TWI602961B

TWI602961B - 纖維的製造方法及用以製造纖維的紡絲設備

Info

Publication number: TWI602961B
Application number: TW104141995A
Authority: TW
Inventors: 林勃汎; 吳定宇; 李山
Original assignee: 財團法人紡織產業綜合研究所
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-10-21
Also published as: TW201720975A

Description

纖維的製造方法及用以製造纖維的紡絲設備

本發明是有關於一種設備與製造方法，且特別是有關於一種紡絲設備與纖維的製造方法。

一般而言，超細人造纖維或奈米纖維等材料可利用靜電紡絲的技術，將聚合物溶液、溶膠、凝膠或懸浮液等原料，藉由設置可建立電場的高壓加電裝置，透過靜電電場使原料牽伸成纖維狀，再產生靜電排斥導致纖維不斷擺動，使初始纖維持續延伸拉長，最後形成纖維並落到接地的收集網。之後，再經由乾燥等製程，以獲得奈米等級的超細纖維。最後，再以紡織機器將疊層的不織布纖維製作成布匹狀的布料，才能經由剪裁製作成所需的形貌。然而，靜電紡絲技術需藉由電力形成電場，進而會有資源浪費的疑慮。此外，由於用於靜電紡絲的製造設備需要長時間的熱機準備才能夠維持製造的品質。因此，提供一種節省資源且有效率的製造方法及製造設備，是超細人造纖維技術中極需努力的目標。

本發明提供一種與習知的製造步驟不同的纖維的製造方法。

本發明提供一種結構簡單且組裝容易的紡絲設備，且所述紡絲設備的結構設置與習知的紡絲設備的結構設置方式不同。

一種纖維的製造方法，至少包括下列步驟：將纖維原料引進紡絲設備的進料管，且在所述紡絲設備的噴絲口噴出所述纖維原料時，自所述噴絲口的周圍對所述纖維原料吹以氣流，以對所述纖維原料進行第一次牽伸及剪切；以及使經過第一次牽伸及剪切的所述纖維原料進入所述紡絲設備的風管中，其中將高於室溫的熱風引進於所述紡絲設備的風管中，以使經過第一次牽伸及剪切的所述纖維原料在所述風管中經由由熱風引起的渦流氣旋進行第二次牽伸及溶劑脫除。

在本發明的一實施例中，所述氣流的氣壓範圍介於4 kgf/cm² 至10 kgf/cm² 。

在本發明的一實施例中，使所述熱風的流量為400 L/min，且使熱風的溫度介於攝氏65度至85度。

在本發明的一實施例中，藉由所述渦流氣旋使歷經第二次牽伸及溶劑脫除後的所述纖維原料形成纖維，且所述纖維自然堆疊於所述風管中。

在本發明的一實施例中，更包括對歷經第二次牽伸及溶劑脫除後的所述纖維原料進行加熱處理。

本發明的一種紡絲設備，包括紡絲頭、熱風機、導風管以及風管。紡絲頭包括進料管、進氣管、噴絲頭以及高壓氣嘴，進料管用以引進纖維原料；進氣管與進料管並排設置，且套設於進料管之外，用以引進室溫氣體；噴絲頭設置於進料管的末端，噴絲頭具有噴絲口；高壓氣嘴設置於進氣管的末端，並且環繞噴絲頭排列，高壓氣嘴具有風嘴。熱風機設置於紡絲頭旁，用以提供溫度高於室溫的熱風。導風管連接熱風機，且紡絲頭位於導風管內，而熱風機所提供的熱風的方向異於進料管的軸向。風管設置於導風管的下方，其中熱風在風管中形成渦流氣旋。

在本發明的一實施例中，上述的風嘴相對於噴絲口傾斜，且傾斜的角度介於0.1度至30度。

在本發明的一實施例中，上述的噴絲口的孔徑範圍介於200 μm至800 μm。

在本發明的一實施例中，上述的風嘴所噴出的氣流的氣壓範圍介於4 kgf/cm² 至10 kgf/cm² 。

在本發明的一實施例中，上述的高壓氣嘴等距離環繞噴絲頭排列。

在本發明的一實施例中，上述的熱風機輸出的熱風的流量為400 L/min，且熱風的溫度介於攝氏65度至85度。

在本發明的一實施例中，在進料管的軸向上噴絲口突出於風嘴的距離與在進料管的徑向上風嘴與噴絲口的距離的比值大於1且小於3。

基於上述，提供一種與習知的製造步驟不同的纖維的製造方法，其中本發明的纖維的製造方法不同於電紡，也不同於熔紡。另，因應前述的纖維的製造方法，更設計了結構簡單且易於組裝的紡絲設備，且該紡絲設備的結構設置方式與習知的結構設置方式不同。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

