CN114182369A - 一种功能纤维的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功能纤维的制备技术领域，提供了一种功能纤维的制备装置及方法，功能纤维的制备装置，至少包括：热拉结构，适于将预制棒拉制成待压制的纤维；压制结构，包括压辊与驱动装置，所述压辊的表面具有微纳结构，所述压辊的进料端对应所述热拉结构的出料端设置；所述驱动装置与所述压辊相连，适于驱动所述压辊转动，以将所述待压制的纤维压制成表面具有微纳结构的目标纤维。本发明提供的功能纤维的制备装置，通过热拉结构对预制棒进行拉丝操作，以形成待压制的纤维；再采用表面具有微纳结构的压辊对所述待压制的纤维进行压制，以形成表面具有微纳结构的目标纤维。在制备过程中不会产生废气，废水，避免对环境造成影响。

Description

一种功能纤维的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及功能纤维的制备技术领域，具体涉及一种功能纤维的制备装置及方法。

背景技术

微纳结构表面可以赋予材料许多优异的特性，如亲疏水，抗菌及产生结构色等。因此，研究一种在纤维表面制备可控微纳结构的方法，对于拓宽纤维应用场景，促进智能织物的发展都具有重要的现实意义。

现有技术中制备表面具有微纳结构的纤维时，一般采用相分离法，如溶剂挥发法和固相分离法等。如专利CN110528095A“一种多孔表面结构纤维的制备方法及装置”中提出将聚合物熔体在含有PVA粒子的高温高速气流吹喷下，拉伸为表面嵌入有纳米PVA粒子的超细纤维，再经过水浴将纳米PVA粒子溶解，得到多孔表面纤维结构。但是，采用相分离法，如溶剂挥发法和固相分离法等，在制备过程中产生废气，废水，会对环境造成影响。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中制备表面具有微纳结构的功能纤维时，采用相分离法，如溶剂挥发法和固相分离法等，在制备过程中产生废气，废水，会对环境造成影响，从而提供一种功能纤维的制备装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种功能纤维的制备装置，至少包括：热拉结构，适于将预制棒拉制成待压制的纤维；压制结构，包括压辊与驱动装置，所述压辊的表面具有微纳结构，所述压辊的进料端对应所述热拉结构的出料端设置；所述驱动装置与所述压辊相连，适于驱动所述压辊转动，以将所述待压制的纤维压制成表面具有微纳结构的目标纤维。

进一步地，所述压辊的内部为中空结构，以形成冷却腔，所述压辊上设置有与所述冷却腔相连通的进水部和出水部。

进一步地，所述压辊包括连接部以及工作部，所述工作部设置有所述微纳结构及所述冷却腔，所述进水部和出水部设置在所述连接部上。

进一步地，所述进水部的进口以及出水部的出口设置在所述压辊的同一端面上。

进一步地，该功能纤维的制备装置还包括泵体、第一管路与第二管路，所述第一管路与所述压辊的进水部相连接，所述第二管路与所述压辊的出水部相连接。

进一步地，所述压辊包括两个，两个所述压辊平行间隔设置，两个所述压辊中的主动辊与被动辊之间通过传动齿轮相连；所述驱动装置的输出端与所述主动辊相连，适于驱动所述主动辊与所述被动辊沿相互面对的方向转动，以使所述待压制的纤维从所述主动辊与所述被动辊之间的缝隙穿过后形成表面具有微纳结构的目标纤维。

进一步地，所述热拉结构的加热炉内沿预制棒的输送方向上分为预热区与加热区，所述预热区的温度范围为100℃-150℃，所述加热区的温度范围为150℃-400℃。

本发明还提供一种功能纤维的制备方法，至少包括如下步骤：对预制棒进行拉丝操作，以形成待压制的纤维；采用表面具有微纳结构的压辊对所述待压制的纤维进行压制，以形成表面具有微纳结构的目标纤维。

