TWI613336B - 紡絲設備 - Google Patents

Abstract

一種紡絲設備包括傳動單元、基材、紡絲液供應單元以及捲收單元。基材配置於傳動單元上，其中傳動單元帶動基材循著循環路徑重複地運動，且基材具有多個溝渠。紡絲液供應單元位於循環路徑上。紡絲液供應單元提供紡絲液至這些溝渠內以形成多個纖維。捲收單元位於傳動單元的一側。捲收單元用以捲收這些纖維。

Description

紡絲設備

本發明是有關於一種紡絲設備，且特別是有關於一種製造纖維素纖維的紡絲設備。

在過去工業、製造業、運輸業與科技的發展過程中，大多仰賴非再生能源(例如石油、煤炭)做為動力或原物料的來源。由於非再生能源後的儲存量有限，因此在過度開發後所面臨到的是能源耗竭以及能源價格不斷攀升等問題。並且，在非再生能源的使用過程中，會排放出對環境有害的物質例如溫室氣體。近年來，隨著溫室氣體的濃度不斷攀升，人類已逐步面臨到全球氣候變遷，甚至是極端氣候變化所帶來的危機。因此，相關環保議題逐漸受到各國重視，其中節能減碳更成為國際關注的課題之一。

舉例而言，紡織業一直被視為高污染的產業，因此為符合節能減碳的環保趨勢，許多環保紡織品不斷被投入開發，以期逐步降低對石化原料的依賴，從而在提升紡織品的經濟效益的同時，減少對環境所造成的衝擊。目前可透過將現有的高分子材料進行溶解，製作成再生纖維素以取代天然纖維素的消耗，其中再 生纖維素可經過後處理以形成再生纖維素纖維，從而應用於各式各樣的紡織品、光學透明薄膜、可撓式電子顯示器、化妝品、醫學藥品或食品添加物等。

通常而言，再生纖維素纖維是以濕式紡絲製作而成，其成型步驟大致如下。首先，通過紡嘴將纖維素黏液注入成型槽中以成型為纖維。接著，透過後續的製程，例如拉伸、水洗等步驟以增強纖維的拉伸強度並洗去殘留物質。之後，再進行乾燥步驟，即可獲得再生纖維素纖維。然而，受限於紡嘴的孔徑大小，一般約為數十微米以上，致使通過上述製程製造所得的再生纖維素纖維的尺寸大小難以被細微化。此外，習知的紡絲設備亦未能將其組件與上述製造步驟加以整合，而難以達成再生纖維素纖維的連續性生產。

本發明提供一種紡絲設備，其可達成纖維的連續性生產。

本發明的紡絲設備包括傳動單元、基材、紡絲液供應單元以及捲收單元。基材配置於傳動單元上，其中傳動單元帶動基材循著循環路徑重複地運動，且基材具有多個溝渠。紡絲液供應單元位於循環路徑上。紡絲液供應單元提供紡絲液至這些溝渠內以形成多個纖維。捲收單元位於傳動單元的一側。捲收單元用以捲收這些纖維。

在本發明的一實施例中，上述的傳動單元包括至少一滾 輪。滾輪定義出循環路徑。

在本發明的一實施例中，上述的溝渠的寬度介於20微米至50微米之間。

在本發明的一實施例中，上述的基材包括載板以及孔板。孔板配置於載板上，其中孔板具有這些溝渠以暴露載板的部分區域。

在本發明的一實施例中，上述的基材包括載板、網狀層以及孔板。網狀層配置於載板上。孔板配置於網狀層上。孔板具有這些溝渠以暴露網狀層的部分區域。

在本發明的一實施例中，上述的傳動單元帶動基材沿著軸旋。

在本發明的一實施例中，上述的傳動單元包括驅動器以及載座。載座與驅動器連接。基材組裝於載座上，且驅動器驅動載座沿著軸旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的溝渠為多個環形溝渠，且各個環形溝渠的寬度介於10奈米至10微米之間。

