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1、(10)申请公布号 CN 103103642 A (43)申请公布日 2013.05.15 CN 103103642 A *CN103103642A* (21)申请号 201310058068.0 (22)申请日 2013.02.22 D01H 4/02(2006.01) D01D 5/00(2006.01) (71)申请人 东华大学 地址 201620 上海市松江区松江新城人民北 路 2999 号 (72)发明人 覃小红 吴韶华 (74)专利代理机构 上海泰能知识产权代理事务 所 31233 代理人 宋缨 孙健 (54) 发明名称 一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及 方法 (57) 摘要。
2、 本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺 成纱装置及方法， 分为立式和卧式两种配置， 包括 喇叭形输送管道， 所述喇叭形输送管道的喇叭口 布置有内侧金属圆环和外侧金属圆环， 所述喇叭 形输送管道的喇叭口中心正对喷丝头， 所述喷丝 头和喇叭形输送管道的头部布置在屏蔽罩内， 所 述喇叭形输送管道尾部与涡流管的输送孔相连， 所述涡流管管壁上均匀的布置有进风孔， 所述涡 流管下部的管内腔体与抽气真空泵相连， 所述涡 流管上部管内布置有堵头， 所述堵头中心布置有 引纱管， 所述引纱管内穿行纱线， 所述纱线由引纱 罗拉和引纱罗拉牵引， 所述纱线最终卷绕在 卷绕罗拉上。本实发明可以连续加工取向纳米纤 维纱线。
3、， 生产效率高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103103642 A CN 103103642 A *CN103103642A* 1/2 页 2 1. 一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 分为立式和卧式两种配置， 包括喇叭形 输送管道 （4） ， 其特征在于 ： 所述喇叭形输送管道 （4） 的喇叭口布置有内侧金属圆环 （2） 和 外侧金属圆环 （3） ， 所述内侧金属圆环 （2） 和外侧金属圆环 （3） 与高压静电发生装置。
4、负电极 （12） 连接， 所述内侧金属圆环 （2） 、 外侧金属圆环 （3） 是布置在同一平面内的同心圆环， 所 述内侧金属圆环 （2） 、 外侧金属圆环 （3） 和喇叭形输送管道 （4） 的喇叭口位于同一平面， 所 述喇叭形输送管道 （4） 的喇叭口中心正对喷丝头 （1） ， 所述喷丝头 （1） 与高压静电发生装置 正电极 （11） 相连， 所述喷丝头 （1） 和喇叭形输送管道 （4） 的头部布置在屏蔽罩 （10） 内， 所 述喇叭形输送管道 （4） 尾部与涡流管 （5） 相连。 2. 根据权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述内侧金属圆环 （2） 。
5、和外侧金属圆环 （3） 装置立式配置时水平布置， 装置卧式配置时竖直 布置。 3. 根据权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述喷丝头 （1） 可采用各种适用于静电纺丝的类型， 在装置立式配置时采用敞开金属圆盘式 喷丝头， 在装置卧式配置时采用针头式喷丝头以及多针头组合式喷丝头。 4. 根据权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述内侧金属圆环 （2） 和外侧金属圆环 （3） 同时与高压静电发生装置负电极 （12） 连接或同时 接地。 5. 根据权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于，。
6、 所 述喇叭形输送管道 （4） 采用绝缘材料制成。 6. 根据权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述喇叭形输送管道 （4） 的喇叭口直径根据外侧金属圆环 （3） 的直径制定， 且保证喇叭形输 送管道 （4） 的喇叭口直径大于外侧金属圆环 （3） 的直径。 7. 根据权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述涡流管 （5） 由贯穿一侧管壁的输送孔 （14） 、 下部管壁上的进风孔 （15） 、 管内上部的堵头 （16） 、 堵头 （16） 中心的引纱管 （17） 以及管内下部的腔体 （18） 组成。 8. 根据权利要。
