一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法
【专利摘要】本发明公布了一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，空心的旋转离心柱，所述旋转离心柱外壁设置有多个喷嘴，所述喷嘴通过旋转离心柱壁上的径向通道与旋转离心柱中心腔体相通；位于旋转离心柱外围的可旋转圆筒收集器；位于可旋转圆筒收集器上方的罗拉；及位于所述罗拉后端的卷绕装置和驱动卷绕装置转动的传动装置。一种一步成型制备纳米纤维成纱的制备方法。本发明根据高速离心纺制备纳米纤维的优点，同时结合收集器自旋的技术路径，得到了可调控、高取向的纳米纤维纱线。它的产量相比较与其他制备纳米纤维的方法大幅度提高，其纺丝质量也有很大的改善、纳米纤维纱线的机械性能也有所增强，其加工重复性好，有较好的工业生产前景。
【专利说明】
一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法
技术领域
[0001]本发明属于纺织技术领域，特别是涉及一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法。
【背景技术】
[0002]由于纳米纤维具有超大比表面积、超细孔隙度和良好的理化性质等其它纤维所不能拥有的独特优势倍受专家、学者的青睐，其广泛的应用领域而被公众所关注，主要用于组织工程支架、药物释放、过滤介质、人造血管、生物芯片、纳米传感器、光学、能量储存、复合材料等领域。制备纳米纤维的方法有许多种，如拉伸法、微相分离、模板合成、自组装、静电纺丝等。其中静电纺丝法可以直接从聚合物或复合材料中制备连续纤维，它以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。然而，目前静电纺产品大多为纳米纤维膜，其产品形式单一，使得纳米纤维的应用范围有限。纳米纤维膜的无规取向结构及较差的力学性能极大地限制了它的纺织应用。其固有缺陷限制了该方法商业大规模使用:主要有纳米纤维制备过程中需要施加高压电场特别是多针头离心静电纺丝，从泰勒锥顶喷射出的射流会由于携带同种电荷而发生相互排斥，容易使针头尖端液滴不稳定，造成针头堵塞或液滴滴落，制备的纳米纤维形貌和直径均匀性差、生产效率低；制备纳米纤维原料单一，只限于聚合物，而陶瓷、金属材料的纳米纤维无法采用此方法制得;聚合物需要一定比例的溶剂使溶液具有传导率过程中而产生的污染。近年来，也在不断的改进加工方法，如喷气成纱方法、双电极取向成纱方法、涡流成纱法、湿法及收集器旋转法等，其中一些装置由于无法控制好各喷头间电场排斥作用，纺丝液射流方向不稳定，导致制备的纳米纤维束中纤维定向度低，力学性能差。同时一些改进的装置能够提高制备的纳米纤维束定向度，但是其装置结构复杂，喷丝头数量及其它结构变化不灵活，纤维束结构单一，也限制了装置的推广。如何克服静电纺丝制备纳米纤维的固有缺陷，研究设计一种不需要施加高压电场、能够制备不受传导率约束的纳米纤维而生产效率又能够得到大幅提高的制备方法已成国内外制备纳米纤维的研究重点，高速离心力纺制备纳米纤维纱线正满足这一工业和研究需求。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于针对上述问题，提供一种能够改善纺丝质量的一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法。
[0004]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:
一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:其包括空心的旋转离心柱，所述旋转离心柱外壁设置有多个喷嘴，所述喷嘴通过旋转离心柱壁上的径向通道与旋转离心柱中心腔体相通；
位于旋转离心柱外围的可旋转圆筒收集器；
位于可旋转圆筒收集器上方的罗拉； 及位于所述罗拉后端的卷绕装置和驱动卷绕装置转动的传动装置。
[0005]其进一步特征在于:所述的旋转离心柱为圆形或方形。
[0006]优选的:所述喷嘴直径为101M?500μπι。
[0007]可旋转圆筒收集器内径为200 mm?400 mm，厚度为25mm。
[0008]所述旋转离心柱、径向通道、多个喷嘴与可旋转圆筒收集器呈左右对称布置。
[0009]所述罗拉安装在可旋转圆筒收集器上方，距离可旋转圆筒收集器底部的直线距离为25 cm?35 cm。