在本發明的一實施例中，上述的紡絲設備更包括加熱器。加熱器位於循環路徑上。

在本發明的一實施例中，上述的加熱器與紡絲液供應單元位於基材的相對兩側。

在本發明的一實施例中，上述的紡絲設備更包括成型槽。成型槽位於循環路徑上。

在本發明的一實施例中，上述的紡絲設備更包括清潔單元。清潔單元設置於循環路徑上。

在本發明的一實施例中，上述的紡絲液供應單元包括儲存槽、紡嘴以及幫浦。儲存槽用以儲存紡絲液。幫浦連通於儲存槽與紡嘴之間。幫浦驅動儲存槽內的紡絲液流動至紡嘴，並藉由紡嘴提供紡絲液至這些溝渠內。

在本發明的一實施例中，上述的紡絲液的溶劑包括1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑乙酸鹽、N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液或離子液體。

基於上述，在本發明的紡絲設備中，其傳動單元可帶動基材循著循環路徑重複地運動，並且當基材通過紡絲液供應單元的所在位置時，紡絲液供應單元可提供紡絲液至基材上的多個溝渠內以形成多個纖維。而成型後的這些纖維可與基材分離並藉由捲收單元收集，藉以達成纖維的連續性生產，並有助於提高製造效率。

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。

100、100A、100B‧‧‧紡絲設備

110、110a、110b‧‧‧傳動單元

111、141‧‧‧主動滾輪

111b‧‧‧驅動器

112、142‧‧‧輔助滾輪

112b‧‧‧載座

120、120a~120c‧‧‧基材

121a、121b‧‧‧載板

122a、122b‧‧‧孔板

123b‧‧‧網狀層

130‧‧‧紡絲液供應單元

131‧‧‧儲存槽

132‧‧‧紡嘴

133‧‧‧幫浦

140‧‧‧捲收單元

150‧‧‧加熱器

160‧‧‧成型槽

161‧‧‧成型液

170‧‧‧清潔單元

171‧‧‧風槍

172‧‧‧加熱乾燥器

A‧‧‧軸

C‧‧‧圓心

F‧‧‧纖維

G‧‧‧條狀溝渠

G1‧‧‧環狀溝渠

W1~W3‧‧‧寬度

P、P1、P3‧‧‧路徑

S‧‧‧紡絲液

圖1A是本發明一實施例的紡絲設備的示意圖。

圖1B是圖1A的基材的局部示意圖。

圖1C是圖1A中紡嘴與基材相抵接處的局部剖面示意圖。

圖2A是本發明另一實施例的基材的局部示意圖。

圖2B是本發明又一實施例的基材的局部示意圖。

圖3是本發明又一實施例的紡絲設備的側視示意圖。

圖4A是本發明另一實施例的紡絲設備的示意圖。

圖4B是圖4A的基材的正視圖。

圖1A是本發明一實施例的紡絲設備的示意圖，其中為求清楚表示與說明，圖1A的紡絲液供應單元130與成型槽160分別以透視的方式繪示，並且示意地繪示出幫浦133的細部結構。請參考圖1A，在本實施例中，紡絲設備100包括傳動單元110、基材120、紡絲液供應單元130以及捲收單元140。通常而言，紡絲設備100可採用濕式紡絲法、乾濕式紡絲法或乾式紡絲法等紡絲方式來製造纖維，其中在以下實施例中，主要是以濕式紡絲法來做介紹，但本發明對於紡絲方式並不加以限定，端看實際製造需求而定。

基材120配置於傳動單元110上，其中傳動單元110帶動基材120循著循環路徑P重複地運動，且基材120具有多個溝渠。紡絲液供應單元130位於循環路徑P上。紡絲液供應單元130提供紡絲液S至這些溝渠內以形成多個纖維F(圖1僅示意地繪示出一個)，如纖維素纖維。捲收單元140位於傳動單元110的一 側，用以捲收這些纖維F。

