CN220827503U - 溶液喷射纺纳米纤维成纱装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，涉及纱线技术领域，包括顺次布设的纳米纤维生成机构、纤维束复合机构以及纱线收集机构，所述纳米纤维生成机构能够利用气流对纺丝液细流进行拉伸以获得纳米纤维束，所述纤维束复合机构设置在所述纳米纤维生成机构的出口端，所述纤维束复合机构接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维束并形成纳米纤维纱线，所述纱线收集机构用于对纳米纤维纱线进行卷绕收集；通过上述装置制备的纳米纤维纱线具有尺寸小、比表面积大、孔隙率高、取向度好、抗拉强度大、结构蓬松、可实现大规模生产等特点。

Description

溶液喷射纺纳米纤维成纱装置

技术领域

本实用新型涉及纱线制备技术领域，尤其是涉及溶液喷射纺纳米纤维成纱装置。

背景技术

与静电纺丝技术相比，溶液喷射纺是规模化制备纳米纤维的有效方法之一。该技术的基本原理是利用高速气流对溶液细流进行超细拉伸，并伴随着溶剂蒸发而固化为纳米纤维。溶液喷射纺丝技术制备得到的纤维更蓬松、工艺能耗低、生产效率高(其单针头纺丝速度可达到静电纺丝速度的10倍)、装置简单、生产操作安全灵活，更适合工业化生产。

现有技术中关于纳米纤维纱线的制备包括以下两种方式：

(1)将原有的网状收集器用一个旋转圆盘取代，利用纳米纤维在旋转圆盘上拉出有取向的纳米纤维纱线。

(2)在溶液喷射纺丝装置的基础上增设了一对平行辊作为接收装置，制备了有取向的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维纱线。

但上述两种方法均不能解决规模化连续制备纳米纤维纱线的难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，以解决现有技术中无法规模化连续制备纳米纤维纱线的技术问题。

本实用新型提供一种溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，包括纳米纤维生成机构、纤维束复合机构以及纱线收集机构，所述纳米纤维生成机构能够利用气流对纺丝液细流进行拉伸以获得纳米纤维束，所述纤维束复合机构设置在所述纳米纤维生成机构的出口端，所述纤维束复合机构接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维束并形成纳米纤维纱线，所述纱线收集机构用于对纳米纤维纱线进行卷绕收集；

其中，所述纤维束复合机构包括用于形成取向纳米纤维束的收集段和加捻取向纳米纤维束以形成取向纳米纤维纱线的加捻段，所述收集段呈锥筒状，且所述收集段的大口端朝向所述纳米纤维生成机构的出口端，所述收集段的小口端与所述加捻段连通。

进一步地，所述纳米纤维生成机包括溶液推送泵、第一高压气瓶和同轴针头，所述同轴针头的轴线与所述纤维束复合机构的轴线重合，所述同轴针头的内腔设有高速气流通道和纺丝液挤出通道，所述高速气流通道设置在所述纺丝液挤出通道的外圈并与所述第一高压气瓶连接，所述纺丝液挤出通道与所述溶液推送泵连接。

进一步地，还包括密闭箱体，所述同轴针头、所述纤维束复合机构以及所述纱线收集机构均设置在所述密闭箱体内。

进一步地，所述密闭箱体内设置有鼓风机构、加热系统以及尾气处理机构，并且在所述密闭箱体的外部设置有用于检测其内腔温湿度的监控机构。

进一步地，所述加捻段的外壁沿其圆周方向均匀布设有多个气流孔，所述气流孔倾斜设置，所述气流孔的进气口连接有第二高压气瓶，所述气流孔的轴线与水平线的夹角为30-45°。

