CN103132194A

CN103132194A - 一种取向电纺纳米纤维纺纱方法及其装置

Info

Publication number: CN103132194A
Application number: CN2011104208039A
Authority: CN
Inventors: 杨恩龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-05

Abstract

一种取向电纺纳米纤维纺纱方法及其装置，采用分别施加正负高压的金属喷头纺得两股带相反电荷纳米纤维，该纺丝电场电场线相对普通纺丝电场平直，有效抑制纺丝不稳定性，纺得纳米纤维较平直。两股纤维围绕纱尾在金属加捻器上部形成圆锥形加捻三角区，并通过电场力、纱线牵引力和金属加捻器作用力使得纳米纤维进一步取向并加捻成纱。纺得纳米纤维纱在一定张力下通过热处理装置热定型，进一步提高纳米纤维沿纱线轴向的取向度及纱线的断裂强力和条干，定型后的纱线由卷绕筒子收集。本发明可以实现连续制备取向纳米纤维纱，且装置简单、操作方便，成纱连续性好，纱线断裂强力、条干较好，既可纺纯纳米纤维纱线，也可纺纳米纤维/长丝包芯复合纱。本发明的取向纳米纤维纺纱方法及装置在生物医用、传感器等领域具有重要应用价值。

Description

一种取向电纺纳米纤维纺纱方法及其装置

技术领域

本发明属于纺织领域，涉及到一种取向电纺纳米纤维纺纱方法及其制备装置。

背景技术

静电纺丝是近年来制备纳米纤维的热门纺丝技术。电纺纳米纤维直径比传统纺丝纤维细100-1000倍，具有巨大的比表面积，在过滤材料、创伤包覆材料、纳米复合材料、传感器、生物医用材料等方面有广泛的应用前景。由于电纺纤维直径与天然细胞外基质生物大分子材料的尺寸相接近，其极高的比表面积也为活性因子的有效释放提供了理想平台。因此，电纺纳米纤维用作组织工程支架、防粘连膜、创面修复材料、人造血管等的研究尤为引人注目。电纺胶原蛋白、丝素蛋白、甲壳素纳米纤维已被科学家用于构建血管、骨组织工程支架和肌体修复材料的研究中。

由于受带电射流弯曲不稳定性的限制，电纺纳米纤维通常以无纺布的形式收集，纤维的无序结构在诸如微电子学、光子学等需要规整排列和高度取向结构的设备制造方面的应用存在很大问题。实现电纺纳米纤维的取向排列也有助于提高电纺支架的力学性能，在组织工程支架制备中具有重要意义。同时，在组织工程神经、肌腱、肌肉等构建过程中，具有取向排列纤维结构的支架能引导细胞定向迁移和生长，并最终控制再生组织的结构。因此，与非织造布形式的纤维相比，彼此可分离的取向电纺纳米纤维纱线应用领域更加广泛。

为收集取向排列电纺纳米纤维并集束成纱，许多研究者进行了探索。一些研究者采用水浴方式收集，用静态的或带漩涡的水收集电纺纳米纤维，纤维在水的作用力下取向，然后将其卷绕到旋转的滚筒上得到连续的纱线(TeoW，Gopal R，Ramaseshan R，et al.POLYMER.2007，48(12)：3400-3405.)。这种方法能够连续地成纱，而且可以比较自动地对纤维进行拉伸取向，是一种很好的方法，但装置较复杂，且不适合溶于水的聚合物。也有一些研究者采用辅助电极收集。如采用两个平行排列的金属圆环作为接收装置，这种方法很容易得到取向排列的纳米纤维，重复性好，并且受电场强度变化的影响较小。将其中一个接收环与涂有Teflon的不锈钢管相连，不锈钢管在电机的驱动下带动接收环旋转，可以得到直径小于5微米，长度在50mm的扭曲的多重PCL纤维长丝束(Dalton P D，Klee D，Moller M.POLYMER.2005，46(3)：611-614.)。Yan等将两个平行排列的金属圆环都接上电机并反向回转，收集的平行排列纳米纤维加捻后由位于两个圆环之间的筒管卷绕收集。这种方法可以实现连续制备取向纳米纤维纱，但纳米纤维浪费较多，且较大的捻度影响了纤维的取向(Yan H，Liu L，Zhang Z.MATERIALS LETTERS.2011，65(15-16)：2419-2421.)。

