CN113718351A

CN113718351A - 一种纤维多股合束方法

Info

Publication number: CN113718351A
Application number: CN202111014338.9A
Authority: CN
Inventors: 刘凯; 张洪杰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: CN113718351B

Abstract

本发明提供了一种纤维多股合束方法，包括：A)纺丝液经凝固浴纺丝成型，形成多股纤维；B)多股纤维在脱离凝固浴液面处合成一束；或多股纤维脱离凝固浴，在纤维传送过程中合成一束。本发明所述多股成型纤维在纺丝过程合成一束纤维，能够获得力学性能优异的纤维材料。在纤维未完全干燥的情况下，将多根纤维合成一束后，纤维表面过量的交联剂能够将几根纤维表面交联，增强纤维力学性能，实现纤维的高强、高负载性能。该技术操作简单、无额外生产成本产生，适于纤维大规模制备。

Description

一种纤维多股合束方法

技术领域

本发明涉及纤维生产技术领域，尤其涉及一种纤维多股合束方法。

背景技术

近年来，纤维材料因其较高的强度、高的韧性等优异的性能，被广泛应用于航天、军事、纺织、生物医用等领域。尽管纤维强度足够高，但通常情况下，生产成型的纤维直径比较细，单根纤维难以承受特别大的负载，这极大的限制了纤维的应用。

加捻是一种常规提高纤维力学负载的方法。通过将多根纤维加捻成一股，可以提高纤维的直径，从而提高纤维的负载。但是，由于加捻的纤维间作用力比较小，容易出现解捻的现象，这极大的限制了纤维的使用，特别是短距离纤维的使用。纤维编织技术也是一种可以提高纤维力学载荷的手段。但是由于编织过程工艺比较复杂，编织效率低，从而增加了纤维的生产成本，限制了其应用，特别是在民用领域的应用。

因此，寻找一种生产工艺简单、成本较低、适应范围广的方法来提高纤维的载荷是当前需要解决的一个十分棘手的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种纤维多股合束方法，本发明提供的合束方法具有较高的力学载荷，且不会解捻。

本发明提供了一种纤维多股合束方法，包括：

A)纺丝液经凝固浴纺丝成型，形成多股纤维；

B)多股纤维在脱离凝固浴液面处合成一束；或

多股纤维脱离凝固浴，在纤维传送过程中合成一束。

优选的，所述凝固浴包括交联剂、醇和水；其中，所述交联剂包括戊二醛、京尼平、PEG二醛、酸溶液、氯化钙；所述醇为甲醇、乙醇或异丙醇。

优选的，所述凝固浴中交联剂的质量百分比为0.2～8％；醇的质量百分比为0～95％。

优选的，步骤A)所述纺丝具体为湿法纺丝成型；所述纺丝液为海藻酸钠、BSA、纳米纤维素；纺丝液浓度为5～600mg/ml。

优选的，所述纤维为蛋白纤维、水凝胶纤维、生物大分子纤维。

优选的，所述纤维直径为1～1000微米。

优选的，步骤B)所述在纤维传送过程中合成一束具体为：纤维经过合束辊轮合成一束，后经过差速辊轮拉伸收集。

多股纤维在合束过程中未完全干燥。

优选的，所述合束辊轮有凹槽；所述凹槽宽度为0.1～10mm。

优选的，所述合束后纤维经过传送辊轮干燥、拉伸后至收集辊收集；所述拉伸倍率0.5～10。

本发明提供了一种纤维，其特征在于，由上述技术方案任意一项所述的合束方法制得。

与现有技术相比，本发明提供了一种纤维多股合束方法，包括：A)纺丝液经凝固浴纺丝成型，形成多股纤维；B)多股纤维在脱离凝固浴液面处合成一束；或多股纤维脱离凝固浴，在纤维传送过程中合成一束。本发明所述多股成型纤维在纺丝过程合成一束纤维，能够获得力学性能优异的纤维材料。在纤维未完全干燥的情况下，将多根纤维合成一束后，纤维表面过量的交联剂能够将几根纤维表面交联，增强纤维力学性能，实现纤维的高强、高负载性能。该技术操作简单、无额外生产成本产生，适于纤维大规模制备。

附图说明

图1为一种高强纤维多股合束技术示意图；图中所示为六股单纤维合成一束纤维；

图2为一种高强纤维水下多股合束技术实物图；

图3为另一种高强纤维多股合束技术实物图；

图4为另一种高强纤维功能浴中多股合束技术实物图；

图5为BSA多股合一纤维力学拉伸曲线图；

图6为海藻酸钠多股合一纤维力学拉伸曲线图；

图7为BSA多股合一纤维力学拉伸曲线图；

图8为海藻酸钠多股纤维加捻力学拉伸曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种纤维多股合束方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明提供了一种纤维多股合束方法，包括：

