专利名称：静电纺纳米纤维喷气纺纱机与使用方法
技术领域：
本发明属于纺织机械领域，尤其涉及一种可批量连续制备静电纺纳米纤维纱的喷气纺纱机及纺纱方法。
背景技术：
中国是世界上最大的纺织品生产国、出口国，然而，由于行业整体科技含量低、成本上升以及国际金融和欧债危机的影响，我国的纺织行业面临严峻的竞争和挑战，中国的纺织工业迫切需要更创新的产品和技术，而纳米技术为我国纺织工业升级传统纺织品提供了新途径，其中利用静电纺技术制备的纳米纤维无纺毡因其超细尺度、高表面积和孔隙率等特点，已在服装、生物医用、复合材质、过滤和传感器等多领域显示性能优势。不过，纳米纤维只有加工成连续的纱线，才能运用机织、针织、编织等纺织技术加工，从而将纳米纤维融合到市场更广阔、更有意义的传统纺织品中，并有更高附加值的运用。目前已有一些静电纺纳米纤维成纱的报道，如中国专利“静电纺纳米纤维纱线的制备方法和装置”(申请号:201110205027)通过在高聚物溶液中加入电解质，以增加纤维的集聚效果，同时采用漏斗型管道作为静电纺纳米纤维的接收装置，并对漏斗后端的圆柱形管道切向抽真空，形成一定的气流场对纤维进行集聚，形成纳米纤维纱，该方法对纳米纤维的集聚效率较低，不能得到连续的纳米纤维纱，且没有加捻作用。中国专利“纳米纤维长丝束的制备方法”(申请号:200510038571.5)利用相对放置的金属针头分别接正负极，从两针头喷出来的纤维在空中相互吸引、碰撞、形成复合纳米纤维，经拉伸缠绕到旋转的滚筒上形成纳米纤维丝束，该方法中长丝束中纤维连续、排列良好但没有加捻作用，不是严格意义的纱线。Dabirian (Dabirian F，Fibers and Polymers, 2011, 12, 610)和 Ali (Ali U,Journal of the Textile Institute, 2011, 103, 80)等进一步在两个极性相反的针头中间配置旋转的金属圆盘或喇叭用于集聚和加捻纤维束，实现了纳米纤维的连续成纱，但是这些方法均是基于传统的单针头静电纺丝系统，存在产量低(0.ι-1g/h)，成纱细度小，纺纱不稳定的局限，不具备工业运用潜力。发明内容:
本发明所要解决技术问题是提供一种静电纺纳米纤维的喷气纺纱机，及利用上述喷气纺纱机制备静电纺纳米纤维纱的方法。为了解决上述问题采用以下技术方案:一种静电纺纳米纤维喷气纺纱机，包括高压静电发生器、带有加压装置的储液罐、横流气泵、集聚单元、纺丝单元、半圆形基座、集束器、喷嘴加捻器、引纱罗拉和卷绕机构；集聚单元、集束器、喷嘴加捻器和引纱罗拉由上至下沿同一轴线排列；集聚单元不接地，纺丝单元设置在集聚单元和集束器之间，两个半圆形基座以轴线为中心对称设置，每个半圆形基座上固定至少两个纺丝单元，纺丝单元倾斜设置；其中一个半圆形基座上的纺丝单元的喷丝管通过导线与高压发生器的正极相连，另一个半圆形基座上的纺丝单元的喷丝管通过导线与高压发生器的负极相连，两个半圆形基座上的纺丝单元形成带正负电荷的喷头对；每个半圆形基座上纺丝单元的进气口通过输气管与横流气泵相连、纺丝单元的进液口通过输液管与带有加压装置的储液罐相连；集束器的出口和喷嘴加捻器的纱道入口相连。所述的纺丝单元由喷丝管通过中间连接体与气室连接而成，中间连接体上装配有垂直向上的喷气管；喷丝管的下方有进液口，进液口低于喷气管的上端，气室的下方有进气口 ；喷丝管的上方装有防止溶液外溢的保护环。