批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置及方法

1.本发明属于纺丝技术领域，具体涉及一种批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，同时本发明还涉及一种批量制备多股纳米纤维纱线的方法。


背景技术：

2.纳米纤维在过滤、个体防护、传感器、催化剂、军事、航天航空等领域广泛应用。在纳米纤维的制备中，由于静电纺丝制备方法操作简单，且制备出的纤维具有质量轻、透气性好、比表面积大等优点，因此，静电纺丝法是目前制备纳米级纤维最常用的方式。
3.传统的纳米纤维静电纺丝装置主要包括注射器、高压电源、集收器，其中通过盛有纺丝液的注射器喷出射流，射流在高压电场中被拉伸细化为纳米纤维丝，最后由集收器卷收纳米纤维丝。
4.然而，在实际制备过程中，传统的纳米纤维静电纺丝装置难以得到彼此分离的纳米纤维长丝或短纤维，不便于后期进一步加工处理，而且直接纺出的纳米纤维丝力学性能差，无法满足应用要求；而要得到符合力学性能要求的纳米纤维纱线产品，传统的纺丝装置需要配合加捻设备进行生产，由加捻设备对纳米纤维进行加捻制成纱线以提升力学性能，整个过程涉及到纳米纤维丝的收卷、运输、放卷、加捻等工序，操作繁琐，且在纳米纤维丝的收放卷中，存在较高的断丝的概率，重新接丝耗时久，影响纺丝效率，降低产量。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置。
6.同时，本发明还提供一种批量制备多股纳米纤维纱线的方法。
7.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
8.一种批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其包括：注射单元，其包括盛有纺丝液并具有注射管道的注射器；供电单元，其包括高压电源；收集单元，其包括导纱辊、络筒，注射管道有多个且间隔分布；注射单元还包括与多个注射管道的端部一一对接的多个针头组件，其中每个针头组件包括与对应的注射管道相连通的多根针头；静电纺丝装置还包括加捻单元，加捻单元包括气泵、与多个针头组件一一对应的多根导气管，其中气泵通过每根导气管在对应的多根针头之间形成沿着注射方向延伸的涡流；高压电源与每根针头相连通并产生电场以驱使每根针头喷出的射流形成单根纳米纤维丝，且多根纳米纤维丝通过同一涡流同步加捻形成单股纱线；收集单元包括设置在导纱辊和注射单元之间的集束器，集束器上形成有沿着注射方向逐渐变窄的集束通道，多股纱线通过集束通道合拢后经过导纱辊卷收在络筒上。
9.优选地，注射器包括具有纺丝液储液腔的器本体、插在储液腔内的活塞、用于驱动活塞在储液腔内往复运动的动力泵，其中多个注射管道与储液腔相连通，且随着活塞的推进同步注射纺丝液。在此，实现多个针头组件同步喷出射流。
10.具体的，每个注射管道自器本体的一端面向外水平延伸；动力泵设置在器本体的下方，并驱使活塞在储液腔内水平往复运动。
11.优选地，每个针头组件中的多根针头呈圆周阵列分布，且在注射方向的正投影中，多根针头连线所构成环形、涡流、注射管道三者的中心重合设置。在此，保证同一组的多根纳米纤维丝均匀加捻，有利于提升纳米纤维纱线的力学性能。
12.具体的，每根针头呈圆柱状，且每根针头的直径为0.3～2mm。
13.优选地，每根导气管插在对应的注射管道中，且沿着注射管道的长度方向延伸。
14.具体的，每根导气管在对应的注射管道的端面上形成出气口，对应的多根针头绕着出气口的外周分布。在此，通过导气管占用注射管道的内部空间，能够确保纺丝液分散在注射管道内与各个针头所对应的区域内，保证纺丝液的液压，有利于提升纺丝液供应速度和稳定性。
15.优选地，在注射方向的正投影中，集束通道的进口覆盖多个注射管道；和/或，集束通道呈喇叭状，且集束通道的锥角设置为60
°
～150
°
。在此，方便集束通道最大程度集束和干燥多股纳米纤维纱线，提升纺丝效率。
16.进一步的，收集单元还包括设置在集束器和络筒之间并能够绕着自身中心线转动的传输辊，其中传输辊的延伸方向与注射方向相垂直，且在传输辊的转动下，多股纱线经过传输辊绷紧并向导纱辊传输。在此，提升多股纱线的张力，便于传输和收集。
