专利名称：一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法
技术领域：
本发明涉及静电纺丝和纺织机械技术领域，特别涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法。
背景技术：
静电纺丝是当前一种最流行的纺制纳米纤维的技术。其产品具有非常优异的性能，如极大的比表面积，可以灵活地进行表面功能化整理以及优异的力学行为等，可以应用到组织工程，伤口敷料，药物释放，过滤材料，复合增强材料，传感器等。由于静电纺丝工艺简单，制备流程比传统常规纺丝短，制品功能优异，自Anton Formhalsl934年获得美国专利以来，静电纺丝一直是纤维科学家和纺织开发人员长期以来的奋斗目标。该类纳米纤维将成为我国新世纪的主导产品。市场潜力巨大，前景十分广阔。静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千乃至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力足够大时，电场力可在泰勒锥的锥尖克服溶液表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、粘滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维毡。但到目前为止，大多数静电纺纳米纤维是以无纺布的形式收集到的，因此限制了静电纺纳米纤维的应用范围。从传统的纤维和纺织工业我们知道，连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束以及其加捻后所得的纱线才是纳米纤维的发展方向。然而到目前为止，还没有制取到连续的单根纳米长丝，且取向纳米纤维的取向度不高产量相对也很低，同时，连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束强度低容易损坏，无法与传统纺织纤维材料(机织物、针织物等)有同等的广泛应用。所以，高效制备结构可控的纳米纤维纱线才是静电纺丝达到广泛应用的最终发展方向。目前已有一些静电纺纳米纤维成纱的报道，如Dalton [DaltonPD, Polymer, 2005，46，611-614]等利用双圆碟装置收集到了取向的纳米纤维纱线，此方法制备的纱线条干均匀一致，纤维高度取向，但是最大的缺点是制备的纱线长度太短，无法满足实际的需要。Teo [Teo WE, Polymer, 2007, 48，3400-3405]等利用动态水凝固浴装置，制得了二偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物(PVDF-co-HFP)取向纳米纤维纱线，但是只适合于非水溶性聚合物的静电纺纱，且纱线加捻不易控制。中国专利200510038571.5公开了一种制备纳米纤维长丝束的方法，利用对称相对配制的金属针头形成纳米纤维束，但是无法加捻，不是严格意义上的纱线。Dabirian[Dabirian F, Fibers and Polymers, 2011, 12 (5), 610-615]等采用旋转的金属圆盘装置收集到了纳米纤维纱线，但是纱线中纤维的取向不易控制。上述方法均采用传统的单针头作为喷丝头产量很低，不能稳定连续的制备取向度较高的纳米纤维纱线
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法，可连续化生产纤维定向排列较好的纳米纤维纱线。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，分为立式和卧式两种配置，包括喇叭形输送管道，所述喇叭形输送管道的喇叭口布置有内侧金属圆环和外侧金属圆环，所述内侧金属圆环和外侧金属圆环与高压静电发生装置负电极连接，所述内侧金属圆环和外侧金属圆环是布置在同一平面内的同心圆环，所述内侧金属圆环、外侧金属圆环和喇叭形输送管道的喇叭口位于同一平面，所述喇叭形输送管道的喇叭口中心正对喷丝头，所述喷丝头与高压静电发生装置正电极相连，所述喷丝头和喇叭形输送管道的头部布置在屏蔽罩内，所述喇叭形输送管道尾部与涡流管相连。所述内侧金属圆环和外侧金属圆环装置立式配置时水平布置，装置卧式配置时竖直布置。所述喷丝头可采用各种适用于静电纺丝的类型，在装置立式配置时采用敞开金属圆盘式喷丝头，在装置卧式配置时采用针头式喷丝头以及多针头组合式喷丝头。所述内侧金属圆环和外侧金属圆环同时与高压静电发生装置负电极连接或同时接地。所述喇叭形输送管道采用绝缘材料制成。