CN113388928A - 纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其是纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置及其方法。包括喷丝单元，用于将喷丝单元的喷丝加捻成初纱的成纱单元，以及用于将成纱单元的初纱进行加热牵伸的热牵伸单元。制得的微纳米纤维纱线结构更均匀、纤维取向度更高、结晶度更高、力学性能更强且产量显著性提高。

Description

纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置及其方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其是纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置及其方法。

背景技术

静电纺微纳米纤维纱线制备技术是利用静电纺丝技术来获得微纳米纤维，然后将微纳米纤维进行集束和加捻成纱的一种新型纺纱技术，采用静电纺微纳米纤维纱线制备技术所得的微纳米纤维纱线与传统微米纤维纱线相比，具有更高的长径比、更大的比表面积，可代替传统微米纤维纱线，通过机织、针织、编结等工艺加工成具备特殊性能的纺织品，赋予纺织品新的声、光、电、磁、热以及力学性能等，在生物医用纺织品、智能可穿戴纺织品等高端领域具备广阔的应用前景。

当前，加工静电纺微纳米纤维纱线的方式多种多样。其中，共轭静电纺丝装置是利用双喷头所喷射的带有异种电荷的微纳米纤维进行集束成纱，被认为是制备微纳米纤维纱线最有潜力的方式之一。但是，该方法所制得的微纳米纤维纱线仍然存在很多缺陷：一是所制得纱线中纤维的取向度、结晶度均很低；二是所制得纱线的均匀性、机械性能均较差，无法满足传统纺织加工工艺的需求，这也是目前限制微纳米纤维纱线实际应用的最主要问题；三是纺纱过程难于控制，连续性以及产量均较低。

CN 110331486 A公开了一种多层结构纳米纤维纱线针织肌腱支架及其制备和应用，纱线为多层包芯结构，制备：芯层纱线穿过中空旋转漏斗作为接收装置，两侧双针头分别加上正负高压电源，电纺纳米纤维加捻到芯层纱线，制备出双层连续的纳米纤维纱线，然后将双层纳米纤维纱线作为芯层，外层电纺天然高分子纳米纤维，制备出三层纳米纤维纱线。最后通过针织工艺将不同层数的纳米纤维纱线针织成三维3D针织支架，用于肌腱修复。但是其制备的纱线为多层包芯结构，且纤维取向度与结晶度低，导致纱线的力学性能显著低于传统微米纤维纱线，无法满足实际应用需求。

因此，发明一种新型纺纱设备获取结构均匀、纤维取向度高、结晶度高、力学性能强且产量高的微纳米纤维纱线是亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，提供了一种纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置及其方法，以获取结构均匀、纤维取向度高、结晶度高、力学性能强且生产过程连续、产量高的微纳米纤维纱线。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，一种纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，包括喷丝单元，用于将喷丝单元的喷丝加捻成初纱的成纱单元，以及用于将成纱单元的初纱进行加热牵伸的热牵伸单元。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，所述喷丝单元包括两对应设置的喷头，用于向喷头供应纺丝液的供液箱。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，所述两喷头距离为3厘米至200厘米，所述喷头为针式喷头或者无针式喷头；所述针式喷头为单针或者多针组合式，为单轴、同轴或者多通道组合式；所述无针式喷头为金属丝、狭缝式、圆环式、圆柱式、圆盘式、球形中的一种或者多种组合。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，所述成纱单元包括一转盘，以及与转盘对应设置的成纱腔，所述转盘与成纱腔之间形成加捻成纱区，还包括正负极分别与两喷头相连的高压静电发生器。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，所述转盘与成纱腔间距为1厘米至100厘米。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，所述热牵伸单元包括一加热腔，以及设于加热腔内的导纱辊。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，所述加热腔内的加热温度为40℃-1000℃。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，还包括一用于将热牵伸单元加热牵伸后的纱线进行收集的卷绕滚筒。

上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，在成纱腔与热牵伸单元之间还设有一预牵伸辊。

一种上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝液分别注入两供液箱，两供液箱分别向两喷头连续供应纺丝液；

