一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置及方法技术领域
本发明涉及一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置及方法，属于静电纺
丝领域。
背景技术
当今已经进入纳米科技时代，静电纺丝法已被公认为是制备纳米纤维最简单最有
效的方法，目前阻碍熔体静电纺丝工业化的关键问题是纤维的产量、纤维直径的进一步减
小和纤维直径的均匀性。
纳米纤维捻线是目前除了纳米纤维毡之外，纳米纤维集合体的另一种主要表现形
式，在很多重要领域都有潜在的应用价值。Varabhas等设计了一个多孔管静电纺装置，该方
法采用两端密封的多孔中空硬管，电极置入管中，管内置电极接触面积较小，不易形成均匀
电场，甚至会干扰流体流动特性，另外也存在小孔易堵塞的问题。中国专利(专利号：
201210554168.8)一种玻璃纤维捻线工艺，虽然能够达到加捻的效果，但其加捻稳定性低，
取向性和均匀性差，无法控制捻度。
针对上述问题，本发明提出一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置及方
法。该装置制备的纳米捻线规整，捻度可控，纤维根数可控，纤维直径均匀，提高了纳米捻线
的适用性和力学性能，增加了其二次加工性，扩大了纳米纤维的应用领域。
发明内容
本发明提出一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置及方法，中心轴与分
流板之间形成从上到下依次变窄的流道，保证进料的均匀性。针头上部与流道之间布置铜
环作为密封装置。多个单针喷头环形均布提高纺丝效率和产量，避免了加捻过程中机械粘
连的问题。单针喷头通过螺纹连接在容器底板上，便于更换和清洗，并且采用针头塞替换单
针喷头可控制纤维根数。单针喷头作旋转运动，射流在空气中急速振荡和鞭动，纤维进一步
拉伸细化。中空的环形电极板与单针喷头之间形成均匀电场，确保纤维直径均匀一致性。调
节电机的转速可以控制捻度，制备高度有序的纳米捻线，提高了纳米纤维的力学性能。整个
过程制备的纳米捻线规整，捻度可控，纤维根数可控，纤维直径均匀，提高了纳米捻线的适
用性，满足不同领域的需求。
实现上述目的的技术方案是：一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，
主要包括：加热棒、中心轴、流道、拐角机头、挤出机、分流板、滚珠、蜗杆、薄壁容器、铜环、锥
形导流器、单针喷头、蜗轮、带孔亚克力板、电极板、高压静电发生器、接收辊等。挤出机和拐
角机头相连，拐角机头下端伸入流道内。锥形导流器与中心轴采用螺纹连接，且与薄壁容器
同轴布置。薄壁容器侧壁下端部位加厚制成蜗轮，与蜗杆电机组成传动装置，底部通过螺纹
连接环形布置的单针喷头。在分流板和薄壁容器的配合部分采用滚珠，变滑动摩擦为滚动
摩擦，较小旋转时的摩擦力。环形电极板与高压静电发生器相连，置于带孔的亚克力板上，
与接受辊形成高压静电场。熔体由多个单针喷头同时流出，在电场力作用下，纤维落到电极
板上，同时，蜗轮蜗杆带动针头旋转，使得纤维达到牵伸和集束的效果。将纤维缠绕到绝缘
棒上，穿过电极板的中孔，缠绕到接收辊上。接受辊置于电极板正下方，通过带传动，由电机
带动绕中心轴作旋转运动，收集到有取向的捻线。
本发明涉及一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，挤出机对物料加热
挤出，熔体进入分流板和中心轴之间的流道，流道从上到下逐渐变窄，熔体经锥形导流器，
均匀流入各个单针喷头内，保证了进料的均匀性。
本发明涉及一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，滚珠置于分流板和
薄壁容器的配合部分，变滑动摩擦为滚动摩擦，减小了薄壁容器作旋转运动时的摩擦力。
本发明涉及一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，蜗轮蜗杆传动装置
带动喷头作旋转运动，射流在空气中急速振荡和鞭动，使得纤维进一步拉伸细化。
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，蜗杆带动蜗轮旋转，同
时靠螺纹连接在薄壁容器底面的单针喷头随之作旋转运动，针头可以根据需要进行拆卸安
装，便于清洗。通过针头塞替换单针喷头可减少纤维数量，达到控制纤维根数的目的。
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，环形均布的单针喷头作
旋转运动，实现对纤维束的聚拢作用，通过调节电机的转速可以控制纳米纤维的捻度。
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，接收辊的高速旋转有利
于聚拢纤维在下落过程中取向，最终收集在接收辊上的纤维为取向纳米捻线。
本发明涉及一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备方法为：熔融物料进入分
流板和中心轴之间的流道，流道从上到下逐渐变窄，熔体经锥形导流器，均匀流入各个单针
喷头内。加热棒插入分流板进行加热。单针喷头与电极板之间形成高压静电场，蜗轮蜗杆传
