双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置、方法及用途制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置、方法及用途。该装置由喇叭喷头、双级剪切牵伸的双锥筒、集束器、卷绕机构、注液腔、负高压源、双驱动机构组成，其直纺微米纱的方法是：由注液腔挤出的高聚物溶液在高电场强度作用下，经喇叭喷头边缘分裂、呈伞状喷射的亚微米粗细的液态丝于正锥筒内壁，在第一剪切牵伸区作用下形成初牵伸纳米丝；再到达反锥筒内壁，并在第二剪切牵伸区作用下，形成再牵纳米丝并完全凝固后，经加捻区到达集束器汇聚形成微米纱，而卷绕制成可直接织造用或经捻饼线后织造用的微米尺度的纱线。装置结构简洁、实效、合理，可实现单丝纳米化和高强度化的纺丝及加捻汇聚成纱。

【技术实现步骤摘要】
双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置、方法及用途
本专利技术涉及静电纺丝、静电纺纱和纳米纤维纺丝机械领域，特别是涉及一种静电直纺微米纱的纺纱技术。
技术介绍
近年来随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展。目前静电纺丝得到的纳米纤维尺度大多在亚微米尺度(100～1000nm)，而小于100nm的真正纳米纤维较少。则如何将亚微米粗细的纤维缩小到纳米尺度纤维是有待学者研究的问题。静电纺纤维在环境、能源、生物医学、光电等领域均有应用，然而目前研究的静电纺纳米纤维主要以纤维直接堆砌的膜或毡的形式出现，是二维无序的纤维集合体，严重阻碍了这种材料的拓展应用。通常纱线可用于梭织、针织或编织，但直接以散纤维是不能用于针织、梭织和编织的，更不用说采用纳米散纤维体。同时目前的静电纺纤维的粗细偏粗、强度偏低或很低，几乎难以满足实用织物的要求，甚至无法直接织造成布。因此，将所成纳米纤维束直接纺成微米的纱，进而应用于机织、针织或编织，制备出多种结构及形状的织物，提供静电纺丝的单丝强度、细化单丝到纳米尺寸和粗细均匀化，是静电纺纳米技术中亟待解决的问题，也是纳米纤维应用发展的基础。同时，也出现一些静电纺丝直纺纱线的报道。如Dalton[DaltonPD,Polymer,2005,46,611-614]等利用双圆碟装置收集到并形成取向排列的微米纱，此方法制备纱线条干和取向好，但纤维只有静电场牵伸，而无任何机械牵伸，故单丝在亚微米尺度且强度低，纤维成纱偏粗、强度亦低。Li[中国专利ZL201110205027.0]公开了一种静电纺纳米纤维纱线的方法和装置，利用漏斗接收装置，对漏斗后端的圆柱管道切向抽真空，形成气流进行装置，但是后面既无牵伸又无加捻卷绕装置无法实现连续成纱。Li[LiN,MaterialsLetters,2012:245-247]等自制一种装有高速气流的漏斗型收集装置，气流作为动力载体可形成多种纤维集合体和连续纱线，漏斗收集器分为漏斗和圆柱两个部分，但高速气流只能对纳米纤维实现加捻作用，无纱线连续收集装置而最终纤维束不带有捻度。覃小红，吴韶华[中国专利ZL201310058070.8]公开了一种取向静电纺连续纱线制备装置及方法，其利用相对配置并接正负极喷头和金属圆形靶的旋转实现纳米纤维纺纱的连续生产，取向度和产量虽高，但亦不存在对丝束牵伸，单丝偏粗，强度无法改善，成纱细度变细受限制，强度较差。UsmanAli[UsmanAli,TheTextileInstitute,2012(1):80-88]；He[HeJ,JournalofAppliedPolymerScience,2014,131(8)]；He[HeJ,PolymerInternational,2014,63(7):1288–1294]等也有相关研究，未涉及剪切牵伸，且喇叭口仅为收集外侧喷纺得到的亚微米纤维旋转加捻直接返回卷绕成纱的机构。原理与本专利技术完全不同。覃小红，吴韶华[中国专利ZL201320083418.4]公开了一种涡流纺成纱装置，利用喇叭形输送管道正对喷丝头并与涡流管输送孔相连，利用涡流作用加捻成纱，虽可连续制备纳米线纱线生产效率较高，但仍无剪切牵伸，则纤维取向和强度不足。