[0010]—种采用上述一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置的一步成型制备纳米纤维成纱的制备方法，其特征在于包括下述步骤:
(1)通过旋转离心柱分别向径向通道、多个喷嘴提供纺丝液，旋转离心柱、径向通道、喷嘴高速旋转；
(2)纺丝液在高速离心力作用下，由多个喷嘴分别喷出射流，在这个过程中纺丝液中的溶剂挥发，得到多根纳米纤维旋转到可旋转圆筒收集器上；
(3)可旋转圆筒收集器以一定速度自旋，使纳米纤维具有一定捻度，并形成具有一定捻度的纳米纤维纱线；
(4)加捻成的纳米纤维纱线经罗拉引出后，被卷绕装置收集。
[0011]优选的:所述可旋转圆筒收集器旋转速度为80r/min?150 r/min;所述卷绕装置旋转速度为300 r/min?2500 r/min。
[0012]一种实施方式具体步骤为:
a、配制PLA质量分数为5%的01(:13溶液，经过磁力搅拌和超声后使其充分溶解；
b、将得到的CHC13溶液注入旋转离心柱，并随旋转离心柱高速旋转，通过径向通道连续向多个喷嘴供液；
c、在高速旋转离心力的作用下，CHC13溶液喷出喷嘴，在这个过程中CHC13溶剂挥发，得到多根PLA纳米纤维旋转到可旋转圆筒收集器上;通过控制旋转离心柱的转速来实现调控PLA纳米纤维的直径；
d、旋转离心柱上的多个单根PLA纳米纤维由可旋转圆筒收集器做自旋运动以实现PLA纳米纤维成束，并在过程中形成具有一定捻度的PLA纳米纤维纱线由罗拉引出；
e、经过加捻的PLA纳米纤维纱被卷绕装置收集，即可得到纳米纤维纱线。
[0013]本发明根据高速离心纺制备纳米纤维的优点，同时结合收集器自旋的技术路径，得到了可调控、高取向的纳米纤维纱线。它的产量相比较与其他制备纳米纤维的方法大幅度提高，其纺丝质量也有很大的改善、纳米纤维纱线的机械性能也有所增强，其加工重复性好，有较好的工业生产前景。
【附图说明】
[0014]图1是本发明中高速旋转离心纺一步法制备纳米纤维纱线的操作步骤示意图。
[0015]图2离心喷丝头结构原理图。
【具体实施方式】
[0016]如图1、2所示，一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其包括空心的旋转离心柱I，所述旋转离心柱I外壁设置有多个喷嘴3，所述喷嘴3通过旋转离心柱I壁上的径向通道2与旋转离心柱I中心腔体相通;位于旋转离心柱I外围的可旋转圆筒收集器5;位于可旋转圆筒收集器5上方的罗拉6;及位于所述罗拉6后端的卷绕装置8和驱动卷绕装置8转动的传动装置9。所述的旋转离心柱I形状可以为圆形或方形。所述喷嘴3直径为ΙΟΟμπι?500μηι。可旋转圆筒收集器5内径为200 mm~400 mm，厚度为25mm。所述旋转离心柱1、径向通道2、多个喷嘴3与可旋转圆筒收集器5呈左右对称布置。所述罗拉7安装在可旋转圆筒收集器5上方，距离可旋转圆筒收集器54底部的直线距离为25 cm?35 cm。
[0017]实施例1:PLA纳米纤维纱线的制备
a、配制PLA质量分数为5 %的01(:13溶液，经过磁力搅拌和超声后使其充分溶解。
[0018]b、将得到的CHCl3溶液注入旋转离心柱I，旋转离心柱1、径向通道2、喷嘴3为联动装置，并随旋转离心柱I高速旋转，径向通道2连续向多个喷嘴3供液。
[0019]c、在高速旋转离心力的作用下，CHCl3溶液喷出喷嘴3，在这个过程中CHCl3溶剂挥发，得到多根PLA纳米纤维4旋转到圆筒收集器5上。通过控制旋转离心柱I的转速来实现调控纳米纤维的直径。
[0020]d、旋转离心柱I上的多个单根PLA纳米纤维4由可旋转圆筒收集器5以一定的速度做自旋运动以实现纤维成束并在过程中形成具有一定捻度的PLA纳米纤维纱线6由罗拉7引出。
[0021]e、经过加捻的PLA纳米纤维纱线6被卷绕装置8收集，S卩可得到连续的纳米纤维纱线。
[0022]
实施例2:尼龙纳米纤维纱线的制备
a、配制尼龙质量分数为8?12%的甲酸溶液，经过磁力搅拌和超声后使其充分溶解。
[0023]b、将得到的甲酸溶液注入旋转离心柱I，旋转离心柱1、径向通道2、喷嘴3为联动装置，并随旋转离心柱I高速旋转，径向通道2连续向多个喷嘴3供液。
[0024]C、在高速旋转离心力的作用下，甲酸溶液喷出喷嘴3，在这个过程中甲酸溶剂挥发，得到多根尼龙纳米纤维旋转到圆筒收集器5上。通过控制旋转离心柱I的转速来实现调控纳米纤维的直径。
[0025]d、旋转离心柱I上的多个单根尼龙纳米纤维由可旋转圆筒收集器5以一定的速度做自旋运动以实现纤维成束并在过程中形成具有一定捻度的尼龙纳米纤维纱线由罗拉7引出。
[0026]e、经过加捻的尼龙纳米纤维纱线被卷绕装置8收集，即可得到连续的尼龙纳米纤维纱线。
[0027]
