專利名稱：一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及靜電紡絲和紡織機械技術領域，特別涉及一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置及方法。
背景技術：
靜電紡絲是當前一種最流行的紡制納米纖維的技術。其產品具有非常優(yōu)異的性能，如極大的比表面積，可以靈活地進行表面功能化整理以及優(yōu)異的力學行為等，可以應用到組織工程，傷口敷料，藥物釋放，過濾材料，復合增強材料，傳感器等。由于靜電紡絲工藝簡單，制備流程比傳統(tǒng)常規(guī)紡絲短，制品功能優(yōu)異，自Anton Formhalsl934年獲得美國專利以來，靜電紡絲一直是纖維科學家和紡織開發(fā)人員長期以來的奮斗目標。該類納米纖維將成為我國新世紀的主導產品。市場潛力巨大，前景十分廣闊。靜電紡絲是將聚合物溶液或熔體帶上幾千乃至上萬伏高壓靜電，帶電液滴在電場力作用下形成泰勒錐，當電場力足夠大時，電場力可在泰勒錐的錐尖克服溶液表面張力形成噴射細流。帶電的聚合物射流在電場力、粘滯阻力、表面張力等作用下被拉伸細化，同時帶電射流在電場中由于存在表面電荷而發(fā)生彎曲。細流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或固化，最終落在接收裝置上，形成類似無紡布的納米纖維氈。但到目前為止，大多數靜電紡納米纖維是以無紡布的形式收集到的，因此限制了靜電紡納米纖維的應用范圍。從傳統(tǒng)的纖維和紡織工業(yè)我們知道，連續(xù)的單根納米纖維和取向的納米纖維束以及其加捻后所得的紗線才是納米纖維的發(fā)展方向。然而到目前為止，還沒有制取到連續(xù)的單根納米長絲，且取向納米纖維的取向度不高產量相對也很低，同時，連續(xù)的單根納米纖維和取向的納米纖維束強度低容易損壞，無法與傳統(tǒng)紡織纖維材料(機織物、針織物等)有同等的廣泛應用。所以，高效制備結構可控的納米纖維紗線才是靜電紡絲達到廣泛應用的最終發(fā)展方向。目前已有一些靜電紡納米纖維成紗的報道，如Dalton [DaltonPD, Polymer, 2005，46，611-614]等利用雙圓碟裝置收集到了取向的納米纖維紗線，此方法制備的紗線條干均勻一致，纖維高度取向，但是最大的缺點是制備的紗線長度太短，無法滿足實際的需要。Teo [Teo WE, Polymer, 2007, 48，3400-3405]等利用動態(tài)水凝固浴裝置，制得了二偏氟乙烯與六氟丙烯共聚物(PVDF-co-HFP)取向納米纖維紗線，但是只適合于非水溶性聚合物的靜電紡紗，且紗線加捻不易控制。中國專利200510038571.5公開了一種制備納米纖維長絲束的方法，利用對稱相對配制的金屬針頭形成納米纖維束，但是無法加捻，不是嚴格意義上的紗線。Dabirian[Dabirian F, Fibers and Polymers, 2011, 12 (5), 610-615]等采用旋轉的金屬圓盤裝置收集到了納米纖維紗線，但是紗線中纖維的取向不易控制。上述方法均采用傳統(tǒng)的單針頭作為噴絲頭產量很低，不能穩(wěn)定連續(xù)的制備取向度較高的納米纖維紗線
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置及方法，可連續(xù)化生產纖維定向排列較好的納米纖維紗線。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，分為立式和臥式兩種配置，包括喇叭形輸送管道，所述喇叭形輸送管道的喇叭口布置有內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)，所述內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)與高壓靜電發(fā)生裝置負電極連接，所述內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)是布置在同一平面內的同心圓環(huán)，所述內側金屬圓環(huán)、外側金屬圓環(huán)和喇叭形輸送管道的喇叭口位于同一平面，所述喇叭形輸送管道的喇叭口中心正對噴絲頭，所述噴絲頭與高壓靜電發(fā)生裝置正電極相連，所述噴絲頭和喇叭形輸送管道的頭部布置在屏蔽罩內，所述喇叭形輸送管道尾部與渦流管相連。所述內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)裝置立式配置時水平布置，裝置臥式配置時豎直布置。所述噴絲頭可采用各種適用于靜電紡絲的類型，在裝置立式配置時采用敞開金屬圓盤式噴絲頭，在裝置臥式配置時采用針頭式噴絲頭以及多針頭組合式噴絲頭。所述內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)同時與高壓靜電發(fā)生裝置負電極連接或同時接地。所述喇叭形輸送管道采用絕緣材料制成。所述喇叭形輸送管道的喇叭口直徑根據外側金屬圓環(huán)的直徑制定，且保證喇叭形輸送管道的喇DA 口直徑大于外側金屬圓環(huán)的直徑。