细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱装置的制作方法

本发明涉及一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的装置、方法及用途。

背景技术：

拉胀材料是指具有负泊松比的材料，即相对于传统材料在某一方向上受到拉伸(或压缩)时，其垂直于作用力方向会产生收缩(或膨胀)变形，拉胀材料在某一方向上受到拉伸(或压缩)时，其垂直于作用力方向会产生膨胀(或收缩)变形。拉胀纱线又称为负泊比纱线，在一定的轴向拉力作用下，纱线径向轮廓增大。研究发现，拉胀材料除具有负泊松比外，与传统材料相比，还具有其他独特性能，如剪切刚度、断裂韧性、抗压痕性、能量吸收能力(超声波、声、阻尼)等都有所提高，在各领域均具有潜在应用：汽车工业(坐垫、安全带)、航空航天(机翼板、整流罩)、人体防护(头盔、护膝、手套)、生物医学(人造血管、缝合线、智能纺织品)、其他领域(过滤材料、传感器、声呐装置)等。

近年来，拉胀纱线的结构设计和成形方法引起了极大的关注，很多学者对其进行了初步探索和研究。专利wo2007/125352a1、专利us2011/0209557a1、专利2011/0039088a1都提出了一种由刚性纱线螺旋包缠在易伸长变形的芯纱上的负泊松比纱线结构，其中专利2011/0039088a1提出的材料的负泊松比效应为对湿度敏感的包缠长丝在外部湿度变化时产生收缩，导致芯纱弯曲，引起纱线直径增大。专利中涉及到对负泊松比纱线结构的描述，并未提出具体的纺纱装置及方法，且该纱线结构易存在捻度不匀及稳定性等问题。专利wo2010/146347a1中涉及到的负泊松比纱线结构为将不可伸长的细线螺旋贯穿到较粗且弹性较大的组分中，在轴向拉力作用下，细线伸直引起外包材料屈曲产生拉胀效应，此结构稳定性较好，但纱线变形受限导致负泊松比效应较小。专利cn2013/103361811a提出了一种负泊松比纱线结构及其制造方法。该纱线结构通过将拉伸模量较大的第一纱线和拉伸模量较小的第二纱线相间排列同时喂入槽孔，并在转盘的转动下汇聚加捻形成负泊松比纱线，当受到拉伸作用时，两组纱线相互挤压因模量不同产生相对转移，从而达到负泊松比效应。该方法要求第一纱线和第二纱线根数相同且均在2根以上，由于该纱线结构主要通过对各组分的加捻作用形成，因此为了提供纱线的成形结构，对纱线种类的选择局限性强，同时也限制了负泊松比纱线的应用领域。

东华大学周铭硕士毕业论文“负泊松比纱线的结构成形及建模表征”中给出了一种负泊松比纱线具体的纺纱装置及方法，并对纺纱工艺做了一系列研究，通过开槽的前罗拉纺制螺旋包缠结构的负泊松比纱线，并对纱线的泊松比进行了实验测试和理论分析。该纺纱装置中采用开槽的前罗拉对包缠纱的纱路控制力不足，所得负泊比纱线存在包缠角度及结构不匀等问题。

因此现有拉胀复合纱的纺纱装置和方法还不成熟，存在纱线结构不匀、纺纱方法局限性强、不适于连续生产等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简易且普适的纺纱装置和方法，纺制结构均匀稳定且具有拉胀效用的纱线。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的装置，其特征在于，包括纱线组分供给及喂入控制机构、主动缠绕成形机构和卷绕机构，其中：

纱线组分供给及喂入控制机构包括用于向主动缠绕成形机构喂入粗、软高弹纱的粗、软高弹纱供给及喂入控制机构和用于向主动缠绕成形机构喂入细、硬低弹纱的细、硬低弹纱供给及喂入控制机构；

主动缠绕成形机构包括表面开有螺旋导纱沟槽的可控速型转杯及空心管，由粗、软高弹纱供给及喂入控制机构供给的粗、软高弹纱以一定的张力牵引通过空心管，由细、硬低弹纱供给及喂入控制机构供给的细、硬低弹纱喂入主动缠绕成形机构后，沿可控速型转杯表面的螺旋导纱沟槽，并通过可控速型转杯的转动输出至空心管头端，与粗、软高弹纱汇聚并主动包缠在其上，形成螺旋包缠结构的拉胀复合纱；