动装置带动环向均布的单针喷头旋转，在电场力作用下，纤维被拉伸细化。将纤维束缠绕到
一根绝缘棒上，穿过电极板的中孔，绕到接收辊上。接收辊由电动机带动作旋转运动，对纤
维进行接收，其转速与纤维下落速度相当有利于纤维的规整收集，同时纤维进一步拉伸细
化。通过调节电机的转速来控制环形均布的单针喷头的旋转速度，随着单针喷头的旋转，在
喷头与接收辊之间的纤维会进行加捻，加捻角度可以通过控制电机的转速来控制纳米纤维
的捻度。
由上面的技术方案的介绍，本发明与现有技术相比，其优势有：
1.传动装置带动环形均布的单针喷头作旋转运动，实现对纳米纤维束的加捻，通
过控制电机的转速可以控制纤维的捻度，提高了纳米纤维的力学性能。
2.接收辊位于电极板正下方，其高速旋转有利于聚拢纤维在下落过程中取向，其
转速与纤维下落速度相当有利于纤维的规整收集，有利于纤维直径的细化和聚拢长纤的形
成。
3.通过调节电动机的转速，进而控制环形均布的单针喷头的旋转速度，进而来控
制纤维的加捻角度，获得不同捻度的纳米捻线。
4.通过使用针头塞替换单针喷头可以获得不同纤维根数的纳米捻线，提高了纳米
捻线的适用性。
5.环形布置的单针喷头和薄壁容器底面采用螺纹连接，便于针头的拆卸更换和清
洗。
附图说明
图1本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置示意图。
图2为图1所示结构的多针排布方案的仰视剖面示意图。
图3为图1所示结构的中心轴和锥形导流器局部剖面示意图。
图4为图1所示结构的针头剖面示意图。
图5为图1所示结构的针头塞剖面示意图。
图中：1-加热棒；2-中心轴；3-流道；4-拐角机头；5-挤出机；6-分流板；7-滚珠；8-
蜗杆；9-薄壁容器；10-铜环；11-锥形导流器；12-单针喷头；13-蜗轮；14-带孔亚克力板；15-
电极板；16-高压静电发生器；17-接收辊。
具体实施方法
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置，如图1所示，其主要包
括：加热棒1，中心轴2，流道3，拐角机头4，挤出机5，分流板6，滚珠7，蜗杆8，薄壁容器9，铜环
10，锥形导流器11，单针喷头12，蜗轮13，带孔亚克力板14，电极板15，高压静电发生器16，接
收辊17。挤出机5末端出口与拐角机头4的进口相连接。分流板6和中心轴2组成流道3，流道3
从上到下逐渐变窄，与拐角机头4出口相接。针头12上部与流道3之间布置铜环10作为密封
装置。熔体经流道3和锥形导流器11，均匀流入各个单针喷头12内，保证了进料的均匀性。中
心轴2与分流板6采用轴肩定位，下端与锥形导流器11采用螺纹连接。加热棒1插入分流板6
进行加热。薄壁容器9侧面下端部蜗轮13与蜗杆8组成传动装置(此处传动装置还可选用带
传动、链传动、齿轮传动等实现多针旋转加捻，在此以蜗轮蜗杆传动为例)，底部均布单针喷
头12。滚珠7置于分流板6和薄壁容器9的配合部分，变滑动摩擦为滚动摩擦，减小了薄壁容
器9作旋转运动时的摩擦力。电极板15与高压静电发生器16相连接，固定在带孔亚克力板14
上，与单针喷头12之间形成高压静电场，且电极板15的中孔与单针喷头12和锥形导流器11
的中心共轴。接收辊17置于电极板15正下方，通过带传动和电动机相连接，用于收集捻线。
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置。蜗杆8、蜗轮13、薄壁容
器9和单针喷头12构成多针旋转加捻装置的主要部件。薄壁容器9侧壁下端部分加厚制成蜗
轮13与蜗杆8组成传动装置，底部环形均匀布置多个单针喷头12，如图2所示。单针喷头12与
薄壁容器9采用螺纹连接，如图4所示，便于更换和清洗单针喷头，并且可以通过采用针头
塞，如图5所示，替换单针喷头达到控制纤维根数的目的。
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备装置。中心轴2与分流板6采用
轴肩定位，下端与锥形导流器11采用螺纹连接。流道3从上到下逐渐变窄，如图3所示。熔体
经锥形导流器11，均匀流入各个单针喷头内，保证了进料的均匀性。
本发明一种多针旋转加捻的熔体电纺纳米捻线制备方法，料筒的温度为180℃，机
头中熔体流道拐角的温度为220℃，进入锥形导流器后流入单针喷头温度为240℃。单针喷
头与电极板的距离为10cm，在料筒中加入聚丙烯(PP6820)固体颗粒后，调节高压静电发生
器14电压示数到50kV，单针喷头与电极板之间形成高压静电场，单针喷头处形成射流并拉
伸形成超细纤维。同时，蜗轮蜗杆带动多个单针喷头旋转，使得纤维达到牵伸和集束的效
果。将纤维缠绕到绝缘棒上，穿过电极板的中孔，缠绕到接收辊上。接收辊通过带传动和电
动机相连接作旋转运动，收集有取向的纳米捻线。通过控制电机的转速来调节单针喷头的
旋转速度可实现对纤维捻度的控制作用，同时接收辊的自转能够对下落的纤维取向，使纤
维在加捻的时候更加均匀。当接收辊收集速度为2500r/min，收集的纤维平行取向度为
0.95，纤维取向度很好，纤维直径为400nm，调节电机转速以改变单针喷头的旋转速度，从而
可以获得不同捻度的纳米捻线。当圆盘的旋转速度为1000r/min时，收集的纤维加捻角度为
35°-40°，极大地提高了纤维的力学性能。