本发明属于复合导湿纺织品和纺织机械技术领域，特别涉及一种棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置及其使用方法。
背景技术：
当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列惊奇的特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些杰出的性能使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。综合考虑操作可行性、稳定可控性(包括纤维直径及其分布)、加工材料范围、加工耗时等，静电纺丝加工技术就成为目前唯一一种可以制造连续的聚合物纳米纤维的方法。随着纳米材料科学的兴起和快速发展，利用静电纺丝方法制备纳米纤维成为工程材料科学界的研究热点。
人们着装最基本的目的是满足生物学需求，即基本需求通过服装来保护身体，防寒保暖，进一步需求通过服装来调节其与人体形成的微环境，以至着装后人感觉舒适愉快。
多年来，人们着装后的热、湿舒适性研究表明：对一个通常体温为37℃的正常人来说，其皮肤表面温度为32℃，衣服内表面至皮肤表面间服装微气候的最舒适条件应为：温度为(32±1)℃，相对湿度为50％±10％，气流速度为(25±15)cm/s。现代社会的发展、人们着装舒适需求的提高进一步要求服装能够实现对这种微气候快速灵敏的自适应调节。
当环境和皮肤温度之间温差不大时，微气候内相对湿度是影响人体舒适性的主要因素。当环境和皮肤温度之间温差较大时，在较冷环境中，人体通过辐射、对流和汗液蒸发来保持体内外热平衡。而在较热环境中，当外界气温高于体表温度时辐射和对流散热就无法进行，此时人体唯一的散热途径就是蒸发汗液散热，因此织物的湿传递性能是在热环境中维持人体热平衡的决定性因素。开发防水透湿、拒水导湿的湿调控纺织材料应运而生。
针对纺织品导湿性能的开发，近年来国内外学者从纤维集合体的不同尺度方面进行了大量的研究，形成了一系列纺织品导湿功能化方案，基本可以分为导湿功能纤维、导湿功能纱线、导湿功能织物的组成和结构研究。
缺乏亲水基团的传统合成纤维通常吸湿性差，而吸湿纤维吸湿后如棉纤维会溶胀而使织物紧度增加，水汽大量存在于微环境中，带给人体不适。且当水汽量较大时服装更会粘连在皮肤上，不适的同时也不美观。所以学者们尝试对化学纤维进行物理或化学改性赋予化学纤维兼具吸湿和导湿功能。
物理结构改性方面主要包括：(1)截面异形化(2)纤维中空化(3)微孔(4)复合纺丝皮芯结构(5)超细纤维结构。化学改性方面主要包括：(1)等离子体改性(2)接枝共聚(3)亲水单体聚合。化学改性主要是引入亲水基团使化学纤维兼具吸湿导湿功能。如接枝共聚引入羟基、羧基、氨基等，等离子体改性使纤维表面带上亲水性的酸性含氧官能团等。
通过改变喷丝孔形状等方法可以生产出具有沟槽的异形纤维、中空纤维。这类纤维沟槽多，比表面积高，表面能大，由于毛细作用可以实现对汗液的芯吸输送。典型的有杜邦公司的四沟槽异形截面coolmax纤维，日本东洋纺公司的y型三沟槽triactor纤维，江苏仪征化纤十字断面coollbst纤维，中兴纺织十字断面coolplus纤维等。在设计异形结构纤维同时进行化学改性，如将含亲水基团聚合物和常规聚酯通过异形喷丝板共混纺丝可以获得兼具吸湿导湿功能的纤维。但这类异形化、中空化的方法并不适用于天然纤维。
通过与可溶性的微孔形成材料共混并溶去微孔中材料可以在纤维各个方向生成不同直径大小的毛细管，差动毛细效应会使得不论处于纤维轴向还是横截面方向的直径不同的毛细管在界面处形成附加压力差，这种附加压力差会使汗液从直径粗的毛细管流向细的毛细管。这种压力差的竞争关系将使得汗液沿一定方向运动扩散，输送到纤维表面释放。典型的有日本帝人多孔中空截面wellkey纤维。这种方法只适用于部分化纤，加工过程复杂，且并不适用于天然纤维。
复合纺丝皮芯结构通过同轴喷丝可以加工疏水性常规聚酯的皮层包覆亲水性佳的芯层材料，外层纤维导湿，里层材料吸湿。典型的有日本尤尼契卡的皮芯复合纺丝hygra纤维和日本可乐丽的皮芯复合纺丝sophister纤维。这类方法依然属于化纤领域。
