一种功能性纳米纤维纱的制备方法
阅读说明：本技术 一种功能性纳米纤维纱的制备方法 (Preparation method of functional nanofiber yarn ) 是由 江瑞 闫涛 潘志娟 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种功能性纳米纤维纱的制备方法,纳米纤维纱采用静电纺丝法制备,其接收装置为水浴接收,浴液为含有功能性纳米粒子的分散液。由于纳米纤维具有较高的表面自由能,当纤维沉积在浴液中时,纤维表面将吸附功能性纳米粒子,从而使其具有相应的功能性。该一步法加工技术将纳米纤维的制备和功能性后整理技术相结合,使纤维在成型的同时获得一定的功能性,缩减了功能性后整理的繁琐步骤,有利于减少功能性纱线的加工工序,达到提高生产效率、节能减排的效果。(The invention discloses a preparation method of functional nanofiber yarn, which is prepared by an electrostatic spinning method, wherein a receiving device of the nanofiber yarn is used for receiving in water bath, and bath solution is dispersion liquid containing functional nanoparticles. Because the nano-fiber has higher surface free energy, when the fiber is deposited in the bath solution, the fiber surface adsorbs functional nano-particles, so that the fiber has corresponding functionality. The one-step processing technology combines the preparation of the nano-fiber and the functional after-finishing technology, so that the fiber obtains certain functionality while being formed, the complex steps of functional after-finishing are reduced, the processing procedures of functional yarn are reduced, and the effects of improving the production efficiency, saving energy and reducing emission are achieved.)
技术领域
本发明属于纺织领域，具体涉及一种一步法制备功能性纳米纤维纱的加工技术。
背景技术
近年来，制备功能性纳米纤维成为材料科学技术领域内的一大热点。目前，通过在纺丝液或者纺丝母粒中添加功能性材料是制备功能性纤维的有效方法之一。制备功能性静电纺纳米纤维的方法一般有三种：其一是直接在纺丝液中添加功能性物质(Cooper A,Oldinski R,Ma H,et al.Chitosan-based nanofibrous membranes for antibacterialfilter applications[J].Carbohydrate Polymers,2013,92(1)：254-259.)；其二是对纤维进行煅烧、表面处理、水热或气体-固体反应等后处理(Pandimurugan R,ThambiduraiS.UV protection and antibacterial properties of seaweed capped ZnOnanoparticles coated cotton fabrics[J].International journal of biologicalmacromolecules,2017,105(Pt 1)：788-795.)；其三是通过纳米纤维和功能性物质之间的静电力，范德华力、氢键或官能团之间的相互作用，间接将功能性物质附着在纤维表面或内部(Lim M M,Sultana N.In vitro cytotoxicity and antibacterial activity ofsilver-coated electrospun polycaprolactone/gelatine nanofibrous scaffolds[J].3Biotech,2016,6(2)：211.)。第一种方法在配置复合纺丝液的过程中，会发生溶质不互溶或者分散不均匀等问题，影响纺丝状态的稳定性；后两种方法功能性后整理繁琐，加工工序复杂。到目前为止，还未有研究者将静电纺丝技术与后整理技术结合起来，形成一种全新的一步法制备功能性纳米纤维纱的加工技术。
因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明目的是提供一种功能性纳米纤维纱的制备方法，解决上述问题。
本发明的技术方案是：