所述渦流管由貫穿一側管壁的輸送孔、下部管壁上的進風孔、管內上部的堵頭、堵頭中心的引紗管以及管內下部的腔體組成。所述輸送孔與喇叭形輸送管道尾部連接。所述進風孔在渦流管的管壁上均勻的布置有2至10個。所述腔體下部與抽氣真空泵相連。所述堵頭中心沿渦流管中心軸線方向布置引紗管。所述引紗管內穿行紗線。所述紗線由布置在渦流管上方的引紗羅拉I和引紗羅拉II組合牽引。所述紗線最終卷繞在布置在最高處的卷繞羅拉上。所述渦流管、抽氣真空泵、卷繞羅拉、引紗羅拉I和引紗羅拉II布置在屏蔽罩的外面。本發(fā)明還提供一種使用上述取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置進行靜電紡紗的方法，包括以下步驟:(I)通過外接的自動輸液裝置向噴絲頭中添加紡絲溶液，將噴絲頭與高壓靜電發(fā)生裝置正電極相連，引入高壓靜電；(2)將內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)同時接高壓靜電發(fā)生裝置的負電極或者接地；(3)打開高壓靜電發(fā)生裝置，噴絲頭中的紡絲溶液在電場力的作用下形成泰勒錐，噴出射流，溶劑揮發(fā)，同時利用內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)之間的等電勢作用以及空氣間隙，使生成的納米纖維產生取向，搭接在內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)之間的圓環(huán)狀區(qū)域內；
(4)打開抽氣真空泵，取向納米纖維經由喇叭形輸送管道進入渦流管形成纖維環(huán)，種子紗從渦流管上的引紗管中吸入，與纖維環(huán)搭接，紗尾形成近似圓錐形的紗環(huán)，紗尾在渦流管內渦流場的作用下，沿渦流管管壁繞中心軸線高速回轉而獲得加捻，形成紗線；(5)紗線在引紗羅拉I和引紗羅拉II組合牽引的作用下，從渦流管的引紗管中導出，最終卷繞在卷繞羅拉上。有益.效果本發(fā)明涉及一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置及方法，與現有技術相比，具有以下優(yōu)點和積極效果:集噴絲、纖維取向、纖維轉移、凝聚、加捻、牽伸和卷繞為一體，可以連續(xù)加工取向納米纖維紗線。分立式和臥式兩種配置，適用于各種靜電紡絲用噴絲頭；利用內外金屬圓環(huán)之間的等電勢作用以及空氣間隙實現納米纖維的取向；利用渦流管中高速旋轉的氣流對納米纖維進行加捻，不需要復雜的加捻機件，生產效率高；采用屏蔽罩裝置可屏蔽外部條件對靜電紡絲的干擾，從而保證靜電紡絲的質量。另外，結構比較簡單，適合多種聚合物紡絲溶液，能夠得到取向度和產量都較高的納米纖維紗線，可以實現納米纖維紗線的連續(xù)化和規(guī)?；a。


圖1是本發(fā)明立式配置時的結構示意圖；圖2是本發(fā)明臥式配置時的結構示意圖；圖3是本發(fā)明渦流管的結構剖面圖；圖4是本發(fā)明內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)的俯視圖；圖5是本發(fā)明進風孔的橫截面示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。如圖1-5所示，本發(fā)明涉及一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，分為立式和臥式兩種配置，包括喇叭形輸送管道4，所述喇叭形輸送管道4的喇叭口布置有內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3，所述內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3與高壓靜電發(fā)生裝置負電極12連接,所述內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3是布置在同一平面內的同心圓環(huán),所述內側金屬圓環(huán)2、外側金屬圓環(huán)3和喇叭形輸送管道4的喇叭口位于同一平面，所述喇叭形輸送管道4的喇叭口中心正對噴絲頭1，所述噴絲頭I與高壓靜電發(fā)生裝置正電極11相連，所述噴絲頭I和喇叭形輸送管道4的頭部布置在屏蔽罩10內，所述喇叭形輸送管道4尾部與渦流管5相連，所述內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3裝置立式配置時水平布置，裝置臥式配置時豎直布置，所述噴絲頭I可采用各種適用于靜電紡絲的類型，在裝置立式配置時采用敞開金屬圓盤式噴絲頭，在裝置臥式配置時采用針頭式噴絲頭以及多針頭組合式噴絲頭，所述內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3同時與高壓靜電發(fā)生裝置負電極12連接或同時接地，所述喇叭形輸送管道4采用絕緣材料制成，所述喇叭形輸送管道4的喇叭口直徑根據外側金屬圓環(huán)3的直徑制定，且保證喇叭形輸送管道4的喇叭口直徑大于外側金屬圓環(huán)3的直徑，所述渦流管5由貫穿一側管壁的輸送孔14、下部管壁上的進風孔15、管內上部的堵頭16、堵頭16中心的引紗管17以及管內下部的腔體18組成，所述輸送孔14與喇叭形輸送管道4尾部連接，所述進風孔15在渦流管5的管壁上均勻的布置有2至10個，所述腔體18下部與抽氣真空泵6相連，所述堵頭16中心沿渦流管5中心軸線方向布置引紗管17，所述引紗管17內穿行紗線13，所述紗線13由布置在渦流管5上方的引紗羅拉I 7和引紗羅拉II 8組合牽引，所述紗線13最終卷繞在布置在最高處的卷繞羅拉9上，所述渦流管5、抽氣真空泵6、卷繞羅拉9、引紗羅拉I 7和引紗羅拉II 8布置在屏蔽罩10的外面。