阅读说明：本技术 一种新型静电纺集束加捻纳米纱线装置 (Novel electrostatic spinning cluster twisting nano yarn device ) 是由 尚育魁 周建平 李志磊 许燕 朱光艺 于 2021-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种新型静电纺集束加捻纳米纱线装置,主要包括喷射装置、金属环电极、两级旋风气流加捻装置、收集装置、高压发生装置。喷射装置分为射流装置、喷气装置,分别通过输液管、输气管与溶液池、高压储气池连接,两级旋风气流加捻装置通过气流连通装置、储气环与风机连接,在两级旋风气流加捻装置下部放置收集装置、其动力有电机提供,高压发生装置正负极分别与喷射装置、金属环电极相连接。本发明操作简单,效率高,可连续制备捻度较高、条干均匀度较好的纳米纤维纱线。(The invention discloses a novel electrostatic spinning cluster twisting nano yarn device which mainly comprises a spraying device, a metal ring electrode, a two-stage cyclone airflow twisting device, a collecting device and a high-pressure generating device. The spraying device is divided into a jet device and an air injection device which are respectively connected with the solution tank and the high-pressure air storage tank through a liquid conveying pipe and an air conveying pipe, the two-stage cyclone airflow twisting device is connected with the fan through an airflow communication device and an air storage ring, a collecting device is arranged at the lower part of the two-stage cyclone airflow twisting device, power of the collecting device is provided by a motor, and the positive electrode and the negative electrode of the high-pressure generating device are respectively connected with the spraying device and a metal ring electrode. The method is simple to operate and high in efficiency, and can be used for continuously preparing the nanofiber yarns with higher twist and better evenness.)

一种新型静电纺集束加捻纳米纱线装置

技术领域

本发明属于静电纺丝领域，特别涉及一种气流辅助静电纺集束加捻纳米纱线装置。

背景技术

纳米纤维是当今研究的热点，在传感器、生物医学、微电子器件、功能性纺织品等领域具有广阔的应用前景，相比较其他制作纳米纤维方法抽丝法、模板合成法、自组装法等方法，静电纺制作纤维具有纤维直径小、密度大、比表面积大、易于功能化等优点，但是静电纺常规方式收集的纤维为无规则排列的纳米纤维无纺毡，纳米纤维无纺毡力学性能较差、产量较低等缺点，所以定向排列的纳米纤维束及其加捻后的纱线具有更广阔的市场前景。

当今制备定向排列的纳米纤维束方法有：（1）高速旋转收集法，利用高速旋转产生的拉伸力使纳米纤维取向排列，缺点为旋转的离心力影响纤维束的沉积；（2）边缘尖锐收集法，利用尖端放电原理使转盘产生的拉伸力将射流拉伸形成纳米纤维束，缺点为不能得到面积较大的有取向的纳米纤维束；（3）水浴收集法，利用水流的牵伸力对纳米纤维进行拉伸牵引，在水漩涡底部形成纤维束，缺点是纤维之间存在黏连现象；（4）共轭双头法，利用两极性相反喷头喷出的带电性相反的电荷相互吸引形成纳米纤维束，缺点是所得到纤维束较细；（5）辅助电极收集法，在静电场中放置辅助电极影响电场分布得到纳米纤维束，缺点是得到纳米纤维束取向排列程度不高，而纳米纤维定向集束后加捻方式常见主要为机械加捻，但机械摩擦会造成纤维损伤，因此近些年气流加捻装置报道相继出现，CN111118678B通过在其装置颈部旋转产生空气涡流对纳米纤维束进行加捻形成纳米纤维纱线，CN102703998A通过气流喷嘴加捻纳米纤维束形成纳米纤维纱，但上述方法加捻程度不高、效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电纺集束加捻纳米纱线装置，该装置操作简单效率高，利用辅助气流和金属环电极制备取向度较高的纳米纤维束，以及利用两级旋风气流加捻装置制备捻度较高、条干均匀度较好的纳米纤维纱线。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种新型静电纺集束加捻纳米纱线装置，主要包括喷射装置、金属环电极、两级旋风气流加捻装置、收集装置、高压发生装置。喷射装置分为射流装置、喷气装置，分别通过输液管、输气管与溶液池、高压储气池连接；两级旋风气流加捻装置通过气流连通装置、储气环与风机连接，在两级旋风气流加捻装置下部设置收集装置、其动力有电机提供；高压发生装置正负极分别与喷射装置、金属环电极相连接。

进一步，所述喷射装置为金属材质，射流装置下表面有排列整齐的多个射流孔，直径为 0.05mm-8mm，其内部为无针式电纺发生器；射流装置左右两边为喷气装置，内部具有排列整齐的多个气道，气道喷气口倾斜角度为40°-80°,辅助静电纺集束。

进一步，所述距离喷射装置底部1cm-60cm设置金属环电极，其直径5cm-40cm。

进一步，所述两级旋风气流加捻装置的每一级加捻腔都有单独风机提供高速气流，且一级加捻腔的直径大于二级加捻腔的直径，两级旋风气流装置内设动力系统可驱动绕其自身中心线旋转，转速400r/min-1000r/min。

