[发明专利]取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法

说明书

本发明涉及一种取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法，取向集束装置包括负压纤维收集滚筒、电机、连通装置和抽气装置，负压纤维收集滚筒表面设有气孔，通过电机驱动旋转，通过抽气装置抽气形成负压，静电纺纱设备还包括喷丝头、高压静电发生器、滑轨、自动供液装置和加捻卷绕装置，由喷丝头喷射产生的纺丝溶液射流被负压纤维收集滚筒接收，纳米纤维在负压纤维收集滚筒的高速旋转及负压气流的双重作用下集聚并沿着气孔的排布方向取向，纳米纤维束从负压纤维收集滚筒上牵引到加捻卷绕装置上进行加捻和卷绕得到连续取向纳米纤维纱线。本发明能够有效减弱加捻三角区的影响，能够稳定控制纱线的基本参数，提高纳米纤维纱线的质量和产量。

技术领域

本发明属于静电纺丝的技术领域，特别是涉及一种取向集束装置、静电纺纱设备及纳米纤维纱线制备方法。

背景技术

静电纺丝是当前一种最通用的纺制纳米纤维的技术，其产品具有非常优异的性能，如有极大的比表面积，可以灵活地进行表面功能化整理以及优异的力学行为等，可以应用到组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料、复合增强材料、传感器等。由于静电纺丝工艺简单，制备流程比传统常规纺丝短，制品功能优异，自Anton formhals1934年获得美国专利以来，静电纺丝一直是纤维科学家和纺织开发人员长期以来的奋斗目标。该类纳米纤维将成为我国新世纪的主导产品，市场潜力巨大，前景十分广阔。

但到目前为止，大多数静电纺纳米纤维是以无纺布的形式或松散的取向纤维束收集到的，由于其杂乱无章的结构、较低的力学性能、缺乏缝编性以及量产困难等，无法与传统纺织纤维材料有同等的广泛应用(机织物、针织物等)是制约其发展的根本因素。从传统的纤维和纺织工业我们知道，连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束以及其加捻后所得的纱线才是纳米纤维的发展方向。近些年由于纳米纤维纱线具有取向度好、抗拉强度大、易于编织等诸多优良特性，在许多应用领域生物医学、工程支架、导电材料、智能穿戴等方面甚至比传统纳米纤维无纺布(膜)有更好的应用前景和更重要的价值。所以，高效制备结构可控的纳米纤维纱线才是静电纺丝达到广泛应用的最终发展方向。

目前已有一些学者研究了将纳米纤维以纤维束的形式进行收集或将纳米纤维直接加工成纱线的方法，并取得了一些突破性的成果。Teo[Teo WE,Polymer,2007,48,3400-3405]等利用液体凝固浴制备连续取向纳米纤维纱线，该方法是靠液体的涡流作用对纤维进行加捻，由于难以控制液体的涡流，因此难以控制加捻点、加捻区域及加捻系数，所得的纱线的模量变异系数较大，加捻参数不易控制，且只适用于非水溶性聚合物的静电纺纱。[Afifi AM,Macromol Mater Eng,2010(295),660-665]等、Dalton[Dalton PD,Polymer,2005(46),611-614]等、Lee[Lee J H，Polymer,2016,84,52-58]等分别利用漏斗型靶、圆形、圆环形等收集装置制备连续取向纳米纤维纱线，这些方法同样无法稳定控制加捻点及加捻区域，加捻三角区大，受力不均匀，转速大会导致纤维受力增大而发生断裂，且纤维直径较粗或两端握持加捻制备的纱线长度太短，无法满足实际的需要；最近几年常用制备连续取向纳米纤维纱线的方法是双针头共轭布置法，中国专利201310058070.8公开了一种取向静电纺纳米纤维纱线连续制备装置及方法即采用了这种双针头共轭布置法。这种成纱方式能够连续制备取向纳米纤维纱线，但仍然存在纺纱加捻三角区导致纤维受力不均断头无法持续生产的问题，使得制备纳米纤维纱线的取向度不可控、捻度不可控、成纱连续性差。

从上述研究可见，尽管制备静电纺纱线的方法比较多，但仍未发现真正有效的纳米纤维纱线规模化制备方法来迎合今后的工业化生产。主要表现在现有方法均无法做到纳米纤维的加捻三角区域稳定控制。加捻三角区的存在使得纤维不仅受到纵向拉伸力，同时还将受到一个水平牵伸力，当纵向拉伸力一定时，三角区的加捻角度越大，单根纤维所受到的力就越大越容易发生断裂；加捻三角区长度越大，单根纤维的非握持长度越长，纤维弱环问题越严重。因此，加捻三角区越大，越容易导致纤维断裂，使得纱线的基本参数(纱线捻度、成纱速度、细度、条干均匀度、强力等)调控困难，造成纱线断头，难以连续成纱，无法批量制备。