一種獲取高強(qiáng)度蠶絲纖維的工藝方法及制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紡織行業(yè)，尤其涉及到提高桑蠶絲纖維強(qiáng)度的工藝方法及制備設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在高端紡織行業(yè)蠶絲是寶貴的原材料。蠶絲的絲素蛋白的固有特性在生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)方面也是很重要的研宄對(duì)象。前人尤其在蠶絲的紡紗、結(jié)構(gòu)特性上作了許多研宄。蠶絲纖維的一個(gè)關(guān)鍵特性就是其拉伸強(qiáng)度。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，天然蠶絲的拉伸強(qiáng)度大約是370MPa左右。在現(xiàn)代化蠶絲織品紡織過程中，因?yàn)樾Q絲纖維的拉伸強(qiáng)度不是很高，很容易發(fā)生斷裂，造成紡織效率低下。研宄者嘗試了不同方法提高蠶絲纖維強(qiáng)度，迎合高效率紡織生產(chǎn)的要求，及在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。一些學(xué)者使用人工強(qiáng)迫被固定的家蠶吐絲的方法直接獲得蠶絲纖維，通過控制吐絲速度，分別獲得最高強(qiáng)度達(dá)到650 MPa和900MPa的蠶絲纖維。然而，該研宄工藝無法工業(yè)化地大規(guī)模生產(chǎn)，即使其獲得蠶絲強(qiáng)度很高。為了獲得具有高紡織效率和低成本效應(yīng)的高強(qiáng)度蠶絲纖維，一些研宄者試圖通過濕紡法再生蠶絲纖維。其解決的辦法是用1，1，1，3，3，3 -六氟-2 -丙醇(HFIP)、氟丙酮(HFA)、甲酸、三氟醚乙酰酸(TFA)、N-甲基嗎啉N-氧化物(ΝΜΜ0)、氯化1-乙基-3-甲基咪唑(EMIC)和水及聚氧化乙烯(PEO)的混合溶液來溶解絲素蛋白。制備紡絲溶液的準(zhǔn)備階段是一個(gè)耗時(shí)的，多步驟的過程。首先對(duì)絲素蛋白進(jìn)行脫膠去除絲膠；然后用高濃度鹽溶液溶解，分離并干燥消除β折疊晶型結(jié)構(gòu)，然后將絲素蛋白溶解在制備的有機(jī)混合溶液中制成紡絲溶液。再經(jīng)紡絲溶液制成再生蠶絲纖維。其過程復(fù)雜并且效率低下，已經(jīng)報(bào)道的再生蠶絲纖維的強(qiáng)度，一般來說，是大大低于天然蠶絲纖維的，從這些實(shí)驗(yàn)及報(bào)道文獻(xiàn)中可知，再生蠶絲纖維距離商業(yè)化突破還有很大的技術(shù)差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備高強(qiáng)度蠶絲纖維的工藝方法及制備設(shè)備。通過該工藝，制備的蠶絲纖維其拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到540MPa。且制備工藝可以工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種獲取高強(qiáng)度蠶絲纖維的工藝方法，其工藝步驟如下:1)涂布處理:牽引經(jīng)捻絲得到的蠶絲線經(jīng)過聚乙二醇浴進(jìn)行涂布處理，涂布溫度控制在室溫至80°C之間；2)拉伸熱定型處理:將經(jīng)聚乙二醇涂布處理后的蠶絲線進(jìn)行拉伸，在拉伸后立即熱定型處理；拉伸比控制在1.05-1.3之間；拉伸溫度控制在室溫至IlOciC ;熱定型溫度控制在150°C ~230°C ;熱定型時(shí)間0.5-5秒；3)冷卻收集，經(jīng)拉伸熱定型處理后的蠶絲線室溫冷卻后收集。
[0005]所述步驟I)中的所述聚乙二醇浴溫度為室溫。
[0006]所述步驟I)中的蠶絲線的線性密度為1.25 g/cm3 ;包括兩根蠶絲纖維，所述每根蠶絲纖維包括兩根單絲。
[0007]所述步驟2)中的所述拉伸溫度為室溫。
[0008]所述步驟2)中，所述熱定型溫度為200°C，拉伸比為1.133，熱定型時(shí)間約1.7秒。
[0009]所述步驟2)中，所述熱定型溫度為230°C，拉伸比為1.067，熱定型時(shí)間約1.1秒。
[0010]一種獲取高強(qiáng)度蠶絲纖維的制備裝置，其特征在于包括纏繞經(jīng)捻絲得到的蠶絲線的原料線軸，在所述原料線軸一側(cè)依次設(shè)置有聚乙二醇浴箱、送料滾輪、加熱滾輪、收集線輪；所述送料滾輪、加熱滾輪和收集線輪間隔距離分別安裝在支架上并分別由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述加熱滾輪內(nèi)部設(shè)置有加熱裝置；所述原料線軸上的蠶絲線通過所述聚乙二醇浴箱涂布聚乙二醇后依次纏繞在所述送料滾輪和所述加熱滾輪上，通過所述送料滾輪和所述加熱滾輪對(duì)所述蠶絲線進(jìn)行拉伸，同時(shí)，通過所述加熱滾輪對(duì)所述拉伸后的蠶絲線進(jìn)行熱定型；經(jīng)拉伸熱定型后的蠶絲線冷卻后收集在所述收集線輪上；所述加熱滾輪和所述收集線輪的線速度相同。
[0011]在所述聚乙二醇浴箱內(nèi)設(shè)置有對(duì)所述蠶絲線的限位裝置，所述限位裝置保證所述蠶絲線從聚乙二醇溶液中通過。
[0012]所述送料滾輪、加熱滾輪和所述收集線輪的外徑相同。
