一种纳米纤维纱线的连续制备装置及连续制备方法与流程

本发明涉及纳米纤维纱线的制备领域，特别是涉及一种纳米纤维纱线的连续制备装置及制备方法。

背景技术：

纳米纤维纱线是指对一定长径比的取向纳米纤维束施加一定捻度后制备的纳米纤维集合体。将纳米纤维加工成取向结构的纳米纤维束或纱线的形式，具有结晶度高、取向程度好、抗拉强度大、易于编织等诸多优良特性，在航天、微电子、光电传输以及生物医学等领域均得到广泛应用，比传统的纳米纤维毡显示出巨大的应用潜力，已发展成为纳米纤维领域的重要的究热点问题。

在纳米纤维纱线的制备过程中，取向纳米纤维是构建纳米纤维纱线的基础。目前，在静电纺丝领域，衍生出了很多获取定向排列纤维束的方法，主要可归结为两个方面：即通过改进收集装置或通过添加辅助电场来获取有序纳米纤维。现有这些直接收集技术虽然可获取一段定向排列的纳米纤维束，但纳米纤维束的长度有限，且取向程度较差，对产品的进一步处理和应用带来困难，究其原因，主要是由于电荷在纤维表面累积导致纺丝时间短，亦或是由滚筒的旋转引起表面的空气流动影响纤维的取向。并且，从纤维的后处理加工及应用等方面来看，仅仅是得到定向排列的纤维还远远满足不了目前制备纳米纱线的要求，还需要能够连续地获取取向纤维或纤维束，并对其均匀地施加一定捻度来保障纳米纤维纱线的长度和取向程度，然而，现有技术中并没有一种设备或方法能够实现对纳米纤维纱线的直接加捻和连续生产。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单、能够实现纳米纤维纱线直接加捻和连续生产的连续制备装置及连续制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种纳米纤维纱线的连续制备装置，包括溶液喷射纺丝模头、辅助喷气装置、文丘里管接收系统、导纱辊和纱筒，所述溶液喷射纺丝模头用于喷射生成纳米纤维，所述文丘里管接收系统、所述导纱辊和所述纱筒顺次设置在所述溶液喷射纺丝模头的下方，所述文丘里管接收系统包括气流牵伸喷嘴、漏斗状导纱管和高速气管，所述漏斗状导纱管设置在所述气流牵伸喷嘴的上方，所述高速气管设置在所述气流牵伸喷嘴的一侧，且所述高速气管的一端与所述气流牵伸喷嘴的内部连通，所述高速气管的另一端用于连接高速气流源，所述纳米纤维的外周设置所述辅助喷气装置，所述辅助喷气装置的进气口与一压缩气源连接，所述辅助喷气装置的内侧设置有多根向下倾斜的喷气管。

可选的，所述辅助喷气装置间隔设置有三组，以在所述纳米纤维的外周形成多辅助气流场。

可选的，所述溶液喷射纺丝模头与所述文丘里管接收系统之间还设置一圆筒，所述纳米纤维位于所述圆筒内，所述辅助喷气装置安装在所述圆筒的筒壁上，且所述喷气管与所述圆筒内部连通。

可选的，多根所述喷气管相互平行，且每根所述喷气管的轴线与所述圆筒的轴线夹角范围为0°～90°。

可选的，所述溶液喷射纺丝模头包括上下顺次设置的进料板、分配板、喷丝毛细管固定板和底板；所述进料板顶端开设有进料孔，所述进料板底部开设有与所述进料孔连通的进料腔，所述分配板上设置有多条分配导槽，每条所述分配导槽上均开设有若干分配孔；所述喷丝毛细管固定板下表面对应每个所述分配孔的位置分别可拆卸安装一喷丝毛细管，且每根所述喷丝毛细管的顶端均贯穿所述喷丝毛细管固定板与对应的所述分配孔连通，每根所述喷丝毛细管的底端均贯穿所述底板设置。