17.本发明的另一种技术方案是，一种批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝方法，其采用上述的静电纺丝装置，且包括如下步骤：
18.s1、由注射器通过各个注射管道向对应的针头组件供应纺丝液，每个针头随之喷出射流，其中在电场作用下，每个针头所喷出的射流形成单根纳米纤维丝，且在同一涡流作用下，多根纳米纤维丝同步加捻形成单股纱线；
19.s2、将形成的多股纱线穿过集束通道并合拢之后，经过导纱辊的导向并卷收在络筒上，完成多股纳米纤维纱线的连续批量制备。
20.由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
21.现有技术的纳米纤维静电纺丝装置无法纺出满足力学性能要求的纳米纤维，且需要分别经过多道工序才能获得符合要求的纳米纤维纱线产品，存在操作繁琐、耗时久、产量低的缺陷；而本发明静电纺丝装置进行整体设计巧妙地解决了现有结构的各种不足。采取该装置，由同一电场作用下，每组的多个针头喷出射流形成多根纳米纤维丝，并在同一涡流作用下，多根纳米纤维丝同步进行加捻并形成单股的纳米纤维纱线，再结合集束器、导纱辊以及络筒的配合，多股纳米纤维纱线合拢并传输和收集，因此，与现有的结构相比，本发明一方面通过在每个注射管道上连接多个间隔分布的针头，实现在同一电场中形成多根相互分离的纳米纤维丝，方便后续加工；另一方面通过将每组的多根针头绕着导气管喷出的涡流分布，针头所射出的纺丝液射流能够同步实施拉伸成丝和加捻成纱的过程，同时结合集束器，多股纳米纤维纱线能够自动合拢和收集，大大简化了操作，缩短纺丝耗时，有效提升产量，从而实现批量生产。
附图说明
22.图1为本发明批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置的结构示意图；
23.图2为图1中单个注射管道和针头组件的结构放大示意图；
24.图3为图1中单股纳米纤维纱线的局部结构放大示意图；
25.其中：1、注射单元；10、注射器；g、注射管道；100、器本体；q、储液腔；101、活塞；102、动力泵；11、针头组件；110、针头；
26.2、供电单元；20、高压电源；
27.3、加捻单元；30、气泵；31、导气管；w、涡流；
28.4、收集单元；40、集束器；t、集束通道；41、传输辊；42、导纱辊；43、络筒。
具体实施方式
29.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
30.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
32.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
35.如图1至图3所示，本实施例的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其包括注射单元1、供电单元2、加捻单元3、及收集单元4。
36.具体的，注射单元1包括注射器10和针头组件11，其中注射器10用于盛放纺丝液且具有多根注射管道g，针头组件11有多个且与多根注射管道g的出口所在端部相一一对接。
37.在一些具体实施方式中，注射管道g的数量可以设置为2～20个；注射器10具有纺丝液储液腔q的器本体100、插在储液腔q内的活塞101、由于驱动活塞101在储液腔q内往复运动的动力泵102，其中多个注射管道g与储液腔q相连通，且随着活塞101的推进同步注射纺丝液，具体的，每个注射管道g自器本体100的一端面向外水平延伸，动力泵102设置在器本体100的下方，并驱使活塞101在储液腔q内水平往复运动。
38.每个针头组件11包括与对应的注射管道g相连通的多根针头110，针头110数量可以是2～10个，本例中，针头110设置有六根，且六根针头110圆周阵列分布地连接在注射管道g的端面上，其中每根针头110呈圆柱状，且每根针头110的直径为0.3～2mm。
39.本例中，供电单元2包括高压电源20，高压电源20通过导线与每根针头110相连通并产生电场，以驱使每根针头110喷出的射流拉伸细化并形成单根纳米纤维丝。高压电源20的输出电压范围为0～30kv。