由卷绕机构收集主动缠绕成形机构输出的螺旋包缠结构的拉胀复合纱。

优选地，所述粗、软高弹纱供给及喂入控制机构包括粗、软高弹纱纱管、张力盘和导纱杆，从粗、软高弹纱纱管退绕下来的粗、软高弹纱通过张力盘并以一定的张力牵引通过所述空心管；

所述细、硬低弹纱供给及喂入控制机构包括细、硬低弹纱纱管、上梁二和可伸缩型定位导纱器，从细、硬低弹纱纱管退绕下来的细、硬低弹纱穿过可伸缩型定位导纱器至所述可控速型转杯的螺旋导纱沟槽处。

优选地，所述可伸缩型定位导纱器包括导纱孔、弹簧和固定框，弹簧用于调节导纱孔的位置，所述细、硬低弹纱穿过导纱孔至所述可控速型转杯的螺旋导纱沟槽处，导纱孔的位置随所述细、硬低弹纱从所述细、硬低弹纱供给及喂入控制机构不同的供给位置上下移动。

优选地，所述导纱孔直径大小为0.5-2cm，所述导纱孔的数量根据所述细、硬低弹纱的根数加装1-4个。

优选地，所述主动缠绕成形机构包括穿设于所述可控速型转杯中部的圆筒，所述粗、软高弹纱穿过圆筒后再通过所述空心管，所述可控速型转杯与圆筒间由皮带轮和滚动轴承连接和固定，小型电机通过皮带轮驱动可控速型转杯围绕圆筒转动，可控速型转杯的转速由小型电机工作电压的大小来控制；

所述空心管用于隔离纱线和圆筒，由固定销单独固定。

优选地，所述粗、软高弹纱与所述细、硬低弹纱相比，直径更粗、弯曲刚度更小、拉伸弹性更大且所述细、硬低弹纱的根数为2根或2根以上。

优选地，所述粗、软高弹纱为具有一定弹性的长丝；所述的细、硬低弹纱为具有一定模量的长丝，且为单丝或复丝。

优选地，所述的螺旋导纱沟槽的规格为宽度2-6mm，深度1-4mm。

本发明的另一技术方案是提供了一种基于上述的细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的装置的制备拉胀复合纱的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)从粗、软高弹纱供给及喂入控制机构的粗、软高弹纱纱管退绕下来的粗、软高弹纱通过粗、软高弹纱供给及喂入控制机构的张力盘并以一定的张力牵引通过空心管；细、硬低弹纱穿过细、硬低弹纱供给及喂入控制机构的可伸缩型定位导纱器至可控速型转杯的螺旋导纱沟槽处；

(b)细、硬低弹纱沿可控速型转杯表面的螺旋导纱沟槽，并通过可控速型转杯的转动输出至空心管头端，与粗、软高弹纱汇聚并主动包缠在其上，形成螺旋包缠结构的拉胀复合纱；

(c)形成的螺旋包缠结构的拉胀复合纱经过卷绕机构的导纱钩在卷绕机构的卷绕筒的转动下卷绕在卷绕筒上。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的装置的应用，其特征在于，上述的细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的装置安装于细纱机上制备拉胀复合纱，或在所述粗、软高弹纱供给及喂入控制机构与所述主动缠绕成形机构间加装粗、软高弹纱的牵伸装置；所得到的拉胀复合纱用于缓冲绳索和防弹防刺纱线、保暖面料用纱线、医用手术缝纫线。

本发明将细、硬低弹纱主动缠绕在粗、软高弹纱上制备具有负泊松比效应的拉胀复合纱。本发明所解决的关键技术是提供简便，易于操作，成本较低，适于连续化生产及推广应用的拉胀复合纱的纺纱装置和工艺方法，且所形成的装置和方法可安装于现有的环锭纺、摩擦纺、转杯纺、静电纺等细纱机上；所得拉胀复合纱结构均匀且性能独特，可用于缓冲绳索和防弹防刺纱线、保暖面料用纱线、医用手术缝纫线等。

本发明的原理在于细、硬低弹纱主动螺旋缠绕在粗、软高弹纱上形成拉胀复合纱，二者具有一定的直径比和拉伸模量比，在受到轴向拉伸力作用时，细、硬低弹纱被逐渐拉直，在此过程中，两种纱线组分在相互摩擦和挤压作用下产生位置变换和形态变化，粗、软高弹纱由伸直状态逐渐屈曲成螺旋状包覆在伸直状态的细、硬低弹纱上，从而使得该复合纱线的表观轮廓变大，此时纱线具有负泊松比效应。其原理实现的技术方法是通过加装内置圆筒与空心管的可控速型转杯形成主动缠绕成形装置，细、硬低弹纱与粗、软高弹纱在空心管头端汇聚并主动包缠形成螺旋包缠结构的拉胀复合纱。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)采用可伸缩性定位导纱器，其上的导纱孔可随纱线从纱管上的不同退绕位置上下移动，从而保证纱线的匀速稳定供给与喂入；

