專利名稱：一種靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)及納米纖維紗線的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紡織機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種靜電紡紗系統(tǒng)，具體涉及一種 靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該系統(tǒng)制備納米纖維紗線的方法。
靜電紡是在高電場(chǎng)下獲得納米纖維的一種技術(shù)，該技術(shù)中使用的原料可 以是溶液、瑢體或聚合物，也可以是以聚合物為載體的金屬或陶瓷等無機(jī)物; 可以是純聚合物，也可以是聚合物合金等。
靜電紡射流在電場(chǎng)中受鞭動(dòng)、曲張以及裂分等因素的影響，典型的靜電 紡射流以螺旋狀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沉積到收集屏上，得到的是纖維呈隨機(jī)排列的非織 造布?xì)?。為擴(kuò)大靜電紡的應(yīng)用領(lǐng)域，需要改變紡絲工藝，制備出具有周期性 有序結(jié)構(gòu)的制品。例如，利用特殊的靜電紡絲法，可以生產(chǎn)出諸如皮芯纖維 或者中空纖維等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的纖維，也可制備出單根纖維或具有定向排列 纖維結(jié)構(gòu)的紗線。
目前，已經(jīng)有一些用于提高靜電紡纖維有序程度的方法。Theron [A. Theron, E. Zussman， A. L. Yarin, Nanotechnology 2001， 12, 384.]等利用鋁制錐 形盤(外徑為200mm，厚度為5 mm)對(duì)靜電紡納米纖維進(jìn)行定向排列。該 方法得到的聚氧化乙烯(PEO)基納米纖維的直徑為100nm 300nm，可以
根據(jù)需要控制纖維之間的平均間距。但由于盤的邊沿相對(duì)尖銳，這種方法很難在大面積上獲得定向排列的纖維。Katta [P. Katta, et al. Nano Lett.2004, 4, 2215.]等利用銅線框制成的旋轉(zhuǎn)鼓作為收集裝置，隨著鼓的旋轉(zhuǎn)，收集到平 行排列的纖維。Li [D. Li, et al. Nano Lett. 2003， 3， 1167.; D. Li， et al. Adv. Mater. 2004， 16， 361.]等利用相距數(shù)百微米到幾個(gè)厘米的兩片導(dǎo)電電極作為 收集裝置，獲得了平行排列的聚合物以及陶瓷納米纖維。通過靜電力的相互 作用，帶電納米纖維會(huì)以伸直狀態(tài)跨到間隙上，因此會(huì)在較大面積上獲得單 軸定向排列的納米纖維束。另外，由于纖維是懸浮在間隙上，所以易于轉(zhuǎn)移 到其它基底上作進(jìn)一步的處理和應(yīng)用。Shin [M.K. Shin, et al. Appl. Phys. Lett. 2006, 88， 223109-1]等在傳統(tǒng)的靜電紡工藝中通過引入平行排列的次電極，改 變了靜電紡體系中的電場(chǎng)分布，即由常規(guī)靜電場(chǎng)(Ordinary electric field)變 成了裂分靜電場(chǎng)(Splitting electric field),使得纖維由螺旋狀變成了線性取向 納米纖維。Dalton [P. D. Dalton, et al. Polymer 2005， 46, 611.]等利用豎直放置 的、與噴絲頭等距的兩個(gè)接地不銹鋼圓環(huán)作為收集裝置，通過靜電紡制備出 了懸浮于空氣中的三維定向排列纖維束，得到的纖維束通過旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)圓 環(huán)即轉(zhuǎn)變成復(fù)絲紗，直徑小于5 pm?！都{米纖維長(zhǎng)絲束的制備方法》(申請(qǐng) 號(hào)200510038571.5，