Li[LiJie,PolymerEngineering&Science,2013,54,1618-1624]公开了一种聚酰胺6、66共聚物长丝纱连续静电纺丝方法。纤维束集于表面活性剂浴液中，集束的纤维经卷绕成初纺纱，再经过加热和二次牵伸得长丝纱，为了牵伸卷绕不易断裂需控制液体收集装置浴液，适用范围有所限制。EugeneSmit[EugeneSmit,Polymer,2005(46):2419–2423]、俞昊[中国专利ZL201908162]也有相似的研究工作。其在静电纺过程上无牵伸装置，既非直纺成纱，且纺成纱中纤维细度粗、强度低且损伤大、工序多、能耗大，是不争的事实。综上，现有的静电纺直纺成纱均未产生剪切牵伸，则更无双级剪切牵伸方法来实现对静电纺丝的牵伸变细并能达到真正纳米尺寸和单丝强度提升的直纺技术。二级牵伸纳米纤维的结构和粗细更均匀、强度更高、细度更细，而且实现纳米尺度纤维和高强的微米纱更容易。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用不同转速的正、反锥筒及其间的相互配合对喇叭喷头喷射出的亚微米静电丝实现两次剪切牵伸的静电直纺机构与方法，以此来获得细度更细达纳米尺寸、强度更强达实用织物要求的纳米丝和微米纱。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：包括用于将高聚物溶液进行伞状喷射形成亚微米粗细的液态丝的喇叭形的喷头；用于接收液态丝并对其实施两级剪切牵伸的配对锥筒；配对锥筒由转向相同转速不同的正锥筒和反锥筒相对配置而成，正锥筒接收液态丝并对其实施汇聚剪切形成初牵纳米丝，反锥筒将初牵纳米丝再剪切牵细成再牵纳米丝；用于将已固化的再牵纳米丝剥离汇聚成纳米丝束并集束加捻成微米纱的集束器；用于向喷头提供高聚物溶液的注液腔；用于在喷头和正锥筒之间形成负高压电场，从而使从喷头喷出的喷射流牵伸变细落在正锥筒的前端口内侧，形成伞状分布的液态丝的负高压源；用于将已集束成形的微米纱卷取成形的卷绕机构；用于驱动配对锥筒高速旋转从而剪切牵伸液态丝和初牵纳米丝的双驱动机构。优选地，所述喷头由与所述负高压源相连的喇叭喷头、用于封闭与屏蔽的环套和与所述注液腔相连通的注入管依次连接构成。优选地，所述喇叭喷头边缘与正锥筒前端口内侧的连线斜率大于正锥筒的斜率，且正锥筒后端口距正锥筒前端口的距离能保证初牵纳米丝不完全固化；所述反锥筒前端口与反锥筒后端口的距离能保持再牵纳米丝完全固化和便于剥离；所述反锥筒前端口与正锥筒后端口相邻设置，且正锥筒和反锥筒的后端口均为圆角；所述正锥筒的负压小于所述喇叭喷头的负压；所述反锥筒为接地。优选地，所述集束器的内孔为喇叭口，集束器与转动的配对锥筒相配合完成对纳米丝束的加捻与集束成微米纱。优选地，所述负高压源为可以提供6～30kv的负高压的发生器。优选地，所述卷绕机构包括卷取辊、槽筒和纱筒，已固化的再牵纳米丝由转动的卷取辊牵引从反锥筒上剥离汇聚成纳米丝束到达集束器，并在反锥筒的转动下加捻形成微米纱，然后经槽筒卷绕和纱筒收集，形成形态稳定的微米纱的筒子纱。优选地，所述双驱动机构驱动正锥筒和反锥筒，正锥筒的驱动是由与正锥筒相接触的正锥主动筒、驱动正锥主动筒转动的正锥过桥轮、与正锥主动筒成对地使正锥筒平稳转动并且使其中心轴与喇叭喷头中心点和集束器中心连线同轴的正锥托筒、驱动正锥过桥轮的正锥传动轴、驱动正锥传动轴转动并可调速的正锥高速电机构成；反锥筒驱动是由与反锥筒相接触的反锥主动筒、驱动反锥主动筒转动的反锥过桥轮、与反锥主动筒(成对地使反锥筒平稳转动并且使其中心轴与正锥筒同轴的反锥托筒、驱动反锥过桥轮的反锥传动轴、驱动反锥传动轴转动并可调速的反锥高速电机构成。