一种静电纺纱纳米纤维成纱装置及方法与流程
本发明涉及静电纺纱技术领域，特别涉及一种静电纺纱纳米纤维成纱装置及方法。
背景技术：
纤维以及纱线是几千年来传统纺织行业中的主要材料，以现有的纺织加工技术，只能加工直径最低为几微米的纤维。静电纺丝技术可以制备直径范围从几纳米到几微米的纤维。但是直径越细，细到纳米级时，纤维断裂强力及耐磨性能相对比较差，难以使用传统纺织加工技术进行加工。根据应用在纺织服装、微电子器件和复合材料等领域的具体需求，如果拓宽纳米级纤维的应用就需要形成定向排列的纳米纤维束及其加捻后的纱线。而现有的制备一定纳米纤维束的方法中，如利用相反电荷纤维的相互吸引方式，正负极纺丝喷头喷出带相反电荷的纤维因其电荷吸引在空间某一位置形成纤维束，可以得到连续的取向纳米纤维，但是其纤维束较细；如零高速滚筒拉伸取向纳米纤维束的方法，可以得到连续的取向纳米纤维，但是取向度难以控制且易拉伸断裂纤维；而且采用气流加捻需要专业的喷嘴以及相应配套气流加捻器，结构和工艺相对较复杂。
技术实现要素：
为此，需要提供一种静电纺纱纳米纤维成纱装置及方法，解决现有获得取向纳米纤维束较细或取向纳米纤维取向度难以控制且纤维易拉伸断裂，且气流加捻的相关结构和工艺相对复杂的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种静电纺纱纳米纤维成纱装置，包括高压电源，金属圆环、金属圆盘、驱动电机、绝缘传动杆及纺丝注射装置；
所述金属圆盘的一面通过绝缘传动杆与驱动电机传动连接，所述金属圆盘接地；
所述金属圆环设置在金属圆盘的另一面，所述金属圆环的中心与金属圆盘的中心在同一竖直线上，所述金属圆环接地；
所述纺丝注射装置包括注射泵、输液管及针管，所述针管通过输液管连接于注射泵传动连接，所述针管倾斜设置在金属圆盘的另一面，所述针管的尖端对着金属圆盘；
所述高压电源的负极接地，所述高压电源的正极设置于针管的尖端，所述高压电源用于使针管的尖端、金属圆盘及金属圆环之间产生电场。
进一步优化，所述金属圆环的中心与金属圆盘中心之间的距离为4-6cm。
进一步优化，所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离为9-11cm。
进一步优化，所述针管的管身与金属圆盘的夹角为45°。
进一步优化，所述金属圆盘的转速为40-120r/min。
发明人还提供了另一技术方案：一种静电纺纱纳米纤维成纱方法，包括以下步骤：
高压电源使金属圆盘、金属圆环与针管的尖端之间形成电场；
注射泵通过纺丝液输送至针管，向金属圆盘喷洒纺丝液在金属圆盘与圆环之间形成趋向纳米纤维；
驱动电机通过带动金属圆盘转动将取向纳米纤维加捻形成纳米纤维纱线。
进一步优化，所述金属圆环的中心与金属圆盘中心之间的距离为4-6cm。
进一步优化，所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离为9-11cm。
进一步优化，所述针管的管身与金属圆盘的夹角为45°。
进一步优化，所述金属圆盘的转速为40-120r/min。
区别于现有技术，上述技术方案，通过注射泵将纺丝液由输液管输送到针管，针管倾斜设置在金属圆盘的另一面，针管的尖端对着金属圆盘，纺丝液从针管的尖端喷向金属圆盘，由于在高压电源产生的电场的作用下，纺丝液形成纳米纤维，并在金属圆盘和金属圆环之间形成取向纳米纤维，而且驱动电机通过绝缘传动杆带动金属圆盘旋转，将取向纳米纤维加捻形成纳米纤维纱线，装置结构简单，而且通过金属圆盘的旋转对纳米纤维进行加捻，加捻方式简单，成纱质量好；同时利用高压电源形成的电场，使取向纳米纤维具有很好的取向度，同时可以根据金属圆盘和金属圆环之间的距离，得到较粗的取向纳米纤维束。
附图说明
图1为具体实施方式所述静电纺纱纳米纤维成纱装置的一种结构示意图；
图2为具体实施方式所述高压电源产生的电场的一种矢量示意图；