公開日2005.10.26，公開號(hào)CN1687493 )和Pan[H. Pan, et al. Polymer 2006， 47, 4901.]等利用兩個(gè)相對(duì)放置的金屬針頭(分別接正負(fù) 電壓)作為噴絲頭，從兩個(gè)針頭噴出來的纖維會(huì)在空中相互吸引、碰撞，形 成復(fù)合納米纖維，經(jīng)拉伸纏繞到高速旋轉(zhuǎn)的滾筒上形成長(zhǎng)絲束。利用該種方 法獲得的纖維連續(xù)、排列良好，而且可以在較大面積上沉積。Dabirian [Dabirian, F.， et al. The Journal of the Textile Institute 2007, 98, 237.]等在傳統(tǒng) 靜電紡電場(chǎng)體系中，利用一根帶負(fù)電的棒控制電場(chǎng)，使靜電紡纖維射流改變 方向，并收集在旋轉(zhuǎn)滾筒上，制得了纖維沿單軸取向的加捻紗。Teo [W.E. Teo,R. Gopal, R. Ramaseshan, K. Fujihara, S. Ramakrishna, Polymer 2007， 48, 3400.] 等利用液相渦流對(duì)靜電紡纖維進(jìn)行收集，獲得了連續(xù)納米纖維紗。Gu[B.K. Gu， et al., Appl. Phys. Lett. 2007,卯，263902.]等在傳統(tǒng)的靜電紡體系中引入 兩端開口的箱形輔助電極，通過周期性改變電場(chǎng),控制射流的運(yùn)動(dòng),制得了具 有一定捻度的納米纖維紗。Okuzaki [H. Okuzaki, et al. 2008, 46, 305.]等利用
在靜屯紡過程中同時(shí)形成的垂:w于接收電極表面且與電場(chǎng)平行的
poly(p-xylenetetrahydrothiophenium chloride) (PTXC)納米纖維紗作為母體， 成功的通過碳化制備了沿單軸定向排列的碳纖維。但h述方法存在著不能獲 得穩(wěn)定迮續(xù)的納米纖維紗線，且纖維不能較好的定向排列的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，可穩(wěn)定連續(xù)地獲得 纖維定向排列較好的納米纖維紗線。
本發(fā)明的另一目的是提供利用上述系統(tǒng)制備納米纖維紗線的方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn) 軸，旋轉(zhuǎn)軸由上而下依次設(shè)置有沿半徑開有一通槽的環(huán)氧樹脂制成的圓盤、 滑塊和切刀槽，旋轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)A相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)A帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，
圓盤的上表面沿外邊緣固定有環(huán)形的銅膜，銅膜對(duì)應(yīng)于圓盤的通槽位置 有一徑向缺口，圓盤的上方設(shè)置有注射器，注射器的出口與銅膜相對(duì)應(yīng)，注 射器的出口處安裝有金屬針頭，金屬針頭通過導(dǎo)線與直流高壓發(fā)生器的正極 相連接，
切刀槽由金屬制成的兩條形片構(gòu)成，切刀槽的一端固定于旋轉(zhuǎn)軸的外圓 周，切刀槽的另一端通過圓盤上的通槽，且兩金屬條形片分別與銅膜的徑向 缺口的兩邊相接觸，切刀槽與直流高壓發(fā)生器的負(fù)極相連接，切刀槽的兩金屬條形片之間設(shè)置有一非金屬材料制成的切刀，切刀的一 端通過切刀槽與旋轉(zhuǎn)軸相連，并可轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀的另一端為自由狀，且通過圓 盤上的通槽，伸至圓盤的上面，并可沿該通槽移動(dòng)，
滑塊與驅(qū)動(dòng)電機(jī)B相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)B帶動(dòng)沿旋轉(zhuǎn)軸的軸向滑動(dòng)， 圓盤的一側(cè)設(shè)置有導(dǎo)絲輥，導(dǎo)絲輥與圓盤不相接觸，導(dǎo)絲輥的下方設(shè)置
有加捻裝置，加捻裝置的下方平行設(shè)置有分別與回轉(zhuǎn)裝置相連接的巻取輥和
引線回收輥。
本發(fā)明的特征還在于，
加捻裝置，包括靜止不動(dòng)的加捻羅拉A和與其相對(duì)設(shè)置的可往復(fù)移動(dòng)的 加捻羅拉B。
金屬針頭與銅膜之間的接收距離為70mm 150mm。 金屬針頭的內(nèi)徑為0.5mm 2mm。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案是， 一種利用上述靜電紡系統(tǒng)制備納米纖維紗線 的方法，按以下步驟進(jìn)行-
步驟l:將聚合物溶解于溶劑，制得濃度為10wt。/。 16wt。/。紡絲溶液； 步驟2:采用上述靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn) 軸由上而下依次設(shè)置有沿半徑開有一通槽的環(huán)氧樹脂制成的圓盤、滑塊和切 刀槽，旋轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)A相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)A帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，
