一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法，包括纱筒(6)、导纱管(5)和接收器(4)，所述纱筒(6)由电机(2)驱动旋转，所述纱筒(6)处于导纱管(5)的正上方，并与导纱管(5)呈相互垂直布置，所述导纱管(5)和电机(2)固定在电机(1)的转轴上；所述接收器(4)由电机(3)驱动旋转，所述电机(1)和电机(3)的轴心在同一条直线上。本发明实现了纳米纤维纱线的连续制备，拓展了纳米纤维在生物、纺织、材料、电子等方面的应用。
【专利说明】一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米纤维纱线制备【技术领域】，特别涉及一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法。
【背景技术】
[0002]纳米纤维具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等四大效应，表现出优异的光、电、磁、力等物理化学性能，使其在复合材料增强体、微/纳电子器件、纳米传感器、过滤与分离、生物医学、防护服等诸多领域具有广泛的潜在应用。目前，纳米纤维的产品形式基本都是呈无规排列状态的纤维毡，这种片状材料虽然可以直接应用，但产品的二次加工性及力学性能较差。将纳米纤维制备成一维的连续纱线结构，则可以解决纳米纤维毡力学性能差、纤维集合体结构无序等问题。此外，纳米纤维纱线的分子排列取向性强，具有尺寸限域效应，从而有利于电荷传输及其各向异性，在有机场效应晶体管、气体传感器和电化学传感等方面有广阔的应用前景。
[0003]目前，报道的制备取向排列的纳米纤维毡、束或纱等方面的研究大多基于静电纺丝技术而制备的。Liu等将静电加在喷丝头和圆环形接收装置之间，在圆环表面得到了取向排列的纳米纤维束(Materials Letters[J]2008,62:4467-4469);中国专利201110137417.9公开了一种基于静电纺丝通过两步法制备纳米纤维纱线，即首先获得有序的纳米纤维，之后再处理为纳米纤维纱。然而，上述方法普遍存在制备过程不连续、产出效率低、规模化生产难度大等突出缺点。
[0004]中国专利ZL201110041792.3报告了一种聚合物纳微米纤维非织造布的制备方法，该方法利用至少一股高速喷射气流对纺丝溶液细流进行细化拉伸并使溶剂挥发制备纳米纤维(本专利称之为溶液喷射纺丝方法)。该方法具有加工流程短、工艺简单、条件容易控制、易于规模化生产等优点。但获得的纳米纤维为纤维杂乱聚积的非织造布状态，难以获得具有排列取向的纳米纤维纱线；而且由于静电场与气流场存在本质区别，上述所报道的基于静电纺丝制备纳米纤维纱线的方法无法用于溶液喷射纺丝法制备纳米纤维纱线。
【发明内容】
[0005]针对现在技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法，用于收集、集束和卷绕溶液喷射纺纳米纤维，解决现有技术中纳米纤维纱线无法连续生产以及生产效率低的问题。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种取向纳米纤维纱线连续制备装置，包括纱筒(6)、导纱管(5)和接收器(4)，所述纱筒(6)由电机⑵驱动旋转，所述纱筒(6)处于导纱管(5)的正上方，并与导纱管(5)呈相互垂直布置，所述导纱管(5)和电机⑵固定在电机⑴的转轴上；所述接收器⑷由电机⑶驱动旋转，所述电机⑴和电机(3)的轴心在同一条直线上。
[0007]所述导纱管(5)和电机⑵之间的距离是调节的，调节范围0.5-30cm。[0008]所述导纱管(5)和接收器⑷之间的距离是可调节的，可调范围lO-lOOcm。
[0009]所述导纱管(5)优先选用内壁光滑的管状或环状材料。
[0010]所述接收器(4)优先选用多孔的材料。
[0011]本发明还提供一种使用上述取向纳米纤维纱线连续制备装置进行纺纱的方法，具体为，将所述的一种取向纳米纤维纱线连续制备装置置于溶液喷射纺丝系统中，纺丝系统的喷丝头(9)倾斜对向引纱(7)，使生成的纳米纤维将引纱(7)与旋转的接收器(4)连接起来，所述的引纱(7) —端穿过导纱管(5)并固定在纱筒(6)上，另一端垂直悬于接收器(4)上，所述接收器(4)的转速调节范围l-100r/min ;纳米纤维逐渐在引纱(7)与旋转的接收器(4)形成一个有取向的漏斗状的纳米纤维网(8)，然后在导纱管(5)的旋转作用下带动引纱(7)不断的将纳米纤维网(8)集束成纱线，所述导纱管(5)的转速调节范围IO-1OOOr/min ;之后再由纱筒(6)将集束的纱线卷绕走，实现纳米纤维纱线的连续制备，所述纱筒(6)的转速调节范围l-100r/min。
[0012]所述引纱(7)是可自由变形的线状材料，优先选用棉纱或化纤长丝束，其长度小于或等于导纱管与接收器之间的距离。
[0013]所述的溶液喷射纺丝法是中国专利ZL201110041792.3报告的一种聚合物纳微米纤维非织造布的制备方法。
[0014]本发明涉及一种取向纳米纤维纱线连续制备装置及方法，与现有的技术相比，本发明集纳米纤维纺丝、纤维收集、纤维取向、集束、卷绕为一体，使纱线一次成型，克服了很多基于静电纺丝制备纳米纤维纱线的两步做法，加工流程短，具有普遍适用性；可以配置多个喷丝头，增加纳米纤维的产量，从而增加纱线的产量，提高纱线生产效率，可克服静电纺丝法制备纱线效率低，规模 化制备难度大等缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明制备装置示意图。