进一步，所述气流连通装置以两级旋风气流加捻装置中心线为基准中心对称设置，气流连通装置内壁在与两级旋风气流加捻装置的连接处切于其加捻腔壁，气流连通装置所通为高速气流。

进一步，所述的收集装置距离两级旋风气流加捻器为5cm—40cm，其转速为600r/min-1200r/min。

进一步，所述喷射装置、金属环电极以外，上述所有装置均外覆绝缘材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1.采用无针式电纺发生器可保证连续大量射流产出，利用引入喷气装置和金属环电极产生流场和电场的耦合对射流进行集束，一方面，喷气装置所喷射的气流对射流装置所喷射的射流有牵伸、细化等作用，气流所形成的负压可使纤维定向聚集并成束；另一方面，金属环电极的放置可以影响电场分布，从而改变电场力对射流运动进行控制，得到定向聚集的纤维束。综上所述，在引入喷气装置和金属环电极共同作用下可得到的纤维束取向排列度较高。

2.引入两级旋风气流加捻装置对纤维束进行加捻工艺，高速气流通过两个连通装置内壁切向进入一级加捻腔，加捻腔口径上大下小，因此高速气流在加捻腔内形成旋转气流，在气流场的的作用下对纳米纤维束进行初次加捻，在初次加捻后纱线通过中间通道进入二级加捻腔，与一级加捻腔相同原理对纤维束进行二次加捻，同时两级旋风气流加捻装置其自身的旋转运动所产生的向心力对纳米束也有聚拢、加捻作用。综上所述，在引入两级旋风气流加捻装置可制备捻度较高、条干均匀度较好的纳米纤维纱线。

附图说明

图1为静电纺集束加捻纳米纱线装置图。

图2为为喷射装置结构示意图。

图3为两级旋风加捻装置的前视剖面示意图。

图中：1-高压发生器；2-金属环电极；3-连通装置；4-储气环；5-两级旋风加捻装置；6-电机；7-收集装置；8-风机；9-喷射装置；10-高压储气池；11-输气管；12-溶液池；13-输液管；14-喷气装置； 15-射流装置；16-无针式电纺发生器；17-射流孔；18-气室；19-喷气口；20-一级加捻腔；21-二级加捻腔；22-动力装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

参照附图1、附图2和附图3，一种新型静电纺集束加捻纳米纱线装置，其特征在于：其主要包括喷射装置（9）、金属环电极（2）、两级旋风气流加捻装置（5）、收集装置（7）、高压发生装置（1）。

其中，喷射装置（9）分为射流装置（15）、喷气装置（14），分别通过输液管（13）、输气管（11）与溶液池（12）、高压储气池（10）连接；两级旋风气流加捻装置（5）通过气流连通装置（3）、储气环（4）与风机（8）连接，两级旋风气流加捻装置（5）下部设置收集装置（7）、其动力有电机（6）提供；高压发生装置（1）正负极分别与喷射装置（9）、金属环电极（2）相连接。

其中，喷射装置（9）为金属材质，射流装置（15）下表面有排列整齐的55个射流孔（17），直径为 2mm，其内部为无针式电纺发生器（16）；射流装置（15）左右两边为喷气装置（14），内部具有排列整齐的50个气道（18），气道喷气口（19）倾斜角度为60°，辅助静电纺集束。

其中，所述距离喷射装置（9）底面20cm设置金属环电极，其直径为15cm。

其中，所述两级旋风气流加捻装置（5）的每一级加捻腔都有单独风机（8）提供高速气流，其一级加捻腔的直径（20）大于二级加捻腔的直径（21），两级旋风气流装置（5）内设动力系统（22）可驱动其自身旋转。

其中，所述气流连通装置（3）以两级旋风气流加捻装置（5）中心线为基准中心对称设置，气流连通装置（3）内壁在与两级旋风气流加捻装置（5）的连接处切于其加捻腔壁，气流连通装置所通为高速气流。

其中，所述的收集装置（7）距离两级旋风气流加捻器（5）为10cm。

下面以聚丙烯晴（PAN）对静电纺集束加捻纳米纱线装置制作静电纺纳米纤维纱线的过程进行阐述。

（1）将聚丙烯晴（PAN）加入到二甲基甲酰胺（DMF）溶质内，经过处理成为静电纺丝液加入溶液池（12）中，并打开溶液池出口，将溶液注入射流装置（15）中。

（2）将足量0.2Mpa气体通入在高压储气池（10）中，并打开高压储气池出口，将气体注入喷气装置（14）中。

（3）打开高压发生装置（1），设置正极为25kv，负极为-5kv，形成静电纺电场。

（4）打开射流装置的无针式电纺发生器（16），开始形成射流。

（5）打开喷射装置的气孔（19）；开始形成气流场，在气流场和电场耦合下纳米纤维牵伸、细化、定向聚集并成束。

（6）设置与一级加捻腔（20）、二级加捻腔（21）相通的风机（8）压力分别为0.1 Mpa、0.4 Mpa；设置两级旋风气流加捻器（5）转动速度600r/m。高速气流开始进入在加捻腔内所形成旋转气流和两级旋风气流加捻器（5）所产生旋转运动共同作用下对纤维束进行加捻。

（7）设置收集装置（7）的转动速度800r/m，对纳米纤维纱线进行收集。