(2)可控速型转杯表面螺旋导纱沟槽使得细、硬低弹纱可以连续稳定喂入，与粗、软高弹纱在空心管头端汇聚并主动进行包缠卷绕，使得纱线张力较易控制且保持稳定，从而获得结构持续均匀的复合纱；

(3)细、硬低弹纱与粗、软高弹纱可任意选择不同细度和模量的纱线进行搭配；

(4)该纺纱装置可安装于环锭纺、摩擦纺、转杯纺、静电纺等细纱机上，纺纱方法简便，易于操作，成本较低，适于连续化生产及推广应用。

附图说明

图1为一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的装置结构示意图；

图2为可控速型转杯结构示意图；

图3为可控速型转杯剖面图；

图4为可伸缩型定位导纱器结构示意图；

图5为滚动轴承的结构示意图；

图6为皮带轮的结构示意图；

图7a为拉胀复合纱拉伸前结构示意图；

图7b为拉胀复合纱拉伸后结构示意图。

图中：1a-芯纱供给及喂入控制机构，11-粗、软高弹纱，12-粗、软高弹纱纱管，13-上梁一，14-张力夹，15-导纱杆；1b-细、硬低弹纱供给及喂入控制机构，16-细、硬低弹纱，17-上梁二，18-细、硬低弹纱纱管，19-可伸缩型定位导纱器，191-导纱孔、192-弹簧、193-固定框；2-主动缠绕成形机构，21-固定装置，22-圆筒，23-螺旋导纱沟槽，24-可控速型转杯，25-皮带轮，26-滚动轴承，27-固定销，28-空心管，29-小型电机；3-卷绕机构，31-复合纱，32-导纱钩，33-卷绕筒。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的装置，如图1所示，包括纱线组分供给及喂入控制机构、主动缠绕成形机构2和卷绕机构3。

纱线组分供给及喂入控制机构包括粗、软高弹纱供给及喂入控制机构1a和细、硬低弹纱供给及喂入控制机构1b。

粗、软高弹纱供给及喂入控制机构1a由粗、软高弹纱纱管12、上梁一13、张力盘14和导纱杆15构成，从粗、软高弹纱纱管12退绕下来的粗、软高弹纱11通过张力盘14并以一定的张力牵引通过空心管28。

细、硬低弹纱供给及喂入控制机构1b由细、硬低弹纱纱管18、上梁二17和可伸缩型定位导纱器19构成。

可伸缩型定位导纱器19包括导纱孔191、弹簧192和固定框193，其中弹簧192用于调节导纱孔191的位置，细、硬低弹纱16穿过导纱孔191至可控速型转杯24的导纱沟槽23处。导纱孔191直径大小为0.5-2cm，可根据细、硬低弹纱16的根数加装1-4个，材料要求光滑、耐磨且不易发热，其位置由弹簧192的伸缩量来控制和调节，可随纱线从纱管上的不同退绕位置上下移动，从而保证纱线的匀速稳定供给与喂入。

粗、软高弹纱11为弹性回复高的长丝纱、短纤纱和混纺纱，包括氨纶、莱卡和其它具有一定弹性的长丝。细、硬低弹纱16为长丝纱，包括锦纶、超高分子量聚乙烯、高强涤纶丝等具有一定模量的长丝，且单丝和复丝均可。

主动缠绕成形机构2由固定装置21、圆筒22、螺旋导纱沟槽23、可控速型转杯24、皮带轮25、滚动轴承26、固定销27、空心管28、小型电机29构成。

可控速型转杯24的表面螺旋导纱沟槽23用于固定细、硬低弹纱的纱路，以稳定纺纱张力，其规格为宽度2-6mm，深度1-4mm，材料要求光滑、耐磨且不易发热。可控速型转杯24内置圆筒22(直径为3-5cm)与空心管28，且其与圆筒22间由皮带轮25和滚动轴承26连接和固定，使得转杯24围绕圆筒22旋转时装置保持平稳。

空心管28(直径为1-3cm)用于隔离纱线和圆筒22，减少纱线与圆筒22间的摩擦发热，保证纺纱过程的连续性与稳定性，同时空心管由固定销27单独固定，其材料耐磨、耐一定温度并在使用中定期更换。