A)纺丝液经凝固浴纺丝成型，形成多股纤维；

B)多股纤维在脱离凝固浴液面处合成一束；或

多股纤维脱离凝固浴，在纤维传送过程中合成一束。

本发明提供的一种纤维多股合束方法首先提供纺丝液。

本发明所述纺丝液优选为海藻酸钠、BSA、纳米纤维素。

其中纺丝液浓度为5～600mg/ml；更优选为10～500mg/ml；最优选为20～400mg/ml。

纺丝液经凝固浴纺丝成型，形成多股纤维。

本发明所述凝固浴包括交联剂、醇和水。

其中，所述交联剂优选包括戊二醛、京尼平、PEG二醛、酸溶液、氯化钙；更优选包括戊二醛或氯化钙。

所述醇为甲醇、乙醇或异丙醇。

在本发明其中一部分优选实施方式中，凝固浴可以为戊二醛/甲醇/水溶液凝固浴；

在本发明其中一部分优选实施方式中，凝固浴可以为氯化钙/水溶液凝固浴。

本发明所述凝固浴中交联剂的质量百分比优选为0.2～8％；更优选为0.5～7％；最优选为0.5～6％。

醇的质量百分比优选为0～95％；更优选为0～90％。

本发明纺丝液为海藻酸钠时，凝固浴可以选择氯化钙/水溶液凝固浴。

本发明纺丝液为牛血清蛋白溶液时，凝固浴可以选择戊二醛/甲醇/水溶液凝固浴。

本发明所述纺丝具体为湿法纺丝成型；本发明对于所述纺丝成型形成多股纤维的具体过程不进行阐述，本领域技术人员熟知的即可。

本发明其中一个技术方案为：多股纤维在脱离凝固浴液面处合成一束。

本发明所述纤维为蛋白纤维、水凝胶纤维、生物大分子纤维；其中所述蛋白纤维包括但不限于牛血清蛋白纤维；所述生物大分子纤维包括但不限于海藻酸钠纤维。

本发明所述纤维直径优选为1～1000微米；更优选为10～500微米。

纤维在脱离凝固浴液面处在有界面张力以及交联剂的作用下合成一束。

本发明另外一个技术方案为：多股纤维脱离凝固浴，在纤维传送过程中合成一束。

多股纤维在合束过程中未完全干燥。

本发明还包括在纤维合束后在醇类溶剂中脱水。所述醇溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇；所述纤维为水凝胶纤维、生物大分子纤维。

本发明所述在纤维传送过程中合成一束优选具体为：纤维经过合束辊轮合成一束。

本发明所述合束辊轮有凹槽；所述凹槽宽度优选为0.1～10mm；更优选为1～5mm。

所述合束后纤维经过传送辊轮干燥、拉伸后至收集辊收集；

本发明对于所述干燥和所述收集辊不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。

本发明拉伸倍率优选为0.5～10。

一定浓度的纺丝液经过湿法纺丝形成直径为1-100微米的纤维后经过多股纤维合成一束，在收集辊上收集。该技术操作简单、无额外成产成本产生，适于纤维大规模制备。

在纤维未完全干燥的情况下，将多根纤维合成一束后，纤维表面过量的交联剂能够将几根纤维表面交联，增强纤维力学性能，实现纤维的高强、高负载性能。

本发明提供了一种纤维，由上述技术方案任意一项所述的合束方法制得。

本发明对于上述合束方法已经有了清楚的描述，在此不再赘述。

本发明所述多根纤维在合束后力学性能增强10％～100％。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种纤维多股合束方法进行详细描述。

实施例1

本发明合束示意图参见图1。图1为一种高强纤维多股合束技术示意图；图中所示为六股单纤维合成一束纤维；

在本实施例中，本发明的纺丝液在凝固浴中形成多股纤维后，在纤维脱离凝固浴液面处多股纤维通过交联剂合成一束，合束后纤维经过辊轮传送至收集辊收集。

或

多股纤维在凝固浴中成型后脱离凝固浴，在纤维传送过程中经过合束辊轮，在交联剂的作用下合成一束，合束后纤维经过辊轮传送至收集辊收集。

图2为一种高强纤维水下多股合束技术实物图；图3为另一种高强纤维多股合束技术实物图。

实施例2

本实施例使用实施例1提供的一种高强纤维多股合束技术，具体实施例以BSA蛋白交联纤维试验为例，纤维水下多股合束效果图参见图2，纤维力学数据参见图5。

首先，300mg/ml的牛血清蛋白溶液在3％戊二醛/甲醇/水溶液凝固浴中交联成型，成型后的六根纤维其中一根在凝固浴一端挑出，将其他五根纤维在水下逐一挑出，并与先前挑出的纤维合成一束，六根纤维经过戊二醛交联形成一束纤维，后经过收集辊收集。