(2)高压静电发生器的正负极分别与两喷头相连，开启高压静电发生器分别为两喷头提供相反的高压静电；

(3)利用转盘和成纱腔收集两喷头形成的微纳米纤维，驱动转盘对微纳米纤维加捻形成初纱；

(4)将步骤(3)所得初纱由成纱腔引出，驱动预牵伸辊旋转，连续收集初纱；

(5)开启热牵伸单元，对初纱进行加热牵伸得到高性能微纳米纤维纱线；

(6)驱动卷绕滚筒旋转，连续收集高性能微纳米纤维纱线。

本发明一种纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置及其方法的有益效果是，本发明采用双供液箱进行供液，可保证纺丝液的连续供应，实现纺纱工艺的连续化；采用双喷头，可显著提升纺纱产量；采用转盘和成纱腔收集由双喷头形成的微纳米纤维，可提高纱线中微纳米纤维的取向度，并可实现纱线捻度的高度可控；采用热牵伸单元可进一步提高纱线中微纳米纤维的取向度、结晶度，显著改善纱线的结构，提升纱线的力学性能。综上，成纱单元能够生产结构均匀、连续稳定的初生微纳米纤维纱线，热牵伸单元将获得的微纳米纤维纱线进行不同程度的热牵伸获得不同程度牵伸比的微纳米纤维纱线，改善微纳米纤维纱线的形貌结构、力学性能。本发明制得的微纳米纤维纱线的结构均匀、取向度高、结晶度高、力学性能强且产量显著性提高。

附图说明

图1为纺纱热空气牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置的结构示意图；

图2为初纱和牵伸后纱线的SEM对照图，(a)250倍，(b)10000倍；

图3为初纱和牵伸后纱线的XRD对照图；

图4为初纱和牵伸后纱线的力学性能对比图；

图5为电场模拟图；

图6为转盘与成纱腔诱导纤维取向照片；

图7为转盘旋转实现纤维加捻成纱照片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。

一种纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，包括喷丝单元，用于将喷丝单元的喷丝加捻成初纱的成纱单元，以及用于将成纱单元的初纱进行加热牵伸的热牵伸单元。

所述喷丝单元包括两对应设置的喷头1，用于向喷头1供应纺丝液的供液箱2。可保证纺丝液的连续供应，实现纺纱工艺的连续化；采用双喷头，可显著提升纺纱产量。

所述两喷头1距离为3厘米至200厘米，所述喷头1为针式喷头或者无针式喷头；所述针式喷头为单针或者多针组合式，为单轴、同轴或者多通道组合式；所述无针式喷头为金属丝、狭缝式、圆环式、圆柱式、圆盘式、球形中的一种或者多种组合。

所述成纱单元包括一转盘4，以及与转盘4对应设置的成纱腔5，所述转盘4与成纱腔5之间形成加捻成纱区，还包括正负极分别与两喷头1相连的高压静电发生器6。所述转盘4为金属圆盘，由电机驱动，通过控制金属圆盘的转速调控纱线的捻度。所述成纱腔5为中空金属棒。

所述转盘4与成纱腔5间距为1厘米至100厘米。用于收集微纳米纤维，并提高微纳米纤维的取向度。

所述热牵伸单元包括一加热腔7，以及设于加热腔7内的导纱辊8。可设置纱线的牵伸比，范围为1-100倍。热牵伸单元可提高纱线中纤维的取向度、结晶度，使纱线的力学性能显著提升。

所述加热腔7内的加热温度为40℃-1000℃。所述加热腔7内的加热方式可采用热空气加热、热水浴加热或者热空气和热水浴组合式加热。

还包括一用于将热牵伸单元加热牵伸后的纱线进行收集的卷绕滚筒9。

在成纱腔5与热牵伸单元之间还设有一预牵伸辊3。预牵伸辊3由电机驱动旋转。

一种上述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纺丝液分别注入两供液箱2，两供液箱2分别向两喷头1连续供应纺丝液；

(2)高压静电发生器6的正负极分别与两喷头1相连，开启高压静电发生器6分别为两喷头1提供相反的高压静电；

(3)利用转盘4和成纱腔5收集两喷头1形成的微纳米纤维，驱动转盘1对微纳米纤维加捻形成初纱；

(4)将步骤(3)所得初纱由成纱腔5引出，驱动预牵伸辊3旋转，连续收集初纱；

(5)开启热牵伸单元，对初纱进行加热牵伸得到高性能微纳米纤维纱线；

(6)驱动卷绕滚筒9旋转，连续收集高性能微纳米纤维纱线。

下面采用聚左旋乳酸(PLLA)与六氟异丙醇所配置的纺丝液为例，进行纺纱。包括以下步骤：(1)将PLLA粉末溶于六氟异丙醇中，经过搅拌、溶解、静置配制得到浓度为10％的纺丝液；(2)将PLLA纺丝液分别装入两个供液箱中，分别向双纺丝喷头供液，速率为0.8mL/h；(3)打开高压静电发生器，为双喷头提供+12kV和-12kV的高压静电，双喷头喷出的纳米纤维能够在金属圆盘和中空金属棒间集聚形成喇叭形；(4)启动电机设置金属圆盘的转速为300r/min，将纳米纤维加捻形成初纱；(5)启动电机设置预牵伸辊的转速为20r/min，连续收集纳米纤维初纱；(6)待纳米纤维纱线稳定一段时间后，送入热牵伸装置，温度为80℃，初纱牵伸率设置为1倍；(7)启动电机设置卷绕滚筒的转速为10r/min，连续收集热牵伸处理的纳米纤维纱线。

