一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置及納米纖維紗線制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，空心的旋轉(zhuǎn)離心柱，所述旋轉(zhuǎn)離心柱外壁設(shè)置有多個(gè)噴嘴，所述噴嘴通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心柱壁上的徑向通道與旋轉(zhuǎn)離心柱中心腔體相通；位于旋轉(zhuǎn)離心柱外圍的可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器；位于可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上方的羅拉；及位于所述羅拉后端的卷繞裝置和驅(qū)動(dòng)卷繞裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。一種一步成型制備納米纖維成紗的制備方法。本發(fā)明根據(jù)高速離心紡制備納米纖維的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合收集器自旋的技術(shù)路徑，得到了可調(diào)控、高取向的納米纖維紗線。它的產(chǎn)量相比較與其他制備納米纖維的方法大幅度提高，其紡絲質(zhì)量也有很大的改善、納米纖維紗線的機(jī)械性能也有所增強(qiáng)，其加工重復(fù)性好，有較好的工業(yè)生產(chǎn)前景。
【專利說(shuō)明】
一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置及納米纖維紗線制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于紡織技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置及納米纖維紗線制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于納米纖維具有超大比表面積、超細(xì)孔隙度和良好的理化性質(zhì)等其它纖維所不能擁有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)倍受專家、學(xué)者的青睞，其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而被公眾所關(guān)注，主要用于組織工程支架、藥物釋放、過(guò)濾介質(zhì)、人造血管、生物芯片、納米傳感器、光學(xué)、能量?jī)?chǔ)存、復(fù)合材料等領(lǐng)域。制備納米纖維的方法有許多種，如拉伸法、微相分離、模板合成、自組裝、靜電紡絲等。其中靜電紡絲法可以直接從聚合物或復(fù)合材料中制備連續(xù)纖維，它以操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣、生產(chǎn)效率相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，目前靜電紡產(chǎn)品大多為納米纖維膜，其產(chǎn)品形式單一，使得納米纖維的應(yīng)用范圍有限。納米纖維膜的無(wú)規(guī)取向結(jié)構(gòu)及較差的力學(xué)性能極大地限制了它的紡織應(yīng)用。其固有缺陷限制了該方法商業(yè)大規(guī)模使用:主要有納米纖維制備過(guò)程中需要施加高壓電場(chǎng)特別是多針頭離心靜電紡絲，從泰勒錐頂噴射出的射流會(huì)由于攜帶同種電荷而發(fā)生相互排斥，容易使針頭尖端液滴不穩(wěn)定，造成針頭堵塞或液滴滴落，制備的納米纖維形貌和直徑均勻性差、生產(chǎn)效率低；制備納米纖維原料單一，只限于聚合物，而陶瓷、金屬材料的納米纖維無(wú)法采用此方法制得;聚合物需要一定比例的溶劑使溶液具有傳導(dǎo)率過(guò)程中而產(chǎn)生的污染。近年來(lái)，也在不斷的改進(jìn)加工方法，如噴氣成紗方法、雙電極取向成紗方法、渦流成紗法、濕法及收集器旋轉(zhuǎn)法等，其中一些裝置由于無(wú)法控制好各噴頭間電場(chǎng)排斥作用，紡絲液射流方向不穩(wěn)定，導(dǎo)致制備的納米纖維束中纖維定向度低，力學(xué)性能差。同時(shí)一些改進(jìn)的裝置能夠提高制備的納米纖維束定向度，但是其裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噴絲頭數(shù)量及其它結(jié)構(gòu)變化不靈活，纖維束結(jié)構(gòu)單一，也限制了裝置的推廣。如何克服靜電紡絲制備納米纖維的固有缺陷，研究設(shè)計(jì)一種不需要施加高壓電場(chǎng)、能夠制備不受傳導(dǎo)率約束的納米纖維而生產(chǎn)效率又能夠得到大幅提高的制備方法已成國(guó)內(nèi)外制備納米纖維的研究重點(diǎn)，高速離心力紡制備納米纖維紗線正滿足這一工業(yè)和研究需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種能夠改善紡絲質(zhì)量的一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置及納米纖維紗線制備方法。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:其包括空心的旋轉(zhuǎn)離心柱，所述旋轉(zhuǎn)離心柱外壁設(shè)置有多個(gè)噴嘴，所述噴嘴通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心柱壁上的徑向通道與旋轉(zhuǎn)離心柱中心腔體相通；
位于旋轉(zhuǎn)離心柱外圍的可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器；