如前所述，本發明提供了一種與習知的製造方法及步驟皆不同的纖維的製造方法，其中本發明的纖維的製造方法不同於電紡，也不同於熔紡，而是一種創新的纖維的製造方法。另，因應前述的纖維的製造方法，更設計了一個結構簡單、易於組裝及方便實施本發明的纖維的製造方法的紡絲設備，其中紡絲設備的結構設置方式與習知的結構設置方式不同，但用以實施本發明的纖維的製造方法的紡絲設備並不限於本說明書中所舉的實施例，亦有可能其他的紡絲設備具有足夠的能力實施本發明所述的纖維的製造方法。

圖1為本發明的纖維的製造方法的流程步驟圖。請參考圖1，纖維的製造方法至少包括下列步驟。如步驟S110，將纖維原料引進紡絲設備的進料管，且在紡絲設備的噴絲口噴出纖維原料時，自噴絲口的周圍對纖維原料吹以氣流，其中氣流的氣壓範圍介於4 kgf/cm² 至10 kgf/cm² ，以對纖維原料進行第一次牽伸及剪切。

纖維原料的配方可為包含100重量份的凝膠及1至3重量份的低聚合度醇基助劑，且所述纖維原料的黏度為1000~6000 cps(centipoises)，而所述凝膠的溶劑含量為45至50重量份，其中溶劑的種類為水。

在另一個實施例中，纖維原料的配方也可以是包含100重量份的凝膠、1至10重量份的陶瓷添加劑、0.5至2重量份的低聚合度烯醇助劑，且所述纖維原料的黏度為800~2000cps，其中凝膠中的溶劑含量為45至50重量份，且溶劑例如為水。

確切地說，纖維原料呈現一種凝膠紡絲液微滴的狀態，其中凝膠紡絲液的材料例如是含有陶瓷添加劑的氧化鋁凝膠，因此纖維原料例如是一種陶瓷纖維原料。陶瓷添加劑例如是煤灰，且煤灰可藉由從高爐煉鋼的副產物中取得。因此，若使用煤灰作為本發明的陶瓷添加劑，可達到資源再利用的優點，但本發明不限於此。

接著如步驟S120，使經過第一次牽伸及剪切的纖維原料進入紡絲設備的風管中，其中將高於室溫的熱風引進於紡絲設備的風管中，其中熱風的流量為400 L/min，且熱風的溫度介於攝氏65度至85度，以使經過第一次牽伸及剪切的纖維原料在風管中經由由熱風引起的渦流氣旋進行第二次牽伸及溶劑脫除。

之後如步驟S130，藉由渦流氣旋，歷經第二次牽伸及溶劑脫除後的纖維原料形成纖維，且纖維自然堆疊於風管中。然後如步驟S140，當纖維原料是某些特定材料的時候，例如陶瓷材料，更包括對歷經第二次牽伸及溶劑脫除後的纖維原料進行加熱處理。

以下將搭配實施前述纖維的製造方法的紡絲設備進行說明。需注意的是，因應前述纖維的製造方法，發明人設計出了一種方便實施前述纖維的製造方法的紡絲設備，此紡絲設備具有構件簡單及方便架設等優點，但並不限制前述的纖維的製造方法只能經由本說明所舉例的紡絲設備達成。

圖2為本發明的一種紡絲設備的示意圖、圖3為紡絲設備的紡絲頭的示意圖，且圖4為圖3的紡絲頭的立體示意圖。請同時參考圖2、圖3及圖4，紡絲設備100包括紡絲頭110、熱風機120、導風管130及風管140。紡絲頭110包括進料管112、進氣管114、噴絲頭116及高壓氣嘴118，進料管112用以引進纖維原料；進氣管114與進料管112並排設置，且套設於進料管112之外，用以引進室溫氣體；噴絲頭116設置於進料管112的末端，噴絲頭116具有噴絲口116a；高壓氣嘴118設置於進氣管114的末端，並且環繞噴絲頭116排列，高壓氣嘴118具有風嘴118a。熱風機120設置於紡絲頭110旁，用以提供溫度高於室溫的熱風。導風管130連接熱風機120，且紡絲頭110位於導風管130內，而熱風機120所提供的熱風的方向異於進料管112的軸向A。風管140設置於導風管130的下方，其中熱風在風管140中形成渦流氣旋。