可选的，所述分配导槽包括分配横导槽或分配竖导槽，每相邻所述分配导槽之间均设置一凹槽，且所述凹槽的高度呈梯度顺次减小。

可选的，每根所述喷丝毛细管与所述底板之间均设置有一喷丝毛细管固定件。

可选的，所述压缩气源为压缩机。

同时，本发明公开一种基于上述纳米纤维纱线连续制备装置的纳米纤维纱线连续制备方法，括如下步骤：

步骤一：向所述溶液喷射纺丝模头内添加纺丝溶液，纺丝溶液在所述溶液喷射纺丝模头的作用下拉伸、细化、溶剂挥发形成散射状的纳米纤维；

步骤二：将所述辅助喷气装置的进气口连接压缩气源，并由所述喷气管喷出斜向下的气流，所述纳米纤维在所述喷气管的气流喷射作用下伸直、加捻并聚集形成纳米纤维纱线束；

步骤三：所述纳米纤维纱线束经所述漏斗状导纱管进入所述文丘里管接收系统内，并在所述文丘里管接收系统的真空吸附作用下经所述导纱辊后在所述纱筒缠绕收集。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备装置，结构简单新颖，在溶液喷射纺丝的基础上，纺丝溶液通过纺丝模头受到高速气流的作用拉伸、细化、溶剂挥发获得纳米纤维，通过增设辅助喷气装置喷射斜向下的辅助气流可使纳米纤维在辅助气流侧面力的作用下伸直、加捻并聚集形成取向纳米纤维纱线束，辅助气流的增加有利于增强纳米纤维沿纤维素方向上的取向程度；之后本发明利用文丘里效应对取向纳米纤维纱线束收集，并配合导纱辊和纱筒及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产，可靠性高，实用性强。

同时，本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备方法，操作安全简便，实现了对纳米纤维纱线的直接加捻和连续生产，不存在纱线长度有限的问题，而且生成的纱线取向程度好、力学性能好，能够满足目前制备纳米纤维纱线的高要求，有利于推进纳米纤维纱线应用的快速发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明纳米纤维纱线的连续制备装置的结构示意图；

图2为图1中溶液喷射纺丝模头的结构示意图；

图3为图2溶液喷射纺丝模头中分配板的结构示意图；

图4为本发明文丘里管接收系统的结构示意图；

其中，附图标记为：1、溶液喷射纺丝模头；2、辅助喷气装置；3、文丘里管接收系统；4、导纱辊；5、纱筒；6、气流牵伸喷嘴；7、漏斗状导纱管；8、高速气管；9、喷气管；10、进料板；11、分配板；12、喷丝毛细管固定板；13、底板；14、进料孔；15、进料腔；16、分配导槽；17、分配孔；18、喷丝毛细管；19、喷丝毛细管固定件；20、圆筒；21、纳米纤维纱线；22、纳米纤维。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种结构简单、能够实现纳米纤维纱线直接加捻和连续生产的连续制备装置及连续制备方法。

基于此，本发明提供一种纳米纤维纱线的连续制备装置，包括溶液喷射纺丝模头、辅助喷气装置、文丘里管接收系统、导纱辊和纱筒，溶液喷射纺丝模头用于喷射纳米纤维，文丘里管接收系统、导纱辊和纱筒顺次设置在溶液喷射纺丝模头的下方，文丘里管接收系统包括气流牵伸喷嘴、漏斗状导纱管和高速气管，漏斗状导纱管设置在气流牵伸喷嘴的上方，高速气管设置在气流牵伸喷嘴的一侧，且高速气管的一端与气流牵伸喷嘴的内部连通，高速气管的另一端用于连接高速气流源，纳米纤维的外周设置辅助喷气装置，辅助喷气装置的进气口与一压缩气源连接，辅助喷气装置的内侧设置有多根向下倾斜的喷气管。