具體而言，傳動單元110包括至少一個主動滾輪111以及多個輔助滾輪112，其中輔助滾輪112可為主動滾輪或從動滾輪，本發明對此不加以限制。另一方面，循環路徑P實質上是由主動滾輪111以及多個輔助滾輪112所定義出的封閉路徑，由於基材120與主動滾輪111以及多個輔助滾輪112相耦接，因此前述封閉路徑亦可視為由基材120環繞而成。並且，在主動滾輪111以及這些輔助滾輪112的帶動下，可使得基材120在循環路徑P重複地運動，以達成纖維的連續性生產之目的。

圖1B是圖1A的基材的局部示意圖。請參考圖1A與圖1B，在本實施例中，基材120可以是由不銹鋼、陶瓷材料或其他延展性佳的材料所構成的可撓性基材，以繞設於傳動單元110而不致斷裂。舉例而言，基材120可為一體成型的結構，而基材120上的這些溝渠例如是並列設置的條狀溝渠G。並且，這些條狀溝渠G例如是透過化學蝕刻技術、雷射蝕刻技術或光微影蝕刻技術圖案化基材120後所得，其中這些條狀溝渠G的寬度W1大致介於10奈米至1000微米之間，且又以介於100奈米至50微米之間為佳。

另一方面，紡絲液供應單元130可包括儲存槽131、紡嘴132以及幫浦133。儲存槽131可用以儲存紡絲液S，並可視製程需求，例如紡絲液S即將耗盡時，即時補充紡絲液S以避免紡絲製程的中斷或延宕。通常而言，紡絲液S為高分子溶液，其可包 括溶劑以及溶於溶劑中的高分子材料。在本實施例中，溶劑可為1-丁基-3-甲基咪唑乙酸鹽([BMIM]OAc)，高分子材料可為纖維素，其中纖維素的固含量大致介於5%至25%之間，又以固含量為12%為佳。在其他實施例中，高分子材料亦可為聚丙烯(polypropylene，PP)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(polybutylene terephthalate，PBT)、尼龍(nylon)、聚胺基甲酸酯(poly urethane)等材料，而溶劑亦可為1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([EMIM]OAc)、N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液、離子液體或其他適於溶解的溶劑，本發明對此不加以限制。

幫浦133連通於儲存槽131與紡嘴132之間，其中幫浦133例如是齒輪幫浦，用以驅動儲存槽131內的紡絲液S流動至紡嘴132，並藉由紡嘴132提供紡絲液S至這些條狀溝渠G內。由於紡絲液S的黏滯性較高，因此在傳動單元110帶動基材120循著循環路徑P重複地運動的過程中，紡絲液S可附著於這些條狀溝渠G的內壁，而不易在條狀溝渠G內滑動或自基材120滑落。

圖1C是圖1A中紡嘴與基材相抵接處的局部剖面示意圖。請參考圖1A至圖1C，在本實施例中，紡嘴132例如是扁型噴嘴(flat nozzle)，且可以是由橡膠、塑膠或其他可撓性材質所構成。具體而言，當基材120循著循環路徑P重複地運動，且通過紡絲液供應單元130的所在位置時，紡嘴132可輕微地抵觸基材120並產生彈性變形，以將紡絲液S注入這些條狀溝渠G內。 在其他實施例中，紡嘴132亦可與基材120保持間距而未相互抵觸，並透過幫浦133的驅動力直接從紡嘴132將紡絲液S噴灑於這些條狀溝渠G內，本發明對此不加以限制。

通常而言，紡絲設備100更包加熱器150、成型槽160以及清潔單元170，其中加熱器150、成型槽160以及清潔單元170皆分別位於循環路徑P上，且加熱器150與紡絲液供應單元130位於基材120的相對兩側。就紡絲步驟而言，在紡絲液供應單元130提供紡絲液S於這些條狀溝渠G內的同時，加熱器150可提供熱能(例如是輻射熱)至基材120，以均勻混合填充於這些條狀溝渠G內的紡絲液S。此時，基材120的溫度大約保持於攝氏80度。