[0013]所述送料滾輪、加熱滾輪和所述收集線輪的外徑為15厘米。
[0014]在所述送料滾輪內(nèi)設(shè)置有加熱裝置。
[0015]本發(fā)明是以紗線形式增強(qiáng)蠶絲纖維強(qiáng)度的新工藝、新裝置。本發(fā)明基于聚合物拉伸與熱定型概念，對(duì)天然蠶絲纖維強(qiáng)度加強(qiáng)的簡(jiǎn)單且有效的工藝做了大量研宄。用本發(fā)明工藝，首先對(duì)天然蠶絲纖維在較低溫度下進(jìn)行處理，并進(jìn)行拉伸，然后在保持張力的情況下，在較高的溫度下使蠶絲纖維進(jìn)行熱定型。蠶絲纖維的拉伸強(qiáng)度從天然蠶絲的370MPa，在經(jīng)聚乙二醇涂布后，拉伸熱定型后增加到了 533MPa，意味著拉伸強(qiáng)度增加了 44%。楊氏模量也有了 135%的改善，從5.5GPa增加到12.9GPa。在室溫下蠶絲被拉伸到最大拉伸比，然后在200° C下進(jìn)行熱定型可得到最佳拉伸特性。通過該工藝制備的蠶絲纖維其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到533±10.2 MPa，楊氏模量為12.9±0.57 GPa。與普通蠶絲纖維比較，一些特性得到了顯著提高，拉伸強(qiáng)度增加了 44%，楊氏模量增加了 135%。通過WAXD (廣角X射線衍射數(shù)據(jù))可知，通過該工藝制備的蠶絲從蠶絲I到蠶絲II發(fā)生了纖維晶型結(jié)構(gòu)的改變。DSC (基本掃描量熱法)和TGA (熱解重量分析)數(shù)據(jù)同樣也為證明蠶絲纖維結(jié)構(gòu)改變提供了支持。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制造裝置簡(jiǎn)單便于工業(yè)化大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，可高效率進(jìn)行大規(guī)模加工高強(qiáng)度蠶絲纖維。
【附圖說明】
[0016]圖1，本發(fā)明制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2，不同拉伸溫度下對(duì)蠶絲纖維進(jìn)行拉伸后的拉伸比和拉伸強(qiáng)度對(duì)比曲線圖。
[0018]圖3，不同熱定型溫度下對(duì)蠶絲纖維進(jìn)行拉伸熱定型后平均拉伸強(qiáng)度的對(duì)比圖。
[0019]圖4，天然蠶絲纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變曲線圖。
[0020]圖5，涂布有PEG涂層的蠶絲纖維在20°C，拉伸比1.067，無熱定型條件下的拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變曲線圖。
[0021]圖6，涂布PEG涂層的蠶絲纖維在200°C下熱定型，拉伸比1.133條件下的拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變曲線圖。
[0022]圖7，涂布PEG涂層的蠶絲纖維在200°C下熱定型，拉伸比1.2條件下的拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變曲線圖。
[0023]圖8，未拉伸的桑蠶絲線的SEM掃描圖像。
[0024]圖9，處理拉伸后的桑蠶絲線的SEM掃描圖像。
[0025]圖10，從原料線軸上直接取下的桑蠶絲線的2D XRD衍射圖案。
[0026]圖11，為涂布PEG的桑蠶絲線在20°C僅被拉伸，沒熱定型的2D XRD衍射圖案。
[0027]圖12，為桑蠶絲線涂布PEG后被拉伸，在200°C下熱定型，拉伸比為1.133的2DXRD衍射圖案。
[0028]圖13，為桑蠶絲線涂布PEG后被拉伸，在200°C下熱定型，拉伸比1.2的2D XRD衍射圖案。
[0029]圖14，為蠶絲線在不同條件下處理加工后的大角度X射線衍射圖譜。
[0030]圖15，為不同處理?xiàng)l件下得到的蠶絲纖維的DSC溫度圖譜。
[0031]圖16，為蠶絲纖維的TGA曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明的獲取高強(qiáng)度的蠶絲纖維的制造裝置，參看圖1，包括原料線軸，聚乙二醇浴箱、送料滾輪、加熱滾輪、收集線輪；其中。
[0033]原料線軸1，安裝在支架上。在原料線軸I上纏繞有待處理的經(jīng)捻絲的蠶絲線。在原料線軸一側(cè)設(shè)置有聚乙二醇浴箱2。在聚乙二醇浴箱中設(shè)置有限位裝置，在本實(shí)施例，該限位裝置為限位滾輪21，PEG溶液至少淹沒限位滾輪的下半部分，其作用保證蠶絲線從PEG溶液中經(jīng)過。在聚乙二醇浴箱一側(cè)設(shè)置有送料滾輪3，送料滾輪3為圓柱狀滾輪，安裝在支架(未圖示上，并通過驅(qū)動(dòng)裝置(未圖示)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)工藝需要，可以在送料滾輪3內(nèi)增加加熱裝置，對(duì)送料滾輪加熱。如在室溫下使用，則不需增加加熱裝置。原料線軸上的蠶絲線經(jīng)過聚乙二醇浴箱中的限位滾輪下穿過，在蠶絲線上均勻涂布聚乙二醇，然后再卷繞在送料滾輪3上。在送料滾輪3的一側(cè)，間隔有適當(dāng)距離設(shè)置有加熱滾輪4，