美国专利US2009324950-A1中Kim等将多个喷头喷出的电纺纤维利用带电圆盘取向收集，然后将纤维束剥取下来卷绕收集成取向纳米纤维纱，该纱线具有一定的强力，但纱线结构松散，条干较差。美国专利US6106913-A中Balonis等将一个喷头喷出的电纺纤维利用气流沉积到导引长丝上，经牵引卷绕制成高强力纳米纤维包芯纱，并利用该纱线编织成纳米纤维器件。该方法因纳米纤维间同种电荷相互排斥影响纤维沉积效率。中国专利CN200710021149.8中李新松等采用高分子长丝或纱为芯材导丝，一对或多对喷丝头共轭纺丝制备纳米纤维，喷口相对的喷丝头喷出的纳米纤维带有相反电荷，在空中相互吸引、沉积在芯材导丝上，牵引卷绕制得表面包覆纳米纤维的高强力纱。该方法制得纱线没有捻度，结构松散，条干较差。已公开的中国发明专利CN101974814A中将壳聚糖溶液静电纺丝制备纳米壳聚糖纤维，将棉纱或麻纱从静电纺丝装置的阳极和阴极之间通过并接收纳米壳聚糖纤维，即制得复合纱线产品。目前公开的纳米纤维纱线制备方法中存在纳米纤维取向度较低，连续性差、纤维浪费较多且纱线机械性能和条干较差的缺点。

因此，有必要发明一种纳米纤维在纱线轴向取向度高，机械性能好，纤维浪费少，条干好的取向纳米纤维纱制备方法及装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种取向电纺纳米纤维纺纱方法及其装置，通过相对配置的喷丝头上分别施加正负高压并喷射带电射流，经不稳定过程后形成分别带正负电荷的纳米纤维，喷头中下方配置中性金属加捻器，金属加捻器在高压静电场中极化，在静电感应作用下使得靠近喷头的一侧带上与该喷头极性相反的电荷，而与喷头带同种电荷的纳米纤维向靠近该喷头的金属加捻器一侧收集。带正负电荷的两股纳米纤维从金属加捻器上引出，通过金属加捻器旋转加捻，并通过热处理装置后卷绕收集，制得具有优良强伸性能的取向电纺纳米纤维纱线。

技术方案：本发明所述的一种取向电纺纳米纤维纺纱方法，采用相对配置并分别施加正负高压的金属喷头8喷射带电射流并固化形成纳米纤维。该金属喷头8与金属加捻器9形成纺丝电场见图2a所示，其中金属喷头8与金属加捻器9之间的区域为纺丝并集束成纱区域。普通针板纺丝电场见图2b所示，图中金属喷头8与金属平板14之间的区域为纺丝区域。从图2中可以看出本发明所述纺丝电场电力线相对平直，抑制了纺丝射流弯曲不稳定性，从而制得较直的纳米纤维，纳米纤维在纺丝电场、加捻器及纱线牵引力的作用下进一步较好取向，从而制得取向度高的纳米纤维纱线。

本发明所述纺纱方法适用于溶液和熔融静电纺，纺丝原料既可以采用成纤高聚物材料如聚酯(PET)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚(ε-己内酯)(PCL)等，也可采用天然材料提取物如胶原蛋白(Collagen)、丝素蛋白(Silkfibroin)等，也可采用两种以上原料混合和掺杂功能纳米材料如碳纳米管(MWNTs)、二氧化钛(TiO₂)和硫化锌(ZnS)等。该方法既可纺纯纳米纤维纱线，也可纺纳米纤维为壳层，长丝为芯层的具有优良强伸性能的纳米纤维/长丝包芯纱。