所述的喷丝管的内径为1-45 mm，喷丝管高度为10-500 mm，气室的高度为10-450mm ;其中，喷丝管为金属材质，且喷丝管外侧由下而上套有绝缘材质，绝缘材质的高度为喷丝管高度的1/3 1倍，保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口均为绝缘材质。所述的集聚单元为带有旋转轴的金属喇叭，并由传动机构控制金属喇叭绕旋转轴旋转，金属喇叭口的直径为5-35 cm ;所述的集束器进口至出口呈直径逐渐减小的喇叭形，出口处的直径为0.5-10 mm。所述的传动机构为电机。所述的喷嘴加捻器由进气管、纱道、喷射孔和气室组成；喷射孔与纱道的内圆周相切，夹角为35-55°，喷射孔数为2-12个，喷射孔径0.1-0.6 mm ;进气管与空气压缩机相连接，压缩空气由喷射孔射入纱道，在纱道中形成用于纳米纤维束的加捻的三维高速旋转气流，并在纱道的入口形成用于吸入纳米纤维束的负压。所述的纱道由上而下分为三部分，在喷射孔入口上方为圆柱管，直径1-3.5 mm，长度6-30 mm，在喷射孔入口下方为梯形管，直径1.5-4.0 mm/5.0-9.0 mm,长度8_45 mm ;最下方为圆柱形的出口管，直径10-20 mm,长度12-60 mm。每个半圆形基座固定2-30个纺丝单元，纺丝单元的倾斜角为15-40°。喷丝管上端面与集聚单元的垂直距离为5-40cm;喷嘴加捻器纱道的入口与集聚单元之间的距离为IO-1OOcm ;高压静电发生器的电压为0-200kV。制备连续纳米纤维纱的方法包括以下步骤:
(O加压装置将储液罐中的纺丝溶液经输液管均匀地送入各个纺丝单元的喷丝管中，纺丝溶液的液面稍低于喷丝管的上端面，高于喷气管的上端面；
(2)横流气泵将气流经输气管均匀地送入各个纺丝单元的气室中，气流经喷气管向上喷出，纺丝溶液在喷丝管的上端面形成中空的溶液凸起；
(3)打开集聚单元的传动机构，令其绕轴旋转，控制转速为0-2500转/分钟，集聚单元的旋转方向和喷嘴加抢器中气流的旋转方向相同；
(4)打开高压静电发生器，调节到一定的电压，在高压电场作用下，极化电荷聚集在喷丝管上端面溶液凸起的顶端形成泰勒锥，在静电力的作用下中空的泰勒锥破裂，喷射出多股射流。由于静电诱导效应，集聚单元的两侧会带上电荷相等、极性相反的电荷，两个半圆形基座上的纺丝单元喷出的部分带电射流将被吸附到与之带相反电荷的集聚单元一侧，以纳米纤维网的形式沉积在集聚单元的边缘；
(5)为了将步骤(4)中的纳米纤维网引出、取向和加捻，一个绝缘的塑料棒预先安放在集聚单元的正中心，塑料棒缓慢向后沿水平方向抽出，形成中空的锥形纳米纤维网，顶端粘附在塑料棒上，底端与集聚单元的边缘相连接，进一步牵伸纳米纤维网的锥顶，纤维会取向、集聚成纳米纤维束，或进一步通过集聚单元的旋转预加捻成一定捻度的纳米纤维条；
(6)将喷嘴加捻器的进气管与空气压缩机相连接，将步骤(5)中的纳米纤维束或纳米纤维条引入集束器，由于负压的存在纳米纤维束被吸入纱道中，在旋转气流的作用下连续加捻成纱并沿纱道的出口输出；
(7)步骤(6)中加捻的纳米纤维纱在引纱罗拉的作用下输出，经卷绕机构卷绕成筒。本发明中，集聚单元的旋转方向和喷嘴加捻器中气流的旋转方向相同，集聚单元的旋转可对纳米纤维束起到预加捻作用，因此，纳米纤维纱捻度的施加可依靠喷嘴加捻器中气流的高速旋转单独完成，也可由喷嘴加捻器中气流的高速旋转与集聚单元的旋转共同完成。本发明的纳米纤维喷气纺纱机集喷丝、集聚、牵伸、加捻和卷绕于一体，可以连续制备静电纺纳米纤维纱。