一种功能性纳米纤维纱的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将功能性纳米粒子加入分散剂中，并混合均匀，获得第一混合物，此时，在所述第一混合物中，所述功能性纳米粒子表面被所述分散剂包裹，将所述第一混合物加入到平平加O水溶液中，形成第一浴液，将所述第一浴液在磁力搅拌器上搅拌、再进行超声处理，制备得到功能性纳米粒子分散液；
(2)将纺丝液加入注射器中，通过流量泵控制所述纺丝液的流速，所述纺丝液通过分配器均匀的分配到各针头之间，并在高压电场的作用下形成纳米纤维，沉积到所述功能性纳米粒子分散液表面，此时所述功能性纳米粒子在所述纳米纤维沉积到所述功能性纳米粒子分散液后快速吸附于所述纳米纤维表面，形成功能性纳米纤维，在玻璃棒的引导作用下，所述功能性纳米纤维形成纳米纤维束依次通过导纱钩、烘干装置、导纱横移装置，通过卷绕装置将所述纳米纤维纱卷绕到筒子上，获得功能性纳米纤维纱。
进一步的，步骤(1)中所述功能性纳米粒子为壳聚糖、纳米二氧化钛、纳米银、纳米铜或氧化铈中的任意一种，所述分散剂为司班-80、吐温-80、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的任意一种或多种。
进一步的，步骤(1)中所述平平加O水溶液的浓度为0.5wt％，所述第一浴液中分散剂的质量分数为0.1％～0.2％，功能性纳米粒子的质量分数为0.4％～0.6％。
进一步的，步骤(1)中所述搅拌的时间为20min～30min，超声处理的时间为50min-90min钟。
进一步的，步骤(2)中所述纺丝液为聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯中的任意一种。
进一步的，步骤(2)中所述纺丝液质量分数为8％～25％。
进一步的，步骤(2)中所述纺丝液的流速为1ml/h～7ml/h。
进一步的，步骤(2)中所述卷绕装置的直径为25mm，转速为25r/min～45r/min。
进一步的，步骤(2)中在获得所述功能性纳米纤维纱，并且在纺丝状态达到稳定后，开启逆水浴循环系统，实现所述功能性纳米粒子分散液的循环流动，所述功能性纳米粒子分散液的流动方向与所述功能性纳米纤维纱的运动方向相反。
进一步的，所述逆水浴循环系统的流速为15ml/min～35ml/min。
本发明提供了一种功能性纳米纤维纱的制备方法，将功能性纳米材料分散在接收浴液中，当静电纺纤维沉积到浴液中时，会与浴液中的功能性物质接触并将其吸附在纤维表面，随后将纤维集束、干燥、卷绕，从而制备得到功能性纳米纤维纱，该方法具有以下优点：
1、该一步法加工技术将纳米纤维的制备和功能性后整理技术相结合，使纤维在成型的同时获得一定的功能性；
2、本发明缩减了功能性后整理的繁琐步骤，有利于减少功能性纱线的加工工序，达到提高生产效率、节能减排的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图。其中，
图1为本发明的一种功能性纳米纤维纱的制备方法的工艺流程图。其中，1为烧杯、2为磁力搅拌器、3为注射器、4为分配器、5为高压电源、6为针头、7为烘干装置、8为导纱横移装置、9为卷绕装置、10为逆水浴循环系统、11为导纱钩。
具体实施方式
本发明公开了一种功能性纳米纤维纱的制备方法，将静电纺丝技术与功能性后整理工艺结合起来，使纳米纤维纱在成型的同时获得特殊的功能。将含功能性纳米材料的溶液注入水浴接收槽中，在静电纺丝过程中，当纳米纤维在浴液中沉积时，纤维表面能随机吸附一定数量的功能性纳米粒子，从而使纤维具备一定的功能。
请参阅图1，图1为本发明的一种功能性纳米纤维纱的制备方法的工艺流程图。如图1所示，具体工艺步骤如下：
(1)将功能性纳米粒子与分散剂混合均匀，加入到制备好的平平加O水溶液中，在磁力搅拌器上搅拌后对其进行超声处理，制备得到功能性纳米粒子分散液，随后将其倒入烧杯1中，在纺丝过程中，磁力搅拌器2一直处于工作状态。其中功能性纳米粒子包括壳聚糖、纳米二氧化钛、纳米银、纳米铜、氧化铈等。由于纳米粒子表面具有较高的自由能，当纳米粒子分散在浴液中时会产生团聚现象，在浴液中加入分散剂的作用是降低纳米粒子在浴液中的团聚现象，提高纳米粒子在浴液中的稳定性，分散剂包括司班-80、吐温-80、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵等。
(2)采用多针头静电纺丝装置制备纳米纤维纱，纺丝液为一定质量分数的聚合物溶液，如：聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯等。接收浴液为步骤(1)制备得到的功能性纳米粒子分散液。将纺丝液加入注射器3中，通过流量泵控制纺丝液的流速，纺丝液通过分配器4均匀的分配到各针头6之间，并在高压电源5的高压电场的作用下形成纳米纤维，首先在静止的浴液表面沉积一定的纳米纤维后，利用玻璃棒将沉积在逆水浴循环系统10的浴液表面的纤维膜集束，形成束状结构，随后在玻璃棒的牵引作用下，纳米纤维束依次通过导纱钩11、烘干装置7、导纱横移装置8，最终通过卷绕装置9将纳米纤维纱卷绕到筒子上。在纺丝状态达到稳定后，开启逆水浴循环系统10，浴液的流动方向与纤维纱的运动方向相反。纺丝工艺如图1所示，逆水浴循环系统10有两个作用，其一，提高纳米纤维的取向度，进而提高纱线的力学性能；其二，通过水浴的流动性，改善功能性纳米粒子在浴盘底部沉积，保证浴液中功能性纳米粒子的浓度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(壳聚糖/聚酰胺6功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)以司班-80和吐温-80按质量比为3:7制备混合型分散剂，再将壳聚糖纳米粒子粉末加入分散剂中并均匀混合，保证壳聚糖纳米粒子表面被分散剂充分包裹；随后加入0.5wt％平平加O水溶液中形成浴液，其中浴液中混合型分散剂的质量分数为0.2％，壳聚糖纳米粒子的质量分数为0.4％；在磁力搅拌器的作用下初步分散，搅拌时间为30min，随后对其超声处理，超声时间为50min，获得分散均匀的纺丝浴液。