超细纤维形成的纱线结构和织物结构表面大量存在的细纤维组成的凹凸结构类似于多个微毛细管，这就形成和同多孔中空纤维一般的差动毛细效应，并且由于毛细管直径差异变大，效应更加突出。典型的有利用丙纶超细纤维开发的导湿织物，中科院化学研究所的丝普纶超细纤维。
香港澳利华化纤与韩国合作共同开发了aerocool导湿快干纱。aerocool导湿快干纱通过改变天然纤维的物理结构使得纤维的截面呈三叶草形态，形成多个毛细管，充分发挥吸排水功能。
美国optimer采用微混的方法开发一种高吸湿纱线dir-release。该方法主要是在棉纺过程中纺入少量的特殊涤纶以充分发挥棉和涤纶的优点。这种纱线的干燥时间要比传统的棉纱快4倍。
当织物中纤维形成的毛细管处于水平位置时，虽然没有外力场的势能差，但由于毛细管弯月形曲面附加压力的作用，能自动引导液体流动，这就是芯吸。附加压力可以表示为式(1)：
式中：p-附加压力(pa)；
σ-液气界面张力(n/m)；
θ-液体材料接触角；
r-毛细管当量半径(m)。
当对织物中的纤维采用多级结构时，里层纤维线密度大，外层纤维线密度小，里层毛细管形成较小的附加压力，外层毛细管形成较大的附加压力。在织物里外层界面处就会形成附加压力差，织物中的液体就能从里层吸到外层，这就是差动毛细效应。
附加压力差可以表示为式(2)：
式(2)中θ为不同材料的接触角，反映的是两种不同润湿性的材料。r1、r2为不同材料的毛细管当量半径。
由于形成的毛细管形状并不一定是正圆，故令当量半径
里外层纤维当量毛细半径差异越大，这种差动毛细效应带来的附加压力差越大，增大了织物的导湿快干能力。因而在棉纤维周围设计亚微米细度的纤维在导湿快千方面具有极大前景。
复合亚微米纤维的纤维集合体导湿功能开发前景广阔，亚微米纤维的引入棉纤维集合体的开发优异特点在于：(1)能够加快汗液在纤维毛细管道中的传递速度；(2)能够大量增加导湿效果好的毛细通道；(3)能够增强除平面交流外的层际之间的交流。批量化生产复合亚微米纤维的纤维集合体并在各个尺度进行结构调控可以制造出多尺度导湿性能的佳的超级导湿纺织品。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置及其使用方法，解决目前棉纤维制品吸湿好而导湿差，穿着舒适性差等问题，拓宽静电纺丝技术在传统纺织领域的应用，提高棉纺织品的附加值。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置，其特征在于，包括用于将棉网与亚微米纤维复合并使棉网中亚微米纤维定向排列的亚微米纤维定向排列系统，以及复合棉网成纱系统。
优选地，所述的亚微米纤维定向排列系统包括宏量静电纺丝喷头组和喷头定向运动导轨，宏量静电纺丝喷头组设于喷头定向运动导轨上，并可沿喷头定向运动导轨滑动。
更优选地，所述的喷头定向导轨为沿棉网前进方向排列的多组导轨，每组包含两根呈一定夹角的聚四氟乙烯材质直线导轨。
更优选地，所述的每组中两根导轨的夹角为0-180°。
更优选地，所述的每根导轨上安装有一个宏量静电纺丝喷头，宏量静电纺丝喷头在导轨上往复运动。
优选地，所述的宏量静电纺丝喷头运动程序由可编程的plc模块控制。
优选地，所述的单个宏量静电纺丝喷头产量为20-80g/h。
优选地，所述的宏量静电纺丝喷头包括无针式纺丝喷头和绝缘聚四氟乙烯座，绝缘聚四氟乙烯座安装在导轨上；无针式纺丝喷头安装在绝缘聚四氟乙烯座上。
优选地，所述的无针式纺丝喷头材质为不锈钢或金属铜，与高压发生器正极相连。
优选地，所述的复合棉网成纱系统包括亚微米纤维/棉复合梳棉装置、并条装置、粗纱装置和细纱装置。
更优选地，所述的亚微米纤维/棉复合梳棉装置包括设置于道夫与喇叭口之间的剥棉上罗拉、剥棉下罗拉、棉网握持上罗拉、棉网握持下罗拉、输送网帘、网帘输送辊和托棉负极板。
进一步地，所述的剥棉上罗拉、剥棉下罗拉、棉网握持上罗拉、棉网握持下罗拉材质为不锈钢，分别接地。
进一步地，所述的输送网帘和网帘输送辊材质为聚四氟乙烯。
