雙級剪切式牽伸靜電紡直紡微米紗裝置、方法及用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及靜電紡絲、靜電紡紗和納米纖維紡絲機(jī)械領(lǐng)域，特別是涉及一種靜電 直紡微米紗的紡紗技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展。目前靜電紡絲得到 的納米纖維尺度大多在亞微米尺度（100~l〇〇〇nm)，而小于100nm的真正納米纖維較少。 則如何將亞微米粗細(xì)的纖維縮小到納米尺度纖維是有待學(xué)者研宄的問題。
[0003] 靜電紡纖維在環(huán)境、能源、生物醫(yī)學(xué)、光電等領(lǐng)域均有應(yīng)用，然而目前研宄的靜電 紡納米纖維主要以纖維直接堆砌的膜或氈的形式出現(xiàn)，是二維無序的纖維集合體，嚴(yán)重阻 礙了這種材料的拓展應(yīng)用。通常紗線可用于梭織、針織或編織，但直接以散纖維是不能用于 針織、梭織和編織的，更不用說采用納米散纖維體。同時目前的靜電紡纖維的粗細(xì)偏粗、強(qiáng) 度偏低或很低，幾乎難以滿足實(shí)用織物的要求，甚至無法直接織造成布。因此，將所成納米 纖維束直接紡成微米的紗，進(jìn)而應(yīng)用于機(jī)織、針織或編織，制備出多種結(jié)構(gòu)及形狀的織物， 提供靜電紡絲的單絲強(qiáng)度、細(xì)化單絲到納米尺寸和粗細(xì)均勻化，是靜電紡納米技術(shù)中亟待 解決的問題，也是納米纖維應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)。同時，也出現(xiàn)一些靜電紡絲直紡紗線的報道。
[0004]如Dalton[DaltonPD，Polymer，2005,46,611-614]等利用雙圓碟裝置收集到 并形成取向排列的微米紗，此方法制備紗線條干和取向好，但纖維只有靜電場牽伸，而無 任何機(jī)械牽伸，故單絲在亞微米尺度且強(qiáng)度低，纖維成紗偏粗、強(qiáng)度亦低。Li[中國專利 ZL201110205027. 0]公開了一種靜電紡納米纖維紗線的方法和裝置，利用漏斗接收裝置，對 漏斗后端的圓柱管道切向抽真空，形成氣流進(jìn)行裝置，但是后面既無牽伸又無加捻卷繞裝 置無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)成紗。Li[LiN，MaterialsLetters，2012:245-247]等自制一種裝有高速 氣流的漏斗型收集裝置，氣流作為動力載體可形成多種纖維集合體和連續(xù)紗線，漏斗收集 器分為漏斗和圓柱兩個部分，但高速氣流只能對納米纖維實(shí)現(xiàn)加捻作用，無紗線連續(xù)收集 裝置而最終纖維束不帶有捻度。
[0005] 覃小紅，吳韶華[中國專利ZL201310058070. 8]公開了一種取向靜電紡連續(xù)紗線 制備裝置及方法，其利用相對配置并接正負(fù)極噴頭和金屬圓形靶的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)納米纖維紡紗 的連續(xù)生產(chǎn)，取向度和產(chǎn)量雖高，但亦不存在對絲束牽伸，單絲偏粗，強(qiáng)度無法改善，成紗 細(xì)度變細(xì)受限制，強(qiáng)度較差。UsmanAli[UsmanAli，TheTextileInstitute，2012(1): 80-88] ；He[HeJ,JournalofAppliedPolymerScience,2014,131(8)] ；He[HeJ,Polymer International，2014,63 (7) : 1288-1294]等也有相關(guān)研宄，未涉及剪切牽伸，且喇叭口僅 為收集外側(cè)噴紡得到的亞微米纖維旋轉(zhuǎn)加捻直接返回卷繞成紗的機(jī)構(gòu)。原理與本發(fā)明完全 不同。覃小紅，吳韶華[中國專利ZL201320083418. 4]公開了一種渦流紡成紗裝置，利用喇 叭形輸送管道正對噴絲頭并與渦流管輸送孔相連，利用渦流作用加捻成紗，雖可連續(xù)制備 納米線紗線生產(chǎn)效率較高，但仍無剪切牽伸，則纖維取向和強(qiáng)度不足。
[0006]Li[LiJie，PolymerEngineering&Science，2013, 54,1618-1624]公開了 一 種 聚酰胺6、66共聚物長絲紗連續(xù)靜電紡絲方法。纖維束集于表面活性劑浴液中，集束的纖 維經(jīng)卷繞成初紡紗，再經(jīng)過加熱和二次牽伸得長絲紗，為了牽伸卷繞不易斷裂需控制液 體收集裝置浴液，適用范圍有所限制。EugeneSmit[EugeneSmit，Polymer，2005(46): 2419-2423]、俞昊[中國專利ZL201908162]也有相似的研宄工作。其在靜電紡過程上無牽 伸裝置，既非直紡成紗，且紡成紗中纖維細(xì)度粗、強(qiáng)度低且損傷大、工序多、能耗大，是不爭 的事實(shí)。