圓盤的上表面沿外邊緣固定有一環(huán)形的銅膜，銅膜對(duì)應(yīng)于圓盤的通槽的 位置有一徑向缺口，圓盤的上方設(shè)置有注射器，注射器的出口與銅膜相對(duì)應(yīng), 注射器的出口處安裝有金屬針頭，金屬針頭通過導(dǎo)線與直流高壓發(fā)生器的正 極相連接，
切刀槽由金屬制成的兩條形片構(gòu)成，切刀槽的一端固定于旋轉(zhuǎn)軸的外圓周，切刀槽的另一端通過圓盤上的通槽，且兩金屬條形片分別與銅膜的徑向 缺口的兩邊相接觸，切刀槽與直流高壓發(fā)生器的負(fù)極相連接，
構(gòu)成切刀槽的兩金屬條形片之間有一非金屬材料制成的切刀，切刀的一 端通過切刀槽與旋轉(zhuǎn)軸相連，并可轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀的另一端呈自由狀，并通過圓 盤上的通槽，伸至圓盤的上面，
滑塊與驅(qū)動(dòng)電機(jī)B相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)B帶動(dòng)沿旋轉(zhuǎn)軸的軸向滑動(dòng)， 圓盤的一側(cè)設(shè)置有導(dǎo)絲輥，導(dǎo)絲輥與圓盤不相接觸，導(dǎo)絲輥的下方設(shè)置
有加捻裝置，加捻裝置的下方平行設(shè)置有分別與回轉(zhuǎn)裝置相連接的巻取輥和
引線回收輥，
具體步驟為-
將步驟1得到的紡絲溶液注入上述系統(tǒng)的注射器內(nèi)，開啟直流高壓發(fā)生 器，金屬針頭與銅膜之間形成靜電場(chǎng)，注射器內(nèi)的紡絲溶液在該靜電場(chǎng)作用 下，通過注射器的出口，從金屬針頭噴出，噴向銅膜，形成靜電紡射流，該 靜電紡射流以螺旋狀運(yùn)動(dòng)軌跡有序沉積到銅膜的表面，纖維沉積一段時(shí)間 后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)B，驅(qū)動(dòng)電機(jī)B帶動(dòng)滑塊沿旋轉(zhuǎn)軸向下滑動(dòng)，并帶動(dòng)切刀 繞其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使切刀的自由端沿圓盤的通槽，由中心向外移動(dòng)，將沉積 于銅膜表面的環(huán)狀納米纖維束切斷，同時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)A和回轉(zhuǎn)裝置，驅(qū) 動(dòng)電機(jī)A通過旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)圓盤和銅膜轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)巻取輥和引線回收 輥旋轉(zhuǎn)，引線回收輥旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)引線移動(dòng)，銅膜表面與引線接觸的納米纖維束 的一端隨引線的移動(dòng)而被引出，納米纖維束的另一端與新沉積的納米纖維搭 接，此時(shí)，開啟加捻裝置，對(duì)引出的納米纖維束加捻，引線和納米纖維紗線 在巻取輥附近分離，納米纖維紗線纏繞于巻取輥的外表面，引線則纏繞與引 線回收輥的外表面，上述過程中，圓盤每旋轉(zhuǎn)一周，切刀就在納米纖維束拉出的位置處切割一次，得到連續(xù)的納米纖維紗線。
其中的聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一種。 其中的溶劑為二甲基甲酰胺或蒸餾水。
其中步驟2中，控制各參數(shù)為室溫、相對(duì)濕度40% 70%、電壓20kV 40kV以及巻取輥的巻繞速度5r/min 15r/min。
本發(fā)明的有益效果是集紡紗、牽伸、加捻和巻繞于一體，可連續(xù)制備納 米纖維紗，并且可以通過控制旋轉(zhuǎn)盤接收電極的旋轉(zhuǎn)速度，得到一系列不同 細(xì)度的納米纖維紗。在很大程度上優(yōu)化了靜電紡制備納米纖維紗的工藝方 法。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi).直流高壓發(fā)生器，2.注射器，3.金屬針頭，4.纖維，5.銅膜，6. 圓盤，7.導(dǎo)絲輥，8.引線，9.加捻羅拉A， IO.加捻羅拉B， ll.巻取輥，12.引 線回收輥，13.驅(qū)動(dòng)電機(jī)A， 14.驅(qū)動(dòng)電機(jī)B， 15.滑塊，16.切刀，17.切刀槽，18.