本发明的纺丝单元中溶液处于封闭的体系中，减少了溶液中溶剂的挥发，可以保持稳定的溶液浓度，喷丝管孔径大，通过喷气管的连续通气，气体的流动可避免喷丝管的堵塞现象，单个喷丝管能喷射出多股射流，产量为普通单针头静电纺的8-40倍，多个喷丝管同时喷射，极大提高了静电纺纳米纤维的产量；集聚单元处于带正负电荷射流的交汇点，可以很好地沉积和聚集电荷中和后的纳米纤维，同时集聚单元的旋转也可以对纳米纤维束起到加捻作用；利用喷嘴加捻器中高速旋转的气流加捻，不需要其他复杂的加捻机件，加捻器结构简单，生产效率高；可以通过控制溶液的进液速度、通气速度、纺丝单元的间距和数量、集聚单元转速、喷嘴加捻器中的气压和流量等工艺参数，对纳米纤维纱线的细度、捻度和产量进行控制。本发明的纳米纤维成纱方法工艺简单、纱线产量高，适合多种聚合物纺丝溶液，可以实现纳米纤维纱的连续批量制备。
图1本发明纳米纤维喷气纺纱机的结构示意图。图2本发明纳米纤维喷气纺纱机中纺丝单元的结构示意图。图3本发明的纳米纤维喷气纺纱机中喷嘴加捻器的纵向剖面图。图4本发明的纳米纤维喷气纺纱机中喷嘴加捻器的横向剖面图。图5本发明制备的静电纺PAN纳米纤维纱的光学显微镜照片.图6本发明制备的静电纺PAN纳米纤维纱的电子显微镜照片。其中:0_计量泵；1-高压发生器；2_储液罐；3_横流气泵；4_集聚单元；5_导线；6-输液管；7_输气管；8_纺丝单元；9_半圆形基座；10_集束器；11_喷嘴加捻器；12_引纱罗拉；13-卷绕机构；14-保护环；15-喷丝管；16-喷气管；17-进液口 ；18_中间连接体；19-气室；20_进气口；21-进气管；22_纱道；23_喷射孔；24_气室
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1:参照附图1、2、3、4，一种静电纺纳米纤维喷气纺纱机，包括计量泵0，高压静电发生器1、储液罐2、横流气泵3、集聚单元4、纺丝单元8、半圆形基座9、集束器10、喷嘴加捻器11、引纱罗拉12和卷绕机构13。
纺丝单元8由喷丝管15通过中间连接体18与气室19连接而成，中间连接体18上装配有垂直向上的喷气管16 ;喷丝管15的下方有进液口 17，进液口 17低于喷气管16的上端，气室19的下方有进气口 20 ;喷丝管15的上方装有保护环14，在纺丝的时候防止溶液外溢；喷丝管15的内径为10 mm，喷丝管15高度为50 mm，气室19的高度为45 mm;除喷丝管15为金属材质外，纺丝单元8的其余部分均为聚四氟乙烯，且喷丝管15外侧由下而上套有聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管的高度为喷丝管15高度的1/2倍。集聚单元4为带有旋转轴的金属喇叭，由电机控制其绕轴旋转，金属喇叭口的直径为10 Cm。集束器10进口至出口呈直径逐步收窄的喇叭形，出口处的直径为1.0 mm。喷嘴加捻器11由进气管21、纱道22、喷射孔23和气室24等组成。喷射孔23与纱道22的内圆周相切，夹角初定为45°，喷射孔数为4个，喷射孔径0.2 mm。纱道22由上而下分为三部分，在喷射孔入口上方为圆柱管，直径1.2 mm，长度8 mm;在喷射孔入口下方设计为梯形管，直径1.5 mm/5.0 mm,长度10 mm,以减少回流的影响；最下方为圆柱形的出口管，直径10 mm，长度20 mm。进气管21与空气压缩机相连接。集聚单元4、集束器10、喷嘴加捻器11和引纱罗拉12由上至下沿同一轴线排列；集束器10的出口和喷嘴加捻器11中纱道22的入口相连。