性能如图5所示，图5为BSA多股合一纤维力学拉伸曲线图；由图5可以看出合束过后的BSA纤维形成一根纤维，其拉伸强度为120MPa，延展性为140％，与单根BSA纤维(拉伸强度100MPa，延展性100％)相比，其性能较单纤维性能提升10％-50％。

实施例3

本实施例使用实施例1提供的一种高强纤维多股合束技术，具体实施例以海藻酸钠纤维试验为例，纤维成型后多股合束，效果图参见图3。

首先，2％海藻酸钠溶液在2％CaCl₂凝固浴交联形成六根纤维，六根纤维经过辊轮传送以及差速后拉伸后，在合束辊轮处，合束辊轮有凹槽，凹槽宽度为1mm；通过CaCl₂的配位交联作用合成一束，后经过收集辊收集。

实施例4

本实施例使用实施例1提供的一种高强纤维多股合束技术，具体实施例以海藻酸钠纤维试验为例，纤维成型后多股合束，效果图参见图4、纤维力学数据参见图7。性能如图7所示，图7为海藻酸钠多股合一纤维力学拉伸曲线图。由图7可以看出合束过后的海藻酸钠纤维形成一根纤维而非多根纤维缠绕，其强度较单纤维性能更优。

首先，2％海藻酸钠溶液在2％CaCl₂凝固浴交联形成六根纤维，六根纤维经过辊轮传送以及差速后拉伸后，在合束辊轮处合成一束。同时，合束辊轮在醇类溶剂脱水浴中，可以同步实现对纤维的脱水干燥。合束后，经过收集辊收集纤维。

对比例1

本实施例使用实施例1提供的一种高强纤维多股合束技术，具体实施例以BSA蛋白交联纤维试验为例，纤维水下多股合束效果图参见图2，纤维力学数据参见图6。

首先，600mg/ml的牛血清蛋白溶液在10％戊二醛/乙醇/水溶液凝固浴中交联成型，成型后的六根纤维其中一根在凝固浴一端挑出，将其他五根纤维在水下逐一挑出，并与先前挑出的纤维合成一束，六根纤维经过戊二醛交联形成一束纤维，后经过收集辊收集。

由图6可知，经过10％戊二醛/乙醇/水凝固浴合束后，纤维强度较经过3％戊二醛/甲醇/水凝固凝固浴合束后低20MPa，延展性降低超过100％。

对比例2

首先，2％海藻酸钠溶液在2％CaCl₂/凝固浴交联成型后，将多根纤维加捻形成一束纤维纤维，纤维力学数据参见图8。由图8可知，经过成型后合束，纤维强度较经过水凝固浴合束后低200MPa，且纤维单根断裂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种纤维多股合束方法，其特征在于，包括：

A)纺丝液经凝固浴纺丝成型，形成多股纤维；

B)多股纤维在脱离凝固浴液面处合成一束；或

多股纤维脱离凝固浴，在纤维传送过程中合成一束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凝固浴包括交联剂、醇和水；其中，所述交联剂包括戊二醛、京尼平、PEG二醛、酸溶液、氯化钙；所述醇为甲醇、乙醇或异丙醇。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述凝固浴中交联剂的质量百分比为0.2～8％；醇的质量百分比为0～95％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)所述纺丝具体为湿法纺丝成型；所述纺丝液为海藻酸钠、BSA、纳米纤维素；纺丝液浓度为5～600mg/ml。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维为蛋白纤维、水凝胶纤维、生物大分子纤维。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纤维直径为1～1000微米。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B)所述在纤维传送过程中合成一束具体为：纤维经过合束辊轮合成一束，后经过差速辊轮拉伸收集；

多股纤维在合束过程中未完全干燥。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述合束辊轮有凹槽；所述凹槽宽度为0.1～10mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合束后纤维经过传送辊轮干燥、拉伸后至收集辊收集；所述拉伸倍率0.5～10。

10.一种纤维，其特征在于，由权利要求1～9任意一项所述的合束方法制得。