进一步地，所述纱线收集机构包括卷绕收集辊，所述卷绕收集辊连接有用于驱动其沿轴线方向往复移动的自动纠偏机构。

进一步地，所述纤维束复合机构内穿设有引纱，所述纤维束复合机构接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维形成纳米纤维束并包裹在引纱上以形成纳米纤维纱线。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型利用高速气流对溶液细流进行超细拉伸，在牵伸过程中伴随着溶剂的蒸发从而将溶质固化，最终形成纳米纤维；纤维束复合机构中收集段锥筒状的结构有助于收集大量纳米纤维，借助纳米纤维生成机构喷射出的高速气流使纳米纤维顺着纱线收集装置内壁朝向纱线收集机构拉伸，保证纳米纤维一直维持在能够成纱的数量，纤维在气流作用力下牵伸，再加上在气流的作用力下加捻，纤维的整体取向度更好。

(2)本实用新型的溶液喷射纺成纱装置尺寸小，无传统纺纱工序中清梳联、并条、粗纱、细纱及附属设备；

(3)利用本实用新型提供的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置制备的纳米纤维纱线比表面积大于传统纱线，纤维为纳米级别，直径范围为500-4000nm；并且纳米纤维纱线孔隙率高，体现在纳米纤维直径小，同等纱线支数情况下本项目产品的纤维根数更多，纤维间孔隙率更高，纱线结构更为蓬松，纱线强度也更高；

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例提供的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的同轴针头的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的加捻段的横截面示意图。

附图标记：

1、溶液推送泵；2、第一高压气瓶；3、第二高压气瓶；4、同轴针头；5、纤维束复合机构；6、纱线收集机构；7、密闭箱体；8、尾气处理机构；

41、高速气流通道；42、纺丝液挤出通道；

51、气流孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。

基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

下面结合图1至图3所示，本实用新型实施例提供了溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，包括沿拉丝方向依次布设的纳米纤维生成机构、纤维束复合机构5以及纱线收集机构6，所述纳米纤维生成机构能够利用气流对纺丝液细流进行拉伸以获得纳米纤维束，所述纤维束复合机构5设置在所述纳米纤维生成机构的出口端，所述纤维束复合机构5接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维束并形成纳米纤维纱线，所述纱线收集机构6用于对纳米纤维纱线进行卷绕收集，例如纱线收集机构6可以是卷绕收集辊，所述卷绕收集辊连接有用于驱动其沿轴线方向移动的自动纠偏机构。

其中，所述纤维束复合机构5包括用于形成取向纳米纤维束的收集段和加捻取向纳米纤维束以形成取向纳米纤维纱线的加捻段，所述收集段呈锥筒状，且所述收集段的大口端朝向所述纳米纤维生成机构的出口端，所述收集段的小口端与所述加捻段连通。

在本实用新型的一些实施例中，所述纳米纤维生成机构能够利用气流对纺丝液细流进行拉伸以获得纳米纤维束，所述超细拉伸是指拉伸后的纳米纤维束的直径在10nm-30μm范围内，优选地，所述气流为高速气流。

通过上述上宽下窄的锥筒状结构设计，纳米纤维在溶液推送泵1和第一高压气瓶2提供的气流的吹力和纱线收集机构6的拉力的共同作用下，纳米纤维从大口端向小口端逐渐聚拢加捻成纱，其开口方向有利于气流的导流和纤维的聚集，可以降低纳米纤维的报废率，从而保证纳米纤维一直维持在能够成纱的数量。

现有技术中纤维无粘接点，纱线中纤维通过加捻相互抱合在一起，属于物理性组合；本实用新型纺丝液从同轴针头喷射出后，至纤维束复合机构5过程中，溶剂逐渐挥发，纤维逐渐固化，纤维在到达纤维束复合机构5时存在部分纤维相互粘接，因此，本实用新型纤维之间同时存在加捻抱合和纤维粘接两种结合方式。

在本实用新型的一些实施例中，所述纳米纤维生成机构包括溶液推送泵1、第一高压气瓶2和同轴针头4，所述同轴针头4的轴线与所述纤维束复合机构5的轴线重合，所述同轴针头4的内腔设有高速气流通道41和纺丝液挤出通道42，所述高速气流通道41设置在所述纺丝液挤出通道42的外圈并与所述第一高压气瓶2连接，所述纺丝液挤出通道42与所述溶液推送泵1连接，溶液推送泵1可加热搅拌，纺丝液从纺丝液挤出通道42中挤出，同时高速气流从高速气流通道41中通过，利用高速气流对溶液细流进行超细拉伸，在牵伸过程中伴随着溶剂的蒸发而从而将溶质固化，最终形成纳米纤维。

