一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用，包括：加捻装置、退绕装置、卷绕装置、双针头静电纺丝装置和控制系统。本发明还提供一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的方法：将配制好的纺丝溶液通过双针头静电纺丝装置纺丝，使纳米纤维沉积在金属漏斗和芯纱上，金属漏斗旋转将纳米纤维均匀地缠绕在匀速运动的芯纱上，最终形成纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱；本发明还提供另一种纳米纤维织物的制备方法，包括：利用水溶性纱线作为芯纱，经上述方法制备纳米纤维包芯纱；通过纺织技术制备包芯纱织物；将芯纱溶解即得纳米纤维织物。本发明具有较高的可操作性，该装置结构新颖，纳米纤维在包芯纱表面的排列具有较高的可控性。
【专利说明】一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米纤维的装置及其应用，特别涉及一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置及其应用。
【背景技术】
[0002]静电纺丝，是在高压电场的作用下，聚合物流体会被电场力牵仲逐渐变细，形成超细纤维，纤维直径从几十纳米到几个微米之间。在静电纺丝过程中，聚合物流体在电场力的作用下会产生定向运动，带电流体在电场中运动又会受到垂直于流体的电场力，进而产生弯曲失稳，其运动范围最终形成三维锥形区域。纳米纤维在形成的过程中呈杂乱排列，在接收装置上形成无纺布纤维毡。纳米纤维毡具有较大的比表面积、高孔隙率，在组织工程、生物医学、载药缓释、生物传感器、精细过滤等方面有巨大的应用潜力。然而此种纳米纤维排列无规，且难以进一步加工，大大限制了其应用范围。
[0003]纳米纤维纱，即由纳米纤维组成的单股纱线，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。是一种可以进一步利用纺织技术加工的纳米纤维集合体，能够通过针织、机织、编织、三维编织等手段形成管状、片状、三维异形等多种形状。许多研究人员尝试将静电纺纳米纤维加工成取向纳米纤维纱线。Ko等人利用管状接收装置和牵仲加捻装置制备出碳纳米管与聚酰胺复合的纳米纤维束，其拉仲强力得到大大提升(Ko，Gogotsi et al.2003)。Yan等人利用双加抢器制备出形态良好的连续纳米纤维纱(Yan, Liuetal.2011)。Pan等人引入了双针头静电纺丝系统制备纳米纤维纱(Pan,Li et al.2006)。Ali等人利用双针头静电纺丝系统和加捻漏斗制备出连续且高度取向的纳米纤维纱(Ali，Zhou et al.2012)。在此基础上，多针头纺丝系统也可以用以制备纳米纤维纱线，使得多种材料可以复合在一根纳米纤维纱线中。
[0004]美国专利US6106913-A中，Balonis等人将静电纺纳米纤维利用气流沉积法引导到长丝上，经牵引卷绕形成高强力纳米纤维包芯纱，并利用该纱线编织成纳米纤维器件。中国专利CN200710021149.8中采用高分子长丝或纱为芯层，一对或多对喷丝头同时纺丝，带相反电荷的纳米纤维沉积在芯纱上，牵引卷绕得到表面包覆纳米纤维的纱线。中国专利201110420803.9中杨恩龙采用分别施加正负高压，将纳米纤维沉积在金属加捻器和芯纱上，制得的纳米纤维具有高度取向结构，通过热处理装置热定型，进一步提高纳米纤维纱线的轴向取向度及纱线的断裂强力。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种制备纳米纤维包芯纱的装置及其应用，该装置操作简单、可行性高，所得的包芯纱表面纳米纤维排列结构具有高度的可控性，进而利用纺织技术加工成管状、片状以及异形织物，去除芯纱可得纳米纤维织物。
[0006]本发明所述的一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，该装置包括:加捻装置、退绕装置、卷绕装置、双针头静电纺丝装置和控制系统。[0007]进一步地，所述的加捻装置包括:马达、主动轮、皮带、从动轮、立架、轴承、金属漏斗；其中，马达转动带动主动轮旋转，通过皮带传动使从动轮转动，金属漏斗通过轴承固定在立架上，从动轮与金属漏斗连为一体，带动金属漏斗旋转；金属漏斗接地。