实施例3: PAN纳米纤维纱线的制备
a、配制PAN质量分数为5?10%的DMF溶液，经过磁力搅拌和超声后使其充分溶解。
[0028]b、将得到的DMF溶液注入旋转离心柱I，旋转离心柱1、径向通道2、喷嘴3为联动装置，并随旋转离心柱I高速旋转，径向通道2连续向多个喷嘴3供液。
[0029 ] c、在高速旋转离心力的作用下，DMF溶液喷出喷嘴3，在这个过程中DMF溶剂挥发，得到多根PAN纳米纤维旋转到圆筒收集器5上。通过控制旋转离心柱I的转速来实现调控纳米纤维的直径。
[0030]d、旋转离心柱I上的多个单根PAN纳米纤维由可旋转圆筒收集器5以一定的速度做自旋运动以实现纤维成束并在过程中形成具有一定捻度的PAN纳米纤维纱线由罗拉7引出。
[0031]e、经过加捻的PAN纳米纤维纱线被卷绕装置8收集，S卩可得到连续的PAN纳米纤维纱线。
[0032]以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:其包括 空心的旋转离心柱，所述旋转离心柱外壁设置有多个喷嘴，所述喷嘴通过旋转离心柱壁上的径向通道与旋转离心柱中心腔体相通； 位于旋转离心柱外围的可旋转圆筒收集器； 位于可旋转圆筒收集器上方的罗拉； 及位于所述罗拉后端的卷绕装置和驱动卷绕装置转动的传动装置。2.根据权利要求1所述的一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:所述的旋转离心柱为圆形或方形。3.根据权利要求2所述的一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:所述喷嘴直径为100μπι~500μπι。4.根据权利要求1-3任一项所述的一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:可旋转圆筒收集器内径为200 mm~400 mm，厚度为25mm。5.根据权利要求1-3任一项所述的一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:所述旋转离心柱、径向通道、多个喷嘴与可旋转圆筒收集器呈左右对称布置。6.根据权利要求1-3任一项所述的一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置，其特征在于:所述罗拉安装在可旋转圆筒收集器上方，距离可旋转圆筒收集器底部的直线距离为25 cm?35 cm。7.—种采用权利要求1所述一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置的一步成型制备纳米纤维成纱的制备方法，其特征在于包括下述步骤: (1)通过旋转离心柱分别向径向通道、多个喷嘴提供纺丝液，旋转离心柱、径向通道、喷嘴高速旋转； (2)纺丝液在高速离心力作用下，由多个喷嘴分别喷出射流，在这个过程中纺丝液中的溶剂挥发，得到多根纳米纤维旋转到可旋转圆筒收集器上； (3)可旋转圆筒收集器以一定速度自旋，使纳米纤维具有一定捻度，并形成具有一定捻度的纳米纤维纱线； (4)加捻成的纳米纤维纱线经罗拉引出后，被卷绕装置收集。8.根据权利要求7所述的一步成型制备纳米纤维成纱的制备方法，其特征在于:所述可旋转圆筒收集器旋转速度为80 r/min~150 r/min;所述卷绕装置旋转速度为300 r/min~2500 r/min。9.根据权利要求7或8所述的一步成型制备纳米纤维成纱的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体步骤为: a、配制PLA质量分数为5%的01(:13溶液，经过磁力搅拌和超声后使其充分溶解； b、将得到的CHCl3溶液注入旋转离心柱，并随旋转离心柱高速旋转，通过径向通道连续向多个喷嘴供液； c、在高速旋转离心力的作用下，CHCl3溶液喷出喷嘴，在这个过程中CHCl3溶剂挥发，得到多根PLA纳米纤维旋转到可旋转圆筒收集器上;通过控制旋转离心柱的转速来实现调控PLA纳米纤维的直径； d、旋转离心柱上的多个单根PLA纳米纤维由可旋转圆筒收集器做自旋运动以实现PLA纳米纤维成束，并在过程中形成具有一定捻度的PLA纳米纤维纱线由罗拉引出；e、经过加捻的PLA纳米纤维纱被卷绕装置收集，即可得到纳米纤维纱线。
【文档编号】D01F6/60GK105887223SQ201610308336
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】魏取福, 吕鹏飞, 李大伟, 李国辉, 王清清, 黄锋林, 蔡以兵, 乔辉
【申请人】江南大学