同时，本发明公开一种基于上述纳米纤维纱线连续制备装置的纳米纤维纱线连续制备方法，括如下步骤：

步骤一：向所述溶液喷射纺丝模头内添加纺丝溶液，纺丝溶液在所述溶液喷射纺丝模头的作用下拉伸、细化、溶剂挥发形成散射状的纳米纤维；

步骤二：将所述辅助喷气装置的进气口连接压缩气源，并由所述喷气管喷出斜向下的气流，所述纳米纤维在所述喷气管的气流喷射作用下伸直、加捻并聚集形成纳米纤维纱线束；

步骤三：所述纳米纤维纱线束经所述漏斗状导纱管进入所述文丘里管接收系统内，并在所述文丘里管接收系统的真空吸附作用下经所述导纱辊后在所述纱筒缠绕收集。

本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备装置，结构简单新颖，在溶液喷射纺丝的基础上，纺丝溶液通过纺丝模头受到高速气流的作用拉伸、细化、溶剂挥发获得纳米纤维，通过增设辅助喷气装置喷射斜向下的辅助气流可使纳米纤维在辅助气流侧面力的作用下伸直、加捻聚集形成取向纳米纤维纱线束，辅助气流的增加有利于增强纳米纤维沿纤维素方向上的取向程度；之后本发明利用文丘里效应对取向纳米纤维纱线束进行收集，并配合导纱辊和纱筒及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产，可靠性高，实用性强。

同时，本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备方法，操作安全简便，实现了对纳米纤维纱线的直接加捻和连续生产，不存在纱线长度有限的问题，而且生成的纱线取向程度好、力学性能好，能够满足目前制备纳米纤维纱线的高要求，有利于推进纳米纤维纱线应用的快速发展。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种纳米纤维纱线的连续制备装置，包括溶液喷射纺丝模头1、辅助喷气装置2、文丘里管接收系统3、导纱辊4和纱筒5，溶液喷射纺丝模头1用于喷射生成散射状的纳米纤维22，文丘里管接收系统3、导纱辊4和纱筒5顺次设置在溶液喷射纺丝模头1的下方；其中如图4所示，文丘里管接收系统3包括气流牵伸喷嘴6、漏斗状导纱管7和高速气管8，漏斗状导纱管7设置在气流牵伸喷嘴6的上方，高速气管8设置在气流牵伸喷嘴6的一侧，且高速气管8的一端与气流牵伸喷嘴6的内部连通，高速气管8的另一端则用于连接高速气流源；纳米纤维22的外周设置辅助喷气装置2，辅助喷气装置2的进气口与一压缩气源连接，辅助喷气装置2的内侧设置有多根向下倾斜的喷气管9，原本散射状的纳米纤维22在喷气管9的气流喷射作用下伸直、加捻并聚集形成取向纳米纤维束，取向纳米纤维束经漏斗状导纱管7进入文丘里管接收系统3内，在文丘里管接收系统3内的真空吸附作用下经导纱辊4在纱筒8缠绕收集。

于本实施例中，如图4所示，文丘里管接收系统3利用文丘里效应，即当气体(液体)在文丘里管内高速流动时，在管道的最窄处，动态压力达到最大值，静态压力达到最小值，同时气体(液体)的速度因为涌流横截面积变小而急速上升，整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小，进而产生压力差，这个压力差可以提供一个外在吸力。对于本实施例来讲，就是通过把气流由粗变细，以加快气体流速，使气体在气流牵伸喷嘴6内形成一个“真空区”，当这个“真空区”靠近工件时便会对工件产生一定的吸附作用；如图1和4所示，气流牵伸喷嘴6设置为上口宽下口窄的形式，漏斗状导纱管7的大口朝上、小口朝下，且漏斗状导纱管7的下口和高速气管8均位于气流牵伸喷嘴6窄口的上方，当高速气流由水平设置的高速气管8进入后，会在漏斗状导纱管7侧壁的引导作用下向下运动，从而在漏斗状导纱管7的正下方区域形成真空区，当取向纳米纤维纱线束聚拢在漏斗状导纱管7的上方时，取向纳米纤维纱线束会在该真空区的吸附力下随高速气流一起向下运动，依次经气流牵伸喷嘴6的下端出口达到导纱辊4，本实施例利用文丘里效应可使取向纳米纤维纱线束按轴向取向成束，再配合导纱辊4和纱筒5及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产，可靠性高，实用性强。