本专利技术的另一个技术方案是提供了上述双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置的直纺方法，其特征在于，步骤为：第一步、静电喷丝：高聚物溶液由注液腔以恒定流量经注入管到达喇叭喷头形成均匀膜，并在喇叭喷头的边缘因负高压电场的作用分裂并被牵伸变细而落于配对锥筒的正锥筒前端口的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：包括用于将高聚物溶液进行伞状喷射形成亚微米粗细的液态丝(81)的喇叭形的喷头(1)；用于接收液态丝(81)并对其实施两级剪切牵伸的配对锥筒(2)；配对锥筒(2)由转向相同转速不同的正锥筒(21)和反锥筒(22)相对配置而成，正锥筒(21)接收液态丝(81)并对其实施汇聚剪切形成初牵纳米丝(82)，反锥筒(22)将初牵纳米丝(82)再剪切牵细成再牵纳米丝(83)；用于将已固化的再牵纳米丝(83)剥离汇聚成纳米丝束(84)并集束加捻成微米纱(85)的集束器(3)；用于向喷头(1)提供高聚物溶液的注液腔(4)；用于在喷头(1)和正锥筒(21)之间形成负高压电场，从而使从喷头(1)喷出的喷射流牵伸变细落在正锥筒(21)的前端口内侧，形成伞状分布的液态丝(81)的负高压源(5)；用于将已集束成形的微米纱(85)卷取成形的卷绕机构(6)；用于驱动配对锥筒(2)高速旋转从而剪切牵伸液态丝(81)和初牵纳米丝(82)的双驱动机构(7)。

【技术特征摘要】
1.一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：包括用于将高聚物溶液进行伞状喷射形成亚微米粗细的液态丝(81)的喇叭形的喷头(1)；用于接收液态丝(81)并对其实施两级剪切牵伸的配对锥筒(2)；配对锥筒(2)由转向相同转速不同的正锥筒(21)和反锥筒(22)相对配置而成，正锥筒(21)接收液态丝(81)并对其实施汇聚剪切形成初牵纳米丝(82)，反锥筒(22)将初牵纳米丝(82)再剪切牵细成再牵纳米丝(83)；用于将已固化的再牵纳米丝(83)剥离汇聚成纳米丝束(84)并集束加捻成微米纱(85)的集束器(3)；用于向喷头(1)提供高聚物溶液的注液腔(4)；用于在喷头(1)和正锥筒(21)之间形成负高压电场，从而使从喷头(1)喷出的喷射流牵伸变细落在正锥筒(21)的前端口内侧，形成伞状分布的液态丝(81)的负高压源(5)；用于将已集束成形的微米纱(85)卷取成形的卷绕机构(6)；用于驱动配对锥筒(2)高速旋转从而剪切牵伸液态丝(81)和初牵纳米丝(82)的双驱动机构(7)。2.如权利要求1所述的一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：所述喷头(1)由与所述负高压源(5)相连的喇叭喷头(11)、用于封闭与屏蔽的环套(12)和与所述注液腔(4)相连通的注入管(13)依次连接构成。3.如权利要求2所述的一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：所述喇叭喷头(11)边缘与正锥筒(21)前端口内侧的连线斜率大于正锥筒(21)的斜率，且正锥筒(21)后端口距正锥筒(21)前端口的距离能保证初牵纳米丝(82)不完全固化；所述反锥筒(22)前端口与反锥筒(22)后端口的距离能保持再牵纳米丝(83)完全固化和便于剥离；所述反锥筒(22)前端口与正锥筒(21)后端口相邻设置，且正锥筒(21)和反锥筒(22)的后端口均为圆角；所述正锥筒(21)的负压小于所述喇叭喷头(11)的负压；所述反锥筒(22)为接地。4.如权利要求1所述的一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：所述集束器(3)的内孔为喇叭口，集束器(3)与转动的配对锥筒(2)相配合完成对纳米丝束(84)的加捻与集束成微米纱(85)。5.如权利要求1所述的一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：所述负高压源(5)为可以提供6～30kv的负高压的发生器。6.如权利要求1或2所述的一种双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置，其特征在于：所述卷绕机构(6)包括卷取辊(61)、槽筒(62)和纱筒(63)，已固化的再牵纳米丝(83)由转动的卷取辊(61)牵引从反锥筒(22)上剥离汇聚成纳米丝束(84)到达集束器(3)，并在反锥筒(22)的转动下加捻形成微米纱(85)，然后经槽筒(62)卷绕和纱筒(63)收集，形成形...

【专利技术属性】
技术研发人员：于伟东，章丽娟，刘晓艳，刘洪玲，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31