所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置進行靜電紡紗的方法，包括以下步驟:(I)通過外接的自動輸液裝置向噴絲頭I中添加紡絲溶液，將噴絲頭I與高壓靜電發(fā)生裝置正電極11相連，引入高壓靜電；(2)將內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3同時接高壓靜電發(fā)生裝置的負電極12或者接地；(3)打開高壓靜電發(fā)生裝置，噴絲頭I中的紡絲溶液在電場力的作用下形成泰勒錐，噴出射流，溶劑揮發(fā)，同時利用內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3之間的等電勢作用以及空氣間隙，使生成的納米纖維產生取向，搭接在內側金屬圓環(huán)2和外側金屬圓環(huán)3之間的圓環(huán)狀區(qū)域內；(4)打開抽氣真空泵6，取向納米纖維經由喇叭形輸送管道4進入渦流管5形成纖維環(huán)，種子紗從渦流管5上的引紗管7中吸入，與纖維環(huán)搭接，紗尾形成近似圓錐形的紗環(huán)，紗尾在渦流管5內渦流場的作用下，沿渦流管5管壁繞中心軸線高速回轉而獲得加捻，形成紗線13 ；(5)紗線13在引紗羅拉I 7和引紗羅拉II 8組合牽引的作用下，從渦流管5的引紗管17中導出，最終卷繞在卷繞羅拉9上。實施例1下面采用聚丙烯腈(PAN)與二甲基甲酰胺(DMF)所配制的溶液進行紡紗。通過自動輸液裝置將濃度為15%的聚丙烯腈(PAN)溶液注入噴絲頭I中，噴絲頭I直接連接高壓靜電發(fā)生裝置的正電極11，將內側金屬圓環(huán)2以及外側金屬圓環(huán)3同時接高壓靜電發(fā)生裝置的負電極12，打開高壓靜電發(fā)生裝置，設置正負電壓值分別為38kV和-2kV ;打開真空抽氣泵6，取向納米纖維經由喇叭形輸送管道4進入渦流管5形成纖維環(huán)，種子紗從渦流管5上的引紗管17中吸入，與纖維環(huán)搭接，紗尾形成近似圓錐形的紗環(huán)，紗尾在渦流場的作用下，沿渦流管5管壁繞中心軸線高速回轉而獲得加捻；紗線13在引紗羅拉I 7和引紗羅拉II 8組合牽引的作用下，由渦流管5的引紗管17中導出，最終卷繞在卷繞羅拉9上，制備出的納米纖維紗線的直徑約為216 u m。
權利要求
1.一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，分為立式和臥式兩種配置，包括喇叭形輸送管道(4)，其特征在于:所述喇叭形輸送管道(4)的喇叭口布置有內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)，所述內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)與高壓靜電發(fā)生裝置負電極(12)連接，所述內側金屬圓環(huán)(2)、外側金屬圓環(huán)(3)是布置在同一平面內的同心圓環(huán)，所述內側金屬圓環(huán)(2)、外側金屬圓環(huán)(3)和喇叭形輸送管道(4)的喇叭口位于同一平面，所述喇叭形輸送管道(4)的喇叭口中心正對噴絲頭(I )，所述噴絲頭(I)與高壓靜電發(fā)生裝置正電極(11)相連，所述噴絲頭(I)和喇叭形輸送管道(4)的頭部布置在屏蔽罩(10)內，所述喇叭形輸送管道(4 )尾部與渦流管(5 )相連。
2.根據權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)裝置立式配置時水平布置，裝置臥式配置時豎直布置。
3.根據權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述噴絲頭(I)可采用各種適用于靜電紡絲的類型，在裝置立式配置時采用敞開金屬圓盤式噴絲頭，在裝置臥式配置時采用針頭式噴絲頭以及多針頭組合式噴絲頭。
4.根據權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)同時與高壓靜電發(fā)生裝置負電極(12)連接或同時接地。
5.根據權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述喇叭形輸送管道(4)采用絕緣材料制成。