进一步地，于本具体实施例中，如图1所示，辅助喷气装置2优选间隔均匀地设置有三组，以在纳米纤维22的外周形成多辅助气流场。通过增设该辅助喷气装置2朝向纳米纤维22斜向下喷射压缩气流，由于压缩气流是斜向下喷射，在对称侧向力的作用下将有利于将原本射流状的取向纳米纤维进行聚集、集束和一定程度的加捻形成取向纳米纤维束，不仅可初步获得纳米纤维纱线的形态，而且有利于实现纱线的连续生产，解决了现有溶液喷射纺丝技术仅能够得到无纺布形态，而且产量小、长度有限、无法连续生产、取向程度差、捻度差的问题。至于上述喷气管9所喷射的斜向下气流对纳米纤维的加捻原理如下：通常情况下喷气管9的孔径较小，通过该喷气管9通入高压气流可使得圆筒20内形成高速旋转的三维气流，从而可对对上下分布的纤维施加一个切向的捻度，完成纤维的加捻从而形成纤维纱线。通过利用三维旋转气流加捻纤维束，不仅原理简单，可以通过控制压缩气源的压力大小方便地调控气流对纤维的加捻力度，而且加捻时，气流不与纤维接触，不会对纤维的表面形貌造成影响，经济高效。

进一步地，如图1所示，溶液喷射纺丝模头1与文丘里管接收系统3之间还设置一圆筒20，纳米纤维22位于圆筒20内，同时辅助喷气装置2则优选安装在圆筒20的筒壁上，且辅助喷气装置2的各根喷气管9均与圆筒20内部连通。

进一步地，如图1所示，每个辅助喷气装置2上的多根喷气管9相互平行，且每根喷气管9的轴线与圆筒20的轴线夹角范围均优选为0°～90°，可根据实际的生产情况来适应性设置喷气管9的轴线与圆筒20的轴线之间的夹角。本实施例中，三组辅助喷气装置2的结构优选是完全相同的。

进一步地，如图1～3所示，溶液喷射纺丝模头1包括上下顺次设置的进料板10、分配板11、喷丝毛细管固定板12和底板13；进料板10顶端开设有进料孔14，进料板10底部开设有与进料孔14连通的进料腔15，分配板11上设置有多条分配导槽16，每条分配导槽16上均开设有若干分配孔17；喷丝毛细管固定板12下表面对应每个分配孔17的位置分别可拆卸安装一喷丝毛细管18，优选喷丝毛细管18采用卡扣连接方式固定在喷丝毛细管固定板12上，且每根喷丝毛细管18的顶端均贯穿喷丝毛细管固定板12与对应的分配孔17连通，每根喷丝毛细管18的底端均贯穿底板13设置。

更进一步地，如图2～3所示，分配导槽16包括分配横导槽或分配竖导槽，且每相邻分配导槽16之间均设置一凹槽，且凹槽的高度呈梯度顺次减小，以减缓进料孔14的料液流速，使之经过缓冲后均匀的进入喷丝毛细管18。于本实施例中，分配导槽16优选为分配横导槽。

进一步地，每根喷丝毛细管18与底板13之间均设置有一喷丝毛细管固定件19。其中，喷丝毛细管固定件19与底板13优选采用螺纹连接，喷丝毛细管固定件19的设置个数一般不小于喷丝毛细管18的根数。

进一步地，压缩气源优选为压缩机，即辅助喷气装置2的进气口用于与一压缩机连接。

下面对本实施例作具体使用原理说明。

首先将纺丝溶液经计量泵通过进料孔14进到进料腔15内，经过分配板11上分配横导槽分料后，由分配孔17均匀的进入各根喷丝毛细管18中，并经喷丝毛细管18的底部喷出形成若干纳米纤维22。之后，在辅助喷气装置2形成的多辅助三维旋转气流场作用下，圆筒20内原本射流状的纳米纤维22在对称侧向力的作用下伸直、加捻并集束形成取向纳米纤维纱线束；再之后，取向纳米纤维纱线束在文丘里管接收系统3内真空区的吸附力下随高速气流一起向下运动，利用文丘里效应使取向纳米纤维束按轴向取向成束，再配合导纱辊4和纱筒5及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产，可靠性高，实用性强。