进一步地，在对所述预制棒进行拉丝操作之前，还包括：对所述预制棒进行加热，使其软化。

进一步地，所述对所述预制棒进行加热具体包括：在温度范围为100℃-150℃的环境下对所述预制棒进行预热；在温度范围为150℃-400℃的环境下对预热后的所述预制棒进行加热。

进一步地，对所述目标纤维进行冷却，并将冷却后的所述目标纤维进行绞盘处理。

进一步地，该功能纤维的制备方法还包括：对所述目标纤维进行质量检测，具体包括：采用可见的激光束照射所述目标纤维；若激光束穿透所述目标纤维，形成了“彩虹”颜色的二维衍射图案，则所述目标纤维的质量合格；若激光束穿透所述目标纤维，未形成“彩虹”颜色的二维衍射图案，则所述目标纤维的质量不合格。

进一步地，采用表面具有微纳结构的压辊对所述待压制的纤维进行压制之前还包括：制备表面具有微纳结构的PET膜；将表面具有微纳结构的PET膜包覆在表面光滑的压辊表面。

进一步地，制备表面具有微纳结构的PET膜具体包括：使用聚焦离子束在铬模具的表面加工出微纳结构；将表面空白的PET膜覆盖在铬模具的表面上，并放置在真空环境下进行加热；其中，加热温度范围为220℃-260℃，加热时间范围为20min-40min；冷却后，将表面具有微纳结构的PET膜从铬模具上剥落。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的功能纤维的制备装置，通过热拉结构对预制棒进行拉丝操作，以形成待压制的纤维；再采用表面具有微纳结构的压辊对所述待压制的纤维进行压制，以形成表面具有微纳结构的目标纤维。在制备过程中不会产生废气，废水，避免对环境造成影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中功能纤维的制备装置的局部结构示意图；

图2为本发明实施例中功能纤维的制备装置中循环冷却的示意图；

图3为本发明实施例中功能纤维的制备装置中主动辊的示意图；

图4为本发明实施例中功能纤维的制备装置中被动辊的示意图；

图5为图3的剖视图；

图6为本发明实施例中功能纤维的制备方法中制备带有微纳结构的压辊的工艺过程示意图。

附图标记说明：

1、预制棒； 2、待压制的纤维； 3、目标纤维；

4、压辊； 5、加热炉； 6、工作部；

7、连接部； 8、冷却腔； 9、泵体；

10、第一管路； 11、第二管路； 12、电机；

13、主动辊； 14、被动辊； 15、传动齿轮；

16、铬模具； 17、微纳结构； 18、PET膜；

19、进水部； 20、出水部。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为本发明实施例中功能纤维的制备装置的局部结构示意图，如图1所示，本实施例提供一种功能纤维的制备装置，至少包括：热拉结构，适于将预制棒1拉制成待压制的纤维2；压制结构，包括压辊4与驱动装置，压辊4的表面具有微纳结构17，压辊4的进料端对应热拉结构的出料端设置；驱动装置与压辊4相连，适于驱动压辊4转动，以将待压制的纤维2压制成表面具有微纳结构17的目标纤维3。

具体而言，热拉结构可以为现有技术中的热拉设备，使用时，可以将预制棒1的一端固定在热拉结构的三爪卡盘上，预制棒1的另一端伸入热拉结构的加热炉5中，并且在热拉结构的牵引装置的作用下，使预制棒1经加热炉5出料以后，被加工成待压制的纤维2。在加热炉5的出料口处，设置有压辊4，例如，压辊4可以对称设置两个，两个压辊4可以在驱动装置的作用下均朝内侧转动，此时，压辊4位于加热炉5的出料口的下方，待压制的纤维2从两个压辊4的上方进入，从压辊4的下方出去后，被压制成表面具有微纳结构17的目标纤维3。其中，两个压辊4之间的缝隙大小可以根据目标纤维3的尺寸进行调节。

其中，预制棒1可以为热塑性聚合物纤维材料。其中，微纳结构17的尺寸可以从几十纳米到几百微米之间。微纳结构17的结构类型可以是凸起，也可以是凹槽。微纳结构17的分布类型可以呈点状、星状、块状、带状分布等。本实施例中，对与微纳结构17的结构类型以及分布类型均不作具体限定。