[0016]图2(a)是纳米纤维纱线的纺制过程全景图。
[0017]图2(b)是漏斗状的纳米纤维网照片。
[0018]图2(c)为本发明聚丙烯腈纳米纤维纱线放大200倍的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0019]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。
[0020]如图1所示，本发明涉及一种取向纳米纤维纱线连续制备装置，包括纱筒(6)、导纱管(5)和接收器(4)，所述纱筒(6)由电机(2)驱动旋转，所述纱筒(6)处于导纱管(5)的正上方，并与导纱管(5)呈相互垂直布置，所述导纱管(5)和电机(2)固定在电机(I)的转轴上；所述接收器⑷由电机⑶驱动旋转，所述电机⑴和电机⑶的轴心在同一条直线上。所述导纱管(5)和电机(2)之间的距离是调节的，调节范围0.5-30cm(实施例中为2cm)。所述导纱管(5)和接收器(4)之间的距离是可调节的，可调范围IO-1OOcm(实施例中为50cm)。所述导纱管(5)优先选用内壁光滑的管状或环状材料(实施例中为内径8.3mm，外径11.8mm的聚氨酯橡胶管)。所述的接收器(4)优先选用多孔的材料(实施例中为直径为39cm圆形金属筛网)。
[0021]本发明还提供一种使用上述取向纳米纤维纱线连续制备装置进行纺纱的方法，具体为，将所述的一种取向纳米纤维纱线连续制备装置置于溶液喷射纺丝系统中，纺丝系统的喷丝头(9)对向引纱(7)，使生成的纳米纤维将引纱(7)与旋转的接收器(4)连接起来，所述的引纱(7) —端穿过导纱管(5)并固定在纱筒(6)上，另一端垂直悬于接收器(4)上，所述接收器(4)的转速调节范围优选10-40r/min(实施例中为20r/min);纳米纤维逐渐在引纱(7)与旋转的接收器(4)形成一个有取向的漏斗状的纳米纤维网(8)，然后在导纱管
(5)的旋转作用下带动引纱(7)不断的将纳米纤维网(8)集束成纱线，所述导纱管(5)的转速调节范围优选50-300r/min(实施例中为100r/min);之后再由纱筒(6)将集束的纱线卷绕走，实现纳米纤维纱线的连续制备，所述纱筒(6)的转速调节范围优选5-30r/min。所述引纱(7)是可自由变形的线状材料，优先选用棉纱或化纤长丝束(实施例中为32支棉纱)，其长度小于或等于导纱管与接收器之间的距离(实施例中长度为35cm)。
[0022]所述的溶液喷射纺丝法是中国专利ZL201110041792.3报告的一种聚合物纳微米纤维非织造布的制备方法。
[0023]以下给出本发明的具体实施例，但发明申请的权利要求保护范围不受具体实施例的限制。
[0024]实施例1:
[0025]将质量分数为12%的聚丙烯腈纺丝溶液(溶剂为N，N-二甲基甲酰胺)利用中国专利ZL201110041792.3报告的一种聚合物纳微米纤维非织造布的制备方法纺制纳米纤维，在纺丝时，喷丝头(9)与电机I中心轴的夹角呈30度，对向引纱(7)，使生成的纳米纤维将引纱(7)与旋转的接收器(4)连接起来，接收器(4)的转速为20r/min ;纳米纤维逐渐在引纱(7)与旋转的接收器(4)形成一个有取向的漏斗状的纳米纤维网(8)，然后在导纱管(5)的旋转作用下带动引纱(7)不断的将纳米纤维网(8)集束成纱线，导纱管(5)的转速为100r/min ;之后再由纱筒(6)以7.8r/min的速度将集束的纱线卷绕走。
[0026]采用本发明制备聚丙烯腈纳米纤维纱线的全过程如图2所示。(a)是漏斗状的纳米纤维网照片；(b)和(c)为本发明聚丙烯腈纳米纤维纱线放大200倍和20000倍的扫描电镜照片。
[0027]从电镜照片中可以看出聚丙烯腈纱线的直径大约为285 μ m,纱线中纳米纤维直径大约为331nm，纳米纤维基本均沿纱线的轴向排列，取向非常好。
【权利要求】
1.一种取向纳米纤维纱线连续制备装置，包括纱筒(6)、导纱管(5)和接收器(4)，其特征在于，所述纱筒(6)由电机(2)驱动旋转，所述纱筒(6)处于导纱管(5)的正上方，并与导纱管(5)呈相互垂直布置，所述导纱管(5)和电机(2)固定在电机(I)的转轴上；所述接收器⑷由电机⑶驱动旋转，所述电机⑴和电机⑶的轴心在同一条直线上。
2.一种使用权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线连续制备装置进行纺纱的方法，其特征在于，将权利要求1所述的一种取向纳米纤维纱线连续制备装置置于溶液喷射纺丝系统中，纺丝系统的喷丝头(9)对向引纱(7)，使生成的纳米纤维将引纱(7)与旋转的接收器(4)连接起来，所述的引纱(7)是一端穿过导纱管(5)并固定在纱筒(6)上，另一端垂直悬于接收器(4)上，所述接收器(4)的转速调节范围Ι-lOOr/min ;纳米纤维逐渐在引纱(7)与旋转的接收器(4)形成一个有取向的漏斗状的纳米纤维网(8)，然后在导纱管(5)的旋转作用下带动引纱(7)不断的将纳米纤维网(8)集束成纱线，所述导纱管(5)的转速调节范围10-1000r/min;之后再由纱筒(6)将集束的纱线卷绕走,实现纳米纤维纱线的连续制备，所述纱筒(6)的转速调节范围l-100r/min。
【文档编号】D01D5/00GK103603063SQ201310454345
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】庄旭品, 程博闻, 贾开飞, 康卫民, 李孟芹, 李红军 申请人:天津工业大学