所述喇叭形输送管道的喇叭口直径根据外侧金属圆环的直径制定，且保证喇叭形输送管道的喇DA 口直径大于外侧金属圆环的直径。所述涡流管由贯穿一侧管壁的输送孔、下部管壁上的进风孔、管内上部的堵头、堵头中心的引纱管以及管内下部的腔体组成。所述输送孔与喇叭形输送管道尾部连接。所述进风孔在涡流管的管壁上均匀的布置有2至10个。所述腔体下部与抽气真空泵相连。所述堵头中心沿涡流管中心轴线方向布置引纱管。所述引纱管内穿行纱线。所述纱线由布置在涡流管上方的引纱罗拉I和引纱罗拉II组合牵引。所述纱线最终卷绕在布置在最高处的卷绕罗拉上。所述涡流管、抽气真空泵、卷绕罗拉、引纱罗拉I和引纱罗拉II布置在屏蔽罩的外面。本发明还提供一种使用上述取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤:(I)通过外接的自动输液装置向喷丝头中添加纺丝溶液，将喷丝头与高压静电发生装置正电极相连，引入高压静电；(2)将内侧金属圆环和外侧金属圆环同时接高压静电发生装置的负电极或者接地；(3)打开高压静电发生装置，喷丝头中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，喷出射流，溶剂挥发，同时利用内侧金属圆环和外侧金属圆环之间的等电势作用以及空气间隙，使生成的纳米纤维产生取向，搭接在内侧金属圆环和外侧金属圆环之间的圆环状区域内；
(4)打开抽气真空泵，取向纳米纤维经由喇叭形输送管道进入涡流管形成纤维环，种子纱从涡流管上的引纱管中吸入，与纤维环搭接，纱尾形成近似圆锥形的纱环，纱尾在涡流管内涡流场的作用下，沿涡流管管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻，形成纱线；(5)纱线在引纱罗拉I和引纱罗拉II组合牵引的作用下，从涡流管的引纱管中导出，最终卷绕在卷绕罗拉上。有益.效果本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法，与现有技术相比，具有以下优点和积极效果:集喷丝、纤维取向、纤维转移、凝聚、加捻、牵伸和卷绕为一体，可以连续加工取向纳米纤维纱线。分立式和卧式两种配置，适用于各种静电纺丝用喷丝头；利用内外金属圆环之间的等电势作用以及空气间隙实现纳米纤维的取向；利用涡流管中高速旋转的气流对纳米纤维进行加捻，不需要复杂的加捻机件，生产效率高；采用屏蔽罩装置可屏蔽外部条件对静电纺丝的干扰，从而保证静电纺丝的质量。另外，结构比较简单，适合多种聚合物纺丝溶液，能够得到取向度和产量都较高的纳米纤维纱线，可以实现纳米纤维纱线的连续化和规模化生产。
图1是本发明立式配置时的结构示意图；图2是本发明卧式配置时的结构示意图；图3是本发明涡流管的结构剖面图；图4是本发明内侧金属圆环和外侧金属圆环的俯视图；图5是本发明进风孔的横截面示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图1-5所示，本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，分为立式和卧式两种配置，包括喇叭形输送管道4，所述喇叭形输送管道4的喇叭口布置有内侧金属圆环2和外侧金属圆环3，所述内侧金属圆环2和外侧金属圆环3与高压静电发生装置负电极12连接,所述内侧金属圆环2和外侧金属圆环3是布置在同一平面内的同心圆环,所述内侧金属圆环2、外侧金属圆环3和喇叭形输送管道4的喇叭口位于同一平面，所述喇叭形输送管道4的喇叭口中心正对喷丝头1，所述喷丝头I与高压静电发生装置正电极11相连，所述喷丝头I和喇叭形输送管道4的头部布置在屏蔽罩10内，所述喇叭形输送管道4尾部与涡流管5相连，所述内侧金属圆环2和外侧金属圆环3装置立式配置时水平布置，装置卧式配置时竖直布置，所述喷丝头I可采用各种适用于静电纺丝的类型，在装置立式配置时采用敞开金属圆盘式喷丝头，在装置卧式配置时采用针头式喷丝头以及多针头组合式喷丝头，所述内侧金属圆环2和外侧金属圆环3同时与高压静电发生装置负电极12连接或同时接地，所述喇叭形输送管道4采用绝缘材料制成，所述喇叭形输送管道4的喇叭口直径根据外侧金属圆环3的直径制定，且保证喇叭形输送管道4的喇叭口直径大于外侧金属圆环3的直径，所述涡流管5由贯穿一侧管壁的输送孔14、下部管壁上的进风孔15、管内上部的堵头16、堵头16中心的引纱管17以及管内下部的腔体18组成，所述输送孔14与喇叭形输送管道4尾部连接，所述进风孔15在涡流管5的管壁上均匀的布置有2至10个，所述腔体18下部与抽气真空泵6相连，所述堵头16中心沿涡流管5中心轴线方向布置引纱管17，所述引纱管17内穿行纱线13，所述纱线13由布置在涡流管5上方的引纱罗拉I 7和引纱罗拉II 8组合牵引，所述纱线13最终卷绕在布置在最高处的卷绕罗拉9上，所述涡流管5、抽气真空泵6、卷绕罗拉9、引纱罗拉I 7和引纱罗拉II 8布置在屏蔽罩10的外面。