本發(fā)明屬于靜電紡納米纖維紗線的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自磁場制備取向靜電紡納米纖維紗線的方法和裝置。

背景技術(shù)：

靜電紡絲是當前一種最流行的制備納米纖維的技術(shù)，其產(chǎn)品具有非常優(yōu)異的性能，如極大的比表面積，可以靈活地進行表面功能化整理以及優(yōu)異的力學(xué)性能等，可以應(yīng)用到組織工程，傷口輔料，藥物釋放，過濾材料，復(fù)合增強材料，傳感器等。由于靜電紡絲工藝簡單，制備流程比傳統(tǒng)常規(guī)紡絲短，產(chǎn)品功能優(yōu)異，自Anton Formhals1934年獲得美國專利以來，靜電紡絲一直被纖維科學(xué)家和紡織開發(fā)人員所關(guān)注。該類納米纖維將成為我國新世紀的主導(dǎo)產(chǎn)品，市場潛力巨大，前景十分廣闊。

但到目前為止，大多數(shù)靜電紡納米纖維是以無紡布的形式收集到的，因此限制了靜電紡納米纖維的應(yīng)用范圍。從傳統(tǒng)的纖維和紡織工業(yè)來看，連續(xù)的單根納米纖維長絲和取向的納米纖維束以及其加捻所得的紗線才是納米纖維的發(fā)展方向。然而到目前為止，還沒有制取到連續(xù)的單根納米纖維長絲，且取向納米纖維的取向度不高，產(chǎn)量也相對較低。同時，連續(xù)的單根納米纖維長絲和取向納米纖維束強度低，無法用于傳統(tǒng)的織造技術(shù)。所以，高效制備結(jié)構(gòu)可控的納米纖維紗線是將靜電紡絲的一大發(fā)展方向。

中國發(fā)明專利申請《一種取向靜電紡納米纖維紗線連續(xù)制備裝置及方法》(申請?zhí)?01310058070.8，公開號CN103088478A)，公開了一種取向靜電紡納米纖維紗線連續(xù)制備裝置及方法。

該裝置如圖1所示，其核心部件包括：正極紡絲頭、負極紡絲頭、旋轉(zhuǎn)金屬圓靶、錐形納米纖維束。紡紗過程如下：納米纖維從正極紡絲頭和負極紡絲頭噴出，旋轉(zhuǎn)金屬圓靶帶動氣流中納米纖維旋轉(zhuǎn)運動，形成納米纖維束，該納米纖維束呈圓錐狀螺旋運動，最后導(dǎo)出成紗。

中國發(fā)明專利申請《旋轉(zhuǎn)收集器制備靜電紡納米纖維紗線裝置及其制備方法》(申請?zhí)?01510148744.2，公開號CN104711719)，公開了一種制備靜電紡納米纖維裝置及其制備方法。

該裝置如圖2所示，其核心部件包括:高壓電源、正極紡絲頭、負極紡絲頭、旋轉(zhuǎn)空心圓環(huán)、錐形納米纖維束。紡絲過程如下：納米纖維從正極紡絲頭和負極紡絲頭噴出，其中紡絲頭屬于無針式紡絲噴頭，納米纖維在空心圓環(huán)內(nèi)部沉積，隨著空心圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)，形成錐形納米纖維集束，最后導(dǎo)出成紗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種自磁場制備取向靜電紡納米纖維紗線的方法和裝置，能夠連續(xù)穩(wěn)定地進行納米纖維紗線的生產(chǎn)，使納米纖維在紗線中的排列高度取向。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種自磁場制備取向靜電紡納米纖維紗線的方法，包括以下步驟：

(1)通過紡絲噴頭連續(xù)穩(wěn)定地向絕緣空間噴射納米纖維使納米纖維處于無序隨機的漂浮狀態(tài)；

(2)利用螺旋氣流帶動納米纖維作定向螺旋運動；

(3)通過牽引形成螺旋運動的圓錐狀納米纖維束，螺旋運動的圓錐狀納米纖維束在絕緣空間內(nèi)部產(chǎn)生螺旋管磁場，納米纖維在螺旋管磁場的作用下取向高度有序地排列形成納米纖維束；