本实用新型纺丝液在溶液推送泵1和第一高压气瓶2的气流处理的协同作用下从同轴针头4喷出，将纺丝液推送和喷射两者相分离，同时使用时可以起到协同作用，生产过程中纺丝液喷射更均匀，同时喷射过程中固含量一致性较好。

在设备具体布置时，考虑到生产过程中部分产品的溶剂存在毒性、污染性，需要经过尾气回收或处理，在本实用新型的一些实施例中，将所述同轴针头4、所述纤维束复合机构5以及所述纱线收集机构6均设置在所述密闭箱体7内，所述密闭箱体7内设置有鼓风机构、加热系统以及尾气处理机构8，鼓风机构主要作用于尾气处理机构8，用于尾气的排出。

此外，温湿度会影响生产过程中纤维的固化速度和结晶度，为了产品的质量稳定，需要控制箱体内的温湿度，因此在所述密闭箱体7的外部设置有用于检测其内腔温湿度的监控机构。具体的温湿度监控范围根据实际产品性质而定，设置的原则为：在该数值范围内纤维固化速率高，产品质量好，生产成本低，在该数值范围外会影响产品质量，增加生产成本。在本实用新型实施例中，优选地，温度控制在20-40℃，湿度控制在20％-40％。

此外，所述加捻段的外壁沿其圆周方向均匀布设有多个气流孔51，所述气流孔51倾斜设置，所述气流孔51的进气口连接有第二高压气瓶3，当取向纳米纤维束以一定速度通过加捻段时，可改变切向气流的压强与角度调整纳米纤维纱线的直径与捻度。

通过设计所述气流孔51的轴线与水平线的夹角为30-45°，夹角过大会造成纤维加捻过大，纱线柔软度降低，夹角过小会造成纤维捻度过低，纱线毛羽多，强度较低，纳米纤维纱线的直径在500-4000nm，从而使得纤维的抱合性较好，纱线强度高，毛羽较少，尤其是生产包芯纱时，纱线的包裹性好，纳米纤维排列有序使得纳米纤维纱线的力学性能得到有效提升。

在本实用新型的一些实施例中，所述纤维束复合机构5内穿设有引纱，所述纤维束复合机构5接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维形成纳米纤维束并包裹在引纱上以形成纳米纤维纱线。

利用上述溶液喷射纺纳米纤维成纱装置制备纳米纤维纱线的方法，包括如下步骤：

步骤100、配置纺丝液；

具体地，由于纺丝液质量分数过高，纺丝液黏度过高，流动性较差，纳米纤维的直径较大，纤维直径CV值较大。质量分数过低，纺丝液固含量较低，喷射的纤维强度较低，纤维固化较慢，因此优选地，聚丙烯腈(PAN)的质量分数为6-15％，溶剂选用DMF(N,N-二甲基甲酰胺)，溶解过程中需要持续进行搅拌，直至PAN被完全溶解，优选地，加热至40℃并搅拌1-3h，直至PAN被完全溶解；

步骤200、将纺丝液引入纳米纤维生成机构中的同轴针头4，在溶液推送泵1和第一高压气瓶2提供的高压气流的牵引下纺丝溶液中的DMF快速蒸发，同时PAN快速固化形成胶态短纤维纤维束，由于第一高压气瓶2提供的高压气流的牵引作用，胶态纤维束进行快速牵引拉伸，同时胶态纤维进行二次固化，形成PAN纳米纤维，最后形成固化的纳米纤维束；

纳米纤维束在后续形成纳米纤维纱线的过程中，可以单独成型，也可以采取包芯丝的形式，即设置有一根引纱，将纳米纤维束包覆在引纱的外部。

单独成型时，具体地，步骤300包括：

将纳米纤维束推入纤维束复合机构5的收集段，再利用加捻段将纳米纤维束加捻形成纳米纤维纱线并缠绕在纱线收集机构6上，滚动收集辊将缠绕的纳米纤维纱线向下拉并上下滑动，将纳米纤维纱线均匀地收集在滚动收集辊上。