图3a为具体实施方式所述金属圆环与金属圆盘之间的距离为4cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图3b为具体实施方式所述金属圆环与金属圆盘之间的距离为5cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图3c为具体实施方式所述金属圆环与金属圆盘之间的距离为6cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图3d为具体实施方式所述金属圆环与金属圆盘之间的距离为4cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图3e为具体实施方式所述金属圆环与金属圆盘之间的距离为5cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图3f为具体实施方式所述金属圆环与金属圆盘之间的距离为6cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图4a为具体实施方式所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为9cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图4b为具体实施方式所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为10cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图4c为具体实施方式所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为11cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图4d为具体实施方式所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为9cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图4e为具体实施方式所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为10cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图4f为具体实施方式所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为11cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图5a为具体实施方式所述金属圆盘的转速设置为40r/min时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图5b为具体实施方式所述金属圆盘的转速设置为80r/min时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图5c为具体实施方式所述金属圆盘的转速设置为120r/min时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的一种sem图；
图5d为具体实施方式所述金属圆盘的转速设置为40r/min时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图5e为具体实施方式所述金属圆盘的转速设置为80r/min时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图5f为具体实施方式所述金属圆盘的转速设置为120r/min时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的另一种sem图；
图6为具体实施方式所述静电纺纱纳米纤维成纱方法的一种流程示意图。
附图标记说明：
110、金属圆盘，
120、金属圆环，
130、驱动电机，
140、针管，
150、输液管，
160、注射泵，
170、高压电源，
180、取向纳米纤维。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1及图2，本实施例所述静电纺纱纳米纤维成纱装置，包括高压电源170，金属圆环120、金属圆盘110、驱动电机130、绝缘传动杆及纺丝注射装置；
所述金属圆盘110的一面通过绝缘传动杆与驱动电机130传动连接，所述金属圆盘110的中心设有通孔，所述金属圆盘110接地；
所述金属圆环120设置在金属圆盘110的另一面，所述金属圆环120的中心与金属圆盘110的中心在同一竖直线上，所述金属圆环120接地；
所述纺丝注射装置包括注射泵160、输液管及针管140，所述针管140通过输液管连接于注射泵160传动连接，所述针管140倾斜设置在金属圆盘110的另一面，所述针管140的尖端对着金属圆盘110；