(4)納米纖維束集束拉細形成取向靜電紡納米纖維紗線。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟(1)中的紡絲噴頭采用單針式紡絲噴頭、雙針式紡絲噴頭或者無針式紡絲噴頭。

作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟(1)中納米纖維的噴射采用單向噴射或者多向噴射。

作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟(2)中的螺旋氣流通過電機帶動圓靶產(chǎn)生、電機帶動圓環(huán)產(chǎn)生、電機帶動葉片產(chǎn)生、電機帶動漏斗形喇叭口產(chǎn)生或者噴氣裝置噴氣產(chǎn)生。

作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，所述步驟(3)中的圓錐狀納米纖維束先通過普通紗線牽引形成或者金屬絲牽引形成，再通過形成的納米纖維紗線自身進行牽引。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是提供一種實現(xiàn)上述的自磁場制備取向靜電紡納米纖維紗線的方法的裝置，包括紡絲噴頭、供液裝置、絕緣罩、金屬圓環(huán)和卷繞裝置，所述紡絲噴頭通過導(dǎo)管與供液裝置連通，所述絕緣罩為兩端開口的圓錐形狀，所述金屬圓環(huán)通過金屬桿固定于絕緣罩內(nèi)腔的下半部，所述紡絲噴頭設(shè)置于絕緣罩以下、金屬圓環(huán)的正下方，所述絕緣罩的內(nèi)側(cè)壁、金屬圓環(huán)的上方沿周向均勻布設(shè)若干空氣噴嘴，所述卷繞裝置設(shè)置于絕緣罩的上方。

作為本發(fā)明一種優(yōu)選的實施方式，所述紡絲噴頭采用無針式靜電紡絲噴頭，所述無針式靜電紡絲噴頭設(shè)有溶液槽，所述溶液槽通過導(dǎo)管與供液裝置連通，所述無針式靜電紡絲噴頭通過導(dǎo)線與高壓電源的正極連接，所述高壓電源的負極接地，所述無針式靜電紡絲噴頭與絕緣罩下端的距離為1cm～10cm。

作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，所述絕緣罩沿豎直方向的傾斜角度為10°～30°。

作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，所述金屬圓環(huán)固定于絕緣罩內(nèi)部的正中間，所述金屬桿一端固定在絕緣罩內(nèi)側(cè)壁、另一端與金屬圓環(huán)連接，所述金屬圓環(huán)的中空半徑為4～10cm。

作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的實施方式，所述空氣噴嘴設(shè)置為2～6個，空氣噴嘴通過氣管與空氣壓縮機連接。

有益效果

在本發(fā)明中，通過空氣噴嘴噴出高速氣流，從而帶動絕緣罩內(nèi)腔處于無序隨機漂浮狀態(tài)的納米纖維進行螺旋定向運動，通過牽引形成圓錐狀納米纖維束，納米纖維上附著的大量靜電荷，在絕緣空間內(nèi)，隨著納米纖維束的螺旋運動成為高速移動的電荷，螺旋移動的電荷形成螺旋的電流，螺旋電流形成螺線管磁場，在納米纖維紗線的收集過程中，螺線管磁場的存在不僅使得這一過程連續(xù)穩(wěn)定，并在內(nèi)部磁場力和牽引力的作用下，使得納米纖維伸直并高度取向排列。因此，本發(fā)明能夠連續(xù)穩(wěn)定地進行納米纖維紗線的生產(chǎn)，使納米纖維在紗線中的排列高度取向有序，并最終獲得取向納米纖維紗線。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為另一現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