旋轉(zhuǎn)軸。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明靜電紡系統(tǒng)一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。包括旋轉(zhuǎn)軸18，旋
轉(zhuǎn)軸18由上而下依次設(shè)置有沿半徑開有一通槽的環(huán)氧樹脂制成的圓盤6、滑
塊15和切刀槽17，旋轉(zhuǎn)軸18位于圓盤6的下方，并與驅(qū)動(dòng)電機(jī)A13相連
接，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)A13帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
圓盤6的上表面沿外邊緣固定有環(huán)形的銅膜5，銅膜5在相應(yīng)于圓盤6的通槽的位置斷開，形成一徑向缺口。圓盤6的上方設(shè)置有注射器2，注射 器2的出口與銅膜5相對(duì)應(yīng)，注射器2的出口處安裝有金屬針頭3，金屬針 頭3通過導(dǎo)線與直流高壓發(fā)生器1的正極相連接。
切刀槽17由金屬制成的兩條形片構(gòu)成，切刀槽17的一端固定于旋轉(zhuǎn)軸 18的外圓周上，構(gòu)成切刀槽17的兩金屬條形片的另一端通過圓盤6上的通 槽分別與銅膜5的缺口的兩邊相接觸，切刀槽17與直流高壓發(fā)生器1的負(fù) 極相連接。
構(gòu)成切刀槽17的兩金屬條形片之間有一非金屬材料制成的切刀16，切 刀16的一端通過切刀槽17與旋轉(zhuǎn)軸18相連，并可轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀16的另一端 呈自由狀，并通過圓盤6上的通槽，伸至圓盤6的上面。
滑塊15設(shè)置于旋轉(zhuǎn)軸18的外圓周上，滑塊15與驅(qū)動(dòng)電機(jī)B14相連接， 并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)B14帶動(dòng)沿旋轉(zhuǎn)軸18軸向滑動(dòng)。
圓盤6的側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)絲輥7，導(dǎo)絲輥7與圓盤6不相接觸，并與圓盤 6處于同一水平面內(nèi)。導(dǎo)絲輥7的下方并排設(shè)置有加捻羅拉A9和加捻羅拉 BIO，加捻羅拉A9和加捻羅拉B10之間有間隙，加捻羅拉A9靜止不動(dòng)，加 捻羅拉B10與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，并由該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)相對(duì)于加捻羅拉A9往 復(fù)移動(dòng)，加捻羅拉A9和加捻羅拉B10的下方平行設(shè)置有巻取輥11和引線 回收輥12，巻取輥11和引線回收輥12分別與回轉(zhuǎn)裝置相連接。
銅膜5的上面放置有引線8，引線8的一端與銅膜5相接觸，另一端依 次繞過導(dǎo)絲輥7、通過加捻羅拉A9和加捻羅拉B10之間的間隙、繞過巻取 輥11并巻繞在引線回收輥12上。
本發(fā)明系統(tǒng)中 '
金屬針頭的內(nèi)徑為0.5mm 2mm。注射器與銅膜之間的接收距離為70mm 150mm。 旋轉(zhuǎn)軸采用絕緣材料制成。
利用上述靜電紡纖維紗線系統(tǒng)制備纖維紗線的方法，按以下步驟進(jìn)行
步驟1:將聚合物溶解于溶劑，制得濃度為10wtM 16wtQ/。的紡絲溶液;
步驟2:采用上述靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，在室溫、相對(duì)濕度為40% 70%的環(huán)境中，將步驟1制得的紡絲溶液注入上述系統(tǒng)的注射器2內(nèi)，開啟 直流高壓發(fā)生器1，控制電壓為20KV 40KV。金屬針頭3與銅膜5之間形 成靜電場(chǎng)，注射器2內(nèi)的紡絲溶液在該靜電場(chǎng)的作用下，通過注射器2的出 口，從金屬針頭3噴出，噴向銅膜5，形成靜電紡射流，該靜電紡射流以螺 旋狀運(yùn)動(dòng)軌跡有序沉積到銅膜5的表面。