一种一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置及方法
阅读说明：本技术 一种一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置及方法 (Continuous preparation device and method of self-twisting nanofiber yarn formed in one step ) 是由 石磊 王云 胡艳丽 庄旭品 程博闻 张毅 林小琳 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置,涉及纳米纤维纱线的纺织加工技术领域。该装置包括纺丝单元、收集单元和卷绕单元,纺丝单元主要由溶液供给装置、共轭喷丝模头、静电发生器和压缩气泵组成。纺丝液从共轭喷丝模头射出,在电场和气流场的双重作用下射流被牵伸、细化、固化成高度取向的纳米纤维,经旋转漏斗加捻成纱后收集在卷取辊上。本发明方法降低了溶液成纤的静电电压和气压,原料适用性广,操作简单,成纱效率高,尤其是制备的纯纳米纤维纱线品质好,不仅取向度高,结构均匀,孔隙率大而且力学性能优异,有望实现纳米纤维在诸多领域的应用。(The invention provides a continuous preparation device of self-twisting nanofiber yarns formed in one step, and relates to the technical field of spinning and processing of nanofiber yarns. The device comprises a spinning unit, a collecting unit and a winding unit, wherein the spinning unit mainly comprises a solution supply device, a conjugate spinning die head, an electrostatic generator and a compressed air pump. The spinning solution is ejected from a conjugate spinning die head, jet flow is drafted, refined and solidified into highly oriented nano fibers under the dual actions of an electric field and an air flow field, and the highly oriented nano fibers are twisted into yarns by a rotary funnel and then collected on a winding roller. The method reduces the electrostatic voltage and air pressure of solution fiber forming, has wide raw material applicability, simple operation and high yarn forming efficiency, particularly has good quality of the prepared pure nanofiber yarn, high orientation degree, uniform structure, large porosity and excellent mechanical property, and is expected to realize the application of the nanofiber in various fields.)
技术领域
本发明属于纺织加工技术领域，具体涉及一种利用静电溶吹技术的一步成型的自加捻纳米纤维纱线连续制备装置及制备方法。
背景技术
纳米纤维是通过特殊方式制备的纤维直径在纳米尺度范围内的一类超细纤维。与传统纺织工艺得到的普通纤维相比，纳米纤维表面活性强，易于进行功能性整理，且具有小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应，在力学、热学、光学、电学、磁学等各个领域都表现出普通纤维不具备的特殊性能。这些特性使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在生物医用、组织工程、高效过滤、智能穿戴、环保等领域已经得到了一定的实际应用。