承上述，紡絲頭110大致呈圓柱體狀，而本實施例的高壓氣嘴118有四個，且以等距離環繞噴絲頭116設置，而高壓氣嘴118的風嘴118a可以相對於噴絲口116a傾斜的方式設置，也可以不相對於噴絲口116a傾斜的方式設置，依照需求選擇。當高壓氣嘴118的風嘴118a以相對於噴絲口116a傾斜的方式設置時，風嘴118a以相對於噴絲口116a傾斜的角度介於0.1度至30度，可依照需求選擇。此外，噴絲口116a的孔徑範圍介於200 μm至800 μm，而在進料管112的軸向A上噴絲口116a突出於風嘴118a的距離a與在進料管112的徑向上風嘴118a與噴絲口116a的距離b的比值大於1且小於3。

首先如步驟S110，將纖維原料引進紡絲設備100的紡絲頭110的進料管112，在將纖維原料引進進料管112的同時，也將室溫氣體引進入進氣管114。

當纖維原料從進料管112進入噴絲頭116而經由噴絲口116a噴出時，與進氣管114相連的高壓氣嘴118的風嘴118a會吹出氣流，此氣流是由室溫氣體產生的，且氣流的氣壓範圍介於4 kgf/cm² 至10 kgf/cm² ，而被吹出的氣流對從噴絲口116a噴出的纖維原料進行第一次牽伸。特別的是，藉由氣嘴的設置，因此如圖1所示，在噴絲口116a噴出纖維原料後，氣嘴吹出的氣流朝向纖維原料噴射，從而將從噴絲口116a噴出的纖維原料剪切成破碎的奈米微滴，且同時高剪切力的氣流對被剪切破碎的奈米微滴牽伸。圖5為自紡絲口處收集到的經過第一次牽伸的奈米微滴的示意圖。

對從噴絲口116a噴出的纖維原料施加高壓氣流(由高壓氣嘴118的風嘴118a所吹出的氣流)，不僅可以對纖維原料做第一次的牽伸，還同時快速脫除從噴絲口116a噴出的纖維原料的表面溶劑，降低回黏機率。

接著如步驟S120，被剪切的纖維原料(即奈米微滴)接著經過導風管130進入風管140中。附帶一提，熱風機120連接於導風管130，並且如圖3所示，將紡絲頭110的軸向A定義為垂直方向的情況下，熱風機120例如是沿著水平方向朝向導風管130輸出高溫的熱風。此高溫的熱風的流量為400L/min，且熱風的溫度介於攝氏65度至85度。基於流體力學原理，由熱風機120輸出的熱風在風管140形成渦流氣旋，因此進入風管140中的纖維原料隨著渦流氣旋而流動並且受渦流氣旋牽引而有第二次的牽伸，如步驟S130，而在此同時也藉由熱風對纖維原料進行溶劑脫除；即，風乾纖維原料。

雖然上述是以熱風機120沿著水平方向朝向導風管130輸出熱風，但普通知識者也可以依照需求而使熱風機120是傾斜地設置，以由上而下斜向地向導風管130輸出熱風，此處不再繪製圖式說明。

在風管140中隨著渦流氣旋流動的纖維原料在經過第二次牽伸及溶劑脫除之後成型，並且在落在風管140的底端前形成纖維網，而依照時間先後順序纖維網堆疊在一起，如圖6所示。

相較於沒有使用熱風機120引發渦流氣旋使受過第一次牽引及剪切的纖維原料自然掉落堆疊的情況，使用熱風機120以提供渦流氣旋，可使受過第一次牽引及剪切的纖維原料在風管140內隨著渦流氣旋環繞著風管140而流動，因此延長了纖維原料成型的行程，可以有效降低纖維原料回溶的現象。所以，在同樣的纖維原料成型的行程之下，可以考慮縮短風管140的長(高)度。

當然，仍然是可以針對纖維原料的特性而依照需求改變風管140的長(高)度，進而改變纖維原料成型的行程。例如，提高紡絲頭110及導風管130相對於地面的高度，而延長風管140的長(高)度；或者相反。以本實施例來說，風管140的直徑控制在15cm至60cm，且風管140的長(高)度介於1公尺至6公尺。

在纖維原料為陶瓷纖維材料的情況下，歷經前述步驟S110至步驟S130之後，還需要對所形成的堆疊的纖維更進一步施行燒結，如步驟S140，進而提升陶瓷纖維固結特性的效果。經由前述步驟S110至步驟S140的陶瓷纖維可具有纖維的平均直徑為500至800nm、纖維平均長度為1至5mm、表觀特徵平滑無孔洞而具有高耐溫、耐蝕、高比表面積等特色。

下表1說明纖維原料配方分析與成絲性。

經由前述紡絲設備100所施作的述纖維的製造方法，每一孔在每一小時可以製作出0.25公斤的纖維，而所製作出來的聚乙二醇(PEG)系列的纖維的平均直徑介於500 nm至800nm，而所製作出來的聚乙烯醇(PVA)系列的纖維的平均直徑介於2μm至10μm。