而在包芯丝形式的纳米纤维纱线生产时，在步骤300中，还包括：在纤维束复合机构5的内部穿设引纱，将引纱的一端缠绕在纱线收集机构5上，进入收集段的纳米纤维束包裹在引纱上并形成倒锥形状，在加捻段作用下纳米纤维束和引纱共同形成纳米纤维纱线。

在上述过程中，引纱的可以根据需要自由选择材质，纺丝液进入纳米纤维生成机构的速率为8-20mL/h，并且纳米纤维生成机构中的第一高压气瓶2的气压也需要合理设置，这是因为气压过高导致纤维在成型中被吹散，纤维长度减小，同时长度分布离散性较大，降低成纱强度。而气压过小会导致纤维到达纤维束复合机构5的比例较低，降低纤维的有效利用率，增加生产成本，另外，纤维达到纤维束复合机构5的时间较长，导致部分纤维在到达纤维束复合机构5前固化，影响成纱的强度。故而，优选第一高压气瓶2的气压为0.04±0.02MPa。

同时，纤维束复合机构5进料端和纳米纤维生成机构的出料端之间的距离过短不利于纤维的有效牵伸，距离过长会导致部分纤维提前固化，影响成纱中纤维之间的结合性，降低成纱强度，因此优选为30±10cm。

通过上述方法制备的纳米纤维纱线具有尺寸小、比表面积大、孔隙率高、取向度好、抗拉强度大、结构蓬松、可实现大规模生产等特点。首先，纳米纤维纱线是由纳米纤维构成，会保持原有纳米纤维比表面积大的优势，纱线生产装置简单、效率高、成本低，有力于产业化生产；其次，纳米纱线克服了传统纳米纤维膜力学性能弱的缺点，本实用新型制备的纤维的长度CV值更低，纱线中纤维间结合强度高，纱线强度高，并可以进一步编织、复合、功能化，可以制成各种结构材料、复合材料、特殊功能材料，织造不同结构的二维或三维的织物，实现将无规则或取向纳米纤维等纳米材料向宏观材料的转变，可以提高材料功能稳定性，以及所制备材料的使用寿命。

下面通过具体实施例，对本申请进行说明。

实施例1：

将聚丙烯腈(PAN)150g和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)850g，进行混合并加热至40℃并搅拌2h，直至PAN被完全溶解。

纺丝液喂入速率为12ml/h，第一高压气瓶气压为0.05MPa。

纱线收集速率为1m/min。

实施例2：

将聚丙烯腈(PAN)100g和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)900g，进行混合并加热至40℃并搅拌2h，直至PAN被完全溶解。

纺丝液喂入速率为10ml/h，第一高压气瓶气压为0.05MPa。同时，在纤维束集合机构中间喂入150D/72f涤纶长丝.

涤纶长丝的喂入速度和纱线收集速率为0.8m/min。

实施例3：

将聚丙烯腈(PAN)60g和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)940g，进行混合并加热至40℃并搅拌2h，直至PAN被完全溶解。

纺丝液喂入速率为14ml/h，第一高压气瓶气压为0.05MPa。同时，在纤维束集合机构中间喂入直径为30μm的不锈钢丝.

不锈钢丝的喂入速度和纱线收集速率为0.8m/min。

实施例4：

将聚丙烯腈(PAN)150g和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)850g，进行混合并加热至40℃并搅拌2h，直至PAN被完全溶解。

纺丝液喂入速率为12ml/h，第一高压气瓶气压为0.05MPa。同时，在纤维束集合机构中间喂入40D氨纶长丝.