7、求 7 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述输送孔 （14） 与喇叭形输送管道 （4） 尾部连接。 9. 根据权利要求 7 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述进风孔 （15） 在涡流管 （5） 的管壁上均匀的布置有 2 至 10 个。 10. 根据权利要求 7 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述腔体 （18） 下部与抽气真空泵 （6） 相连。 11. 根据权利要求 7 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所 述堵头 （16） 中心沿涡流管 （5） 中心轴线方向布置引纱管 （17。
8、） 。 12. 根据权利要求 7 和 11 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在 于， 所述引纱管 （17） 内穿行纱线 （13） 。 13. 根据权利要求 12 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在于， 所述纱线 （13） 由布置在涡流管 （5） 上方的引纱罗拉 （7） 和引纱罗拉 （8） 组合牵引。 14.根据权利要求13和14所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征在 于， 所述纱线 （13） 最终卷绕在布置在最高处的卷绕罗拉 （9） 上。 权 利 要 求 书 CN 103103642 A 2 2/2 页 3 15. 根据权利要求 1、 7。
9、 至 14 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 其特征 在于， 所述涡流管 （5） 、 抽气真空泵 （6） 、 卷绕罗拉 （9） 、 引纱罗拉 （7） 和引纱罗拉 （8） 布 置在屏蔽罩 （10） 的外面。 16. 一种使用权利要求 1 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置进行静电纺 纱的方法， 包括以下步骤 ： （1） 通过外接的自动输液装置向喷丝头 （1） 中添加纺丝溶液， 将喷丝头 （1） 与高压静电 发生装置正电极 （11） 相连， 引入高压静电 ； （2） 将内侧金属圆环 （2） 和外侧金属圆环 （3） 同时接高压静电发生装置的负电极 （12） 或者接地 ； （3） 。
10、打开高压静电发生装置， 喷丝头 （1） 中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥， 喷出射流， 溶剂挥发， 同时利用内侧金属圆环 （2） 和外侧金属圆环 （3） 之间的等电势作用以 及空气间隙， 使生成的纳米纤维产生取向， 搭接在内侧金属圆环 （2） 和外侧金属圆环 （3） 之 间的圆环状区域内 ； （4） 打开抽气真空泵 （6） ， 取向纳米纤维经由喇叭形输送管道 （4） 进入涡流管 （5） 形成 纤维环， 种子纱从涡流管 （5） 上的引纱管 （7） 中吸入， 与纤维环搭接， 纱尾形成近似圆锥形 的纱环， 纱尾在涡流管 （5） 内涡流场的作用下， 沿涡流管 （5） 管壁绕中心轴线高速回转而获 。
11、得加捻， 形成纱线 （13） ； （5） 纱线 （13） 在引纱罗拉 （7） 和引纱罗拉 （8） 组合牵引的作用下， 从涡流管 （5） 的 引纱管 （17） 中导出， 最终卷绕在卷绕罗拉 （9） 上。 权 利 要 求 书 CN 103103642 A 3 1/4 页 4 一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及静电纺丝和纺织机械技术领域， 特别涉及一种取向静电纺纳米纤维涡 流纺成纱装置及方法。 背景技术 0002 静电纺丝是当前一种最流行的纺制纳米纤维的技术。其产品具有非常优异的性 能， 如极大的比表面积， 可以灵活地进行表面功能化整理以及优异的力学行为等， 。