綜上所述，本發明的纖維的製造方法及用以製造纖維的紡絲設備至少具有下列優點： 1.自高壓氣嘴的風嘴噴出的氣流將自噴絲頭的噴絲口所噴出的纖維原料進行第一次牽伸的同時還脫除纖維表面的溶劑，降低回黏機率。 2.相較於習知的纖維的製造方法及相關的紡絲設備未應用渦流氣旋，藉由使用渦流氣旋進行二次牽伸的同時脫除溶劑。此外，纖維成型的行程可以依照需求而改變，因此得以調整紡絲設備的整體尺寸。 3.實施前述纖維的製造方法的紡絲設備的元件易於獲得，因此設備的成本門檻低，且產能(產量及產速)佳。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧紡絲設備
110‧‧‧紡絲頭
112‧‧‧進料管
114‧‧‧進氣管
116‧‧‧噴絲頭
116a‧‧‧噴絲口
118‧‧‧高壓氣嘴
118a‧‧‧風嘴
120‧‧‧熱風機
130‧‧‧導風管
140‧‧‧風管
A‧‧‧軸向
a、b‧‧‧距離
S110、S120、S130、S140‧‧‧步驟

圖1為纖維的製造方法。圖2為本發明的一種紡絲設備的示意圖。圖3為紡絲設備的紡絲頭的示意圖。圖4為圖3的紡絲頭的立體示意圖。圖5為自紡絲口處收集到的經過第一次牽伸的纖維原料的示意圖。圖6為在風管底部所收集到的經過第二次牽伸的纖維的示意圖。

S110、S120、S130、S140‧‧‧步驟

Claims

一種纖維的製造方法，包括：將纖維原料引進紡絲設備的進料管，且在所述紡絲設備的噴絲口噴出所述纖維原料時，自所述噴絲口的周圍對所述纖維原料吹以氣流，以對所述纖維原料進行第一次牽伸及剪切；以及使經過所述第一次牽伸及剪切的所述纖維原料進入所述紡絲設備的風管中，其中將高於室溫的熱風引進於所述紡絲設備的所述風管中，以使經過所述第一次牽伸及剪切的所述纖維原料在所述風管中經由由所述熱風引起的渦流氣旋進行第二次牽伸及溶劑脫除。
如申請專利範圍第1項所述的纖維的製造方法，其中所述氣流的氣壓範圍介於4 kgf/cm² 至10kgf/cm² 。
如申請專利範圍第1項所述的纖維的製造方法，其中使所述熱風的流量為400 L/min，且所述熱風的溫度介於攝氏65度至85度。
如申請專利範圍第1項所述的纖維的製造方法，其中藉由所述渦流氣旋使歷經所述第二次牽伸及溶劑脫除後的所述纖維原料形成纖維，且所述纖維自然堆疊於所述風管中。
如申請專利範圍第1項所述的纖維的製造方法，更包括對歷經所述第二次牽伸及溶劑脫除後的所述纖維原料進行加熱處理。
一種紡絲設備，包括：紡絲頭，包括：進料管，用以引進纖維原料；進氣管，與所述進料管並排設置，且套設於所述進料管之外，用以引進室溫氣體；噴絲頭，設置於所述進料管的末端，所述噴絲頭具有噴絲口；高壓氣嘴，設置於所述進氣管的末端，並且環繞所述噴絲頭排列，所述高壓氣嘴具有風嘴；熱風機，設置於所述紡絲頭旁，用以提供溫度高於室溫的熱風；導風管，連接所述熱風機，且所述紡絲頭位於所述導風管內，而所述熱風機所提供的所述熱風的方向異於所述進料管的軸向；以及風管，設置於所述導風管的下方，其中所述熱風在所述風管中形成渦流氣旋。
如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中所述風嘴相對於所述噴絲口傾斜，且所述風嘴相對於所述噴絲口傾斜的角度介於0.1度至30度。
如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中所述噴絲口的孔徑範圍介於200 μm至800 μm。
如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中所述風嘴所噴出的氣流的氣壓範圍介於4 kgf/cm² 至10kgf/cm² 。
如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中所述高壓氣嘴等距離環繞所述噴絲頭排列。
如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中所述熱風機輸出的所述熱風的流量為400 L/min，且所述熱風的溫度介於攝氏65度至85度。
如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中在所述進料管的軸向上所述噴絲口突出於所述風嘴的距離與在所述進料管的徑向上所述風嘴與所述噴絲口的距離的比值大於1且小於3。