进一步地，所述的剥棉上罗拉、剥棉下罗拉凝聚道夫表面上的纤维层剥取成棉网，棉网被引入棉网握持上罗拉和棉网握持下罗拉之间。
进一步地，所述的托棉负极板的纵截面为等腰梯形柱状体。
进一步地，所述的托棉负极板具有与剥棉上罗拉平行的四条棱边，该四条棱边上安装有四个网帘输送辊。
进一步地，所述的托棉负极板与高压发生器负极相连。
进一步地，所述的输送网帘紧紧套在四个网帘输送辊外侧，由四个网帘输送辊以一定速度驱动。
进一步地，所述的输送网帘运动线速度与剥棉上罗拉、剥棉下罗拉、棉网握持上罗拉、棉网握持下罗拉线速度一致。
本发明还提供了一种利用上述的棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置进行复合导湿纱线生产的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将原棉加入亚微米纤维/棉复合梳棉装置进行梳理，剥棉上罗拉、剥棉下罗拉凝聚道夫表面上的纤维层剥取成棉网；
步骤2：将棉网引入棉网握持上罗拉、棉网握持下罗拉之间；
步骤3：调节每个宏量静电纺丝喷头与输送网帘底部的相对高度；
步骤4：打开高压发生器开关，调节负极电压；
步骤5：打开网帘输送辊驱动开关，驱动网帘吸托棉网，向机前输送棉网；
步骤6：给每个宏量静电纺丝喷头供给高聚物纺丝液；
步骤7：设置宏量静电纺丝喷头运动程序，使其在导轨上往复运动；
步骤8：调节高压发生器正极电压，增加至设定纺丝电压，大量射流在宏量静电纺丝喷头上产生，射流在高压静电场作用下飞向棉网，溶剂挥发，射流拉伸固化成亚微米纤维，部分贴附在棉网上，部分渗透进入棉网中，并以一定方向排列，得到复合有亚微米纤维的棉网；
步骤9：将复合有亚微米纤维的棉网经喇叭口成条、并条、粗纱、细纱制得导湿功能化亚微米纤维复合纱线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用正负极和接地三电势电场设计有利于促进亚微米纤维向棉纤维表面贴附和渗透，促进亚微米纤维与棉纤维可靠复合，采用亚微米纤维定向排列系统可实现对棉网中亚微米纤维取向方向的调控，通过复合棉网成纱系统进一步实现多毛细通道的复合纱线的制备，制备技术简单易行，适用于工业化生产，对改善棉织物导湿性能，提高产品附加值有重要意义。
本发明的亚微米纤维/棉复合梳棉装置是在传统梳棉机剥棉罗拉至喇叭口中间增加了剥棉上罗拉、剥棉下罗拉、棉网握持上罗拉、棉网握持下罗拉、输送网帘、网帘输送辊、托棉负极板，可通过改造传统梳棉机制成。
附图说明
图1为棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置示意图；
图2为亚微米纤维定向排列系统示意图；
图3为棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化成纱流程图。
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。
实施例
如图1所示，本发明的棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置，包括用于将棉网10与亚微米纤维20复合并使棉网10中亚微米纤维20定向排列的亚微米纤维定向排列系统，以及复合棉网成纱系统。亚微米纤维定向排列系统设于复合棉网成纱系统的一侧。
所述的亚微米纤维定向排列系统包括宏量静电纺丝喷头组3和喷头定向运动导轨1，宏量静电纺丝喷头组3设于喷头定向运动导轨1上，并可沿喷头定向运动导轨1滑动。
如图2所示，所述的喷头定向导轨1为沿棉网前进方向排列的多组导轨，每组包含两根呈一定夹角的聚四氟乙烯材质直线导轨。每组中两根导轨的夹角为0-180°。所述的每根导轨上安装有一个宏量静电纺丝喷头3，宏量静电纺丝喷头3在导轨上往复运动。所述的宏量静电纺丝喷头3的运动程序由可编程的plc模块控制。所述单个宏量静电纺丝喷头3产量为20-80g/h。