12、可以应用 到组织工程 , 伤口敷料 , 药物释放 , 过滤材料 , 复合增强材料 , 传感器等。由于静电纺丝 工艺简单， 制备流程比传统常规纺丝短， 制品功能优异， 自Anton Formhals1934年获得美国 专利以来， 静电纺丝一直是纤维科学家和纺织开发人员长期以来的奋斗目标。该类纳米纤 维将成为我国新世纪的主导产品。市场潜力巨大， 前景十分广阔。 0003 静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千乃至上万伏高压静电， 带电液滴在电场 力作用下形成泰勒锥， 当电场力足够大时， 电场力可在泰勒锥的锥尖克服溶液表面张力形 成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、 粘滞阻力、 表面张力等作用下被拉。
13、伸细化， 同时 带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化， 最 终落在接收装置上， 形成类似无纺布的纳米纤维毡。 0004 但到目前为止， 大多数静电纺纳米纤维是以无纺布的形式收集到的， 因此限制了 静电纺纳米纤维的应用范围。从传统的纤维和纺织工业我们知道， 连续的单根纳米纤维和 取向的纳米纤维束以及其加捻后所得的纱线才是纳米纤维的发展方向。然而到目前为止， 还没有制取到连续的单根纳米长丝， 且取向纳米纤维的取向度不高产量相对也很低， 同时， 连续的单根纳米纤维和取向的纳米纤维束强度低容易损坏， 无法与传统纺织纤维材料 （机 织物、 针织物等） 有同等的广泛应。
14、用。所以， 高效制备结构可控的纳米纤维纱线才是静电纺 丝达到广泛应用的最终发展方向。 0005 目 前 已 有 一 些 静 电 纺 纳 米 纤 维 成 纱 的 报 道，如 DaltonDalton PD,Polymer,2005,46,611-614 等利用双圆碟装置收集到了取向的纳米纤维纱线， 此方法 制备的纱线条干均匀一致， 纤维高度取向， 但是最大的缺点是制备的纱线长度太短， 无法满 足实际的需要。 TeoTeo WE,Polymer,2007,48,3400-3405等利用动态水凝固浴装置， 制得 了二偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物 （PVDF-co-HFP） 取向纳米纤维纱线， 但是只适合。
15、于非水溶 性聚合物的静电纺纱， 且纱线加捻不易控制。中国专利 200510038571.5 公开了一种制备纳 米纤维长丝束的方法， 利用对称相对配制的金属针头形成纳米纤维束， 但是无法加捻， 不是 严格意义上的纱线。DabirianDabirian F,Fibers and Polymers,2011,12(5),610-615 等采用旋转的金属圆盘装置收集到了纳米纤维纱线， 但是纱线中纤维的取向不易控制。上 述方法均采用传统的单针头作为喷丝头产量很低， 不能稳定连续的制备取向度较高的纳米 纤维纱线。 发明内容 说 明 书 CN 103103642 A 4 2/4 页 5 0006 本发明所要。
16、解决的技术问题是提供一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及 方法， 可连续化生产纤维定向排列较好的纳米纤维纱线。 0007 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 提供一种取向静电纺纳米纤维涡流 纺成纱装置， 分为立式和卧式两种配置， 包括喇叭形输送管道， 所述喇叭形输送管道的喇叭 口布置有内侧金属圆环和外侧金属圆环， 所述内侧金属圆环和外侧金属圆环与高压静电发 生装置负电极连接， 所述内侧金属圆环和外侧金属圆环是布置在同一平面内的同心圆环， 所述内侧金属圆环、 外侧金属圆环和喇叭形输送管道的喇叭口位于同一平面， 所述喇叭形 输送管道的喇叭口中心正对喷丝头， 所述喷丝头与高压静电发生装置正。
17、电极相连， 所述喷 丝头和喇叭形输送管道的头部布置在屏蔽罩内， 所述喇叭形输送管道尾部与涡流管相连。 0008 所述内侧金属圆环和外侧金属圆环装置立式配置时水平布置， 装置卧式配置时竖 直布置。 0009 所述喷丝头可采用各种适用于静电纺丝的类型， 在装置立式配置时采用敞开金属 圆盘式喷丝头， 在装置卧式配置时采用针头式喷丝头以及多针头组合式喷丝头。 0010 所述内侧金属圆环和外侧金属圆环同时与高压静电发生装置负电极连接或同时 接地。 0011 所述喇叭形输送管道采用绝缘材料制成。 0012 所述喇叭形输送管道的喇叭口直径根据外侧金属圆环的直径制定， 且保证喇叭形 输送管道的喇叭口直径大于外。