所述高压电源170的负极接地，所述高压电源170的正极设置于针管140的尖端，所述高压电源170用于使针管140的尖端、金属圆盘110及金属圆环120之间产生电场。
纺丝液通过添加质量分数为12％的pan粉末到dmf溶液中，恒温40°搅拌一夜得到；通过注射泵160将纺丝液由输液管输送到针管140，针管140的内径为1mm、外径为1.4mm，针管140倾斜设置在金属圆盘110的另一面，针管140与金属圆盘110之间的夹角为45°，针管140的尖端对着金属圆盘110，金属圆盘110采用半径为10cm、厚度为1mm的不锈钢圆盘，纺丝液从针管140的尖端喷向金属圆盘110，高压电源170采用18kv电压形成电场，由于针管140的尖端在高压电源170的正极，靠近针管140的尖端，电场的电势最高；而金属圆盘110与金属圆环120接地，靠近金属圆环120和金属圆盘110的位置，电场的电势最低；随着远离针管140的尖端的距离增加，电场的电势下降，在高压电源170产生的电场的作用下，纺丝液形成纳米纤维，并在金属圆盘110和金属圆环120之间形成取向纳米纤维180，金属圆环120采用外环半径0.5cm、内环0.2cm、厚度0.2mm的不锈钢圆环，而且驱动电机130通过绝缘传动杆带动金属圆盘110旋转，将取向纳米纤维加捻形成纳米纤维纱线，装置结构简单，而且通过金属圆盘110的旋转对纳米纤维进行加捻，加捻方式简单，成纱质量好；同时利用高压电源170形成的电场，使取向纳米纤维180具有很好的取向度，同时可以根据金属圆盘110和金属圆环120之间的距离，得到较粗的取向纳米纤维束。
在本实施例中，为了获得一定粗度的纱线，所述金属圆环120的中心与金属圆盘110中心之间的距离为4-6cm。在金属圆盘110的转速恒定的情况下，即单位时间加捻的捻回数是恒定的，即纳米纤维纱线的捻度保持不变，在金属圆盘110的转速为40r/min的条件下，针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离为9cm时，金属圆环120与金属圆盘110之间的距离分别为4cm、5cm、6cm时，请参阅图3a、图3b及图3c，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的直径分别是76.8um、77.2um、88um，即随着金属圆环120与金属圆盘110之间的距离的增大，纳米纤维纱线直径有上升的趋势，根据公式：
在本实施例中，避免获得纳米纤维纱线过细，所述针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离为9-11cm。在金属圆环120与金属圆盘110之间的距离恒定的情况下，金属圆盘110的转速恒定的情况下，如金属圆环120与金属圆盘110之间的距离为5cm时，金属圆盘110的转速为40r/min时，针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离分别为9cm、10cm、11cm时，请参阅图4a、图4b、图4c、图4d、图4e及图4f，纳米纤维纱线的平均捻回角分别为：31.58°、32.15°和33.11°，捻回角之间呈微弱上升的趋势，而得到的纳米纤维纱线的直径分别为80um、77um、48.4um，纳米纤维的直径分别为0.29um、0.29um、0.25um，纳米纤维纱线直径有下降的趋势，针管140的尖端距离金属圆盘110的中心的距离越远，纳米纤维纱线的直径越小，针管140的尖端距离金属圆环120的中心越远，金属圆环120与金属圆盘110之间的取向纳米纤维180数量越少，其他非取向纤维越多，但是加捻有效的取向纳米纤维180越少，则加捻的纳米纤维纱线越细；而针管140的尖端距离金属圆盘110的中心越远，纳米纤维的平均直径有减小的趋势，由于针管140的尖端距离金属圆盘110的中心越远，纳米纤维电场中有足够的时间被拉伸，纳米纤维的平均直径会下降；而得到的静电纺丝纳米纤维纱线的断裂强度分别为16.27mpa、17.46mpa和14.07mpa，断裂伸长率分别为10.29％、13.14％和14.68％，随着针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离增加，纳米纤维纱线的断裂强度先增加后减少，断裂强度伸长率一直呈现增长的趋势，针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离增加时，纳米纤维在电场中有足够时间来拉伸拉细，而使纳米纤维中大分子取向更趋向于沿轴向保持一致，从而纳米纤维纱线的断裂强度会变大，但是针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离过大时，部分纳米纤维飞散到加捻区域外，无法在金属圆盘110和金属圆环120之间形成取向纳米纤维180，导致纳米纤维纱线中的纳米纤维过少而断裂强度减少。