其中，纺丝溶液的种类、初始供应速率，高速气体的流速以及压缩气体的压力均没有限定，这些数值均是可以根据实际情况而适应性调节的。

由此可见，本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备装置，结构简单新颖，在溶液喷射纺丝的基础上，纺丝溶液通过纺丝模头受到高速气流的作用拉伸、细化、溶剂挥发获得纳米纤维，通过增设辅助喷气装置喷射斜向下的辅助气流可使纳米纤维在辅助气流侧面力的作用下伸直、加捻并聚集形成取向纳米纤维纱线束，辅助气流的增加有利于增强纳米纤维沿纤维素方向上的取向程度；之后本发明利用文丘里效应对取向纳米纤维纱线束进行收集，并配合导纱辊和纱筒及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产，可靠性高，实用性强。

实施例二：

本实施例提供一种纳米纤维纱线连续制备方法，该方法基于实施例一所述的纳米纤维纱线连续制备装置，在本实施例中，有关纳米纤维纱线连续制备装置的结构和工作原理均与实施例一相同，在此不再赘述。所述的纳米纤维纱线连续制备方法具体包括如下步骤：

步骤一：向溶液喷射纺丝模头1内添加纺丝溶液，纺丝溶液经计量泵通过进料孔14进到进料腔15内，经过分配板11上分配横导槽分料后，由分配孔17均匀的进入各根喷丝毛细管18中，纺丝溶液在溶液喷射纺丝模头的作用下拉伸、细化、溶剂挥发形成纳米纤维22，并经喷丝毛细管18的底部呈散射状喷出；

步骤二：将辅助喷气装置2的进气口连接压缩气源，该压缩气源优选压缩机，并由喷气管9向圆筒20内喷出斜向下的压缩气流，在压缩气流的侧向作用下，圆筒20内原本射流状的取向纳米纤维进行伸直、聚集和切向加捻形成取向纳米纤维纱线束；此处喷气管9所喷射的斜向下气流对纳米纤维的加捻原理如下：通常情况下喷气管9的孔径较小，通过该喷气管9通入高压气流可使得圆筒20内形成高速旋转的三维气流，从而可对对上下分布的纤维施加一个切向的捻度，完成纤维的加捻从而形成纤维纱线。通过利用三维旋转气流加捻纤维束，不仅原理简单，可以通过控制压缩气源的压力大小方便地调控气流对纤维的加捻力度，而且加捻时，气流不与纤维接触，不会对纤维的表面形貌造成影响，经济高效；

步骤三：取向纳米纤维纱线束经漏斗状导纱管7进入文丘里管接收系统3后，在文丘里效应下随高速气流一起向下运动，使取向纳米纤维纱线束按轴向取向成束，再配合导纱辊4和纱筒5及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产。

由此可见，本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备装置，结构简单新颖，在溶液喷射纺丝的基础上，纺丝溶液通过纺丝模头受到高速气流的作用拉伸、细化、溶剂挥发获得纳米纤维，通过增设辅助喷气装置喷射斜向下的辅助气流可使纳米纤维在辅助气流侧面力的作用下伸直、加捻并聚集形成取向纳米纤维纱线束，辅助气流的增加有利于增强纳米纤维沿纤维素方向上的取向程度；之后本发明利用文丘里效应对取向纳米纤维束进行收集，并配合导纱辊和纱筒及时将生成的纱线收集，从而可实现纳米纤维纱线的连续生产，可靠性高，实用性强。

同时，本发明公开的纳米纤维纱线的连续制备方法，操作安全简便，实现了对纳米纤维纱线的直接加捻和连续生产，不存在纱线长度有限的问题，而且生成的纱线取向程度好、力学性能好，能够满足目前制备纳米纤维纱线的高要求，有利于推进纳米纤维纱线应用的快速发展。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。