纺丝单元8位于集聚单元4和集束器10中间,对称固定在以轴线为中心的两个半圆形基座9上；每个半圆形基座9固定5个纺丝单元8，纺丝单元8的倾斜角(与轴线的夹角)为20° ;两个半圆形基座9上纺丝单元8的喷丝管15分别通过导线5与高压发生器I的正负极相连，形成5组带正负电荷的喷头对，集聚单元4不接地；每个半圆形基座9上纺丝单元8的进气口 20通过输气管7与横流气泵3相连，进液口 17通过输液管6与带有加压装置的储液罐2相连。带正负电荷的喷丝管15上端与集聚单元4 (金属喇叭口边缘)的垂直距离为8 cm ;喷嘴加捻器11纱道22的入口与集聚单元4 (金属喇叭口截面中心)之间的距离为22 cm。实施例2:—种利用实施例1的喷气纺纱机连续制备静电纺纳米纤维纱的方法,包括以下步骤:
(O将聚丙烯腈(简称:PAN，重均分子量8万)溶解在N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)中，配成质量浓度为13%的纺丝溶液，装入储液罐2中。计量泵O将储液罐2中的PAN溶液经输液管6均匀地送入各个纺丝单元8的喷丝管15中，PAN溶液的液面低于喷丝管15的上端面，高于喷气管16的上端面。(2)横流气泵3将气流经输气管7均匀地送入各个纺丝单元8的气室19中，气流经喷气管16向上喷出，这样PAN溶液在喷丝管15的上端面形成中空的溶液凸起。(3)打开集聚单元4的传动机构，令其绕轴旋转，控制转速为800转/分钟。(4)打开高压静电发生器1，调节到一定的电压，在高压电场作用下，极化电荷聚集在喷丝管15上端面溶液凸起的顶端形成泰勒锥，在静电力的作用下中空的泰勒锥破裂，喷射出多股射流。由于静电诱导效应，集聚单元4 (金属喇机)的两侧会带上电荷相等、极性相反的电荷，两个半圆形基座9上的纺丝单元8喷出的部分带电射流将被吸附到与之带相反电荷的集聚单元4 (金属喇叭)一侧，以纳米纤维网的形式沉积在集聚单元4的边缘。(5)为了将步骤(4)中的纳米纤维网引出、取向和加捻，一个绝缘的塑料棒预先安放在集聚单元4的正中心，当塑料棒缓慢向后沿水平方向抽出时，会形成中空的锥形纳米纤维网，同时也有部分相反电荷的射流直接中和吸附到纳米纤维网上。进一步牵伸纳米纤维网的锥顶，纤维会取向、集聚成纳米纤维束，并通过集聚单元4的旋转预加捻成一定捻度的PAN纳米纤维条。(6)将喷嘴加捻器11的进气管21与空气压缩机(附图未画出)相连接，压缩空气由喷射孔23射入纱道22，在纱道22中形成高速旋转的气流，并在纱道22的入口形成负压。将步骤(5)中的PAN纳米纤维条引入集束器10，由于负压的存在纳米纤维束被吸入纱道22中，在旋转气流的作用下连续加捻成纱并沿纱道22的出口输出。(7)步骤(6)中加捻的PAN纳米纤维纱在引纱罗拉12的作用下输出，经卷绕机构13卷绕成筒。本实例中集聚单元4 (金属喇叭)的旋转可对PAN纳米纤维束起到预加捻作用，因此，PAN纳米纤维纱的加捻是靠喷嘴加捻器11中喷射气流的高速旋转与集聚单元4的旋转共同完成。实施例3:参照附图1、2、3和4，一种静电纺纳米纤维喷气纺纱机，包括计量泵0，高压静电发生器1、储液罐2、横流气泵3、集聚单元4、纺丝单元8、半圆形基座9、集束器10、喷嘴加捻器11、引纱罗拉12和卷绕机构13。纺丝单元8由喷丝管15通过中间连接体18与气室19连接而成，中间连接体18上装配有垂直向上的喷气管16 ;喷丝管15的下方有进液口 17，进液口 17低于喷气管16的上端，气室19的下方有进气口 20 ;喷丝管15的上方装有保护环14，在纺丝的时候防止溶液外溢；喷丝管15的内径为20 mm，喷丝管15高度为100 mm，气室19的高度为85 mm;除喷丝管15为金属材质外，纺丝单元8的其余部分均为绝缘的聚酯材料，且喷丝管15外侧由下而上套有聚酯管，聚酯管的高度为喷丝管15高度的2/3倍。