但由于此前绝大部分纳米纤维产品都是纳米纤维毡，纳米纤维的内部结构呈无序状，且纳米纤维毡的二次加工性能较差，将其加工成其他形式的产品是个有待解决的难题，因此具有稳定机械性能和可编织性的纳米纤维纱线应运而生。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。具有捻度的纳米纤维纱线实现了纤维尺度从纳米到微米的转变，同时具有纱线优异的各向异性和纳米结构的独特优势。纳米纤维纱线可以以三维纳米结构参与改性、编织、机织等后续处理和二次加工过程，增加产品附加值，实现纳米纤维在诸多领域的应用，进一步拓宽纺织品的应用市场。
目前纳米纤维纱线的纺丝加工方法主要有静电纺、离心纺、溶液喷射纺等。中国专利CN 109355715 A公开了一种共轭静电纺纱装置可以将纳米纤维以一定角度有序地包覆在芯纱上形成纳米纤维包芯纱。
中国专利CN IO7268129 A公开的PVA纳米纤维纱线的制备方法介绍了制备纯纳米纤维纱线的方法。将用静电纺丝技术纺制的PVA纳米纤维膜裁剪、加捻、牵伸即可得到捻度可控的PVA纳米纱线。该纱线无需依赖芯纱，可单独成纱，进一步增加了产品的附加值，但纱线长度有限，生产效率低，无法实现工业化生产。中国专利CN IO5887223 A采用了高速离心纺装置借助离心柱的旋转对纳米纤维进行收集和加捻，从而实现一步成型制备纳米纤维纱线，但所纺纱线的纤维直径分布较宽，纱线捻度也不明显。
中国专利CN 110644080 A公开了一种利用溶液喷射法制备纳米纤维纱线的连续制备装置及方法，该方法通过文丘里效应将纤维聚拢、伸直、聚集成束，最终由加捻装置加捻成纱。溶液喷射法操作安全简便，可有效提高纳米纤维纱线的产量，有望实现纳米纤维纱线的规模化连续生产，但制备的纤维直径较粗，纺丝模头周围气场波动剧烈，使纱线的形成过程不稳定，得到的纱线外观较差。
本发明结合静电纺和溶液喷射纺的优势，设计出一种一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置。成纱过程选择低于溶液成纤的静电电压和气压，在电场和气流场的双重作用下射流被牵伸、细化、固化、加捻形成高度取向的纳米纤维纱线，该方法原料适用性广，操作简单，成纱效率高，纱线均匀性好，结构蓬松，孔隙率大。
发明内容
本发明的目的是提供一种自加捻的静电溶吹纳米纤维纱线连续制备装置及方法，旨在解决成纱过程稳定性差，纱线捻度不可控，纱线强度较差等问题。本发明既可以制备纳米纤维包芯纱又可以制备纯纳米纤维纱线。
为了解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
提供一种一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置，包括纺丝单元、收集单元和卷绕单元。所述纺丝单元主要由溶液供给装置、共轭喷丝模头、静电发生器和压缩气泵组成，所述喷丝模头由模头内针和模头外针嵌套而成，两针之间不接触，形成环状空隙供气流通过。所述溶液供给装置与模头内针连接提供纺丝液，所述压缩气泵与模头外针连接提供辅助气流。两个金属喷丝模头通过电缆分别与所述静电发生器的正、负极相连。
所述的收集单元包括水平安装的电机，电机中心线设通孔，电机前端与漏斗收集器连接，并能带动漏斗旋转。所述漏斗收集器的垂直高度低于所述喷丝模头。
所述卷绕单元包括卷取辊、导纱钩和固定板，所述卷取辊通过联轴器与电机相连；所述导纱钩通过齿轮与联轴器连接，随卷取辊的卷绕在固定板一侧做往复运动。固定板上方开圆形通孔，与漏斗收集器和电机的通孔位于同一水平轴线上。收集单元和卷绕单元一同固定于绝缘板上。
可选的，所述溶液供给装置包括给丝板、丝杠、注射器。通过丝杠的旋转，挤压固定在给丝板上的注射器以提供纺丝液。所述注射器通过输液管与所述模头内针连通。
可选的，所述喷丝模头的垂直高度高于所述漏斗收集器，且两者的间距可调，调节范围为10～20cm。
可选的，所述喷丝模头固定在支架上且处于同一高度，两模头之间的距离范围为5～20cm，角度范围为0～90°。
可选的，所述两个喷丝模头分别缠绕金属丝并伸出一定长度做辅助电极。
可选的，所述漏斗收集器的后方安装了退纱辊。
可选的，所述压缩气泵为空气压缩机。
可选的，所述纺纱单元包括安装在箱体上的风机。
本发明提供了上述一步成型的自加捻纳米纤维纱线连续制备装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将加入纺丝液的注射器固定在给丝板上，用输液管将注射器与模头内针连接；
步骤2：将模头内针和模头外针嵌套组装成喷丝模头安装在支架上，调节喷丝模头的距离并设定模头之间的角度；
步骤3：通过电线将两个喷丝模头分别与静电发生器的正负极相连，用金属丝分别缠绕两个模头并预留一定长度做辅助电极消散电荷；
步骤4：将退纱辊上缠绕的纱线依次穿过电机、漏斗、固定板和导纱钩，固定在卷取辊上；
步骤5：打开溶液供给装置的电机并设置给丝板的移动速度；
步骤6：打开高压电源设置纺丝电压，打开空气压缩机设置气压，打开风机；