氨纶长丝的喂入速度为0.4m/min和纱线收集速率为0.8m/min。

上述实施例1-4所得复合纱线的纤度和产品性能如表1所示：

表1

其中，实施例1-3中不含氨纶，纱线拉伸性能会有断裂强度、初始模量、断裂伸长率相关数据，但是实施例4中含有氨纶，纱线主要起到弹性的作用，会有拉比数据，但是没有评估初始模量数据。

本实用新型实施例制备的复合纱线的优异性能主要体现在：

1)以实施例1为例，由于纤维之间存在粘结点，纱线的断裂强度2.63cn/dtex比传统的纱线(1.0-1.9cn/dtex)高38-163％；另外，以实施例3为例，与30μm不锈钢丝向结合时，可以达到超高断裂强度，远超传统包芯纱。

2)以实施例2为例，利用传统的包芯工艺制作芯丝为150D的16s包芯纱，芯丝外漏的表面积约占15左右，本实施例2的芯丝包裹性好，无芯丝外漏的问题(芯丝外漏表面积小于1％)，因此本工艺可以解决芯丝外漏的行业难题；纤维直径为500-800nm，纤维直径为纳米级别，相较于传统纱线，当纱线纤度相同时，实施例2的纳米纤维纱线横面内纤维数量更多，从而包裹性更好。

3)以实施例4为例，由于纤维之间存在粘结点，在与氨纶相结合时，织物的水洗缩率相较于传统织物小30-50％。

4)纤维的直径小，为纳米级别，纤维直径范围为500-4000nm，相同纱线支数的情况下，本纱线相较于普通纱线截面内纤维数量更多，比表面积更大，孔隙率高，纱线结构蓬松，纱线的柔软度好，织物的穿着舒适度高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，包括纳米纤维生成机构、纤维束复合机构(5)以及纱线收集机构(6)，所述纳米纤维生成机构能够利用气流对纺丝液细流进行拉伸以获得纳米纤维束，所述纤维束复合机构(5)设置在所述纳米纤维生成机构的出口端，所述纤维束复合机构(5)接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维束并形成纳米纤维纱线，所述纱线收集机构(6)用于对纳米纤维纱线进行卷绕收集；

其中，所述纤维束复合机构(5)包括用于形成取向纳米纤维束的收集段和加捻取向纳米纤维束以形成取向纳米纤维纱线的加捻段，所述收集段呈锥筒状，且所述收集段的大口端朝向所述纳米纤维生成机构的出口端，所述收集段的小口端与所述加捻段连通。

2.根据权利要求1所述的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，所述纳米纤维生成机包括溶液推送泵(1)、第一高压气瓶(2)和同轴针头(4)，所述同轴针头(4)的轴线与所述纤维束复合机构(5)的轴线重合，所述同轴针头(4)的内腔设有高速气流通道(41)和纺丝液挤出通道(42)，所述高速气流通道(41)设置在所述纺丝液挤出通道(42)的外圈并与所述第一高压气瓶(2)连接，所述纺丝液挤出通道(42)与所述溶液推送泵(1)连接。

3.根据权利要求2所述的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，还包括密闭箱体(7)，所述同轴针头(4)、所述纤维束复合机构(5)以及所述纱线收集机构(6)均设置在所述密闭箱体(7)内。

4.根据权利要求3所述的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，所述密闭箱体(7)内设置有鼓风机构、加热系统以及尾气处理机构(8)，并且在所述密闭箱体(7)的外部设置有用于检测其内腔温湿度的监控机构。

5.根据权利要求2所述的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，所述加捻段的外壁沿其圆周方向均匀布设有多个气流孔(51)，所述气流孔(51)倾斜设置，所述气流孔(51)的进气口连接有第二高压气瓶(3)，所述气流孔(51)的轴线与水平线的夹角为30-45°。

6.根据权利要求1所述的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，所述纱线收集机构(6)包括卷绕收集辊，所述卷绕收集辊连接有用于驱动其沿轴线方向往复移动的自动纠偏机构。

7.根据权利要求1所述的溶液喷射纺纳米纤维成纱装置，其特征在于，所述纤维束复合机构(5)内穿设有引纱，所述纤维束复合机构(5)接收来自所述纳米纤维生成机构生成的纳米纤维形成纳米纤维束并包裹在引纱上以形成纳米纤维纱线。