接著，將基材120(亦即這些條狀溝渠G內填充有紡絲液S者)移入成型槽160內，使得部分基材120浸泡於成型槽160內的成型液161，以藉由成型液161將紡絲液S凝固成型為多個纖維F。由於各個纖維F的內聚力大於各個纖維F與對應的條狀溝渠G之間的黏滯力，因此凝固成型後的各個纖維F可輕易地與對應的條狀溝渠G分離開來。

接著，藉由捲收單元140將這些纖維F捲收成捆，以便於供應後續的製造端或銷售端。通常而言，捲收單元140可包括至少一個主動滾輪141以及多個輔助滾輪142，其中與條狀溝渠G分離後的這些纖維F可透過主動滾輪141以及這些輔助滾輪142的帶動而捲收於主動滾輪141，其中輔助滾輪142可為主動滾輪或 從動滾輪，本發明對此不加以限制。在藉由捲收單元140捲收這些纖維F之前，需先將這些纖維F導引至捲收單元140，而前述導引方式可以手動方式或自動方式來完成，本發明對此不加以限制。

最後，在藉由捲收單元140將這些纖維F自基材120移除後，基材120將通過清潔單元170的所在位置，其中清潔單元170可包括風槍171與加熱乾燥器172。風槍171可將殘留於基材120上的紡絲液S或成型液161清除，而加熱乾燥器172則可進一步將基材120烘乾，避免因基材120上殘留著前次循環製程中的紡絲液S或成型液161而造成後續循環製程中製造所得的纖維F的均勻度不佳的情況產生。具體而言，風槍171與加熱乾燥器172相對於基材120的所在位置，當視風槍171的氣壓大小與加熱乾燥器172的功率大小而有所調整，並且是以不影響前述紡絲液供應單元130提供紡絲液S至這些條狀溝渠G內、藉由成型液161將紡絲液S凝固成型為多個纖維F以及捲收單元140捲收凝固成型後的這些纖維F等製造步驟為原則。基本上，風槍171與基材120之間的距離，是以風槍171向基材120所吹送的氣流可將殘留於基材120上的紡絲液S或成型液161清除為佳。而加熱乾燥器172與基材120之間的距離，是以加熱乾燥器172向基材120傳送的熱可將基材120烘乾為佳。

申言之，上述紡絲製程係反覆進行而未有中斷，故能達成纖維F的連續性生產之目的，有助於提高製造效率。另一方面， 由於這些條狀溝渠G的寬度W1大致介於10奈米至1000微米之間，且又以介於20微米至50微米之間為佳，因此通過紡絲設備100製造所得的這些纖維F的直徑大致介於25微米至30微米之間。另一方面，在這些纖維F進一步通過拉伸製程後，其直徑可縮減為介於11微米至15微米之間，故通過上述製程所得的纖維F可符合細微化的製造需求。

在上述實施例中，基材120為一體成型的結構，但本發明不限於此，故以下將列舉其他實施例作為說明，其中相似或相同的元件使用相似或相同的標號，並省略其介紹。圖2A是本發明另一實施例的基材的局部示意圖。請參考圖2A，圖2A的基材120a與上述實施例的基材120的差異處在於：基材120a可包括載板121a以及孔板122a。孔板122a配置於載板121a上，其中孔板122a具有這些條狀溝渠G以暴露載板121a的部分區域。具體而言，載板121a以及孔板122a可以是由不銹鋼、陶瓷材料或其他彎曲性佳的材料所構成，具有可撓性。另一方面，這些條狀溝渠G例如是先將孔板122a的母材與載板121a接合後，接著以化學蝕刻技術、雷射蝕刻技術或光微影蝕刻技術圖案化孔板122a的母材後所得，並且在上述蝕刻製程中是以不損傷載板121a為原則。