[0007] 綜上，現(xiàn)有的靜電紡直紡成紗均未產(chǎn)生剪切牽伸，則更無雙級剪切牽伸方法來實(shí) 現(xiàn)對靜電紡絲的牽伸變細(xì)并能達(dá)到真正納米尺寸和單絲強(qiáng)度提升的直紡技術(shù)。二級牽伸納 米纖維的結(jié)構(gòu)和粗細(xì)更均勻、強(qiáng)度更高、細(xì)度更細(xì)，而且實(shí)現(xiàn)納米尺度纖維和高強(qiáng)的微米紗 更容易。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用不同轉(zhuǎn)速的正、反錐筒及其間的相互配合 對喇叭噴頭噴射出的亞微米靜電絲實(shí)現(xiàn)兩次剪切牽伸的靜電直紡機(jī)構(gòu)與方法，以此來獲得 細(xì)度更細(xì)達(dá)納米尺寸、強(qiáng)度更強(qiáng)達(dá)實(shí)用織物要求的納米絲和微米紗。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種雙級剪切式牽伸靜電紡直 紡微米紗裝置，其特征在于：包括
[0010] 用于將高聚物溶液進(jìn)行傘狀噴射形成亞微米粗細(xì)的液態(tài)絲的喇叭形的噴頭；
[0011] 用于接收液態(tài)絲并對其實(shí)施兩級剪切牽伸的配對錐筒；配對錐筒由轉(zhuǎn)向相同轉(zhuǎn)速 不同的正錐筒和反錐筒相對配置而成，正錐筒接收液態(tài)絲并對其實(shí)施匯聚剪切形成初牽納 米絲，反錐筒將初牽納米絲再剪切牽細(xì)成再牽納米絲；
[0012] 用于將已固化的再牽納米絲剝離匯聚成納米絲束并集束加捻成微米紗的集束 器；
[0013] 用于向噴頭提供高聚物溶液的注液腔；
[0014] 用于在噴頭和正錐筒之間形成負(fù)高壓電場，從而使從噴頭噴出的噴射流牽伸變細(xì) 落在正錐筒的前端口內(nèi)側(cè)，形成傘狀分布的液態(tài)絲的負(fù)高壓源；
[0015] 用于將已集束成形的微米紗卷取成形的卷繞機(jī)構(gòu)；
[0016] 用于驅(qū)動配對錐筒高速旋轉(zhuǎn)從而剪切牽伸液態(tài)絲和初牽納米絲的雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
[0017] 優(yōu)選地，所述噴頭由與所述負(fù)高壓源相連的喇叭噴頭、用于封閉與屏蔽的環(huán)套和 與所述注液腔相連通的注入管依次連接構(gòu)成。
[0018] 優(yōu)選地，所述喇叭噴頭邊緣與正錐筒前端口內(nèi)側(cè)的連線斜率大于正錐筒的斜率， 且正錐筒后端口距正錐筒前端口的距離能保證初牽納米絲不完全固化；所述反錐筒前端口 與反錐筒后端口的距離能保持再牽納米絲完全固化和便于剝離；所述反錐筒前端口與正錐 筒后端口相鄰設(shè)置，且正錐筒和反錐筒的后端口均為圓角；所述正錐筒的負(fù)壓小于所述喇 叭噴頭的負(fù)壓；所述反錐筒為接地。
[0019] 優(yōu)選地，所述集束器的內(nèi)孔為喇叭口，集束器與轉(zhuǎn)動的配對錐筒相配合完成對納 米絲束的加捻與集束成微米紗。
[0020] 優(yōu)選地，所述負(fù)高壓源為可以提供6~30kv的負(fù)高壓的發(fā)生器。
[0021] 優(yōu)選地，所述卷繞機(jī)構(gòu)包括卷取輥、槽筒和紗筒，已固化的再牽納米絲由轉(zhuǎn)動的卷 取輥牽引從反錐筒上剝離匯聚成納米絲束到達(dá)集束器，并在反錐筒的轉(zhuǎn)動下加捻形成微米 紗，然后經(jīng)槽筒卷繞和紗筒收集，形成形態(tài)穩(wěn)定的微米紗的筒子紗。
[0022] 優(yōu)選地，所述雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動正錐筒和反錐筒，正錐筒的驅(qū)動是由與正錐筒相接 觸的正錐主動筒、驅(qū)動正錐主動筒轉(zhuǎn)動的正錐過橋輪、與正錐主動筒成對地使正錐筒平穩(wěn) 轉(zhuǎn)動并且使其中心軸與喇叭噴頭中心點(diǎn)和集束器中心連線同軸的正錐托筒、驅(qū)動正錐過橋 輪的正錐傳動軸、驅(qū)動正錐傳動軸轉(zhuǎn)動并可調(diào)速的正錐高速電機(jī)構(gòu)成；反錐筒驅(qū)動是由與 反錐筒相接觸的反錐主動筒、驅(qū)動反錐主動筒轉(zhuǎn)動的反錐過橋輪、與反錐主動筒（成對地 使反錐筒平穩(wěn)轉(zhuǎn)動并且使其中心軸與正錐筒同軸的反錐托筒、驅(qū)動反錐過橋輪的反錐傳動 軸、驅(qū)動反錐傳動軸轉(zhuǎn)動并可調(diào)速的反錐高速電機(jī)構(gòu)成。
[0023] 本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是提供了上述雙級剪切式牽伸靜電紡直紡微米紗裝置 的直紡方法，其特征在于，步驟為：
[0024] 第一步、靜電噴絲：高聚物溶液由注液腔以恒定流量經(jīng)注入管到達(dá)喇叭噴頭形成 均勻膜，并在喇叭噴頭的邊緣因負(fù)高壓電場的作用分裂并被牽伸變細(xì)而落于配對錐筒的正 錐筒前端口的內(nèi)側(cè)，形成傘狀分布的液態(tài)絲；
[0025] 第二步、一級剪切牽伸：傘狀分布的液態(tài)絲因被喇叭噴頭和正錐筒的內(nèi)壁握持，且 正錐筒高速轉(zhuǎn)動，從而形成對液態(tài)絲的剪切牽伸，使液態(tài)絲進(jìn)一步細(xì)化而成初牽