位于可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上方的羅拉； 及位于所述羅拉后端的卷繞裝置和驅(qū)動(dòng)卷繞裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。
[0005]其進(jìn)一步特征在于:所述的旋轉(zhuǎn)離心柱為圓形或方形。
[0006]優(yōu)選的:所述噴嘴直徑為101M?500μπι。
[0007]可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器內(nèi)徑為200 mm?400 mm，厚度為25mm。
[0008]所述旋轉(zhuǎn)離心柱、徑向通道、多個(gè)噴嘴與可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器呈左右對(duì)稱布置。
[0009]所述羅拉安裝在可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上方，距離可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器底部的直線距離為25 cm?35 cm。
[0010]—種采用上述一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置的一步成型制備納米纖維成紗的制備方法，其特征在于包括下述步驟:
(1)通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心柱分別向徑向通道、多個(gè)噴嘴提供紡絲液，旋轉(zhuǎn)離心柱、徑向通道、噴嘴高速旋轉(zhuǎn)；
(2)紡絲液在高速離心力作用下，由多個(gè)噴嘴分別噴出射流，在這個(gè)過(guò)程中紡絲液中的溶劑揮發(fā)，得到多根納米纖維旋轉(zhuǎn)到可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上；
(3)可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器以一定速度自旋，使納米纖維具有一定捻度，并形成具有一定捻度的納米纖維紗線；
(4)加捻成的納米纖維紗線經(jīng)羅拉引出后，被卷繞裝置收集。
[0011]優(yōu)選的:所述可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器旋轉(zhuǎn)速度為80r/min?150 r/min;所述卷繞裝置旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min?2500 r/min。
[0012]一種實(shí)施方式具體步驟為:
a、配制PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的01(:13溶液，經(jīng)過(guò)磁力攪拌和超聲后使其充分溶解；
b、將得到的CHC13溶液注入旋轉(zhuǎn)離心柱，并隨旋轉(zhuǎn)離心柱高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)徑向通道連續(xù)向多個(gè)噴嘴供液；
c、在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，CHC13溶液噴出噴嘴，在這個(gè)過(guò)程中CHC13溶劑揮發(fā)，得到多根PLA納米纖維旋轉(zhuǎn)到可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上;通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)離心柱的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控PLA納米纖維的直徑；
d、旋轉(zhuǎn)離心柱上的多個(gè)單根PLA納米纖維由可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器做自旋運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)PLA納米纖維成束，并在過(guò)程中形成具有一定捻度的PLA納米纖維紗線由羅拉引出；
e、經(jīng)過(guò)加捻的PLA納米纖維紗被卷繞裝置收集，即可得到納米纖維紗線。
[0013]本發(fā)明根據(jù)高速離心紡制備納米纖維的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合收集器自旋的技術(shù)路徑，得到了可調(diào)控、高取向的納米纖維紗線。它的產(chǎn)量相比較與其他制備納米纖維的方法大幅度提高，其紡絲質(zhì)量也有很大的改善、納米纖維紗線的機(jī)械性能也有所增強(qiáng)，其加工重復(fù)性好，有較好的工業(yè)生產(chǎn)前景。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明中高速旋轉(zhuǎn)離心紡一步法制備納米纖維紗線的操作步驟示意圖。
[0015]圖2離心噴絲頭結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1、2所示，一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其包括空心的旋轉(zhuǎn)離心柱I，所述旋轉(zhuǎn)離心柱I外壁設(shè)置有多個(gè)噴嘴3，所述噴嘴3通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心柱I壁上的徑向通道2與旋轉(zhuǎn)離心柱I中心腔體相通;位于旋轉(zhuǎn)離心柱I外圍的可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5;位于可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5上方的羅拉6;及位于所述羅拉6后端的卷繞裝置8和驅(qū)動(dòng)卷繞裝置8轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置9。所述的旋轉(zhuǎn)離心柱I形狀可以為圓形或方形。所述噴嘴3直徑為ΙΟΟμπι?500μηι。可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5內(nèi)徑為200 mm~400 mm，厚度為25mm。所述旋轉(zhuǎn)離心柱1、徑向通道2、多個(gè)噴嘴3與可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5呈左右對(duì)稱布置。所述羅拉7安裝在可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5上方，距離可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器54底部的直線距離為25 cm?35 cm。