细、硬低弹纱16沿可控速型转杯24表面的螺旋导纱沟槽23，并通过可控速型转杯24的转动输出至空心管头端，与粗、软高弹纱11汇聚并主动包缠在其上，形成螺旋包缠结构的拉胀复合纱，所述的可控速型转杯24在皮带轮25的带动下转动，其速度由小型电机29工作电压的大小来控制。空心管28由固定销27固定在固定装置21上。

卷绕机构3主要包括导纱钩32和卷绕筒33，形成的复合纱31经过导纱钩32在卷绕筒33的转动下卷绕在筒子上。

本发明还提供了一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱方法包括以下步骤：

(a)从粗、软高弹纱纱管12退绕下来的粗、软高弹纱11通过张力盘14并以一定的张力牵引通过空心管28；细、硬低弹纱16穿过导纱孔191至可控速型转杯24的螺旋导纱沟槽23处；

(b)细、硬低弹纱16沿可控速型转杯24表面的螺旋导纱沟槽23，并通过可控速型转杯24的转动输出至空心管头端，与粗、软高弹纱11汇聚并主动包缠在其上，形成螺旋包缠结构的拉胀复合纱；

(c)形成的拉胀复合纱31经过导纱钩32在卷绕筒33的转动下卷绕在筒子上。

本发明涉及的一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱方法的用途在于制备具有负泊松比效应的拉胀复合纱，用于缓冲绳索和防弹防刺纱线、保暖面料用纱线、医用手术缝纫线等，具体涉及如下5个实施例：实施例1氨纶/尼龙拉胀复合纱制备，实施例2氨纶/超高分子量聚乙烯拉胀复合纱制备，实施例3氨纶/高强涤纶丝拉胀复合纱制备，实施例4锦纶/芳纶拉胀复合纱制备，实施例5锦纶/超高分子量聚乙烯拉胀复合纱制备。对5个实施例所涉及的纺纱装置的构成部件进行对应的参数设置，包括所述的空心管28、导纱孔191、导纱沟槽23的规格；可控速型转杯24的转速；所述的小型电机34的工作电压等。该5个实施例的参数设置见表1所示。

实施例1氨纶/尼龙拉胀复合纱制备

采用本发明的一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱装置及方法实施氨纶/尼龙拉胀复合纱制备，分别选用氨纶单丝和尼龙复丝作为粗、软高弹纱和细、硬低弹纱，从粗、软高弹纱纱管12退绕下来的氨纶单丝11通过张力盘14并以一定的张力牵引通过空心管28；尼龙复丝16穿过导纱孔191至可控速型转杯24的导纱沟槽23处；尼龙复丝16沿可控速型转杯24表面的螺旋导纱沟槽23，并通过可控速型转杯24的转动输出至空心管头端，与氨纶单丝11汇聚并主动包缠在其上，形成螺旋包缠结构的拉胀复合纱；形成的复合纱31经过导纱钩32在卷绕筒33的转动下卷绕在筒子上。具体工艺参数如表1所示。

实施例2氨纶/超高分子量聚乙烯拉胀复合纱制备

采用本发明的一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱装置及方法实施氨纶/超高分子量聚乙烯拉胀复合纱制备，分别选用氨纶单丝和超高分子量聚乙烯复丝作为粗、软高弹纱和细、硬低弹纱，其余操作步骤与实施例1相同，具体工艺参数如表1所示。

实施例3氨纶/涤纶高强丝拉胀复合纱制备

采用本发明的一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱装置及方法实施氨纶/涤纶高强丝拉胀复合纱制备，分别选用氨纶单丝和涤纶高强丝作为粗、软高弹纱和细、硬低弹纱，其余操作步骤与实施例1相同，具体工艺参数如表1所示。

实施例4锦纶/芳纶拉胀复合纱制备

采用本发明的一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱装置及方法实施锦纶/芳纶拉胀复合纱制备，分别选用锦纶和芳纶作为粗、软高弹纱和细、硬低弹纱，其余操作步骤与实施例1相同，具体工艺参数如表1所示。

实施例5锦纶/超高分子量聚乙烯拉胀复合纱制备

采用本发明的一种细、硬低弹纱主动缠绕粗、软高弹纱制备拉胀复合纱的纺纱装置及方法实施锦纶/超高分子量聚乙烯拉胀复合纱制备，分别选用锦纶和超高分子量聚乙烯作为粗、软高弹纱和细、硬低弹纱，其余操作步骤与实施例1相同，具体工艺参数如表1所示。

表1各实施例的设置参数表