本实施例提供的功能纤维的制备装置，通过热拉结构对预制棒1进行拉丝操作，以形成待压制的纤维2；再采用表面具有微纳结构17的压辊4对所述待压制的纤维2进行压制，以形成表面具有微纳结构17的目标纤维3。在制备过程中不会产生废气，废水，避免对环境造成影响。

图5为图3的剖视图；如图3与图5所示，其中，压辊4的内部为中空结构，以形成冷却腔8，压辊4上设置有与冷却腔8相连通的进水部19和出水部20。其中，进水部19与出水部20的位置可以根据需要在压辊4上的某个位置。

其中，压辊4包括连接部7以及工作部6，例如，微纳结构17设置在工作部6的表面，冷却腔8设置在工作部6的内部。其中，进水部19和出水部20设置在连接部7上，例如，进水部19的进口以及出水部20的出口设置在压辊4的同一端面上。例如，压辊4的轴中心的通道形成冷却腔的进水部19，在压辊的端面沿进水部19的周向设置环形的通道,形成冷却腔的出水部20。如此设置，可以避免压辊旋转过程中,第一管路10与第二管路11发生缠绕。

图2为本发明实施例中功能纤维的制备装置中循环冷却的示意图；图3为本发明实施例中功能纤维的制备装置中主动辊的示意图；图4为本发明实施例中功能纤维的制备装置中被动辊的示意图；如图2、图3以及图4所示，其中，当压辊4包括两个时，两个压辊4平行间隔设置，两个压辊4中的主动辊13与被动辊14之间通过传动齿轮15相连；驱动装置的输出端与主动辊13相连，适于驱动主动辊13与被动辊14沿相互面对的方向转动，以使待压制的纤维2从主动辊13与被动辊14之间的缝隙穿过后形成表面具有微纳结构17的目标纤维3。例如，驱动装置可以是电机12，电机12可以通过联轴器或者键与主动辊13相连。主动辊13与被动辊14上各套设一个传动齿轮15，传动齿轮15与主动辊13可以通过键进行连接，传动齿轮15与被动辊14也可以通过键进行连接，当电机12驱动主动辊13转动时，在传动齿轮15的作用下，可以带动被动辊14同步转动。

例如，主动辊13与从动辊的外壳均为圆筒形，外壳和辊轴一体铸造，主动辊13的辊轴两端均开有键槽，分别与电机12轴和主动齿轮连接。例如，压辊4的外径可以为100mm-150mm。主动辊13的长度范围可以为200mm-250mm，从动辊的长度范围可以是150mm-200mm。例如，压辊4的材质可以均为304不锈钢。

其中，该功能纤维的制备装置还包括泵体9、第一管路10与第二管路11，第一管路10与压辊4的进水部19相连接，第二管路11与压辊4的出水部20相连接。例如。第一管路10具有两个出水支路，可以分别用于对主动辊13以及被动辊14的进水。同理，第二管路11可以具有两个进水支路，可以分别用于对主动辊13以及被动辊14的出水。泵体9与外部的冷却水源相连，将冷却水泵入第一管路10内，从第二管路11回流的冷却水可以再回到冷却水源内，形成循环冷却。例如，冷却水源可以是水池。水池内的水和周围环境进行换热，降温，整个冷却回路可以保证压辊4在连续压印过程中始终保持在较低的温度，有效冷却纤维表面的压印图案，抑制热塑性材料的回流现象，从而提高压印形成的微纳结构17的高分辨率。

其中，热拉结构的加热炉5内沿预制棒1的输送方向上可以分为预热区与加热区，预热区的温度范围为100℃-150℃，加热区的温度范围为150℃-400℃。例如，加热区可以分成高温区与低温区，低温区的加热温度范围可以为150℃-250℃，高温区的加热温度范围可以为250℃-400℃。以便可以根据预制棒1的材料性质选择合适温度的加热区。