集聚单元4为带有旋转轴的金属喇叭，由电机控制其绕轴旋转，金属喇叭口的直径为20 cm。集束器10进口至出口呈直径逐步收窄的喇叭形，出口处的直径为1.8 mm。喷嘴加捻器11由进气管21、纱道22、喷射孔23和气室24等组成。喷射孔与纱道的内圆周相切，夹角初定为35°，喷射孔数为8个，喷射孔径0.4 mm。纱道22由上而下分为三部分，在喷射孔入口上方为圆柱管，直径2.2 mm，长度15 mm ;在喷射孔入口下方设计为梯形管，直径3.0 mm/7.0 mm,长度30 mm,以减少回流的影响；最下方为圆柱形的出口管,直径15 mm,长度45 mm。进气管21与空气压缩机相连接。集聚单元4、集束器10、喷嘴加捻器11和引纱罗拉12由上至下沿同一轴线排列；集束器10的出口和喷嘴加捻器11中纱道22的入口相连。纺丝单元8位于集聚单元4和集束器10中间,对称固定在以轴线为中心的两个半圆形基座9上；每个半圆形基座9固定10个纺丝单元8，纺丝单元8的倾斜角(与轴线的夹角)为35° ;两个半圆形基座9上纺丝单元8的喷丝管15分别通过导线5与高压发生器I的正负极相连，形成10组带正负电荷的喷头对，集聚单元4不接地；每个半圆形基座9上纺丝单元8的进气口 20通过输气管7与横流气泵3相连，进液口 17通过输液管6与带有加压装置的储液罐2相连。带正负电荷的喷丝管15上端面与集聚单元4 (金属喇叭口边缘)之间的垂直距离为13 cm;喷嘴加捻器
11纱道22的入口与集聚单元4 (金属喇叭口截面中心)之间的距离为50 cm。所述的聚酯管也可以由环氧树脂管代替，聚酯材料也可以由环氧树脂材料代替。实施例4:一种利用实施例3的喷气纺纱机连续制备静电纺纳米纤维纱的方法，包括以下步骤: (O 将聚乳酸(简称:PLA，重均分子量5万)溶解在二氯甲烷中，配成质量浓度为8%的纺丝溶液，装入储液罐2中。计量泵O将储液罐2中的PLA溶液经输液管6均匀地送入各个纺丝单元8的喷丝管15中，PLA溶液的液面低于喷丝管15的上端面，高于喷气管16的上端面。(2) 横流气泵3将气流经输气管7均匀地送入各个纺丝单元8的气室19中，气流经喷气管16向上喷出，这样PLA溶液在喷丝管15的上端面形成中空的溶液凸起。(3) 打开高压静电发生器1，调节到一定的电压，在高压电场作用下，极化电荷聚集在喷丝管15上端面溶液凸起的顶端形成泰勒锥，在静电力的作用下中空的泰勒锥破裂，喷射出多股射流。由于静电诱导效应，集聚单元4 (金属喇叭)的两侧会带上电荷相等、极性相反的电荷，两个半圆形基座9上的纺丝单元8喷出的部分带电射流将被吸附到与之带相反电荷的集聚单元4 (金属喇叭)一侧，以纳米纤维网的形式沉积在集聚单元4的边缘。(4) 为了将步骤(3)中的纳米纤维网引出、取向和加捻，一个绝缘的塑料棒预先安放在集聚单元4的正中心，当塑料棒缓慢向后沿水平方向抽出时，会形成中空的锥形纳米纤维网，同时也有部分相反电荷的射流直接中和吸附到纳米纤维网上。进一步牵伸纳米纤维网的锥顶，纤维会取向、集聚成纳米纤维束。(5) 将喷嘴加捻器11的进气管21与空气压缩机(附图未画出)相连接，压缩空气由喷射孔23射入纱道22，在纱道22中形成高速旋转的气流，并在纱道22的入口形成负压。将步骤(4)中的PLA纳米纤维束引入集束器10，由于负压的存在纳米纤维束被吸入纱道22中，在旋转气流的作用下连续加捻成纱并沿纱道22的出口输出。(6) 步骤(5)中加捻的PLA纳米纤维纱在引纱罗拉12的作用下输出，经卷绕机构13卷绕成筒。