圖2B是本發明另一實施例的基材的局部示意圖。請參考圖2B，圖2B的基材120b與上述實施例的基材120的差異處在於：基材120b可包括載板121b、孔板122b以及網狀層123b。網狀層123b配置於載板121b上。孔板122b配置於載板121b上，其中孔 板122b具有這些條狀溝渠G以暴露網狀層123b的部分區域。具體而言，載板121b、孔板122b以及網狀層123b可以是由不銹鋼、陶瓷材料或其他延展性佳的材料所構成，具有可撓性。另一方面，這些條狀溝渠G例如是先將孔板122b的母材與網狀層123b接合後，接著以化學蝕刻技術、雷射蝕刻技術或光微影蝕刻技術圖案化孔板122b的母材後所得，並且這些條狀溝渠G的寬度W2是以25微米為佳。其中，在上述蝕刻製程中是以不損傷網狀層123b為原則，此外，這些條狀溝渠G的深度實質上與寬度W2一致，也就是說，這些條狀溝渠G的截面可呈正方形輪廓，但本發明不限於此。在其他可行的實施例中，這些條狀溝渠G的深度與寬度W2亦可不一致，故這些條狀溝渠G的截面可呈矩形輪廓。

在本實施例中，紡絲液S的溶劑可為1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([EMIM]OAc)，且其纖維材料的重量百分比大致介於5%至25%之間，又以重量百分比為12.5%為佳。在其他實施例中，高分子材料可為聚丙烯(polypropylene，PP)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(polybutylene terephthalate，PBT)、尼龍(nylon)、聚胺基甲酸酯(poly urethane)等熱塑性材料，溶劑可為1-丁基-3-甲基咪唑乙酸鹽([BMIM]OAc)、N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液、離子液體或其他適於溶解的溶劑，本發明對此不加以限制。

具體而言，當紡絲設備100改採圖2B的基材120b製造 纖維F時，其製造所得的纖維F的直徑大致介於15微米至17微米之間。另一方面，在纖維F進一步通過拉伸製程後，其直徑可縮減為介於5微米至8微米之間，亦可符合細微化的製造需求。

在上述實施例中，紡絲設備100的傳動單元110是由至少一個主動滾輪111以及多個輔助滾輪112所組成，以下將列舉其他實施例作為說明，其中相似或相同的元件使用相似或相同的標號，並省略其介紹。圖3是本發明又一實施例的紡絲設備的側視示意圖，其中圖3僅示意地繪示出一個纖維F，且為求清楚表示與說明，圖3的紡絲液供應單元130與成型槽160分別以透視的方式繪示，並且示意地繪示出幫浦133的細部結構。請參考圖3，圖3的紡絲設備100A與圖1A的紡絲設備100的差異處在於：紡絲設備100A的傳動單元110a僅包括單一個主動滾輪111，其中基材120接合於主動滾輪111的圓周面，以帶動該基材120循著循環路徑P1重複地運動。在本實施例中，循環路徑P1實質上與主動滾輪111的圓周相吻合，且亦為封閉路徑。在其他實施例中，亦可改以圖2A的基材120a或圖2B的基材120b接合於主動滾輪111的圓周面，本發明對此不加以限製。

圖4A是本發明另一實施例的紡絲設備的示意圖。圖4B是圖4A的基材的正視圖，其中為求清楚表示與說明，圖4A的紡絲液供應單元130與成型槽160分別以透視的方式繪示，並且示意地繪示出幫浦133的細部結構。請參考圖4A與圖4B，紡絲設備100B與圖1A的紡絲設備100的差異處在於：紡絲設備100B 的傳動單元110b可帶動基材120c沿著軸A旋轉，並定義出循環路徑P3。具體而言，傳動單元110b可包括驅動器111b以及載座112b。驅動器111b例如是驅動馬達，而載座112b與驅動器111b連接，其中基材120c組裝於載座上，且驅動器111b驅動載座112b沿著軸A旋轉。