[0008]进一步地，所述的退绕装置包括:纱架、纱筒、张力夹、导纱钩；所述的卷绕装置包括:导纱钩、卷绕辊、卷绕马达、横动马达、丝杆、滑块联轴器、架板和底架组成；卷绕马达经联轴器带动卷绕辊转动；芯纱在卷绕辊的牵引下由穿在纱架上的纱筒退绕，经张力夹和导纱钩，穿过金属漏斗的轴心，再经导纱钩被卷绕在卷绕辊上；卷绕辊和卷绕马达固定在位于滑块上的架板上；横动马达通过联轴器与丝杆相连，丝杆在横动马达的作用下转动使滑块带动架板左右移动；横动马达固定在底架上。
[0009]进一步地，所述的双针头静电纺丝装置包括:两台分布于金属漏斗两侧的推进泵、两只带金属针头的注射器、一台正电高压发生器、一台负电高压发生器；其中一针头接正电高压发生器，另一针头接负电高压发生器。
[0010]进一步地，以上所述装置皆固定在机箱上。
[0011]进一步地，所述的控制系统可以调节金属漏斗的转速、卷绕辊的卷绕速度、卷绕装置的横动速度；金属漏斗的转速为100-4000转/分钟；卷绕速度为5-100转/分钟；横动速度为1-10厘米/分钟。
[0012]进一步地，所述的金属漏斗轴心中空，内径为5毫米，所述的金属漏斗外径为40-300毫米，漏斗斜角为10°到90° ;所述的金属漏斗是锥形或半圆形。
[0013]本发明的一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，应用于制备纳米纤维包芯纱，具体步骤如下:
[0014]将配置好的纺丝溶液通过双针头静电纺丝形成纳米纤维，纳米纤维沉积在金属漏斗和芯纱上或搭在金属漏斗和芯纱之间，金属漏斗旋转将纳米纤维均匀的缠绕在匀速运动的芯纱上，最终形成以芯纱为芯层，纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱。
[0015]所述的芯纱为短纤纱、长丝纱、单根长丝、金属丝或股线。
[0016]所述的纺丝溶液为天然聚合物溶液、人工合成聚合物溶液中的一种或两种；纺丝溶液中添加生物活性材料或无机材料。
[0017]所述的纳米纤维包芯纱用于制备纳米纤维织物，具体步骤如下:
[0018]利用水溶性纱线作为芯纱，制备出纳米纤维包芯纱；通过纺织技术制备包芯纱织物；将芯纱溶解去除即得纳米纤维织物。
[0019]所述的水溶性纱线为在常温或加热水溶液中直接溶解的短纤纱或长丝。
[0020]所述的纺织技术为针织、机织、编织或三维编织；纳米纤维织物为管状、片状或异形织物。
[0021]所述的纺丝溶液中可以添加药物、基因、生长因子等生物活性材料，可以添加碳纳米管、纳米羟基磷灰石、介孔硅等无机材料。
[0022]所述的双针头可以纺同种纺丝溶液，也可以纺两种不同的纺丝溶液。
[0023]有益.效果
[0024]本发明操作简单，适用材料范围广。所属装置由加捻装置、退绕装置、卷绕装置、双针头静电纺丝装置和控制系统组成，利用中通金属漏斗的机械旋转将纳米纤维包覆在芯纱表面形成纳米纤维包芯纱。获得的包芯纱表面纳米纤维排列结构可控、纤维取向可控、捻度可控，能够方便地通过针织、机织、编织、三维编织等手段加工成管状、片状、三维异形等多种形状，实现了纳米纤维的二次加工，其产品可应用于医用敷料、组织工程支架、过滤材料等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的装置示意图(正视图)；
[0026]图2是本发明的装置示意图(左视图)；
[0027]图3是卷绕装置的示意图；
[0028]图4是金属漏斗的示意图。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]实施例1
[0031]如图1和2所示，制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置包括加捻装置、退绕装置、卷绕装置、双针头静电纺丝装置和控制系统。
[0032]加捻装置包括马达1、主动轮2、皮带3、从动轮4、立架5、轴承6、金属漏斗7 ;其中，马达I转动带动主动轮2旋转，通过皮带3传动使从动轮4转动，金属漏斗7通过轴承6固定在立架5上，从动轮4与金属漏斗7连为一体，带动金属漏斗7旋转；金属漏斗7接地。
[0033]退绕装置包括纱架8、纱筒9、张力夹10、导纱钩11 ;所述的卷绕装置包括导纱钩
19、卷绕辊21、卷绕马达22、横动马达23、丝杆27、滑块28、联轴器24、25、架板26和底架29组成；卷绕马达22经联轴器24带动卷绕辊21转动；芯纱12在卷绕辊21的牵引下由穿在纱架8上的纱筒9退绕，经张力夹10和导纱钩11，穿过金属漏斗7的轴心，再经导纱钩19被卷绕在卷绕辊21上；卷绕辊21和卷绕马达22固定在位于滑块28上的架板26上；横动马达23通过联轴器25与丝杆27相连，丝杆27在横动马达23的作用下转动使滑块带动架板左右移动；横动马达23固定在底架29上。