纖維沉積一段時(shí)間后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電 機(jī)B14，驅(qū)動(dòng)電機(jī)B14帶動(dòng)滑塊15沿旋轉(zhuǎn)軸18向下滑動(dòng)，并帶動(dòng)切刀16 繞其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀16的自由端由圓盤6的中心沿通槽移動(dòng)，將沉積于 銅膜5表面的環(huán)狀的納米纖維束切斷。同時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)A13和回轉(zhuǎn)裝置， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)A13通過旋轉(zhuǎn)軸18帶動(dòng)圓盤6和銅膜5轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)巻取 輥11和引線回收輥12旋轉(zhuǎn)，控制巻取輥11的巻繞速度為5r/min 15r/min， 引線回收輥12旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)引線8移動(dòng)，銅膜5表面與引線8接觸的納米纖維 束的一端隨引線8的移動(dòng)而被引出，納米纖維束的另一端與新沉積的納米纖 維搭接，此時(shí)，開啟加捻羅拉BIO，加捻羅拉B10水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與加捻羅 拉A9配合，對(duì)引出的納米纖維束加捻。引線8和納米纖維紗線在巻取輥11 附近分離，納米纖維紗線纏繞于巻取輥11的外表面，引線8則纏繞與引線 回收輥12的外表面。在上述過程中，圓盤6每旋轉(zhuǎn)一周，切刀16就在納米 纖維束拉出的位置處切割一次，得到連續(xù)的納米纖維紗線。
本發(fā)明制備納米纖維紗線的方法中，使用的聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一種。 使用的溶劑為二甲基甲酰胺或蒸餾水。
利用加捻羅拉A9和加捻羅拉BIO對(duì)納米纖維束進(jìn)行加捻，加捻后的紗 線具有更高的強(qiáng)度，防止巻繞過程中紗線在纖維束接頭處或其它部位斷頭上 述技術(shù)方案中。
實(shí)施例h
將聚丙烯腈(PAN) (Mw = 70,000 g/mol)溶解在溶劑N, N-二甲基甲酰 胺(DMF)中，配成濃度為13wt。/。的紡絲液。將該紡絲溶液注入靜電紡納米 纖維紗線系統(tǒng)的注射器2中，在室溫、相對(duì)濕度為40%的環(huán)境中，開啟上述 系統(tǒng)的直流高壓發(fā)生器l，控制電壓為20kV，靜電紡射流以螺旋狀運(yùn)動(dòng)軌跡 有序沉積于銅膜5的表面，注射器2與銅膜5之間的接收距離為70mm，纖維沉 積一段時(shí)間后，利用切刀16將獲得的環(huán)狀納米纖維束切斷，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)銅膜5、 巻取輥11和引線回收輥12，通過預(yù)先放置于銅膜5上的一條繞過導(dǎo)絲輥7、經(jīng) 過加捻裝置、巻取輥ll，最后纏繞于引線回收輥12表面的引線8，將納米纖 維束的一端引出，另一端則與新沉積的纖維進(jìn)行搭接，開啟加捻裝置給纖維 束進(jìn)行加捻，引線和納米纖維紗在巻取輥ll附近分離，納米纖維紗纏繞到巻 取輥11上，控制巻取輥ll的巻繞速度為5r/min。弓l線8則纏繞到回收輥12上。 圓盤6每旋轉(zhuǎn)一周，切刀16就在納米纖維紗線的拉出位置切割一次，得到連 續(xù)的納米纖維紗線。該納米纖維紗線的斷裂強(qiáng)度為3cN/tex 8cN/tex，斷裂 伸長(zhǎng)率為120% 160%。
實(shí)施例2:
