聚合物熔体微分原位纺纱装置

技术领域

本发明涉及一种聚合物熔体微分原位纺纱装置，属于静电纺丝领域。

背景技术

聚合物静电纺纳米纤维具有高比表面积带来的优异物化性能，已成为医卫防护、能源环保、航空航天及生物医药等领域应用的关键材料。然而静电纺纳米纤维制备方法由于射流速度快、射流不稳定(鞭动)，射流数量和纤维细度可控性差，电离空气和收集纤维表面电荷干扰等问题，只能随机收集成薄层纳米膜，使其应用仅限于过滤、医用敷料、面膜等对力学性能要求不高的领域。研究者试图通过多种手段将纳米纤维聚集卷绕成宏观取向、微观随机的纱线。纳米纤维纱线能够在赋予纳米纤维功能性同时，可改善纤维聚集体的力学性能，从而紧密衔接纳米纱线制备和后端纺织工艺。因此，纳米纤维纱线制备方法有望将纳米纤维应用从功能性非织造领域极大地拓展到心脏瓣膜支架、高性能抗菌纺织品、高性能手术缝合线、高敏柔性传感织物、柔性电容器、纳米碳纤维前驱体丝束等高精尖领域。

已有纳米纤维纱线制备方法主要通过溶液电纺射流堆积及加捻实现，根据加捻作用方式的不同，可分为机械(旋转)强制加捻、电场柔性加捻和液体漩涡柔性加捻三类。机械旋转加捻的优势在于可对过程参数准确调整，但由于射流速度过快，单根纤维强度低，机械加捻装置无法同时兼顾成纱所需强度和射流取向收集速度，因此，难以获得微观完全取向纱线。电场加捻纳米纤维具有装置结构简单的优点，但加捻后的纱线微观形貌仍是蓬松且随机取向，纤维之间的缠结易发生松动。液体漩涡加捻成纱是利用水或水分散系的漩涡将纤维加捻成纱。该方法思路新颖，结构简单，但工艺可控性有待提升。可见国内外围绕纳米纤维纱线制备已开展了创新研究，但是存在高效成纤和可控成纱两方面的显著问题：(1)多采用毛细管针头静电纺，存在低效及堵塞问题，进而影响纱线制备的连续稳定性(2)由于溶液静电纺的射流鞭动及高射流速度，取向成纱的控制和射流速度难以匹配，使获得的纱线宏观取向但微观随机，从而弱化纱线强度。此外，溶剂的相分离会造成纤维表面的微孔缺陷，损害纱线强度。

发明内容

本发明提出聚合物熔体微分原位纺纱装置，利用环形锥面喷头微分制备熔体纤维，通过气体漩涡原位加捻纤维，实现取向高强纳米纤维纱线的可控制备。

本发明的技术方案：聚合物熔体微分原位纺纱装置，由多个单元组成的，每个单元由挤出机、转接块、环形锥面喷头、旋风管、电极板、高压静电发生器、辊子、引导丝固定切割装置、支架和引导丝组成，挤出机由支架固定，出口端连接转接块，转接块的下端连接环形锥面喷头，喷头接地。喷头正下方4-9cm处为电极板，电极板连接高压静电发生器，电极板有中心孔。旋风管与电极板同轴，并位于电极板下方，可支撑电极板水平放置，旋风管由支架固定。引导丝固定切割装置位于旋风管下方，由支架固定。辊子位于电极板正前方，由支架固定。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的环形锥面喷头由喷头外壳和芯轴组成。喷头外壳的下端为锥面尖端，尖端的角度可为5°-75°，尖端在高压电场下易产生电荷集中，促使熔体极化并微分，从而形成环向均匀分布的熔体纤维。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的旋风管由上端盖、螺栓、橡胶垫圈、下端盖和螺母组成。上端盖与下端盖间放置橡胶垫圈以密封旋风管，上端盖、下端盖和橡胶垫圈通过螺栓螺母安装固定。上端盖和下端盖内均含有四个与中心管相切的凹槽，上端盖凹槽的宽度沿径向向内逐渐变窄，凹槽的深度也逐渐变浅。下端盖凹槽的宽度沿径向向内逐渐变窄，但凹槽的深度会逐渐变深。上端盖与下端盖安装固定后，两个端盖内的凹槽会形成宽度逐渐变窄，方向倾斜向下的孔。当压缩空气注入旋风管内时，会沿着孔喷出形成切向气流，进一步形成旋风。而逐渐变窄的孔会提升切向气流的速度，提升旋风的效果。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的引导丝固定切割装置由滑槽、固定用弹簧、固定滑块、切割用弹簧、切割滑块、固定扣和切割扣组成。滑槽内有固定用弹簧和切割用弹簧，固定用弹簧一端连接在滑槽内部端面，另一端分别与固定滑块连接。切割用弹簧一端连接在滑槽内部端面，另一端与切割滑块连接。两个滑块均在滑槽内，滑块上有末端凸起的长条结构，将两种滑块拉出滑槽一端距离后，该结构可在弹性应力和弹簧弹力的共同作用下将滑块卡住，其在固定滑块上称为固定扣，在切割滑块上称为切割扣。按下靠近进丝孔的滑块上的固定扣，固定滑块会在固定用弹簧拉力下，迅速滑向滑槽底部，并将引导丝卡死，避免引导丝在纺纱准备阶段被旋风拧断。切割滑块有锥面尖角。当按下靠近出丝孔的切割扣时，切割滑块迅速拉回，从而将引导丝切断。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的使用方法：1.将引导丝穿过引导丝固定切割装置，再将其从旋风管下方牵引到旋风管上方，最后连接在辊子上。2.按下固定扣将引导丝固定。3.向旋风管内注入压缩空气，管内产生旋风。4.启动挤出机，当熔体在环形锥面喷头的锥面尖端上均匀分布后，启动高压静电发生器，使喷头产生了环向均布的纤维，并由旋风产生的负压吸入旋风管。5.按下切割扣，将引导丝切断，启动辊子牵伸引导丝，纤维在旋风作用下聚集并加捻形成纱线，并由引导丝牵引到辊子上进行收集，实现纳米纤维纱线的制备。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的优点：1.环形锥面喷头产生的纤维表面无缺陷，单根纤维强度高，成型纱线的强度高。2.环形锥面喷头静电纺微分制备熔体纤维过程无射流鞭动效应，且纤维环形分布有利于纤维的可控均匀成纱。3.旋风加捻过程既可实现纤维的原位成纱，也可实现纤维的牵伸变细。4.通过调节注入旋风管的压缩空气的气压，可改变旋风的速度，协同辊子收集速度的调控，可实现纱线取向与捻度的调控。