在本實施例中，基材120c實質上呈圓盤狀，而這些溝渠為多個環形溝渠G1，其中這些環形溝渠G1同心地設置於基材120c上(亦即這些環形溝渠G1的圓心C相同)，且紡嘴132沿著基材120c的徑向配置並通過這些環形溝渠G1的上方，以確保將紡絲液S提供至這些環形溝渠G1內。其中，各個環形溝渠G1的寬度W3大致是介於10奈米至1000微米之間，且又以介於10奈米至10微米之間為佳，故通過紡絲設備100B製造而得的纖維F(圖4A僅示意地繪示出一個)可為奈米等級。其中，這些環形溝渠G1的深度實質上與寬度W2一致，也就是說，這些環形溝渠G1的徑向截面可呈正方形輪廓，但本發明不限於此。在其他可行的實施例中，這些條狀溝渠G的深度與寬度W2亦可不一致，故這些條狀溝渠G的截面可呈矩形輪廓。另一方面，基材120c可為可撓性基材或硬質基材，本發明對此不加以限制。

值得一提的是，雖然上述實施例是以通過紡絲設備製造纖維素纖維來做說明，但在其他實施例中，亦可略為調整基材的結構型態，用以製造高表面積薄膜。

綜上所述，在本發明的紡絲設備中，其傳動單元可帶動 基材循著循環路徑重複地運動，並且當基材通過紡絲液供應單元的所在位置時，紡絲液供應單元可提供紡絲液至基材上的多個溝渠內以形成多個纖維。而成型後的這些纖維可與基材分離並藉由捲收單元收集，藉以達成纖維的連續性生產之目的，有助於提高製造效率。另一方面，前述溝渠的寬度為微米或奈米等級，故有助於成型於前述溝渠內的纖維的細微化。

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‧‧‧傳動單元

111、141‧‧‧主動滾輪

112、142‧‧‧輔助滾輪

120‧‧‧基材

130‧‧‧紡絲液供應單元

131‧‧‧儲存槽

132‧‧‧紡嘴

133‧‧‧幫浦

140‧‧‧捲收單元

150‧‧‧加熱器

160‧‧‧成型槽

161‧‧‧成型液

170‧‧‧清潔單元

171‧‧‧風槍

172‧‧‧加熱乾燥器

F‧‧‧纖維

P‧‧‧路徑

S‧‧‧紡絲液

Claims (13)

1. 一種紡絲設備，包括：一傳動單元；一基材，配置於該傳動單元上，其中該傳動單元帶動該基材循著一循環路徑重複地運動，且該基材具有多個溝渠；一紡絲液供應單元，位於該循環路徑上，紡絲液供應單元提供一紡絲液至該些溝渠內以形成多個纖維；以及一捲收單元，位於該傳動單元的一側，該捲收單元用以捲收該些纖維。
2. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，其中該傳動單元包括至少一滾輪，該至少一滾輪定義出該循環路徑。
3. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，其中各該溝渠的寬度介於20微米至50微米之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，其中該基材包括：一載板；以及一孔板，配置於該載板上，其中該孔板具有該些溝渠以暴露該載板的部分區域。
5. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，其中該基材包括：一載板；一網狀層，配置於該載板上；以及 一孔板，配置於該網狀層上，該孔板具有該些溝渠以暴露該網狀層的部分區域。
6. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，其中該傳動單元帶動該基材沿著一軸旋轉。
7. 如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中該傳動單元包括：一驅動器；以及一載座，與該驅動器連接，該基材組裝於該載座上，且該驅動器驅動該載座沿著該軸旋轉。
8. 如申請專利範圍第6項所述的紡絲設備，其中該些溝渠為多個環形溝渠，且各該環形溝渠的寬度介於10奈米至10微米之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，更包括：一加熱器，位於該循環路徑上，以提供熱能至該基材。
10. 如申請專利範圍第9項所述的紡絲設備，其中該加熱器與該紡絲液供應單元位於該基材的相對兩側。
11. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，更包括：一成型槽，位於該循環路徑上。
12. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，更包括：一清潔單元，設置於該循環路徑上。
13. 如申請專利範圍第1項所述的紡絲設備，其中該紡絲液供應單元包括： 一儲存槽，用以儲存該紡絲液；一紡嘴；以及一幫浦，連通於該儲存槽與該紡嘴之間，該幫浦驅動該儲存槽內的該紡絲液流動至該紡嘴，並藉由該紡嘴提供該紡絲液至該些溝渠內。