18、侧金属圆环的直径。 0013 所述涡流管由贯穿一侧管壁的输送孔、 下部管壁上的进风孔、 管内上部的堵头、 堵 头中心的引纱管以及管内下部的腔体组成。 0014 所述输送孔与喇叭形输送管道尾部连接。 0015 所述进风孔在涡流管的管壁上均匀的布置有 2 至 10 个。 0016 所述腔体下部与抽气真空泵相连。 0017 所述堵头中心沿涡流管中心轴线方向布置引纱管。 0018 所述引纱管内穿行纱线。 0019 所述纱线由布置在涡流管上方的引纱罗拉和引纱罗拉组合牵引。 0020 所述纱线最终卷绕在布置在最高处的卷绕罗拉上。 0021 所述涡流管、 抽气真空泵、 卷绕罗拉、 引纱罗拉和引纱罗拉布置在屏。
19、蔽罩的外 面。 0022 本发明还提供一种使用上述取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置进行静电纺纱 的方法， 包括以下步骤 ： 0023 （1） 通过外接的自动输液装置向喷丝头中添加纺丝溶液， 将喷丝头与高压静电发 生装置正电极相连， 引入高压静电 ； 0024 （2） 将内侧金属圆环和外侧金属圆环同时接高压静电发生装置的负电极或者接 地 ； 0025 （3） 打开高压静电发生装置， 喷丝头中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒锥， 喷出射流， 溶剂挥发， 同时利用内侧金属圆环和外侧金属圆环之间的等电势作用以及空气 间隙， 使生成的纳米纤维产生取向， 搭接在内侧金属圆环和外侧金属圆环之间的圆环状区 。
20、域内 ； 说 明 书 CN 103103642 A 5 3/4 页 6 0026 （4） 打开抽气真空泵， 取向纳米纤维经由喇叭形输送管道进入涡流管形成纤维环， 种子纱从涡流管上的引纱管中吸入， 与纤维环搭接， 纱尾形成近似圆锥形的纱环， 纱尾在涡 流管内涡流场的作用下， 沿涡流管管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻， 形成纱线 ； 0027 （5） 纱线在引纱罗拉和引纱罗拉组合牵引的作用下， 从涡流管的引纱管中导 出， 最终卷绕在卷绕罗拉上。 0028 有益效果 0029 本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法， 与现有技术相比， 具有以下优点和积极效果 ： 集喷丝、 纤维取向、 。
21、纤维转移、 凝聚、 加捻、 牵伸和卷绕为一体， 可 以连续加工取向纳米纤维纱线。 分立式和卧式两种配置， 适用于各种静电纺丝用喷丝头 ； 利 用内外金属圆环之间的等电势作用以及空气间隙实现纳米纤维的取向 ； 利用涡流管中高速 旋转的气流对纳米纤维进行加捻， 不需要复杂的加捻机件， 生产效率高 ； 采用屏蔽罩装置可 屏蔽外部条件对静电纺丝的干扰， 从而保证静电纺丝的质量。另外， 结构比较简单， 适合多 种聚合物纺丝溶液， 能够得到取向度和产量都较高的纳米纤维纱线， 可以实现纳米纤维纱 线的连续化和规模化生产。 附图说明 0030 图 1 是本发明立式配置时的结构示意图 ； 0031 图 2 是本。
22、发明卧式配置时的结构示意图 ； 0032 图 3 是本发明涡流管的结构剖面图 ； 0033 图 4 是本发明内侧金属圆环和外侧金属圆环的俯视图 ； 0034 图 5 是本发明进风孔的横截面示意图。 具体实施方式 0035 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。 0036 如图 1-5 所示， 本发明涉及一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置， 分为立式 和卧式两种配置， 包括喇叭。
23、形输送管道 4， 所述喇叭形输送管道 4 的喇叭口布置有内侧金属 圆环 2 和外侧金属圆环 3， 所述内侧金属圆环 2 和外侧金属圆环 3 与高压静电发生装置负 电极 12 连接， 所述内侧金属圆环 2 和外侧金属圆环 3 是布置在同一平面内的同心圆环， 所 述内侧金属圆环 2、 外侧金属圆环 3 和喇叭形输送管道 4 的喇叭口位于同一平面， 所述喇叭 形输送管道 4 的喇叭口中心正对喷丝头 1， 所述喷丝头 1 与高压静电发生装置正电极 11 相 连， 所述喷丝头1和喇叭形输送管道4的头部布置在屏蔽罩10内， 所述喇叭形输送管道4尾 部与涡流管 5 相连， 所述内侧金属圆环 2 和外侧金属圆。