將聚乙烯醇(PVA) 1788型粉末溶解在70。C蒸餾水中，配成濃度為16wt0/0 的紡絲液。將該紡絲溶液注入靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)的注射器2中，在室溫、相對(duì)濕度為55%的環(huán)境中，開啟上述系統(tǒng)的直流高壓發(fā)生器l，控制電 壓為30kV，靜電紡射流以螺旋狀運(yùn)動(dòng)軌跡有序沉積于銅膜5的表面，注射器2 與銅膜5之間的接收距離為110mm，纖維沉積一段時(shí)間后，利用切刀16將獲 得的環(huán)狀納米纖維束切斷，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)銅膜5、巻取輥11和引線回收輥12,通 過預(yù)先放置于銅膜5上的一條繞過導(dǎo)絲輥7、經(jīng)過加捻裝置、巻取輥ll，最后 纏繞于引線回收輥12表面的引線8，將納米纖維束的一端引出，另一端則與 新沉積的纖維進(jìn)行搭接，開啟加捻裝置給纖維束進(jìn)行加捻，引線和納米纖維 紗在巻取輥ll附近分離，納米纖維紗纏繞到巻取輥ll上，控制巻取輥ll的巻 繞速度為10r/min。引線8則纏繞到回收輥12上。圓盤6每旋轉(zhuǎn)一周，切刀16 就在納米纖維紗線的拉出位置切割一次，得到連續(xù)的納米纖維紗線。該納米 纖維紗線的斷裂強(qiáng)度為3cN/tex 6cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為130% 180%。 實(shí)施例3:
將聚氧化乙烯(PEO) (Mw = 3X105g/mol)溶解在70。C蒸餾水中，配 成濃度為10wt。/。的紡絲液。將該紡絲溶液注入靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)的注 射器2中，在室溫、相對(duì)濕度為70%的環(huán)境中，開啟上述系統(tǒng)的直流高壓發(fā) 生器l，控制電壓為40kV，靜電紡射流以螺旋狀運(yùn)動(dòng)軌跡有序沉積于銅膜5 的表面，注射器2與銅膜5之間的接收距離為150mm，纖維沉積一段時(shí)間后， 利用切刀16將獲得的環(huán)狀納米纖維束切斷，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)銅膜5、巻取輥ll和引 線回收輥12，通過預(yù)先放置于銅膜5上的一條繞過導(dǎo)絲輥7、經(jīng)過加捻裝置、 巻取輥ll,最后纏繞于引線回收輥12表面的引線8，將納米纖維束的一端引 出，另一端則與新沉積的纖維進(jìn)行搭接，開啟加捻裝置給纖維束進(jìn)行加捻， 引線和納米纖維紗在巻取輥ll附近分離，納米纖維紗纏繞到巻取輥ll上，控 制巻取輥ll的巻繞速度為15r/min，而引線8則纏繞到回收輥12上。圓盤6每旋 轉(zhuǎn)一周，切刀16就在納米纖維紗線的拉出位置切割一次，得到連續(xù)的納米纖 維紗線。該納米纖維紗線的斷裂強(qiáng)度為3cN/tex 7cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為 110% 170o/o。
權(quán)利要求
1. 一種靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，其特征在于，包括旋轉(zhuǎn)軸(18)，旋轉(zhuǎn)軸(18)由上而下依次設(shè)置有沿半徑開有一通槽的環(huán)氧樹脂制成的圓盤(6)、滑塊(15)和切刀槽(17)，旋轉(zhuǎn)軸(18)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)A(13)相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)A(13)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述圓盤(6)的上表面沿外邊緣固定有環(huán)形的銅膜(5)，銅膜(5)對(duì)應(yīng)于圓盤(6)的通槽位置有一徑向缺口，圓盤(6)的上方設(shè)置有注射器(2)，注射器(2)的出口與銅膜(5)相對(duì)應(yīng)，注射器(2)的出口處安裝有金屬針頭(3)，金屬針頭(3)通過導(dǎo)線與直流高壓發(fā)生器(1)的正極相連接，所述切刀槽(17)由金屬制成的兩條形片構(gòu)成，切刀槽(17)的一端固定于旋轉(zhuǎn)軸(18)的外圓周，切刀槽(17)的另一端通過圓盤(6)上的通槽，且兩金屬條形片分別與銅膜(5)的徑向缺口的兩邊相接觸，切刀槽(17)與直流高壓發(fā)生器(1)的負(fù)極相連接，所述切刀槽(17)的兩金屬條形片之間設(shè)置有一非金屬材料制成的切刀(16)，切刀(16)的一端通過切刀槽(17)與旋轉(zhuǎn)軸(18)相連，并可轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀(16)的另一端為自由狀，且通過圓盤(6)上的通槽，伸至圓盤(6)的上面，并可沿該通槽移動(dòng)，所述滑塊(15)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)B(14)相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)B(14)帶動(dòng)沿旋轉(zhuǎn)軸(18)的軸向滑動(dòng)，所述圓盤(6)的一側(cè)設(shè)置有導(dǎo)絲輥(7)，導(dǎo)絲輥(7)與圓盤(6)不相接觸，導(dǎo)絲輥(7)的下方設(shè)置有加捻裝置，加捻裝置的下方平行設(shè)置有分別與回轉(zhuǎn)裝置相連接的卷取輥(11)和引線回收輥(12)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，其特征在于，所述的加捻裝置，包括靜止不動(dòng)的加捻羅拉A (9)和與其相對(duì)設(shè)置的可往復(fù)移 動(dòng)的加捻羅拉B (10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，其特征在于，所述 金屬針頭(2)與銅膜(5)之間的接收距離為70mm 150mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，其特征在于，所述 金屬針頭(2)的內(nèi)徑為0.5mm 2mm。
5. —種利用權(quán)利要求1所述靜電紡系統(tǒng)制備納米纖維紗線的方法，其特 征在于，按以下步驟進(jìn)行步驟l::將聚合物溶解于溶劑，制得濃度為10wt。/。 16wt。/。紡絲溶液；步驟2:采用上述靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)軸(18)， 旋轉(zhuǎn)軸(18)由上而下依次設(shè)置有沿半徑開有一通槽的環(huán)氧樹脂制成的圓盤 (6)、滑塊(15)和切刀槽(17)，旋轉(zhuǎn)軸(18)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)A (13)相連 接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)A (13)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述圓盤(6)的上表面外邊緣固定有環(huán)形的銅膜(5)，銅膜(5)對(duì)應(yīng) 于圓盤(6)的通槽的位置有一徑向缺口 ，圓盤(6)的上方設(shè)置有注射器(2)， 注射器(2)的出口與銅膜(5)相對(duì)應(yīng)，注射器(2)的出口處安裝有金屬 針頭(3)，金屬針頭(3)通過導(dǎo)線與直流高壓發(fā)生器(1)的正極相連接，所述切刀槽(17)由金屬制成的兩條形片構(gòu)成，切刀槽(17)的一端固 定于旋轉(zhuǎn)軸(18)的外圓周，切刀槽17的另一端通過圓盤(6)上的通槽， 且兩金屬條形片分別與銅膜(5)的徑向缺口的兩邊相接觸，切刀槽(17) 與直流高壓發(fā)生器(1)的負(fù)極相連接，所述構(gòu)成切刀槽(17)的兩金屬條形片之間有一非金屬材料制成的切刀 (16)，切刀(16)的一端通過切刀槽(17)與旋轉(zhuǎn)軸(18)相連，并可轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀(16)的另一端呈自由狀，并通過圓盤(6)上的通槽，伸至圓盤 (6)的上面，所述滑塊(15)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)B (14)相連接，并由驅(qū)動(dòng)電機(jī)B (14)帶 動(dòng)沿旋轉(zhuǎn)軸(18)的軸向滑動(dòng)，所述圓盤(6)的一側(cè)設(shè)置有導(dǎo)絲輥(7)，導(dǎo)絲輥(7)與圓盤(6)不 相接觸，導(dǎo)絲輥(7)的下方設(shè)置有加捻裝置，加捻裝置的下方平行設(shè)置有 分別與回轉(zhuǎn)裝置相連接的巻取輥(11)和引線回收輥(12)，具體步驟為將步驟1得到的紡絲溶液注入上述系統(tǒng)的注射器(2)內(nèi)，開啟直流高 