通过将针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离设置为9-11cm，优选针管140的尖端与金属圆盘110中心之间的距离为9cm，可以避免获得过细的纳米纤维纱线，且避免由于针管140的尖端距离金属圆盘110的中心过远而导致纳米纤维断裂。
在本实施例中，所述金属圆盘110的转速为40-120r/min。在金属圆环120与金属圆盘110之间的距离恒定时，针管140的尖端与金属圆盘110的中心之间的距离恒定时，如金属圆环120与金属圆盘110之间的距离为5cm，针管140的尖端与金属圆盘110的中心之间的距离为9cm，金属圆盘110的转速设置为40r/min、80r/min、120r/min，请参阅图5a、图5b及图5c，得到的纳米纤维纱线的平均直径分别为77um、106.5um、93um，这没有明显的趋势，随着金属圆盘110的转速的增大，纳米纤维纱线的捻回角没有明显的规律，先上升后下降，纳米纤维纱线的捻回角与金属圆盘110的转速没有明显的关系，只与金属圆环120和金属圆盘110之间的距离以及纳米纤维在金属圆盘110的位置有关系；请参阅图5d、图5e及图5f，而得到的纳米纤维的平均直径分别为0.29um、0.27um、0.24um，随着金属圆盘110的转速增加，纳米纤维的平均直径有下降的趋势；但随着金属圆盘110的转速增加时，纳米纤维纱线中的纳米纤维排列更加紧密，而且纳米纤维之间还有部分因为溶剂挥发过慢而发生相互粘合的现象；而得到的静电纺丝纳米纤维纱线的断裂强度分别为16.27mpa、18.16mpa和21.87mpa，断裂伸长率分别为10.29％、15.24％和16.55％，即在金属圆盘110的转速120r/min以下，纳米纤维纱线的断裂强度和断裂伸长率都有逐渐变好的趋势，旋转金属圆盘110对取向纳米纤维180加捻，增加金属圆盘110的转速捻度越高，纳米纤维之间的抱合更加紧密，纳米纤维纱线的断裂强度和断裂伸长率都会有所增加。
请参阅图6，在另一个实施例中，一种静电纺纱纳米纤维成纱方法，包括以下步骤：
步骤s610：高压电源使金属圆盘、金属圆环与针管的尖端之间形成电场；
步骤s620：注射泵通过纺丝液输送至针管，向金属圆盘喷洒纺丝液在金属圆盘与圆环之间形成趋向纳米纤维；
步骤s630：驱动电机通过带动金属圆盘转动将取向纳米纤维加捻形成纳米纤维纱线。
纺丝液通过添加质量分数为12％的pan粉末到dmf溶液中，恒温40°搅拌一夜得到；通过注射泵160将纺丝液由输液管输送到针管，针管的内径为1mm、外径为1.4mm，针管倾斜设置在金属圆盘的另一面，针管与金属圆盘之间的夹角为45°，针管的尖端对着金属圆盘，金属圆盘采用半径为10cm、厚度为1mm的不锈钢圆盘，纺丝液从针管的尖端喷向金属圆盘，高压电源采用18kv电压形成电场，由于针管的尖端在高压电源的正极，靠近针管的尖端，电场的电势最高；而金属圆盘与金属圆环接地，靠近金属圆环和金属圆盘的位置，电场的电势最低；随着远离针管的尖端的距离增加，电场的电势下降，在高压电源产生的电场的作用下，纺丝液形成纳米纤维，并在金属圆盘和金属圆环之间形成取向纳米纤维，金属圆环采用外环半径0.5cm、内环0.2cm、厚度0.2mm的不锈钢圆环，而且驱动电机通过绝缘传动杆带动金属圆盘旋转，将取向纳米纤维加捻形成纳米纤维纱线，装置结构简单，而且通过金属圆盘的旋转对纳米纤维进行加捻，加捻方式简单，成纱质量好；同时利用高压电源形成的电场，使取向纳米纤维具有很好的取向度，同时可以根据金属圆盘和金属圆环之间的距离，得到较粗的取向纳米纤维束。
在本实施例中，为了获得一定粗度的纱线，所述金属圆环的中心与金属圆盘中心之间的距离为4-6cm。在金属圆盘的转速恒定的情况下，即单位时间加捻的捻回数是恒定的，即纳米纤维纱线的捻度保持不变，在金属圆盘的转速为40r/min的条件下，针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离为9cm时，金属圆环与金属圆盘之间的距离分别为4cm、5cm、6cm时，得到的静电纺丝纳米纤维纱线的直径分别是76.8um、77.2um、88um，即随着金属圆环与金属圆盘之间的距离的增大，纳米纤维纱线直径有上升的趋势，根据公式：