[0017]實(shí)施例1:PLA納米纖維紗線的制備
a、配制PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的01(:13溶液，經(jīng)過(guò)磁力攪拌和超聲后使其充分溶解。
[0018]b、將得到的CHCl3溶液注入旋轉(zhuǎn)離心柱I，旋轉(zhuǎn)離心柱1、徑向通道2、噴嘴3為聯(lián)動(dòng)裝置，并隨旋轉(zhuǎn)離心柱I高速旋轉(zhuǎn)，徑向通道2連續(xù)向多個(gè)噴嘴3供液。
[0019]c、在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，CHCl3溶液噴出噴嘴3，在這個(gè)過(guò)程中CHCl3溶劑揮發(fā)，得到多根PLA納米纖維4旋轉(zhuǎn)到圓筒收集器5上。通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)離心柱I的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控納米纖維的直徑。
[0020]d、旋轉(zhuǎn)離心柱I上的多個(gè)單根PLA納米纖維4由可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5以一定的速度做自旋運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)纖維成束并在過(guò)程中形成具有一定捻度的PLA納米纖維紗線6由羅拉7引出。
[0021]e、經(jīng)過(guò)加捻的PLA納米纖維紗線6被卷繞裝置8收集，S卩可得到連續(xù)的納米纖維紗線。
[0022]
實(shí)施例2:尼龍納米纖維紗線的制備
a、配制尼龍質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8?12%的甲酸溶液，經(jīng)過(guò)磁力攪拌和超聲后使其充分溶解。
[0023]b、將得到的甲酸溶液注入旋轉(zhuǎn)離心柱I，旋轉(zhuǎn)離心柱1、徑向通道2、噴嘴3為聯(lián)動(dòng)裝置，并隨旋轉(zhuǎn)離心柱I高速旋轉(zhuǎn)，徑向通道2連續(xù)向多個(gè)噴嘴3供液。
[0024]C、在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，甲酸溶液噴出噴嘴3，在這個(gè)過(guò)程中甲酸溶劑揮發(fā)，得到多根尼龍納米纖維旋轉(zhuǎn)到圓筒收集器5上。通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)離心柱I的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控納米纖維的直徑。
[0025]d、旋轉(zhuǎn)離心柱I上的多個(gè)單根尼龍納米纖維由可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5以一定的速度做自旋運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)纖維成束并在過(guò)程中形成具有一定捻度的尼龍納米纖維紗線由羅拉7引出。
[0026]e、經(jīng)過(guò)加捻的尼龍納米纖維紗線被卷繞裝置8收集，即可得到連續(xù)的尼龍納米纖維紗線。
[0027]
實(shí)施例3: PAN納米纖維紗線的制備
a、配制PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%的DMF溶液，經(jīng)過(guò)磁力攪拌和超聲后使其充分溶解。
[0028]b、將得到的DMF溶液注入旋轉(zhuǎn)離心柱I，旋轉(zhuǎn)離心柱1、徑向通道2、噴嘴3為聯(lián)動(dòng)裝置，并隨旋轉(zhuǎn)離心柱I高速旋轉(zhuǎn)，徑向通道2連續(xù)向多個(gè)噴嘴3供液。
[0029 ] c、在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，DMF溶液噴出噴嘴3，在這個(gè)過(guò)程中DMF溶劑揮發(fā)，得到多根PAN納米纖維旋轉(zhuǎn)到圓筒收集器5上。通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)離心柱I的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控納米纖維的直徑。
[0030]d、旋轉(zhuǎn)離心柱I上的多個(gè)單根PAN納米纖維由可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器5以一定的速度做自旋運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)纖維成束并在過(guò)程中形成具有一定捻度的PAN納米纖維紗線由羅拉7引出。
[0031]e、經(jīng)過(guò)加捻的PAN納米纖維紗線被卷繞裝置8收集，S卩可得到連續(xù)的PAN納米纖維紗線。