所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤:(I)通过外接的自动输液装置向喷丝头I中添加纺丝溶液，将喷丝头I与高压静电发生装置正电极11相连，引入高压静电；(2)将内侧金属圆环2和外侧金属圆环3同时接高压静电发生装置的负电极12或者接地；(3)打开高压静电发生装置，喷丝头I中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，喷出射流，溶剂挥发，同时利用内侧金属圆环2和外侧金属圆环3之间的等电势作用以及空气间隙，使生成的纳米纤维产生取向，搭接在内侧金属圆环2和外侧金属圆环3之间的圆环状区域内；(4)打开抽气真空泵6，取向纳米纤维经由喇叭形输送管道4进入涡流管5形成纤维环，种子纱从涡流管5上的引纱管7中吸入，与纤维环搭接，纱尾形成近似圆锥形的纱环，纱尾在涡流管5内涡流场的作用下，沿涡流管5管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻，形成纱线13 ；(5)纱线13在引纱罗拉I 7和引纱罗拉II 8组合牵引的作用下，从涡流管5的引纱管17中导出，最终卷绕在卷绕罗拉9上。实施例1下面采用聚丙烯腈(PAN)与二甲基甲酰胺(DMF)所配制的溶液进行纺纱。通过自动输液装置将浓度为15%的聚丙烯腈(PAN)溶液注入喷丝头I中，喷丝头I直接连接高压静电发生装置的正电极11，将内侧金属圆环2以及外侧金属圆环3同时接高压静电发生装置的负电极12，打开高压静电发生装置，设置正负电压值分别为38kV和-2kV ;打开真空抽气泵6，取向纳米纤维经由喇叭形输送管道4进入涡流管5形成纤维环，种子纱从涡流管5上的引纱管17中吸入，与纤维环搭接，纱尾形成近似圆锥形的纱环，纱尾在涡流场的作用下，沿涡流管5管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻；纱线13在引纱罗拉I 7和引纱罗拉II 8组合牵引的作用下，由涡流管5的引纱管17中导出，最终卷绕在卷绕罗拉9上，制备出的纳米纤维纱线的直径约为216 u m。
权利要求
1.一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，分为立式和卧式两种配置，包括喇叭形输送管道(4)，其特征在于:所述喇叭形输送管道(4)的喇叭口布置有内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)，所述内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)与高压静电发生装置负电极(12)连接，所述内侧金属圆环(2)、外侧金属圆环(3)是布置在同一平面内的同心圆环，所述内侧金属圆环(2)、外侧金属圆环(3)和喇叭形输送管道(4)的喇叭口位于同一平面，所述喇叭形输送管道(4)的喇叭口中心正对喷丝头(I )，所述喷丝头(I)与高压静电发生装置正电极(11)相连，所述喷丝头(I)和喇叭形输送管道(4)的头部布置在屏蔽罩(10)内，所述喇叭形输送管道(4 )尾部与涡流管(5 )相连。
2.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)装置立式配置时水平布置，装置卧式配置时竖直布置。
3.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述喷丝头(I)可采用各种适用于静电纺丝的类型，在装置立式配置时采用敞开金属圆盘式喷丝头，在装置卧式配置时采用针头式喷丝头以及多针头组合式喷丝头。
4.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)同时与高压静电发生装置负电极(12)连接或同时接地。
5.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述喇叭形输送管道(4)采用绝缘材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述喇叭形输送管道(4)的喇叭口直径根据外侧金属圆环(3)的直径制定，且保证喇叭形输送管道(4)的喇叭口直径大于外侧金属圆环(3)的直径。`