使用时，首先将材料为聚偏二氟乙烯的预制棒1用三爪卡盘固定在纤维拉丝塔的顶部。通过进棒机构控制，将预制棒1以速度v1送入加热炉5中。预制棒1经过加热炉5加热软化，通过牵引装置以速度v2进行拉丝操作，并在加热炉5下方形成一个颈部区域。颈部区域下方固定有一对表面具有微纳结构17的压辊4，通过调节压辊4之间的间隙，保证最佳压印图案质量。保持压辊4的线速度v3和拉丝速度v2一致，当纤维经过压辊4时实现功能纤维表面微纳结构17的直接压印，并且由于压辊4内有循环冷却水，表面温度较低，可以快速冷却纤维的温度，有效抑制材料因纤维材料表面张力作用导致的回流现象，保证压印图案边缘具有良好的分辨率。最终，将压印后的纤维收集在绞盘上。

另一个实施例中还提供一种功能纤维的制备方法，至少包括如下步骤：对预制棒1进行拉丝操作，以形成待压制的纤维2；采用表面具有微纳结构17的压辊4对待压制的纤维2进行压制，以形成表面具有微纳结构17的目标纤维3。

其中，在对预制棒1进行拉丝操作之前，还包括：对预制棒1进行加热，使其软化。

其中，对预制棒1进行加热具体包括：在温度范围为100℃-150℃的环境下对预制棒1进行预热；在温度范围为150℃-400℃的环境下对预热后的预制棒1进行加热。

其中，对目标纤维3进行冷却，并将冷却后的目标纤维3进行绞盘处理。

其中，该功能纤维的制备方法还包括：对目标纤维3进行质量检测，具体包括：采用可见的激光束照射目标纤维3；若激光束穿透目标纤维3，形成了“彩虹”颜色的二维衍射图案，证明了在目标纤维3上制备得到的微纳结构17具有良好的周期性，则目标纤维3的质量合格；若激光束穿透目标纤维3，未形成“彩虹”颜色的二维衍射图案，则目标纤维3的质量不合格。

其中，采用表面具有微纳结构17的压辊4对待压制的纤维2进行压制之前还包括：制备表面具有微纳结构17的PET膜18；将表面具有微纳结构17的PET膜18包覆在表面光滑的压辊4表面。

图6为本发明实施例中功能纤维的制备方法中制备带有微纳结构的压辊的工艺过程示意图；如图6所示，其中，制备表面具有微纳结构17的PET膜18具体包括：使用聚焦离子束在铬模具16的表面加工出微纳结构17；将表面空白的PET膜18覆盖在铬模具16的表面上，并放置在真空环境下进行加热；其中，加热温度范围为220℃-260℃，加热时间范围为20min-40min；冷却后，将表面具有微纳结构17的PET膜18从铬模具16上剥落。具体而言，铬模具16可以为平板状结构，可以使用聚焦离子束ZEISS Crossbeam 540在铬模具16的板面上进行表面微纳结构17加工，得到板面具有微纳结构17的铬模具16；然后将PET膜18覆盖在铬模具16上，并放置在真空环境下进行加热，温度保持在240℃，加热时间为30min；加热完成后将铬模具16冷却，剥落得到具有表面微纳结构17的PET膜18，最后将PET膜18包覆在空白的压辊4上得到具有表面微纳结构17的压辊4。

综上，本申请中的功能纤维的制备装置及方法具备以下优点：

在纤维上制造微纳结构17时，不需要对预制品进行额外的加工，工艺流程更简单，更环保，适合大规模商业应用。

采用具有冷却功能的压辊4进行同步压印，保证纤维表面的微纳结构17具有较高的质量和良好的周期性。

纤维表面的微纳结构17可控，可通过设计压辊4上的表面纹理来实现，压辊4表面的微纳结构17的尺寸可以从几十纳米到几百微米。

适用于大部分的热塑性聚合物纤维，并对纤维内部结构影响很小。

可以赋予目标纤维3许多优异的特性，如亲疏水、抗菌、产生结构色等。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种功能纤维的制备装置，其特征在于，至少包括：