步骤7：打开控制器设置漏斗收集器的转速，设置卷取辊的卷绕速度，以确保导纱钩在一定区域内做往复运动；
步骤8：纺丝液射流从喷丝模头表面喷出，在静电场和气流场的双重作用下拉伸、细化、固化成丝。风机有助于溶剂的挥发和保持箱体湿度。待漏斗收集器表面形成稳定的三角形倒锥后，将纱线从退纱辊处剪断，通过控制静电电压的大小和喷丝模头喷出的环吹风的角度和大小，使漏斗收集器上的纤维沉积量稳定，保证纳米纤维成丝过程和纱线的成纱过程同时进行，如纺纳米纤维包芯纱则不需要剪断纱线；
步骤9：将步骤8中制备的纳米纤维纱线穿过导纱钩后即可随卷取辊的旋转进行卷绕，更换纱筒实现纱线的连续收集。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置结合了静电纺和溶液喷射纺的优势，在静电力和环吹气流的双重作用下聚合物射流被牵伸、细化、固化形成高度取向的三角形倒锥，通过漏斗收集器和卷绕装置对纳米纤维形成的倒锥边收集边加捻、拉伸制备了捻度和细度可控的纳米纤维纱线。
该方法降低了溶液成纤的静电电压和气压，原料适用性广，操作简单，成纱效率高，尤其是制备的纯纳米纤维纱线品质好，不仅取向度高，结构均匀，孔隙率大而且力学性能优异，可实现纳米纤维在诸多领域的应用，有利于进一步拓宽纺织品的应用市场。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的静电纺纱正视图；
图3为喷丝模头的示意图；
附图标记说明：1.喷丝模头；2.模头支架；3.模头内针；4.模头外针；5.输气管；6.漏斗收集器；7.电极；8.退纱辊；9.电极；10.风机；11.联轴器；12.绝缘板；13.齿轮；14.气泵，15.卷取辊；16.导纱钩；17.固定板；18.纳米纤维；19.纳米纤维倒锥；20.纳米纤维纱线；21.注射器；；22.给丝板；23.丝杠；24.溶液供给装置；25静电发生器(正)；26.静电发生器(负)；27.控制器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作详细说明，以便本领域的普通技术人员更好地理解本发明的技术方案。但本发明的内容不仅仅局限于以下所描述的实施例，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，均属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种自加捻的静电溶吹纳米纤维纱线连续制备装置及方法，旨在解决成纱过程稳定性差，纱线捻度不可控，纱线强度较差等问题。本发明装置包括纺丝单元、收集单元和卷绕单元，使用方法包括以下步骤：
步骤1：将加入纺丝液的注射器固定在给丝板上，用输液管将注射器与喷丝模头的内针头连接；
步骤2：将内针头和外针头嵌套组装成喷丝模头安装在支架上，调节喷丝模头的距离并设定模头之间的角度；
步骤3：通过电线将两个喷丝模头的外针头分别与高压电源的正负极相连，用金属丝分别缠绕两个模头并预留一定长度做辅助电极消散电荷；
步骤4：将退纱辊上缠绕的纱线依次穿过电机、漏斗、固定板和导纱钩，固定在卷取辊上；
步骤5：打开溶液供给装置的电机并设置给丝板的移动速度；
步骤6：打开高压电源设置纺丝电压，打开空气压缩机设置气压，打开风机；
步骤7：打开控制器设置漏斗收集器的转速，设置卷取辊的卷绕速度，以确保导纱钩在一定区域内做往复运动；
步骤8：纺丝液射流从喷丝模头表面喷出，在静电场和气流场的双重作用下拉伸、细化、固化成丝。风机有助于溶剂的挥发和保持箱体湿度。待漏斗收集器表面形成稳定的三角形倒锥后，将纱线从退纱辊处剪断，通过控制静电电压的大小和喷丝模头喷出的环吹风的角度和大小，使漏斗收集器上的纤维沉积量稳定，保证纳米纤维成丝过程和纱线的成纱过程同时进行，如纺纳米纤维包芯纱则不需要剪断纱线；
步骤9：将步骤8中制备的纳米纤维纱线穿过导纱钩后即可随卷取辊的旋转进行卷绕，更换纱筒实现纱线的连续收集。
实施例一：PAN纯纳米纤维纱线的制备
如图1所示，本实施例提供了一种一步成型的自加捻纳米纤维纱线的连续制备装置，包括纺丝单元、收集单元和卷绕单元。纺丝单元主要由溶液供给装置24、共轭喷丝模头1、静电高压电源(25、26)和压缩气泵14组成。图3为喷丝模头的结构示意图，喷丝模头1由模头内针3和模头外针嵌套而成，两针之间不接触，形成环状空隙供气流通过。溶液供给装置24与模头内针3连接提供纺丝液，压缩气泵14与模头外针4连接提供辅助气流。两个金属喷丝模头通过电缆分别与静电发生器正极25和静电发生器负极26相连。
收集单元包括水平安装的电机7，电机7中心线设通孔，电机7前端与漏斗收集器6连接，并带动漏斗旋转。漏斗收集器6的垂直高度低于喷丝模头1。
卷绕单元包括卷取辊15、导纱钩16和固定板17，卷取辊15通过联轴器12与电机9相连；导纱钩15通过齿轮13与联轴器12连接，随卷取辊15的卷绕在固定板17一侧做往复运动。固定板17上方开圆形通孔，与漏斗收集器6和电机7的通孔位于同一水平轴线上。收集单元和卷绕单元一同固定于绝缘板11上。