(2)将质量分数为25％的聚酰胺6溶液加入20ml的注射器中，通过流量泵控制溶液流速，为1ml/h，溶液在通过分配器均匀的分配到各针头之间，并在高压电场的作用下形成纳米纤维，沉积到浴液表面，壳聚糖纳米粒子在纳米纤维沉积到浴液后快速吸附于纳米纤维表面，形成功能性纳米纤维，在玻璃棒的引导作用下，纳米纤维束依次通过导纱钩，烘干装置，导纱横移装置，最终通过卷绕装置将纳米纤维纱卷绕到筒子上；随后开启逆水浴系统，实现浴液的循环流动，其中水浴流速为20ml/min，浴液流动方向与纤维运动方向相反，卷绕装置直径为25mm，转速为40r/min。
在最终制备的抗菌型纳米纤维纱表面能观察到壳聚糖纳米粒子，纳米纤维直径为138nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为99.90％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为98.91％。
实施例2
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(壳聚糖/聚丙烯腈功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)制备过程与实施例1的步骤(1)相同。
(2)将质量分数为8％的聚丙烯腈溶液加入20ml的注射器中，通过流量泵控制溶液流速，为7ml/h，溶液在通过分配器均匀的分配到各针头之间，并在高压电场的作用下形成纳米纤维，沉积到浴液表面，壳聚糖纳米粒子在纳米纤维沉积到浴液后快速吸附于纳米纤维表面，形成功能性纳米纤维，在玻璃棒的引导作用下，纳米纤维束依次通过导纱钩，烘干装置，导纱横移装置，最终通过卷绕装置将纳米纤维纱卷绕到筒子上；随后开启逆水浴系统，实现浴液的循环流动，其中水浴流速为15ml/min，浴液流动方向与纤维运动方向相反，卷绕装置直径为25mm，转速为25r/min。
在最终制备的纳米纤维纱表面能观察到壳聚糖纳米粒子，纳米纤维直径为253nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为95.89％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为93.28％。
实施例3
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(壳聚糖/聚氨酯功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)制备过程与实施例1的步骤(1)相同。
(2)将质量分数为15％的聚氨酯加入20ml的注射器中，通过流量泵控制溶液流速，为4ml/h，溶液在通过分配器均匀的分配到各针头之间，并在高压电场的作用下形成纳米纤维，沉积到浴液表面，壳聚糖纳米粒子在纳米纤维沉积到浴液后快速吸附于纳米纤维表面，形成功能性纳米纤维，在玻璃棒的引导作用下，纳米纤维束依次通过导纱钩，烘干装置，导纱横移装置，最终通过卷绕装置将纳米纤维纱卷绕到筒子上；随后开启逆水浴系统，实现浴液的循环流动，其中水浴流速为25ml/min，浴液流动方向与纤维运动方向相反，卷绕装置直径为25mm，转速为45r/min。
在最终制备的纳米纤维纱表面能观察到壳聚糖纳米粒子,纳米纤维直径为464nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为93.28％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为92.35％。
实施例4
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(二氧化钛/聚酰胺6功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)将二氧化钛纳米粒子粉末加入十二烷基苯磺酸钠分散剂中均匀混合，保证二氧化钛纳米粒子表面被分散剂充分包裹；随后加入0.5wt％平平加O水溶液中形成浴液，其中浴液中十二烷基苯磺酸钠分散剂的质量分数为0.1％，二氧化钛纳米粒子的质量分数为0.6％；在磁力搅拌器的作用下初步分散，搅拌时间为30min，随后对其超声处理，超声时间为1.5h，获得分散均匀的纺丝浴液。
(2)制备过程与实施例1的步骤(2)相同，其中水浴流速为30ml/min，卷绕装置的速度为45r/min。