一种取向电纺纳米纤维纺纱装置，包括共轭电纺成丝装置、取向加捻装置、纱线热处理装置和卷绕收集装置，装置结构示意图见图1所示。共轭电纺成丝装置，采用聚合物溶液和熔体作为纺丝原料，原料通过原料输送泵7从相对配置金属喷头8输出，输送速度为0.1～30.0ml/h。金属喷头8分别施加正负高压，电压值为6kV～50kV。施加相同高压的喷头数量可以为单头，也可以为多头，喷头数量为1～100。带正负高压的金属喷头8相对配置，金属喷头8长20～55mm，直径0.2～0.9mm，相对配置金属喷头8距离120～300mm。带电射流在高压静电场的作用下经过稳定及不稳定阶段抽长拉细后向相对配置喷头8中心部分运动，期间伴随纺丝溶剂挥发或熔体冷却固化形成直径为50～1000nm直径的纳米纤维6。

取向加捻装置在相对配置金属喷头8中心下方20～70mm处配置直径50～90mm金属加捻器9，金属加捻器9可以为圆盘状或拱形。金属加捻器为中性，在施加正负高压喷头8形成高压静电场中静电感应后，靠近喷头一侧带与喷头相反电荷，则喷头喷出纳米纤维6向金属加捻器9靠近喷头8的一侧运动。金属加捻器9中心开孔，以5～200m/h的线速度引出一根芯丝10，同时金属加捻器9以10～900rpm的速度回转。纳米纤维6将在电场力，长丝牵引力及金属加捻器作用力下围绕芯丝10形成圆锥状加捻三角区5。共轭电纺成丝装置不断喷出纳米纤维6并在圆锥状加捻三角区5凝聚加捻，加捻后的纱线不断被牵引罗拉3牵引出形成纳米纤维纱4，纱线细度15～500dtex。若制备纯纳米纤维纱线，待包芯纱成纱稳定后将金属加捻器9中心引出长丝10在加捻三角区5前剪断即可，纯纳米纤维纱线细度5～450dtex，纱线条干均匀度5～10CV％，纱线断裂强力3～120cN。

卷绕筒子1与牵引罗拉3线速度比为1.2～1∶1，从而使得纳米纤维纱在一定张力下通过纱线热处理装置2。热处理装置2可以是一个加热的圆筒，筒内温度60～320℃可调；或是热水槽，槽内热水温度60～98℃。受牵引的纳米纤维纱4在热处理装置2中处理3～400s，以使得纳米纤维6进一步沿纱线4轴向取向，使得纱线强力得到提高，也使纱线符合生物医用或传感器等应用要求。卷绕筒子1将热处理后的纱线以5～200m/h的线速度卷绕成管纱。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明的一种取向电纺纳米纤维纺纱方法，纺丝电场电场线相对普通纺丝电场平直，有效抑制纺丝不稳定性，纺得纳米纤维平直；并通过电场力、纱线牵引力和金属加捻器作用力使得纳米纤维进一步取向。本发明可以连续制备纳米纤维或纳米纤维/长丝包芯纱，且制得纱线中纳米纤维沿纱线轴向取向度较高。

(2)本发明的一种取向电纺纳米纤维纺纱装置，采用分别施加正负高压的金属喷头纺得带相反电荷纳米纤维，两股纳米纤维围绕纱尾在金属加捻器上部形成圆锥形加捻三角区加捻成纱。该纺丝装置简单、操作方便，成纱连续性好，纱线断裂强力、条干较好。