[0034]双针头纺丝装置包括两台分布于金属漏斗7两侧的推进泵13、16、两只带金属针头的注射器14、15、一台正电高压发生器17、一台负电高压发生器18 ;其中一针头14接正电高压发生器17，另一针头15接负电高压发生器18。
[0035]控制系统调节金属漏斗7的转速、卷绕辊21的卷绕速度、卷绕装置的横动速度。
[0036]金属漏斗7轴心中空，内径为5毫米，外径为40-300毫米，漏斗斜角为10°到90° ;所述的金属漏斗7是锥形或半圆形。
[0037]实施例2
[0038]准确称量0.8克聚己内酯(PCL)加入到10毫升六氟异丙醇中，搅拌获得质量体积比为8%的PCL溶液。将PCL溶液分别加入两个注射器中，利用双针头纺丝装置进行纺丝，两针头距离为24厘米，高压发生器电压分别为-12千伏和+12千伏；将聚乳酸(PLA)长丝从纱筒上引出经由导纱钩、漏斗内孔、导纱钩卷绕在卷绕辊上，卷绕速度为25厘米/秒，横动速度为2厘米/分钟；金属漏斗外径为10厘米，漏斗斜角为45°，旋转速度为500转/分钟。PCL溶液在高压静电场作用下被抽长拉细形成纳米纤维，搭在金属漏斗外沿和PLA纱线上，形成与金属漏斗方向相反的纤网漏斗，PCL纳米纤维在金属漏斗旋转作用下包缠在PLA纱线上，并逐渐被卷绕在卷绕辊上，形成以PLA纱线为芯层、PCL纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱。
[0039]实施例3
[0040]准确称量1.6克再生丝素(SF)和0.4克聚环氧乙烷(PEO)加入到20毫升去离子水中，搅拌获得质量体积比为10%的SF/PE0溶液。向10毫升SF/PE0溶液中加入2.4毫克骨形态生成蛋白-2(BMP-2)，搅拌获得均匀的纺丝液A。向10毫升SF/PE0溶液中加入0.2克纳米羟基磷灰石，平均粒径50-150纳米，搅拌获得均匀的纺丝液B。将纺丝液A和B分别加入两个注射器中，利用双针头纺丝装置进行纺丝，两针头距离为24厘米，高压发生器电压分别为-18千伏和+18千伏；将蚕丝脱胶长丝从纱筒上引出经由导纱钩、漏斗内孔、导纱钩卷绕在卷绕辊上，卷绕速度为10厘米/秒；金属漏斗外径为12厘米，漏斗斜角为45°，旋转速度为1000转/分钟。纺丝液在高压静电场作用下被抽长拉细形成纳米纤维，搭在金属漏斗外沿和蚕丝纱线上，形成与金属漏斗方向相反的纤网漏斗，负载BMP-2和纳米羟基磷灰石的SF/PE0纳米纤维在金属漏斗旋转作用下包缠在蚕丝纱线上，并逐渐被卷绕在卷绕辊上，形成以蚕丝纱线为芯层、负载BMP-2和纳米羟基磷灰石的SF/PE0纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱。
[0041]实施例4
[0042]准确称量0.75克左旋聚乳酸(PLLA)加入到10毫升六氟异丙醇中，搅拌获得质量体积比为7.5%的PLLA溶液。将PLA溶液分别加入两个注射器中，利用双针头纺丝装置进行纺丝，两针头距离为24厘米，高压发生器电压分别为-12千伏和+12千伏；将聚乙烯醇(PVA，溶解温度20摄氏度)长丝从纱筒上引出经由导纱钩、漏斗内孔、导纱钩卷绕在卷绕辊上，卷绕速度为I厘米/秒；金属漏斗外径为10厘米，漏斗斜角为45度，旋转速度为1000转/分钟。PLLA溶液在高压静电场作用下被抽长拉细形成纳米纤维，搭在金属漏斗外沿和PVA纱线上，形成与金属漏斗方向相反的纤网漏斗，PLA纳米纤维在金属漏斗旋转作用下包缠在PVA纱线上，并逐渐被卷绕在卷绕辊上，形成以PVA纱线为芯层、PLLA纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱。将此包芯纱通过编织形成片状织物，随后浸于30摄氏度去离子水中，溶解洗涤去除PVA，即得PLLA纳米纤维针织物。
【权利要求】
1.一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，其特征在于:该装置包括加捻装置、退绕装置、卷绕装置、双针头静电纺丝装置和控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，其特征在于:所述的加捻装置包括马达(I)、主动轮(2)、皮带(3)、从动轮(4)、立架(5)、轴承(6)、金属漏斗(7);其中，马达⑴转动带动主动轮⑵旋转，通过皮带⑶传动使从动轮⑷转动，金属漏斗(7)通过轴承(6)固定在立架(5)上，从动轮(4)与金属漏斗(7)连为一体，带动金属漏斗⑵旋转；金属漏斗(7)接地。