一種自磁場制備取向靜電紡納米纖維紗線的方法，包括以下步驟：

(1)通過紡絲噴頭連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)出納米纖維，并將納米纖維噴向絕緣空間，納米纖維處于可移動的自由狀態(tài)，在成紗過程中不經(jīng)過機械的引導(dǎo)，處于無序隨機的漂浮狀態(tài)。在該過程中，紡絲噴頭可以采用單針式紡絲噴頭、雙針式紡絲噴頭或者無針式紡絲噴頭，噴射方式可以采用單向噴射或者多向噴射，其電壓配置可以是單一的正極或負極配置，也可以是正極、負極相對配置。

(2)利用螺旋氣流帶動納米纖維作定向螺旋運動。螺旋氣流可以通過電機帶動圓靶產(chǎn)生、電機帶動圓環(huán)產(chǎn)生、電機帶動葉片產(chǎn)生、電機帶動漏斗形喇叭口產(chǎn)生或者噴氣裝置噴氣產(chǎn)生。

(3)通過牽引形成螺旋運動的圓錐狀納米纖維束。圓錐狀納米纖維束先通過普通紗線牽引或者金屬絲牽引，再通過形成的納米纖維紗線自身進行牽引。納米纖維上附著的大量靜電荷，在絕緣空間內(nèi)，隨著納米纖維束的螺旋運動成為高速移動的電荷，螺旋移動的電荷形成螺旋的電流，螺旋電流形成螺線管磁場，在內(nèi)部磁場的存在下，使得納米纖維取向高度有序地排列形成納米纖維束。

(4)納米纖維束在圓錐頂部集束拉細，并被緩慢抽出得到取向靜電紡納米纖維紗線。

如圖3所示的一種自磁場制備取向靜電紡納米纖維紗線的裝置，包括無針式靜電紡絲噴頭1、供液裝置2、絕緣罩8、金屬圓環(huán)5、金屬桿4、空氣壓縮機7和卷繞裝置9。

無針式靜電紡絲噴頭1設(shè)有溶液槽，溶液槽通過導(dǎo)管與供液裝置2連通，通過供液裝置2向無針式靜電紡絲噴頭1輸送紡絲溶液。無針式靜電紡絲噴頭1通過導(dǎo)線與高壓電源3的正極連接，高壓電源3的負極接地。

絕緣罩8為兩端開口的圓錐形狀，絕緣罩8沿豎直方向的傾斜角度為30°。金屬圓環(huán)5的中空半徑為10cm，通過金屬桿4固定于絕緣罩8內(nèi)腔下半部的正中間，金屬桿4一端固定在絕緣罩8內(nèi)側(cè)壁，另一端與金屬圓環(huán)5連接。無針式靜電紡絲噴頭1設(shè)置于絕緣罩8以下、金屬圓環(huán)5的正下方，無針式靜電紡絲噴頭與絕緣罩8下端的距離為1～10cm。

絕緣罩8的內(nèi)側(cè)壁、金屬圓環(huán)5的上方設(shè)有兩個相對的空氣噴嘴6，空氣噴嘴6通過氣管與空氣壓縮機7連接，通過空氣噴嘴6噴出高速氣流，能夠在絕緣罩8內(nèi)部形成螺旋運動的氣流，從而帶動納米纖維作定向螺旋運動。

卷繞裝置9設(shè)置于絕緣罩8的上方，用于卷繞成型的納米纖維紗線。

在開始靜電紡絲之前，需要將無針式靜電紡絲噴頭1放置在絕緣罩8下方，控制無針式靜電紡絲噴頭1與絕緣罩8下端距離1cm～10cm；開始靜電紡絲時，打開供液裝置2，穩(wěn)定連續(xù)的產(chǎn)出靜電紡納米纖維；打開兩個空氣壓縮機7，使高速運動的空氣從兩個空氣噴嘴6中噴出，并在絕緣罩8中形成螺旋運動的氣流，帶動納米纖維做螺旋定向移動，形成錐形納米纖維束10；再由卷繞裝置9卷繞成紗，獲得納米纖維取向排列的靜電紡納米纖維紗線。