可选的，溶液供给装置24包括给丝板22、丝杠23、注射器21。通过丝杠23的旋转，挤压固定在给丝板22上的注射器21以提供纺丝液。注射器21通过输液管与模头内针3连通。
可选的，喷丝模头1的垂直高度高于漏斗收集器6，且两者的间距可调，调节范围为10～20cm。
可选的，喷丝模头1固定在支架2上，两模头之间的距离范围为5～20cm，角度范围为0～90°。
可选的，两个喷丝模头1分别缠绕金属丝并伸出一定长度做辅助电极。
可选的，漏斗收集器6的后方安装了退纱辊8。
可选的，压缩气泵14为空气压缩机。
可选的，纺丝单元包括安装在箱体的风机10。
本实施例提供了一种自加捻纯纳米纤维纱线的连续制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：配制质量分数为8～16％的PAN溶液，磁力搅拌过夜，使其充分溶解成PAN纺丝液。将加入纺丝液的注射器21固定在给丝板22上，用输液管将注射器21与模头内针3连接；
步骤2：将模头内针3和模头外针4嵌套组装成喷丝模头1安装在支架2上，调节两个喷丝模头的距离，设定模头之间的角度；
步骤3：通过电线将两个喷丝模头1分别与静电发生器正极25和静电发生器负极26相连，用金属丝分别缠绕两个模头并预留一定长度做辅助电极消散电荷；
步骤4：将退纱辊8上缠绕的纱线依次穿过电机7、漏斗收集器6、固定板17和导纱钩16，固定在卷取辊15上；
步骤5：打开溶液供给装置24并设置给丝板22的移动速度；
步骤6：打开静电发生器(25、26)设置纺丝电压，打开空气压缩机14设置气压，打开风机10；
步骤7：打开控制器27设置漏斗收集器6的转速，设置卷取辊15的卷绕速度，以确保导纱钩16在一定区域内做往复运动；
步骤8：如图2所示，纺丝液射流从喷丝模头1表面喷出，在静电场和气流场的双重作用下拉伸、细化、固化成纳米纤维18。风机10有助于溶剂的挥发和保持箱体湿度。待漏斗收集器6表面形成稳定的纳米纤维倒锥20后，将纱线从退纱辊8处剪断，通过控制静电电压的大小和喷丝模头喷出的环吹风的角度和大小，使漏斗收集器上的纤维沉积量稳定，保证纳米纤维成丝过程和纱线的成纱过程同时进行，即可得到纳米纤维纱线19。
步骤9：将步骤8中制备的纳米纤维纱线19穿过固定板17、导纱钩16后即可随卷取辊15的旋转进行卷绕，更换纱筒实现纱线的连续收集。
本实施例结合了静电纺和溶液喷射纺的优势，在静电力和环吹气流的双重作用下聚合物射流被牵伸、细化、固化形成高度取向的三角形倒锥，通过漏斗收集器和卷绕装置对纳米纤维形成的倒锥边收集边加捻、拉伸制备了捻度和细度可控的纳米纤维纱线。制备的纯纳米纤维纱线品质好，不仅取向度高，结构均匀，孔隙率大而且力学性能优异。
实施例二：棉/PAN纳米纤维包芯纱的制备
本实施例提供了一种纳米纤维包芯纱的连续制备方法，所用装置的结构与实施例一相同。所述的纳米纤维包芯纱的连续制备方法如下：
步骤1：配制质量分数为8～16％的PAN溶液，磁力搅拌过夜，使其充分溶解成PAN纺丝液。将加入纺丝液的注射器21固定在给丝板22上，用输液管将注射器21与模头内针3连接；
步骤2：将模头内针3和模头外针4嵌套组装成喷丝模头1安装在支架2上，调节两个喷丝模头的距离，设定模头之间的角度；
步骤3：通过电线将两个喷丝模头1分别与静电发生器正极25和静电发生器负极26相连，用金属丝分别缠绕两个模头并预留一定长度做辅助电极消散电荷；
步骤4：将退纱辊8上缠绕的棉纱线依次穿过电机7、漏斗收集器6、固定板17和导纱钩16，固定在卷取辊15上；
步骤5：打开溶液供给装置24并设置给丝板22的移动速度；
步骤6：打开静电发生器(25、26)设置纺丝电压，打开空气压缩机14设置气压，打开风机10。
步骤7：打开控制器27设置漏斗收集器6的转速，设置卷取辊15的卷绕速度，以确保导纱钩16在一定区域内做往复运动；
步骤8：如图2所示，纺丝液射流从喷丝模头1表面喷出，在静电场和气流场的双重作用下拉伸、细化、固化成纳米纤维18。风机10有助于溶剂的挥发和保持箱体湿度。通过控制静电电压的大小和喷丝模头喷出的环吹风的角度和大小，使漏斗收集器上的纤维沉积量稳定，保证纳米纤维成丝过程和纱线的成纱过程同时进行，即可得到纳米纤维包芯纱19。
步骤9：将步骤8中制备的包芯纱穿过固定板17、导纱钩16后即可随卷取辊15的旋转进行卷绕，更换纱筒实现纱线的连续收集。
该方法降低了溶液成纤的静电电压和气压，原料适用性广，操作简单，成纱效率高。更换芯纱和纺丝液即可制备不同的纳米纤维包芯纱，制备包芯纱品质好，取向度高，结构均匀，力学性能优异，可实现纳米纤维在诸多领域的应用，有利于进一步拓宽纺织品的应用市场。
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