[0032]以上已詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施方案，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很顯然可以做很多改進(jìn)和變化而不會(huì)背離本發(fā)明的基本精神。所有這些變化和改進(jìn)都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:其包括 空心的旋轉(zhuǎn)離心柱，所述旋轉(zhuǎn)離心柱外壁設(shè)置有多個(gè)噴嘴，所述噴嘴通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心柱壁上的徑向通道與旋轉(zhuǎn)離心柱中心腔體相通； 位于旋轉(zhuǎn)離心柱外圍的可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器； 位于可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上方的羅拉； 及位于所述羅拉后端的卷繞裝置和驅(qū)動(dòng)卷繞裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:所述的旋轉(zhuǎn)離心柱為圓形或方形。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:所述噴嘴直徑為100μπι~500μπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器內(nèi)徑為200 mm~400 mm，厚度為25mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)離心柱、徑向通道、多個(gè)噴嘴與可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器呈左右對(duì)稱布置。6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置，其特征在于:所述羅拉安裝在可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上方，距離可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器底部的直線距離為25 cm?35 cm。7.—種采用權(quán)利要求1所述一步成型制備納米纖維紗線的高速離心紡裝置的一步成型制備納米纖維成紗的制備方法，其特征在于包括下述步驟: (1)通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心柱分別向徑向通道、多個(gè)噴嘴提供紡絲液，旋轉(zhuǎn)離心柱、徑向通道、噴嘴高速旋轉(zhuǎn)； (2)紡絲液在高速離心力作用下，由多個(gè)噴嘴分別噴出射流，在這個(gè)過(guò)程中紡絲液中的溶劑揮發(fā)，得到多根納米纖維旋轉(zhuǎn)到可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上； (3)可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器以一定速度自旋，使納米纖維具有一定捻度，并形成具有一定捻度的納米纖維紗線； (4)加捻成的納米纖維紗線經(jīng)羅拉引出后，被卷繞裝置收集。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一步成型制備納米纖維成紗的制備方法，其特征在于:所述可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器旋轉(zhuǎn)速度為80 r/min~150 r/min;所述卷繞裝置旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min~2500 r/min。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一步成型制備納米纖維成紗的制備方法，其特征在于，所述制備方法具體步驟為: a、配制PLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的01(:13溶液，經(jīng)過(guò)磁力攪拌和超聲后使其充分溶解； b、將得到的CHCl3溶液注入旋轉(zhuǎn)離心柱，并隨旋轉(zhuǎn)離心柱高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)徑向通道連續(xù)向多個(gè)噴嘴供液； c、在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，CHCl3溶液噴出噴嘴，在這個(gè)過(guò)程中CHCl3溶劑揮發(fā)，得到多根PLA納米纖維旋轉(zhuǎn)到可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器上;通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)離心柱的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控PLA納米纖維的直徑； d、旋轉(zhuǎn)離心柱上的多個(gè)單根PLA納米纖維由可旋轉(zhuǎn)圓筒收集器做自旋運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)PLA納米纖維成束，并在過(guò)程中形成具有一定捻度的PLA納米纖維紗線由羅拉引出；e、經(jīng)過(guò)加捻的PLA納米纖維紗被卷繞裝置收集，即可得到納米纖維紗線。
【文檔編號(hào)】D01F6/60GK105887223SQ201610308336
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】魏取福, 呂鵬飛, 李大偉, 李國(guó)輝, 王清清, 黃鋒林, 蔡以兵, 喬輝
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)