丝针头60和安装支架70。
如图2所示，三个驱动轮20设置于收集球10外周，用于支撑收集球10并驱动其转动。三个驱动轮20空间上互相垂直，若从收集球10球心发出三条互相垂直(分别记为X、Y、Z方向)的射线，则三个驱动轮20分别位于收集球10表面与射线的交点处，其中，轴向与X方向平行的驱动轮20为X驱动轮31，轴向与Y方向平行的驱动轮20为Y驱动轮32，轴向与Z方向平行的驱动轮20为Z驱动轮33。如图3所示，每个驱动轮20包括驱动电机21和转轮22，转轮22安装于驱动电机21输出轴的端部，转轮22的外缘沿周向设置一圈滑轮23，滑轮23是驱动轮20与收集球10接触的部位，驱动轮20由驱动电机21控制转轮22转动用于驱动收集球10旋转，转轮22上密排滑轮23用于抵消收集球10沿转轮22垂直方向转动时的摩擦力。三个驱动轮20分别通过驱动轮供电线41与驱动轮控制器40连接，通过驱动轮控制器40控制各个驱动轮20的转速和方向，进而可以控制收集球10沿任意方向旋转。
继续参照图1，安装支架70作为其他结构的安装载体，包括下基座71、上基座72和支撑杆73，支撑杆73位于下基座71与上基座72之间。三个驱动轮20的驱动电机21通过底座24固定安装于下基座71上，即底座24固定安装于下基座71的上表面，驱动电机21固定安装于底座24上。纺丝针头60通过上支臂50安装于上基座72的下方，即上支臂50上端固定安装于上基座72的下表面，纺丝针头60夹持于上支臂50的下端，上支臂50能够在空间中上下移动，以带动纺丝针头60上下移动，从而调整纺丝针头60与收集球10的距离。
进一步优化，收集球10可以由导电材料制成，也可以由绝缘材料制成。当纺丝收集设备用于干法纺丝、湿法纺丝、吹法纺丝时，收集球10采用绝缘材料(如聚四氟乙烯)制成。当纺丝收集设备用于静电纺丝时，收集球10采用导电材料制成，或在绝缘材料制成的收集球10外包裹一层锡纸或铝箔纸。
相应的，本发明还提出利用上述可直接编织的纺丝收集设备进行纤维编织的方法，具体包括以下步骤：
S1、配置纺丝所需的混合溶液；
S2、根据纺丝方法和纺丝溶液调节纺丝针头60与收集球10之间的距离，设定驱动轮20的转速程序，并以此程序循环运行；
S3、用蠕动式恒流泵80以恒定流速将步骤S1制得的混合溶液抽至纺丝针头60，纤维落在收集球10上，同时按照设定程序在收集球10上缠绕，从而获得编织后的纤维。
以下为本发明方法的三个实施例。
实施例1：
如图4所示，本实施例利用可直接编织的纺丝收集设备进行干法纺丝，获得“十字”编织结构的醋酯纤维。
S1.将二乙酸酯溶解于丙酮溶液中，在30℃恒温水浴中保持高速搅拌；
S2.调节上支臂50，使纺丝针头60距离收集球10顶部20cm；设定驱动轮20转速程序，首先驱动轮20X以90°/s旋转16s，使收集球10在Y-Z平面旋转一周，然后驱动轮20Y以90°/s旋转16s，使收集球10在X-Z平面旋转一周，完成一个循环，并以此程序循环运行；
S3.用蠕动式恒流泵80将混合溶液抽至纺丝针头60，并从针头中挤出，纺丝溶液中的溶剂丙酮在空气中迅速挥发，形成醋酯纤维落在收集球10上，同时按照设定程序沿Y-Z平面缠绕一圈，再沿X-Z平面缠绕一圈，以此规律获得“十字”编织结构的醋酯纤维。
实施例2：
如图5所示，本实施例利用可直接编织的纺丝收集设备进行吹法纺丝，获得“十字”编织结构的聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维。
1.将聚乙烯吡咯烷酮溶解于水溶液中，在30℃恒温水浴中保持高速搅拌；
2.调节上支臂50，使纺丝针头60距离收集球10顶部20cm；设定驱动轮20转速程序，首先驱动轮20X以360°/s旋转4s，使收集球10在Y-Z平面旋转一周，然后驱动轮20Y以360°/s旋转4s，使收集球10在X-Z平面旋转一周，完成一个循环，并以此程序循环运行；
3.用蠕动式恒流泵80将混合溶液抽至纺丝针头60，打开高压气泵90，高压气泵90的高速气流通过导气管吹向针头，将聚乙烯吡咯烷酮溶液从针头中吹出，纤维落在收集球10上，同时按照设定程序沿Y-Z平面缠绕一圈，再沿X-Z平面缠绕一圈，以此规律获得“十字”编织结构的醋酯纤维。
实施例3：
如图6所示，本实施例利用可直接编织的纺丝收集设备进行静电纺丝，获得“十字”编织结构的氧化硅纳米纤维。