本实例中集聚单元4的传动机构未打开，因此，PLA纳米纤维纱的加捻是单独依靠喷嘴加捻器11中喷射气流的高速旋转来完成的。所制得的静电纺PLA纳米纤维纱的光学显微镜和电子显微镜照片如图4和5所示。实施例5:—种静电纺纳米纤维喷气纺纱机，包括高压静电发生器、带有加压装置的储液罐、横流气泵、集聚单元、纺丝单元、半圆形基座、集束器、喷嘴加捻器、引纱罗拉和卷绕机构。集聚单元、集束器、喷嘴加捻器和引纱罗拉由上至下沿同一轴线排列；集聚单元不接地。纺丝单元设置在集聚单元和集束器之间，两个半圆形基座以轴线为中心对称设置，每个半圆形基座上固定至少两个纺丝单元，纺丝单元倾斜设置，纺丝单元的倾斜角为15-40° ;其中一个半圆形基座上的纺丝单元的喷丝管通过导线与高压发生器的正极相连，另一个半圆形基座上的纺丝单元的喷丝管通过导线与高压发生器的负极相连，两个半圆形基座上的纺丝单元形成带正负电荷的喷头对；每个半圆形基座上纺丝单元的进气口通过输气管与横流气泵相连、纺丝单元的进液口通过输液管与带有加压装置的储液罐相连；集束器的出口和喷嘴加捻器的纱道入口相连。纺丝单元由喷丝管通过中间连接体与气室连接而成，中间连接体上装配有垂直向上的喷气管；喷丝管的下方有进液口，进液口低于喷气管的上端，气室的下方有进气口 ；喷丝管的上方装有防止溶液外溢的保护环。喷丝管的内径为1-45 mm，喷丝管高度为10-500 mm，气室的高度为10-450 mm ;其中，喷丝管为金属材质，且喷丝管外侧由下而上套有绝缘材质，绝缘材质的高度为喷丝管高度的1/3 1倍，保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口均为绝缘的绝缘材质。集聚单元为带有旋转轴的金属喇叭，并由传动机构控制金属喇叭绕旋转轴旋转，金属喇叭口的直径为5-35 cm ;所述的集束器进口至出口呈直径逐渐减小的喇叭形，出口处的直径为0.5-10 mm。所述的喷嘴加捻器由进气管、纱道、喷射孔和气室组成；喷射孔与纱道的内圆周相切，夹角为35-55°，喷射孔数为2-12个，喷射孔径0.1-0.6 mm ;进气管与空气压缩机相连接，压缩空气由喷射孔射入纱道，在纱道中形成用于纳米纤维束的加捻的三维高速旋转气流，并在纱道的入口形成用于吸入纳米纤维束的负压。纱道由上而下分为三部分，在喷射孔入口上方为圆柱管，直径1-3.5 mm,长度6-30 mm,在喷射孔入口下方为梯形管,直径1.5-4.0 mm/5.0-9.0 mm,长度8_45 mm ;最下方为圆柱形的出口管，直径10-20 mm,长度12-60 mm。喷丝管上端面与集聚单元的垂直距离为5-40cm;喷嘴加捻器纱道的入口与集聚单元之间的距离为IO-1OOcm ;高压静电发生器的电压为0-200kV。制备连续纳米纤维纱的方法包括以下步骤:
(I)加压装置将储液罐中的纺丝溶液经输液管均匀地送入各个纺丝单元的喷丝管中，纺丝溶液的液面稍低于喷丝管的上端面，高于喷气管的上端面。(2)横流气泵将气流经输气管均匀地送入各个纺丝单元的气室中，气流经喷气管向上喷出，纺丝溶液在喷丝管的上端面形成中空的溶液凸起。(3)打开集聚单元的传动机构，令其绕轴旋转，控制转速为0-2500转/分钟，集聚单元的旋转方向和喷嘴加捻器中气流的旋转方向相同。(4)打开高压静电发生器，调节到一定的电压，在高压电场作用下，极化电荷聚集在喷丝管上端面溶液凸起的顶端形成泰勒锥，在静电力的作用下中空的泰勒锥破裂，喷射出多股射流。由于静电诱导效应，集聚单元的两侧会带上电荷相等、极性相反的电荷，两个半圆形基座上的纺丝单元喷出的部分带电射流将被吸附到与之带相反电荷的集聚单元一侦牝以纳米纤维网的形式沉积在集聚单元的边缘。