热拉结构，适于将预制棒拉制成待压制的纤维；

压制结构，包括压辊与驱动装置，所述压辊的表面具有微纳结构，所述压辊的进料端对应所述热拉结构的出料端设置；所述驱动装置与所述压辊相连，适于驱动所述压辊转动，以将所述待压制的纤维压制成表面具有微纳结构的目标纤维。

2.根据权利要求1所述的功能纤维的制备装置，其特征在于，

所述压辊的内部为中空结构，以形成冷却腔，所述压辊上设置有与所述冷却腔相连通的进水部和出水部。

3.根据权利要求2所述的功能纤维的制备装置，其特征在于，

所述压辊包括连接部以及工作部，所述工作部设置有所述微纳结构及所述冷却腔，所述进水部和出水部设置在所述连接部上。

4.根据权利要求3所述的功能纤维的制备装置，其特征在于，

所述进水部的进口以及出水部的出口设置在所述压辊的同一端面上。

5.根据权利要求2-4任一所述的功能纤维的制备装置，其特征在于，

还包括泵体、第一管路与第二管路，所述第一管路与所述压辊的进水部相连接，所述第二管路与所述压辊的出水部相连接。

6.根据权利要求1所述的功能纤维的制备装置，其特征在于，

所述压辊包括两个，两个所述压辊平行间隔设置，两个所述压辊中的主动辊与被动辊之间通过传动齿轮相连；

所述驱动装置的输出端与所述主动辊相连，适于驱动所述主动辊与所述被动辊沿相互面对的方向转动，以使所述待压制的纤维从所述主动辊与所述被动辊之间的缝隙穿过后形成表面具有微纳结构的目标纤维。

7.根据权利要求1所述的功能纤维的制备装置，其特征在于，

所述热拉结构的加热炉内沿预制棒的输送方向上分为预热区与加热区，所述预热区的温度范围为100℃-150℃，所述加热区的温度范围为150℃-400℃。

8.一种功能纤维的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：

对预制棒进行拉丝操作，以形成待压制的纤维；

采用表面具有微纳结构的压辊对所述待压制的纤维进行压制，以形成表面具有微纳结构的目标纤维。

9.根据权利要求8所述的功能纤维的制备方法，其特征在于，

在对所述预制棒进行拉丝操作之前，还包括：

对所述预制棒进行加热，使其软化。

10.根据权利要求9所述的功能纤维的制备方法，其特征在于，

在对所述预制棒进行加热具体包括：

在温度范围为100℃-150℃的环境下对所述预制棒进行预热；

在温度范围为150℃-400℃的环境下对预热后的所述预制棒进行加热。

11.根据权利要求8所述的功能纤维的制备方法，其特征在于，

对所述目标纤维进行冷却，并将冷却后的所述目标纤维进行绞盘处理。

12.根据权利要求8所述的功能纤维的制备方法，其特征在于，还包括：

对所述目标纤维进行质量检测，具体包括：

采用可见的激光束照射所述目标纤维；

若激光束穿透所述目标纤维，形成了“彩虹”颜色的二维衍射图案，则所述目标纤维的质量合格；

若激光束穿透所述目标纤维，未形成“彩虹”颜色的二维衍射图案，则所述目标纤维的质量不合格。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的功能纤维的制备方法，其特征在于，

采用表面具有微纳结构的压辊对所述待压制的纤维进行压制之前还包括：

制备表面具有微纳结构的PET膜；

将表面具有微纳结构的PET膜包覆在表面光滑的压辊表面。

14.根据权利要求13所述的功能纤维的制备方法，其特征在于，

制备表面具有微纳结构的PET膜具体包括：

使用聚焦离子束在铬模具的表面加工出微纳结构；

将表面空白的PET膜覆盖在铬模具的表面上，并放置在真空环境下进行加热；其中，加热温度范围为220℃-260℃，加热时间范围为20min-40min；

冷却后，将表面具有微纳结构的PET膜从铬模具上剥落。

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