3.根据权利要求1所述的一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，其特征在于:所述的退绕装置包括纱架(8)、纱筒(9)、张力夹(10)、导纱钩(11);所述的卷绕装置包括导纱钩(19)、卷绕辊(21)、卷绕马达(22)、横动马达(23)、丝杆(27)、滑块(28)、联轴器(24) (25)、架板(26)和底架(29)组成；卷绕马达(22)经联轴器(24)带动卷绕辊(21)转动；芯纱(12)在卷绕辊(21)的牵引下由穿在纱架(8)上的纱筒(9)退绕，经张力夹(10)和导纱钩(11)，穿过金属漏斗(7)的轴心，金属漏斗旋转将纳米纤维包覆在芯纱的表面形成包芯纱，再经导纱钩(19)被卷绕在卷绕辊(21)上；卷绕辊(21)和卷绕马达(22)固定在位于滑块(28)上的架板(26)上；横动马达(23)通过联轴器(25)与丝杆(27)相连，丝杆(27)在横动马达(23)的作用下转动使滑块带动架板左右移动；横动马达(23)固定在底架(29)上。
4.根据权利要 求1所述的一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，其特征在于:所述的双针头纺丝装置包括两台分布于金属漏斗(7)两侧的推进泵(13) (16)、两只带金属针头的注射器(14) (15)、一台正电高压发生器(17)、一台负电高压发生器(18);其中注射器(14)接正电高压发生器(17)，注射器(15)接负电高压发生器(18)。
5.根据权利要求1所述的一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，其特征在于:所述的控制系统调节金属漏斗(7)的转速、卷绕辊(21)的卷绕速度、卷绕装置的横动速度；金属漏斗(7)的转速为100-4000转/分钟；卷绕速度为5-100转/分钟；横动速度为1_10厘米/分钟。
6.根据权利要求2所述的一种制备静电纺纳米纤维包芯纱的装置，其特征在于:所述的金属漏斗(7)轴心中空，内径为5毫米，外径为40-300毫米，漏斗斜角为10°到90° ;所述的金属漏斗(7)是锥形或半圆形。
7.一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，其特征在于:应用于制备纳米纤维包芯纱，具体步骤如下: 将配置好的纺丝溶液通过双针头(14) (15)静电纺丝形成纳米纤维，纳米纤维沉积在金属漏斗(7)和芯纱(12)上或搭在金属漏斗(7)和芯纱(12)之间，金属漏斗(7)旋转将纳米纤维均匀的缠绕在匀速运动的芯纱(12)上，最终形成以芯纱(12)为芯层，纳米纤维为皮层的纳米纤维包芯纱(20)。
8.根据权利要求7所述的一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，其特征在于:所述的芯纱为短纤纱、长丝纱、单根长丝、金属丝或股线。
9.根据权利要求7所述的一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，其特征在于:所述的纺丝溶液为天然聚合物溶液、人工合成聚合物溶液中的一种或两种；纺丝溶液中添加生物活性材料或无机材料。
10.根据权利要求7所述的一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，其特征在于:所述的纳米纤维包芯纱用于制备纳米纤维织物，具体步骤如下: 利用水溶性纱线作为芯纱，制备出纳米纤维包芯纱；通过纺织技术制备包芯纱织物；将芯纱溶解去除即得纳米纤维织物。
11.根据权利要求10所述的一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，其特征在于:所述的水溶性纱线为在常温或加热水溶液中直接溶解的短纤纱或长丝。
12.根据权利要求10所述的一种静电纺纳米纤维包芯纱的装置的应用，其特征在于:所述的纺织技术为针 织、机织、编织或三维编织；纳米纤维织物为管状、片状或异形织物。
【文档编号】D01H4/28GK104032423SQ201410280734
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】莫秀梅, 李大伟, 柯勤飞, 黄晨 申请人:东华大学