(5)为了将步骤(4)中的纳米纤维网引出、取向和加捻，一个绝缘的塑料棒预先安放在集聚单元的正中心，塑料棒缓慢向后沿水平方向抽出，形成中空的锥形纳米纤维网，顶端粘附在塑料棒上，底端与集聚单元的边缘相连接，进一步牵伸纳米纤维网的锥顶，纤维会取向、集聚成纳米纤维束，或进一步通过集聚单元的旋转预加捻成一定捻度的纳米纤维条。(6)将喷嘴加捻器的进气管与空气压缩机相连接，将步骤(5)中的纳米纤维束或纳米纤维条引入集束器，由于负压的存在纳米纤维束被吸入纱道中，在旋转气流的作用下连续加捻成纱并沿纱道的出口输出。(7)步骤(6)中加捻的纳米纤维纱在引纱罗拉的作用下输出，经卷绕机构卷绕成筒。
权利要求
1.一种静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:包括高压静电发生器、带有加压装置的储液罐、横流气泵、集聚单元、纺丝单元、半圆形基座、集束器、喷嘴加捻器、引纱罗拉和卷绕机构；集聚单元、集束器、喷嘴加捻器和引纱罗拉由上至下沿同一轴线排列；集聚单元不接地，纺丝单元设置在集聚单元和集束器之间，两个半圆形基座以轴线为中心对称设置，每个半圆形基座上固定至少两个纺丝单元，纺丝单元倾斜设置；其中一个半圆形基座上的纺丝单元的喷丝管通过导线与高压发生器的正极相连，另一个半圆形基座上的纺丝单元的喷丝管通过导线与高压发生器的负极相连，两个半圆形基座上的纺丝单元形成带正负电荷的喷头对；每个半圆形基座上纺丝单元的进气口通过输气管与横流气泵相连、纺丝单元的进液口通过输液管与带有加压装置的储液罐相连；集束器的出口和喷嘴加捻器的纱道入口相连。
2.根据权利要求1所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:所述的纺丝单元由喷丝管通过中间连接体与气室连接而成，中间连接体上装配有垂直向上的喷气管；喷丝管的下方有进液口，进液口低于喷气管的上端，气室的下方有进气口 ；喷丝管的上方装有防止溶液外溢的保护环。
3.根据权利要求2所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:所述的喷丝管的内径为1-45 mm，喷丝管高度为10-500 mm，气室的高度为10-450 mm;其中，喷丝管为金属材质,且喷丝管外侧由下而上套有绝缘材质,绝缘材质的高度为喷丝管高度的1/3 I倍，保护环、喷气管、进液口、中间连接体、气室、进气口均为绝缘材质。
4.根据权利要求1所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:所述的集聚单元为带有旋转轴的金属喇叭，并由传动机构控制金属喇叭绕旋转轴旋转，金属喇叭口的直径为5-35 cm ;所述的集束器进口至出口呈直径逐渐减小的喇叭形，出口处的直径为0.5-10mmD
5.根据权利要求4所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:所述的传动机构为电机。
6.根据权利要求1所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:所述的喷嘴加捻器由进气管、纱道、喷射孔和气室组成；喷射孔与纱道的内圆周相切，夹角为35-55°，喷射孔数为2-12个，喷射孔径0.1-0.6 mm ;进气管与空气压缩机相连接，压缩空气由喷射孔射入纱道，在纱道中形成用于纳米纤维束的加捻的三维高速旋转气流，并在纱道的入口形成用于吸入纳米纤维束的负压。