在本实施例中，避免获得纳米纤维纱线过细，所述针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离为9-11cm。在金属圆环与金属圆盘之间的距离恒定的情况下，金属圆盘的转速恒定的情况下，如金属圆环与金属圆盘之间的距离为5cm时，金属圆盘的转速为40r/min时，针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离分别为9cm、10cm、11cm时，纳米纤维纱线的平均捻回角分别为：31.58°、32.15°和33.11°，捻回角之间呈微弱上升的趋势，而得到的纳米纤维纱线的直径分别为80um、77um、48.4um，纳米纤维的直径分别为0.29um、0.29um、0.25um，纳米纤维纱线直径有下降的趋势，针管的尖端距离金属圆盘的中心的距离越远，纳米纤维纱线的直径越小，针管的尖端距离金属圆环的中心越远，金属圆环与金属圆盘之间的取向纳米纤维数量越少，其他非取向纤维越多，但是加捻有效的取向纳米纤维越少，则加捻的纳米纤维纱线越细；而针管的尖端距离金属圆盘的中心越远，纳米纤维的平均直径有减小的趋势，由于针管的尖端距离金属圆盘的中心越远，纳米纤维电场中有足够的时间被拉伸，纳米纤维的平均直径会下降；而得到的静电纺丝纳米纤维纱线的断裂强度分别为16.27mpa、17.46mpa和14.07mpa，断裂伸长率分别为10.29％、13.14％和14.68％，随着针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离增加，纳米纤维纱线的断裂强度先增加后减少，断裂强度伸长率一直呈现增长的趋势，针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离增加时，纳米纤维在电场中有足够时间来拉伸拉细，而使纳米纤维中大分子取向更趋向于沿轴向保持一致，从而纳米纤维纱线的断裂强度会变大，但是针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离过大时，部分纳米纤维飞散到加捻区域外，无法在金属圆盘和金属圆环之间形成取向纳米纤维，导致纳米纤维纱线中的纳米纤维过少而断裂强度减少。通过将针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离设置为9-11cm，优选针管的尖端与金属圆盘中心之间的距离为9cm，可以避免获得过细的纳米纤维纱线，且避免由于针管的尖端距离金属圆盘的中心过远而导致纳米纤维断裂。
在本实施例中，所述金属圆盘的转速为40-120r/min。在金属圆环与金属圆盘之间的距离恒定时，针管的尖端与金属圆盘的中心之间的距离恒定时，如金属圆环与金属圆盘之间的距离为5cm，针管的尖端与金属圆盘的中心之间的距离为9cm，金属圆盘的转速设置为40r/min、80r/min、120r/min，得到的纳米纤维纱线的平均直径分别为77um、106.5um、93um，这没有明显的趋势，随着金属圆盘的转速的增大，纳米纤维纱线的捻回角没有明显的规律，先上升后下降，纳米纤维纱线的捻回角与金属圆盘的转速没有明显的关系，只与金属圆环和金属圆盘之间的距离以及纳米纤维在金属圆盘的位置有关系；而得到的纳米纤维的平均直径分别为0.29um、0.27um、0.24um，随着金属圆盘的转速增加，纳米纤维的平均直径有下降的趋势；但随着金属圆盘的转速增加时，纳米纤维纱线中的纳米纤维排列更加紧密，而且纳米纤维之间还有部分因为溶剂挥发过慢而发生相互粘合的现象；而得到的静电纺丝纳米纤维纱线的断裂强度分别为16.27mpa、18.16mpa和21.87mpa，断裂伸长率分别为10.29％、15.24％和16.55％，即在金属圆盘的转速120r/min以下，纳米纤维纱线的断裂强度和断裂伸长率都有逐渐变好的趋势，旋转金属圆盘对取向纳米纤维加捻，增加金属圆盘的转速捻度越高，纳米纤维之间的抱合更加紧密，纳米纤维纱线的断裂强度和断裂伸长率都会有所增加。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。
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