壓發(fā)生器(1)，金屬針頭(3)與銅膜(5)之間形成靜電場(chǎng)，注射器(2) 內(nèi)的紡絲溶液在該靜電場(chǎng)作用下，通過注射器(2)的出口，從金屬針頭(3) 噴出，噴向銅膜(5)，形成靜電紡射流，該靜電紡射流以螺旋狀運(yùn)動(dòng)軌跡有 序沉積到銅膜的表面，纖維沉積一段時(shí)間后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)B (14)，驅(qū)動(dòng) 電機(jī)B (14)帶動(dòng)滑塊(15)沿旋轉(zhuǎn)軸(18)向下滑動(dòng)，并帶動(dòng)切刀(16) 繞其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使切刀(16)的自由端沿圓盤(6)的通槽，由中心向外 移動(dòng)，將沉積于銅膜(5)表面的環(huán)狀納米纖維束切斷，同時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電 機(jī)A (13)和回轉(zhuǎn)裝置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A (13)通過旋轉(zhuǎn)軸(18)帶動(dòng)圓盤(6) 和銅膜(5)轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)巻取輥(11)和引線回收輥(12)旋轉(zhuǎn)， 引線回收輥(12)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)引線(8)移動(dòng)，銅膜(5)表面與引線(8)接 觸的納米纖維束的一端隨引線(8)的移動(dòng)而被引出，納米纖維束的另一端 與新沉積的納米纖維搭接，此時(shí)，開啟加捻裝置，對(duì)引出的納米纖維束加捻， 引線(8)和納米纖維紗線在巻取輥(11)附近分離，納米纖維紗線纏繞于 巻取輥(11)的外表面，引線(8)則纏繞與引線回收輥(12)的外表面，上述過程中，圓盤(6)每旋轉(zhuǎn)一周，切刀(16)就在納米纖維束拉出的位 置處切割一次，得到連續(xù)的納米纖維紗線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備納米纖維紗線的方法，其特征在于，所述 的聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備納米纖維紗線的方法，其特征在于，所述 的溶劑為二甲基甲酰胺或蒸餾水。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備纖維紗線的方法，其特征在于，步驟2 中，控制各參數(shù)為室溫、相對(duì)濕度40% 70%、電壓20kV 40kV以及巻 取輥(11)的巻繞速度5r/min 15r/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜電紡納米纖維紗線系統(tǒng)及納米纖維紗線的制備方法，包括旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸上分別設(shè)置有沿半徑開有通槽的圓盤、滑塊和切刀槽，圓盤上表面有環(huán)形銅膜，銅膜對(duì)應(yīng)于圓盤的通槽有一徑向缺口，圓盤上方有注射器，其出口安裝有與直流高壓發(fā)生器正極相連的金屬針頭，切刀槽的一端通過圓盤的通槽，與銅膜徑向缺口的兩邊接觸并與直流高壓發(fā)生器的負(fù)極相連，切刀槽內(nèi)有一切刀，切刀一端為自由狀，由圓盤的通槽伸至圓盤上面，沿該通槽移動(dòng)，滑塊沿旋轉(zhuǎn)軸的軸向滑動(dòng)，圓盤外側(cè)還有導(dǎo)絲棍、加捻裝置、卷取輥和引線回收輥。利用該系統(tǒng)將紡絲溶液制成納米纖維紗線，本發(fā)明制備的紗線具有相對(duì)較高的強(qiáng)度，有望為靜電紡纖維制品提供更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)D01F6/18GK101302673SQ20081001826
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日
發(fā)明者劉呈坤, 孫垂卿, 孫潤(rùn)軍, 侃 來, 王耀武 申請(qǐng)人:西安工程大學(xué)