(3)本发明的一种取向电纺纳米纤维纺纱装置，采用卷绕筒子与牵引罗拉线速度比为1.2～1∶1，使得纳米纤维纱在一定张力下通过热处理装置热定型，进一步提高纳米纤维沿纱线轴向的取向度及纱线的断裂强力和条干。

附图说明

图1为本发明所述取向电纺纳米纤维纺纱装置结构示意图。图1中有：1-卷绕筒子；2-热处理装置；3-牵引罗拉；4-纳米纤维纱；5-加捻三角区；6-纳米纤维；7-原料输送泵；8-金属喷头；9-金属加捻器；10-芯丝；11-导纱钩；12-高压直流电源；13-长丝筒子。

图2为本发明所述电纺纳米纤维纺纱装置纺丝电场示意图，a为共轭电纺针针电极和金属加捻器形成电场，b为针板电极形成电场。

图3为本发明所述纳米纤维包芯纱照片，a为包芯纱光学显微镜照片；b为包芯纱皮层纳米纤维扫描电子显微镜照片，14-金属平板。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体方法，该方法不受实施例的限制。

实施例1

采用质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇(PVA)水溶液为纺丝液，以1ml/h的速度通过原料输送泵7从金属喷头8挤出，在相对配置的两个金属喷头8上分别由高压发生器12施加8kV正负高压电，金属喷头长30mm，直径0.5mm，间距150mm。纺丝液在高压静电场的作用下经过稳定和不稳定阶段抽长拉细形成纳米纤维6，向金属加捻器9靠近喷头8的一侧收集。芯丝10为100dtex聚乳酸(PLA)长丝，从长丝筒子13退绕，经过导纱钩11穿过金属加捻器9中心。金属加捻器9转速20rpm，长丝10线速度5m/h。分别带正负电荷的两股纳米纤维6在金属加捻器9上绕长丝10形成圆锥形加捻三角区5，加捻成纳米纤维/长丝包芯复合纱4后由牵引罗拉引出，在经过温度为100℃的热处理装置2后由卷绕筒子以5.55m/h的线速度卷绕成筒子纱。所得包芯纱照片见图3所示，其中a为包芯纱光学显微镜照片，图中聚乙烯醇纳米纤维对聚乳酸芯丝包覆良好；b为包芯纱扫描电子显微镜照片，图中聚乙烯醇纳米纤维沿纱线轴向取向良好。包芯纱细度123dtex，断裂强力89cN，条干均匀度为7.2CV％。

实施例2

采用聚酯(PET)切片为纺丝原料，在340℃温度下熔融，熔体以5ml/h的速度通过原料输送泵7从金属喷头8挤出，在相对配置的八个金属喷头8上分别由高压发生器12施加18kV正负高压电，金属喷头长35mm，直径0.7mm，间距180mm。聚合物熔体在高压静电场的作用下经过稳定和不稳定阶段抽长拉细形成纳米纤维6，向金属加捻器9靠近喷头8的一侧收集。芯丝10为92dtex涤纶(PET)长丝，从长丝筒子13退绕，经过导纱钩11穿过金属加捻器9中心。金属加捻器9转速80rpm，芯丝10线速度20m/h。分别带正负电荷的两股纳米纤维6在金属加捻器9上绕长丝10形成圆锥形加捻三角区5，待纺纱稳定后从金属加捻器9下部剪断涤纶长丝。加捻成纯纳米纤维纱线4后由牵引罗拉3引出，再经过温度为95℃的水浴热处理装置2后由卷绕筒子以23m/h的线速度卷绕成筒子纱。所得纳米纤维纱线细度34dtex，断裂强力26cN，条干均匀度为6.2CV％。

Claims

1.一种取向电纺纳米纤维纺纱方法，其特征在于相对配置的喷丝头上分别施加正负高压并喷射带电射流，经不稳定过程后形成分别带正负电荷的两股纳米纤维，喷头中下方配置中性金属加捻器，金属加捻器在高压静电场中极化，在静电感应作用下使得靠近喷头的一侧带上与该喷头极性相反的电荷，而与喷头带同种电荷的纳米纤维向靠近该喷头的金属加捻器一侧收集。带正负电荷的两股纳米纤维从金属加捻器上引出，通过金属加捻器旋转加捻，并通过热处理装置后卷绕收集，制得具有优良强伸性能的取向电纺纳米纤维纱线。