7.根据权利要求6所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:所述的纱道由上而下分为三部分，在喷射孔入口上方为圆柱管，直径1-3.5 mm，长度6-30 mm，在喷射孔入口下方为梯形管，直径1.5-4.0 mm/5.0-9.0 mm,长度8_45 mm ;最下方为圆柱形的出口管,直径 10-20 mm，长度 12-60 mm。
8.根据权利要求1所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:每个半圆形基座固定2-30个纺丝单元，纺丝单元的倾斜角为15-40°。
9.根据权利要求1或4或6或8所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:喷丝管上端面与集聚单元的垂直距离为5-40cm ;喷嘴加捻器纱道的入口与集聚单元之间的距离为IO-1OOcm ;高压静电发生器的电压为0-200kV。
10.根据权利要求1或2或4所述的静电纺纳米纤维喷气纺纱机，其特征在于:制备连续纳米纤维纱的方法包括以下步骤: (1)加压装置将储液罐中的纺丝溶液经输液管均匀地送入各个纺丝单元的喷丝管中，纺丝溶液的液面稍低于喷丝管的上端面，高于喷气管的上端面； (2)横流气泵将气流经输气管均匀地送入各个纺丝单元的气室中，气流经喷气管向上喷出，纺丝溶液在喷丝管的上端面形成中空的溶液凸起； (3)打开集聚单元的传动机构，令其绕轴旋转，控制转速为0-2500转/分钟，集聚单元的旋转方向和喷嘴加抢器中气流的旋转方向相同； (4)打开高压静电发生器，调节到一定的电压，在高压电场作用下，极化电荷聚集在喷丝管上端面溶液凸起的顶端形成泰勒锥，在静电力的作用下中空的泰勒锥破裂，喷射出多股射流；由于静电诱导效应，集聚单元的两侧会带上电荷相等、极性相反的电荷，两个半圆形基座上的纺丝单元喷出的部分带电射流将被吸附到与之带相反电荷的集聚单元一侧，以纳米纤维网的形式沉积在集聚单元的边缘； (5)为了将步骤 (4)中的纳米纤维网引出、取向和加捻，一个绝缘的塑料棒预先安放在集聚单元的正中心，塑料棒缓慢向后沿水平方向抽出，形成中空的锥形纳米纤维网，顶端粘附在塑料棒上，底端与集聚单元的边缘相连接，进一步牵伸纳米纤维网的锥顶，纤维会取向、集聚成纳米纤维束，或进一步通过集聚单元的旋转预加捻成一定捻度的纳米纤维条； (6)将喷嘴加捻器的进气管与空气压缩机相连接，将步骤(5)中的纳米纤维束或纳米纤维条引入集束器，由于负压的存在纳米纤维束被吸入纱道中，在旋转气流的作用下连续加捻成纱并沿纱道的出口输出； (7)步骤(6)中加捻的纳米纤维纱在引纱罗拉的作用下输出，经卷绕机构卷绕成筒。
全文摘要
一种静电纺纳米纤维喷气纺纱机，包括高压静电发生器、带有加压装置的储液罐、横流气泵、集聚单元、纺丝单元、半圆形基座、集束器、喷嘴加捻器、引纱罗拉和卷绕机构。本发明集喷丝、集聚、牵伸、加捻和卷绕于一体，可以连续制备静电纺纳米纤维纱。极大提高了静电纺纳米纤维的产量；加捻器结构简单，生产效率高。本发明的纳米纤维成纱方法工艺简单、纱线产量高，适合多种聚合物纺丝溶液，可以实现纳米纤维纱的连续批量制备。
文档编号D01D5/00GK103147179SQ20131010160
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者何建新, 崔世忠, 周伟涛, 梅硕 申请人:中原工学院