6.根據權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述喇叭形輸送管道(4)的喇叭口直徑根據外側金屬圓環(huán)(3)的直徑制定，且保證喇叭形輸送管道(4)的喇叭口直徑大于外側金屬圓環(huán)(3)的直徑。`
7.根據權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述渦流管(5)由貫穿一側管壁的輸送孔(14)、下部管壁上的進風孔(15)、管內上部的堵頭(16)、堵頭(16)中心的引紗管(17)以及管內下部的腔體(18)組成。
8.根據權利要求7所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述輸送孔(14)與喇叭形輸送管道(4)尾部連接。
9.根據權利要求7所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述進風孔(15)在渦流管(5)的管壁上均勻的布置有2至10個。
10.根據權利要求7所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述腔體(18)下部與抽氣真空泵(6)相連。
11.根據權利要求7所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述堵頭(16)中心沿渦流管(5)中心軸線方向布置引紗管(17)。
12.根據權利要求7和11所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述引紗管(17)內穿行紗線(13)。
13.根據權利要求12所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述紗線(13)由布置在渦流管(5)上方的引紗羅拉I (7)和引紗羅拉II (8)組合牽引。
14.根據權利要求13和14所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述紗線(13)最終卷繞在布置在最高處的卷繞羅拉(9 )上。
15.根據權利要求1、7至14所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置，其特征在于，所述渦流管(5)、抽氣真空泵(6)、卷繞羅拉(9)、引紗羅拉I (7)和引紗羅拉II (8)布置在屏蔽罩(10)的外面。
16.一種使用權利要求1所述的一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置進行靜電紡紗的方法，包括以下步驟: (1)通過外接的自動輸液裝置向噴絲頭(I)中添加紡絲溶液，將噴絲頭(I)與高壓靜電發(fā)生裝置正電極(11)相連，引入高壓靜電； (2)將內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)同時接高壓靜電發(fā)生裝置的負電極(12)或者接地； (3)打開高壓靜電發(fā)生裝置，噴絲頭(I)中的紡絲溶液在電場力的作用下形成泰勒錐，噴出射流，溶劑揮發(fā)，同時利用內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)之間的等電勢作用以及空氣間隙，使生成的納米纖維產生取向，搭接在內側金屬圓環(huán)(2)和外側金屬圓環(huán)(3)之間的圓環(huán)狀區(qū)域內； (4)打開抽氣真空泵(6)，取向納米纖維經由喇叭形輸送管道(4)進入渦流管(5)形成纖維環(huán)，種子紗從渦流管(5)上的引紗管(7)中吸入，與纖維環(huán)搭接，紗尾形成近似圓錐形的紗環(huán)，紗尾在渦流管(5)內渦流場的作用下，沿渦流管(5)管壁繞中心軸線高速回轉而獲得加捻，形成紗線(13)； (5)紗線(13)在引紗羅拉I(7)和引紗羅拉II (8)組合牽引的作用下，從渦流管(5)的引紗管(17)中導出，最終卷繞在卷繞`羅拉(9)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種取向靜電紡納米纖維渦流紡成紗裝置及方法，分為立式和臥式兩種配置，包括喇叭形輸送管道，所述喇叭形輸送管道的喇叭口布置有內側金屬圓環(huán)和外側金屬圓環(huán)，所述喇叭形輸送管道的喇叭口中心正對噴絲頭，所述噴絲頭和喇叭形輸送管道的頭部布置在屏蔽罩內，所述喇叭形輸送管道尾部與渦流管的輸送孔相連，所述渦流管管壁上均勻的布置有進風孔，所述渦流管下部的管內腔體與抽氣真空泵相連，所述渦流管上部管內布置有堵頭，所述堵頭中心布置有引紗管，所述引紗管內穿行紗線，所述紗線由引紗羅拉Ⅰ和引紗羅拉Ⅱ牽引，所述紗線最終卷繞在卷繞羅拉上。本實發(fā)明可以連續(xù)加工取向納米纖維紗線，生產效率高。
文檔編號D01H4/02GK103103642SQ201310058068
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月22日 優(yōu)先權日2013年2月22日
發(fā)明者覃小紅, 吳韶華 申請人:東華大學