7.根据权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述涡流管(5)由贯穿一侧管壁的输送孔(14)、下部管壁上的进风孔(15)、管内上部的堵头(16)、堵头(16)中心的引纱管(17)以及管内下部的腔体(18)组成。
8.根据权利要求7所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述输送孔(14)与喇叭形输送管道(4)尾部连接。
9.根据权利要求7所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述进风孔(15)在涡流管(5)的管壁上均匀的布置有2至10个。
10.根据权利要求7所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述腔体(18)下部与抽气真空泵(6)相连。
11.根据权利要求7所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述堵头(16)中心沿涡流管(5)中心轴线方向布置引纱管(17)。
12.根据权利要求7和11所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述引纱管(17)内穿行纱线(13)。
13.根据权利要求12所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述纱线(13)由布置在涡流管(5)上方的引纱罗拉I (7)和引纱罗拉II (8)组合牵引。
14.根据权利要求13和14所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述纱线(13)最终卷绕在布置在最高处的卷绕罗拉(9 )上。
15.根据权利要求1、7至14所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置，其特征在于，所述涡流管(5)、抽气真空泵(6)、卷绕罗拉(9)、引纱罗拉I (7)和引纱罗拉II (8)布置在屏蔽罩(10)的外面。
16.一种使用权利要求1所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置进行静电纺纱的方法，包括以下步骤: (1)通过外接的自动输液装置向喷丝头(I)中添加纺丝溶液，将喷丝头(I)与高压静电发生装置正电极(11)相连，引入高压静电； (2)将内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)同时接高压静电发生装置的负电极(12)或者接地； (3)打开高压静电发生装置，喷丝头(I)中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥，喷出射流，溶剂挥发，同时利用内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)之间的等电势作用以及空气间隙，使生成的纳米纤维产生取向，搭接在内侧金属圆环(2)和外侧金属圆环(3)之间的圆环状区域内； (4)打开抽气真空泵(6)，取向纳米纤维经由喇叭形输送管道(4)进入涡流管(5)形成纤维环，种子纱从涡流管(5)上的引纱管(7)中吸入，与纤维环搭接，纱尾形成近似圆锥形的纱环，纱尾在涡流管(5)内涡流场的作用下，沿涡流管(5)管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻，形成纱线(13)； (5)纱线(13)在引纱罗拉I(7)和引纱罗拉II (8)组合牵引的作用下，从涡流管(5)的引纱管(17)中导出，最终卷绕在卷绕`罗拉(9)上。
全文摘要
本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法，分为立式和卧式两种配置，包括喇叭形输送管道，所述喇叭形输送管道的喇叭口布置有内侧金属圆环和外侧金属圆环，所述喇叭形输送管道的喇叭口中心正对喷丝头，所述喷丝头和喇叭形输送管道的头部布置在屏蔽罩内，所述喇叭形输送管道尾部与涡流管的输送孔相连，所述涡流管管壁上均匀的布置有进风孔，所述涡流管下部的管内腔体与抽气真空泵相连，所述涡流管上部管内布置有堵头，所述堵头中心布置有引纱管，所述引纱管内穿行纱线，所述纱线由引纱罗拉Ⅰ和引纱罗拉Ⅱ牵引，所述纱线最终卷绕在卷绕罗拉上。本实发明可以连续加工取向纳米纤维纱线，生产效率高。
文档编号D01H4/02GK103103642SQ201310058068
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月22日 优先权日2013年2月22日
发明者覃小红, 吴韶华 申请人:东华大学