1.将正硅酸四乙酯与水溶液混合，水解6h后加入恒温水浴锅的烧杯中，然后加入3％聚环氧乙烷溶解，在30℃恒温水浴中保持高速搅拌；
2.调节上支臂50，使纺丝针头60距离收集球10顶部10cm；收集球10外包裹一层铝箔纸，设定驱动轮20转速程序，首先驱动轮20X以360°/s旋转4s，使收集球10在Y-Z平面旋转一周，然后驱动轮20Y以360°/s旋转4s，使收集球10在X-Z平面旋转一周，完成一个循环，并以此程序循环运行；
3.打开高压发生器电源，高压发生器电源正极连接纺丝针头60，负极连接碳刷100，碳刷100与包裹在收集球10上的铝箔纸接触，用蠕动式恒流泵80将混合溶液抽至纺丝针头60，溶液在电场力作用下飞向负极收集球10，并形成纤维，纤维落在收集球10上，同时按照设定程序沿Y-Z平面缠绕一圈，再沿X-Z平面缠绕一圈，以此规律获得“十字”编织结构的氧化硅纳米纤维。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种可直接编织的纺丝收集设备，其特征在于，包括收集球、三个驱动轮、驱动轮控制器和纺丝针头；
所述三个驱动轮设置于所述收集球外周，用于支撑收集球并驱动其转动；三个驱动轮空间上互相垂直，若从收集球球心发出三条互相垂直的射线，分别记为X、Y、Z方向，则三个驱动轮分别位于收集球表面与射线的交点处，其中，轴向与X方向平行的驱动轮为X驱动轮，轴向与Y方向平行的驱动轮为Y驱动轮，轴向与Z方向平行的驱动轮为Z驱动轮；每个驱动轮包括驱动电机和转轮，所述转轮安装于驱动电机输出轴的端部，所述转轮的外缘沿周向设置一圈滑轮，所述滑轮是驱动轮与收集球接触的部位；三个驱动轮分别与所述驱动轮控制器连接，通过驱动轮控制器控制各个驱动轮的转速和方向；
所述纺丝针头活动安装于所述收集球的上方，纺丝针头距离收集球的距离能够进行调节。
2.根据权利要求1所述的可直接编织的纺丝收集设备，其特征在于，所述纺丝收集设备还包括安装支架，所述安装支架包括下基座、上基座和支撑杆，所述支撑杆位于下基座与上基座之间；所述三个驱动轮的驱动电机通过底座固定安装于下基座上；所述纺丝针头通过上支臂安装于上基座的下方，上支臂上端固定安装于上基座的下表面，纺丝针头夹持于上支臂的下端，所述上支臂能够带动纺丝针头上下移动，以调整纺丝针头与收集球的距离。
3.根据权利要求1所述的可直接编织的纺丝收集设备，其特征在于，当所述纺丝收集设备用于干法纺丝、湿法纺丝、吹法纺丝时，收集球采用绝缘材料制成；当纺丝收集设备用于静电纺丝时，收集球采用导电材料制成，或在绝缘材料制成的收集球外包裹一层锡纸或铝箔纸。
4.一种纤维编织方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-3任一项所述的可直接编织的纺丝收集设备，进行干法纺丝、湿法纺丝、吹法纺丝或静电纺丝，具体包括以下步骤：
S1、配置纺丝所需的混合溶液；
S2、根据纺丝方法和纺丝溶液调节纺丝针头与收集球之间的距离，设定驱动轮的转速程序，并以此程序循环运行；
S3、用蠕动式恒流泵以恒定流速将步骤S1制得的混合溶液抽至纺丝针头，纤维落在收集球上，同时按照设定程序在收集球上缠绕，从而获得编织后的纤维。
5.根据权利要求4所述的纤维编织方法，其特征在于，通过该方法进行干法纺丝，获得具有编织结构的纤维，步骤S3中，纺丝溶液从针头中挤出，纺丝溶液中的溶剂在空气中迅速挥发，形成纤维落在收集球上。
6.根据权利要求4所述的纤维编织方法，其特征在于，通过该方法进行吹法纺丝，增加高压气泵与所述纺丝收集设备配合使用，在步骤S3中，用蠕动式恒流泵将混合溶液抽至纺丝针头，打开高压气泵，高压气泵的高速气流通过导气管吹向纺丝针头，将纺丝溶液从针头中吹出，纤维落在收集球上。
7.根据权利要求4所述的纤维编织方法，其特征在于，该方法进行静电纺丝，在收集球外包裹一层锡纸或铝箔纸，增加高压发生器电源与所述纺丝收集设备配合使用，在步骤S3中，高压发生器电源的正极连接纺丝针头，负极连接碳刷，碳刷与包裹在收集球上的锡纸或铝箔纸接触，用蠕动式恒流泵将混合溶液抽至纺丝针头，溶液在电场力作用下飞向负极收集球，并形成纤维，纤维落在收集球上。
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