附图说明

图1为本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置示意图。

图2为本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的环形锥面喷头结构示意图。

图3为本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的旋风管结构示意图。

图4为图3所示旋风管上端盖结构示意图。

图5为图3所示旋风管下端盖结构示意图。

图6为本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的引导丝固定切割装置的结构示意图。

图7为本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的纳米纤维纱线制备过程示意图。

图中：1—挤出机；2—转接块；3—环形锥面喷头；3-1—喷头外壳；3-2—芯轴；3-3—锥面尖端；4—旋风管；4-1—上端盖；4-2—螺栓；4-3—橡胶垫圈；4-4—下端盖；4-5—中心管；4-6—螺母；4-7—上端盖凹槽；4-8—下端盖凹槽；5—电极板；6—高压静电发生器；7—辊子；8—引导丝固定切割装置；8-1—滑槽；8-2—固定用弹簧；8-3—固定滑块；8-4—切割用弹簧；8-5—切割滑块；8-6—固定扣；8-7—切割扣；9—支架；10—引导丝；11—纱线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置如图1所示，由多个单元组成的，每个单元由挤出机1、转接块2、环形锥面喷头3、旋风管4、电极板5、高压静电发生器6、辊子7、引导丝固定切割装置8、支架9和引导丝10组成。挤出机1由支架9固定，出口端连接转接块2，转接块2的下端连接环形锥面喷头3，环形锥面喷头3接地。环形锥面喷头3如图2所示，由喷头外壳3-1和芯轴3-2组成。喷头外壳3-1的下端为锥面尖端3-3，尖端的角度可从5°到75°。喷头3正下方4-9cm处为电极板5。电极板5连接高压静电发生器6。电极板5有中心孔。旋风管4与电极板5同轴，并位于电极板5下方，可支撑电极板5水平放置，旋风管4由支架9固定。旋风管4如图3-图5所示，由上端盖4-1、螺栓4-2、橡胶垫圈4-3、下端盖4-4和螺母4-6组成。上端盖4-1与下端盖4-4间放置橡胶垫圈4-3以密封旋风管4，上端盖4-1、下端盖4-4和橡胶垫圈4-3通过螺栓4-2和螺母4-6安装固定。上端盖4-1和下端盖4-4内均含有四个与中心管4-5相切的凹槽，上端盖凹槽4-7的宽度沿径向向内逐渐变窄，上端盖凹槽4-7的深度也逐渐变浅。下端盖凹槽4-8的宽度沿径向向内逐渐变窄，但下端盖凹槽4-8的深度会逐渐变深。当上端盖4-1与下端盖4-2安装固定后，两个端盖内的凹槽会形成宽度逐渐变窄，方向倾斜向下的孔。引导丝固定切割装置8位于旋风管4下方，由支架9固定。引导丝固定切割装置8如图6所示，由滑槽8-1、固定用弹簧8-2、固定滑块8-3、切割用弹簧8-4、切割滑块8-5、固定扣8-6和切割扣8-7。滑槽8-1内有固定用弹簧8-2和切割用弹簧8-4，固定用弹簧8-2一端连接在滑槽8-1内部端面，另一端与固定滑块8-3连接。切割用弹簧8-4一端连接在滑槽8-1内部端面，另一端与切割滑块8-5连接。固定滑块8-3上有固定扣8-6，切割滑块8-5上有切割扣8-7，切割滑块8-5的一侧为锥面尖角。辊子7位于电极板5正前方，由支架9固定。

本发明聚合物熔体微分原位纺纱装置的使用方法：1.将引导丝10穿过引导丝固定切割装置8，再将其从旋风管4下方牵引到旋风管4上方，最后连接在辊子7上。2.按下固定扣8-6将引导丝10固定。3.向旋风管4内注入压缩空气，管内产生旋风。4.启动挤出机1，当熔体在环形锥面喷头3的锥面尖端3-3上均匀分布后，启动高压静电发生器6，喷头3产生了环向均布的纤维，并由旋风产生的负压吸入旋风管6。5.按下切割扣8-7，将引导丝10切断，启动辊子7牵伸引导丝10，纤维在旋风作用下聚集并加捻形成纱线11，并由引导丝10牵引到辊子7上进行收集，实现纳米纤维纱线11的制备，制备过程示意图如图7所示。