图2展示了所制备的未牵伸初纱和1倍牵伸的纳米纤维纱线的SEM图，分别随机计算50根纱线的直径，得到未牵伸初纱的直径为494.6±18.9μm，牵伸纱线的直径为281.3±10.2μm；分别随机计算100根纳米纤维的直径，得到未牵伸纳米纤维的直径为515±267nm，牵伸纳米纤维的直径为取向度为480±313nm，即得出牵伸后纱线的直径以及纳米纤维的直径均变细了；分别随机计算100根纳米纤维的取向度，得到未牵伸初纱纳米纤维的取向度为91±20°，牵伸纱线纳米纤维的取向度为90±7°，即牵伸后纳米纤维的取向度分布更加集中。

图3展示了未牵伸初纱和1倍牵伸的纳米纤维纱线的XRD图，牵伸纱线在2θ＝16.4°附近出现明显的细长的结晶衍射峰，表明热牵伸处理使得纱线的结晶度增加。

图4展示了未牵伸初纱和1倍牵伸的纳米纤维纱线的力学性能，未牵伸初纱的断裂应力为9.1±0.2MPa，牵伸纱线的断裂应力为52.5±1.1MPa，即牵伸纱线的断裂应力明显高于未牵伸初纱(**P＜0.001)的断裂应力。

两个喷头成相对配置，分别带相反的高压静电，会在整个装置区域形成高压静电场。从装置电场模拟图中可以看出，由于金属圆盘和空心金属杆的联合作用，会导致电场线在接近金属圆盘和空心金属杆时产生分裂现象，分别指向金属圆盘和中空金属棒。从双喷头中喷出的纳米纤维带相反的电荷，由于静电吸引作用飞向金属圆盘和空心金属杆组成的区域，当接近金属圆盘和中空金属棒在分裂的电场线产生的电场力的作用下分别拉向金属圆盘和中空金属棒，实现纳米纤维的取向和拉伸。因此，如果只有金属圆盘无法形成分裂的电场，导致纤维呈现杂乱状态，无法有效拉伸。另外，如果双喷头的距离太远，对减弱静电吸引作用，无法有效形成纤维。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征在于：包括喷丝单元，用于将喷丝单元的喷丝加捻成初纱的成纱单元，以及用于将成纱单元的初纱进行加热牵伸的热牵伸单元。

2.根据权利要求1所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：所述喷丝单元包括两对应设置的喷头，用于向喷头供应纺丝液的供液箱。

3.根据权利要求2所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：所述两喷头距离为3厘米至200厘米，所述喷头为针式喷头或者无针式喷头；所述针式喷头为单针或者多针组合式，为单轴、同轴或者多通道组合式；所述无针式喷头为金属丝、狭缝式、圆环式、圆柱式、圆盘式、球形中的一种或者多种组合。

4.根据权利要求3所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：所述成纱单元包括一转盘，以及与转盘对应设置的成纱腔，所述转盘与成纱腔之间形成加捻成纱区，还包括正负极分别与两喷头相连的高压静电发生器。

5.根据权利要求4所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：所述转盘与成纱腔间距为1厘米至100厘米。

6.根据权利要求5所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：所述热牵伸单元包括一加热腔，以及设于加热腔内的导纱辊。

7.根据权利要求6所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：所述加热腔内的加热温度为40℃-1000℃。

8.根据权利要求7所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：还包括一用于将热牵伸单元加热牵伸后的纱线进行收集的卷绕滚筒。

9.根据权利要求8所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置，其特征是：在成纱腔与热牵伸单元之间还设有一预牵伸辊。

10.一种如权利要求1-9所述的纺纱牵伸一体化高性能微纳米纤维纱线制备装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将纺丝液分别注入两供液箱，两供液箱分别向两喷头连续供应纺丝液；

(2)高压静电发生器的正负极分别与两喷头相连，开启高压静电发生器分别为两喷头提供相反的高压静电；

(3)利用转盘和成纱腔收集两喷头形成的微纳米纤维，驱动转盘对微纳米纤维加捻形成初纱；

(4)将步骤(3)所得初纱由成纱腔引出，驱动预牵伸辊旋转，连续收集初纱；

(5)开启热牵伸单元，对初纱进行加热牵伸得到高性能微纳米纤维纱线；

(6)驱动卷绕滚筒旋转，连续收集高性能微纳米纤维纱线。

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