所述的宏量静电纺丝喷头3包括无针式纺丝喷头21和绝缘聚四氟乙烯座2，绝缘聚四氟乙烯座2安装在导轨上；无针式纺丝喷头21安装在绝缘聚四氟乙烯座2上。所述的无针式纺丝喷头21材质为不锈钢或金属铜，与高压发生器4的正极5相连。
所述的复合棉网成纱系统包括亚微米纤维/棉复合梳棉装置、并条装置、粗纱装置和细纱装置。所述的并条装置、粗纱装置和细纱装置为常规纺纱用并条装置、粗纱装置和细纱装置。所述的亚微米纤维/棉复合梳棉在传统梳棉机剥棉罗拉至喇叭口中间增加了新的复合部件，包括设置于道夫与喇叭口之间的剥棉上罗拉11、剥棉下罗拉9、棉网握持上罗拉17、棉网握持下罗拉18、输送网帘13、网帘输送辊14和托棉负极板15。所述的剥棉上罗拉11、剥棉下罗拉9凝聚道夫表面上的纤维层剥取成棉网10，棉网10引入棉网握持上罗拉17、棉网握持下罗拉18之间；托棉负极板15和亚微米纤维定向排列系统分别设于棉网10的两侧，托棉负极板15的纵截面为等腰梯形柱状体，托棉负极板15具有与剥棉上罗拉11平行的四条棱边，该四条棱边上安装有四个网帘输送辊14。输送网帘13紧紧套在四个网帘输送辊14外侧，由四个网帘输送辊14以一定速度驱动。所述的输送网帘13的运动线速度与剥棉上罗拉11、剥棉下罗拉9、棉网握持上罗拉17、棉网握持下罗拉线18速度一致。所述的输送网帘13和网帘输送辊14材质为聚四氟乙烯。所述的剥棉上罗拉11、剥棉下罗拉9、棉网握持上罗拉17、棉网握持下罗拉18材质为不锈钢，分别接地。所述的托棉负极板15与高压发生器4的负极6相连。
采用聚丙烯腈(pan)(分子量为(86000))与n-n二甲基甲酰胺(dmf)所配制的高聚物溶液制备亚微米纤维。配制pan高聚物溶液的质量分数为12％。利用上述的棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置进行复合导湿纱线生产，具体步骤为：如图3所示，将原棉加入亚微米纤维/棉复合梳棉装置进行梳理，剥棉上罗拉11、剥棉下罗拉9凝聚道夫表面上的纤维层剥取成棉网10；将棉网10引入棉网握持上罗拉17、棉网握持下罗拉18之间；调节每个宏量静电纺丝喷头3与输送网帘13底部的相对高度为1scm；打开高压发生器4开关，调节负极5电压为-10kv；打开网帘输送辊14驱动开关，驱动网帘13吸托棉网10，向机前输送棉网10；给每个宏量静电纺丝喷头3、21以5ml/min供给高聚物纺丝液；设置宏量静电纺丝喷头3运动程序，使其在导轨上按0.2m/s往复运动；调节高压发生器4正极5电压，缓慢增加至50kv，大量射流7在宏量静电纺丝喷头3上产生，射流7在高压静电场作用下飞向棉网10，溶剂挥发，射流7拉伸固化成亚微米纤维20，部分贴附在棉网10上，部分渗透进入棉网10中，并以一定方向排列，得到复合有亚微米纤维的棉网；复合有亚微米纤维的棉网经喇叭口成条、并条、粗纱、细纱制得导湿功能化亚微米纤维复合纱线。
实施例2
下面采用聚丙烯腈(pan)与n-n二甲基甲酰胺(dmf)所配制的高聚物溶液制备亚微米纤维。配制pan高聚物溶液的质量分数为10％。利用实施例1中的棉与亚微米纤维复合纱线导湿功能化装置进行复合导湿纱线生产，具体步骤为：将原棉加入亚微米纤维/棉复合梳棉装置进行梳理，剥棉上罗拉11、剥棉下罗拉9凝聚道夫表面上的纤维层剥取成棉网10；将棉网10引入棉网握持上罗拉17、棉网握持下罗拉18之间；调节每个宏量静电纺丝喷头3与输送网帘13底部的相对高度为20cm；打开高压发生器4开关，调节负极5电压为-10kv；打开网帘输送辊14驱动开关，驱动网帘13吸托棉网10，向机前输送棉网10；给每个宏量静电纺丝喷头3、21以4ml/min供给高聚物纺丝液；设置宏量静电纺丝喷头3运动程序，使其在导轨上按0.2m/s往复运动；调节高压发生器4正极5电压，缓慢增加至60kv，大量射流7在宏量静电纺丝喷头3上产生，射流7在高压静电场作用下飞向棉网10，溶剂挥发，射流7拉伸固化成亚微米纤维20，部分贴附在棉网10上，部分渗透进入棉网10中，并以一定方向排列，得到复合有亚微米纤维的棉网；复合有亚微米纤维的棉网经喇叭口成条、并条、粗纱、细纱制得导湿功能化亚微米纤维复合纱线。