2.根据权利要求1所述的一种取向电纺纳米纤维纺纱方法，其特征在于相对配置并分别施加正负高压的金属喷头形成电场电力线相对普通针板纺丝电场平直，从而抑制了纺丝射流弯曲不稳定性得到较直的纤维，纤维在纺丝电场、加捻器及纱线牵引力的作用下进一步取向。

3.根据权利要求1所述的一种取向电纺纳米纤维纺纱方法，其特征在于适用于溶液溶剂和熔融静电纺，纺丝原料既可以采用成纤高聚物材料如聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚(ε-己内酯)(PCL)、聚酯(PET)等，也可采用天然材料提取物如胶原蛋白(Collagen)、丝素蛋白(Silkfibroin)等，也可采用两种以上原料混合和掺杂功能纳米材料如碳纳米管(MWNTs)、二氧化钛(TiO₂)和硫化锌(ZnS)等。

4.根据权利要求1所述的一种取向电纺纳米纤维纺纱方法，其特征在于既可纺纯纳米纤维纱线，也可纺纳米纤维为壳层，长丝为芯层的具有优良强伸性能的包芯纱。

5.一种取向电纺纳米纤维纺纱装置，包括共轭电纺成丝装置、取向加捻装置、纱线热处理装置和卷绕收集装置。

6.根据权利要求5所述的共轭电纺成丝装置，其特征在于可采用聚合物溶液和熔体作为纺丝原料，原料通过输送泵从相对配置金属喷头输出，输送速度为0.1～30.0ml/h；金属喷头分别施加正负高压，电压值为6kV～50kV，施加相同高压的喷头数量可以为单头，也可以为多头，喷头数量为1～100。带正负高压的金属喷头相对配置，金属喷头长20～55mm，直径0.2～0.9mm，相对配置金属喷头距离120～300mm。带电射流在高压静电场的作用下经过稳定及不稳定拉细并向喷头中心部分运动，期间伴随纺丝溶剂挥发或熔体冷却固化形成直径为50～1000nm直径的纤维。

7.根据权利要求5所述的加捻装置，其特征在于相对配置金属喷头中心下方20～70mm处配置直径50～90mm金属加捻器，金属加捻器可以为圆盘状或拱形。金属加捻器为中性，在施加正负高压喷头形成高压静电场中静电感应后，靠近喷头一侧带与喷头相反电荷，则喷头喷出纳米纤维向金属加捻器靠近喷头的一侧运动。金属加捻器中心开孔，以5～200m/h的线速度引出一根长丝，同时金属加捻器以10～900rpm的速度回转。纳米纤维将在电场力、长丝牵引力及金属加捻器作用力下围绕长丝形成圆锥状加捻三角区。

8.根据权利要求5所述的加捻装置，其特征在于共轭电纺成丝部分不断喷出纳米纤维并在圆锥状加捻部分凝聚加捻，加捻后的纱线不断被牵引出形成纳米纤维/长丝包芯复合纱，纱线细度15～500dtex。若制备纯纳米纤维纱线，待包芯纱成纱稳定后将金属加捻器中心引出长丝在加捻三角区前剪断即可，纯纳米纤维纱线细度5～450dtex。

9.根据权利要求5所述的纱线热处理装置，其特征在于将纱线在60～320℃下热处理，或60～98℃热水中处理3～400s，以使得纳米纤维进一步取向，纱线强力条干得到提高。

10.根据权利要求5所述的卷绕收集装置，其特征在于将热处理后的纱线以5～200m/h的线速度卷绕成管纱。