24、环 3 装置立式配置时水平布置， 装置 卧式配置时竖直布置， 所述喷丝头 1 可采用各种适用于静电纺丝的类型， 在装置立式配置 时采用敞开金属圆盘式喷丝头， 在装置卧式配置时采用针头式喷丝头以及多针头组合式喷 丝头， 所述内侧金属圆环 2 和外侧金属圆环 3 同时与高压静电发生装置负电极 12 连接或同 时接地， 所述喇叭形输送管道 4采用绝缘材料制成， 所述喇叭形输送管道4的喇叭口直径根 说 明 书 CN 103103642 A 6 4/4 页 7 据外侧金属圆环 3 的直径制定， 且保证喇叭形输送管道 4 的喇叭口直径大于外侧金属圆环 3 的直径， 所述涡流管 5 由贯穿一侧管壁的输送孔 。
25、14、 下部管壁上的进风孔 15、 管内上部的 堵头16、 堵头16中心的引纱管17以及管内下部的腔体18组成， 所述输送孔14与喇叭形输 送管道 4 尾部连接， 所述进风孔 15 在涡流管 5 的管壁上均匀的布置有 2 至 10 个， 所述腔体 18 下部与抽气真空泵 6 相连， 所述堵头 16 中心沿涡流管 5 中心轴线方向布置引纱管 17， 所 述引纱管 17 内穿行纱线 13， 所述纱线 13 由布置在涡流管 5 上方的引纱罗拉 7 和引纱罗 拉 8 组合牵引， 所述纱线 13 最终卷绕在布置在最高处的卷绕罗拉 9 上， 所述涡流管 5、 抽 气真空泵 6、 卷绕罗拉 9、 引纱罗拉 。
26、7 和引纱罗拉 8 布置在屏蔽罩 10 的外面。 0037 所述的一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置进行静电纺纱的方法， 包括以下 步骤 ： 0038 （1） 通过外接的自动输液装置向喷丝头1中添加纺丝溶液， 将喷丝头1与高压静电 发生装置正电极 11 相连， 引入高压静电 ； 0039 （2） 将内侧金属圆环 2 和外侧金属圆环 3 同时接高压静电发生装置的负电极 12 或 者接地 ； 0040 （3） 打开高压静电发生装置， 喷丝头 1 中的纺丝溶液在电场力的作用下形成泰勒 锥， 喷出射流， 溶剂挥发， 同时利用内侧金属圆环 2 和外侧金属圆环 3 之间的等电势作用以 及空气间隙， 使生。
27、成的纳米纤维产生取向， 搭接在内侧金属圆环2和外侧金属圆环3之间的 圆环状区域内 ； 0041 （4） 打开抽气真空泵 6， 取向纳米纤维经由喇叭形输送管道 4 进入涡流管 5 形成纤 维环， 种子纱从涡流管5上的引纱管7中吸入， 与纤维环搭接， 纱尾形成近似圆锥形的纱环， 纱尾在涡流管5内涡流场的作用下， 沿涡流管5管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻， 形成 纱线 13 ； 0042 （5） 纱线 13 在引纱罗拉 7 和引纱罗拉 8 组合牵引的作用下， 从涡流管 5 的引 纱管 17 中导出， 最终卷绕在卷绕罗拉 9 上。 0043 实施例 1 0044 下面采用聚丙烯腈 （PAN） 与二甲。
28、基甲酰胺 （DMF） 所配制的溶液进行纺纱。通过自 动输液装置将浓度为15%的聚丙烯腈 （PAN） 溶液注入喷丝头1中， 喷丝头1直接连接高压静 电发生装置的正电极 11， 将内侧金属圆环 2 以及外侧金属圆环 3 同时接高压静电发生装置 的负电极 12， 打开高压静电发生装置， 设置正负电压值分别为 38kV 和 -2kV ； 打开真空抽气 泵 6， 取向纳米纤维经由喇叭形输送管道 4 进入涡流管 5 形成纤维环， 种子纱从涡流管 5 上 的引纱管 17 中吸入， 与纤维环搭接， 纱尾形成近似圆锥形的纱环， 纱尾在涡流场的作用下， 沿涡流管 5 管壁绕中心轴线高速回转而获得加捻 ； 纱线 13 在引纱罗拉 7 和引纱罗拉 8 组合牵引的作用下， 由涡流管 5 的引纱管 17 中导出， 最终卷绕在卷绕罗拉 9 上， 制备出的纳 米纤维纱线的直径约为 216m。 说 明 书 CN 103103642 A 7 1/4 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103103642 A 8 2/4 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103103642 A 9 3/4 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103103642 A 10 4/4 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103103642 A 11 。