对最终制备的抗菌型纳米纤维纱表面能观察到二氧化钛纳米粒子，纳米纤维直径为124nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为99.94％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为99.10％。
实施例5
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(二氧化钛/聚丙烯腈功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)制备过程与实施例4的步骤(1)相同。
(2)制备过程与实施例2的步骤(2)相同，其中水浴流速为20ml/min，卷绕装置的速度为30r/min。
在最终制备的纳米纤维纱表面能观察到二氧化钛纳米粒子，纳米纤维直径为261nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为98.90％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为97.36％。
实施例6
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(二氧化钛/聚氨酯功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)制备过程与实施例4的步骤(1)相同。
(2)制备过程与实施例3的步骤(2)相同，其中水浴流速为30ml/min，卷绕装置的速度为40r/min。
最终制备得到纳米纤维纱表面能观察到纳米二氧化钛粒子，纳米纤维直径为385nm。将制备得到的纤维进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为94.77％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为93.07％。
实施例7
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(纳米银/聚酰胺6功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)将纳米银加入十六烷基三甲基溴化铵分散剂中均匀混合，保证纳米银粒子表面被分散剂充分包裹；随后加入0.5wt％平平加O水溶液中形成浴液，其中浴液中十六烷基三甲基溴化氨分散剂的质量分数为0.1％，纳米银的质量分数为0.5％；在磁力搅拌器的作用下初步分散，搅拌时间为20min，随后对其超声处理，超声时间为1h，获得分散均匀的纺丝浴液。
(2)制备过程与实施例1的步骤(2)相同，其中水浴流速为35ml/min，卷绕装置的速度为45r/min。
在最终制备的抗菌型纳米纤维纱表面能观察到纳米银粒子，纳米纤维直径为110nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为99.96％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为99.44％。
实施例8
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(纳米银/聚丙烯腈功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)制备过程与实施例7的步骤(1)相同。
(2)制备过程与实施例2的步骤(2)相同，其中水浴流速为25ml/min，卷绕装置的速度为30r/min。
在最终制备的纳米纤维纱表面能观察到纳米银粒子，纳米纤维直径为227nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为99.91％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为98.35％。
实施例9
本实施案例按如下步骤展示一种功能性纳米纤维纱(纳米银/聚氨酯功能性纳米纤维纱)的制备方法：
(1)制备过程与实施例7的步骤(1)相同。
(2)制备过程与实施例3的步骤(2)相同，其中水浴流速为35ml/min，卷绕装置的速度为45r/min。
在最终制备的纳米纤维纱表面能观察到纳米银粒子，纳米纤维直径为348nm。将制备得到的纤维纱进行抗菌性能测试，实验结果表明：对大肠杆菌的抑菌率为95.10％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为93.35％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种功能性纳米纤维纱的制备方法，将功能性纳米材料分散在接收浴液中，当静电纺纤维沉积到浴液中时，会与浴液中的功能性物质接触并将其吸附在纤维上，随后将纤维集束、干燥、卷绕，从而制备得到功能性纳米纤维纱。具有的特点是：将静电纺丝技术与功能性后整理工艺结合起来，使纳米纤维纱在成型的同时获得特殊的功能。将含功能性纳米材料的溶液注入水浴接收槽中，在静电纺丝过程中，当纳米纤维在浴液中沉积时，纤维表面能随机吸附一定数量的功能性纳米粒子，从而使纤维具备一定的功能。该方法工艺简单，成本低廉，抑菌效果好，抑菌时间持久，有较好的应用前景。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。