40.本例中，加捻单元3包括气泵30、与多个针头组件11一一对应的多根导气管31，其中气泵30为标准件，气泵30通过每根导气管31在对应的多根针头110之间形成沿着注射方向延伸的涡流w，同一组形成的多根纳米纤维丝通过同一涡流w同步加捻形成单股纱线，根据实际生产需要选择s捻或者z捻。
41.在一些具体实施方式中，每根导气管31插在对应的注射管道g中，且沿着注射管道g的长度方向延伸；每根导气管31在对应的注射管道g的端面上形成出气口，对应的六根针头110绕着出气口的外周圆周阵列分布。同时，在在注射方向的正投影中，多根针头110连线所构成环形、涡流w、注射管道g三者的中心重合设置。
42.本例中，收集单元4包括依次设置的集束器40、传输辊41、导纱辊42、络筒43，其中集束器40上形成有沿着注射方向逐渐变窄的集束通道t，多股纱线通过集束通道t合拢后依次经过传输辊41、导纱辊42，最后卷收在络筒43上。
43.具体的，集束通道t呈喇叭状，且集束通道t的锥角设置为60
°
～150
°
，根据具体的实施效果，锥角为80～130
°
所形成的效果最好；在注射方向的正投影中，集束通道t的进口能够覆盖多个注射管道g。
44.此外，传输辊41的延伸方向与注射方向相垂直，且在传输辊41的转动下，多股纱线经过传输辊41绷紧并向导纱辊42传输；导纱辊42有两根且并排间隔设置；络筒43为标准件。
45.因此，本实施例的纺丝方法包括如下步骤：
46.s1、由注射器10通过各个注射管道g向对应的针头组件11供应纺丝液，每个针头110随之喷出射流，其中在电场作用下，每个针头110所喷出的射流形成单根纳米纤维丝，且在同一涡流作用下，多根纳米纤维丝同步加捻形成单股纱线；
47.s2、将形成的多股纱线穿过集束通道t并合拢之后，经过传输辊41、导纱辊42的拉伸和导向并卷收在络筒43上，完成多股纳米纤维纱线的连续批量制备。
48.综上，本实施具有以下优势：
49.1、一方面通过在每个注射管道上连接多个间隔分布的针头，实现在同一电场中形成多根相互分离的纳米纤维丝，方便后续加工；另一方面通过将每组的多根针头绕着导气管喷出的涡流分布，针头所射出的纺丝液射流能够同步实施拉伸成丝和加捻成纱的过程，
同时结合集束器，多股纳米纤维纱线能够自动合拢和收集，大大简化了操作，缩短纺丝耗时，有效提升产量，从而实现批量生产；
50.2、通过针头、涡流以及注射管道的位置布局，保证同一组的多根纳米纤维丝均匀加捻，有利于提升纳米纤维纱线的力学性能；
51.3、通过导气管占用注射管道的内部空间，能够确保纺丝液分散在注射管道内与各个针头所对应的区域内，保证纺丝液的液压，有利于提升纺丝液供应速度和稳定性；
52.4、在传输辊的转动下，能够实现多股纱线的拉伸效果，提升多股纱线的张力，便于传输和收集。
53.以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其包括：注射单元，其包括盛有纺丝液并具有注射管道的注射器；供电单元，其包括高压电源；收集单元，其包括导纱辊、络筒，其特征在于：所述注射管道有多个且间隔分布；所述注射单元还包括与所述多个注射管道的端部一一对接的多个针头组件，其中每个所述针头组件包括与对应的所述注射管道相连通的多根针头；所述静电纺丝装置还包括加捻单元，所述加捻单元包括气泵、与所述多个针头组件一一对应的多根导气管，其中所述气泵通过每根所述导气管在对应的所述多根针头之间形成沿着注射方向延伸的涡流；所述高压电源与每根所述针头相连通并产生电场以驱使每根所述针头喷出的射流同步形成单根纳米纤维丝，且多根所述纳米纤维丝通过同一所述涡流同步加捻形成单股纱线；所述收集单元包括设置在所述导纱辊和所述注射单元之间的集束器，所述集束器上形成有沿着注射方向逐渐变窄的集束通道，多股所述纱线通过所述集束通道合拢后经过所述导纱辊卷收在所述络筒上。2.根据权利要求1所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：所述注射器包括具有纺丝液储液腔的器本体、插在所述储液腔内的活塞、用于驱动所述活塞在所述储液腔内往复运动的动力泵，其中多个所述注射管道与所述储液腔相连通，且随着所述活塞的推进同步注射纺丝液。3.根据权利要求2所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：每个所述注射管道自所述器本体的一端面向外水平延伸；所述动力泵设置在所述器本体的下方，并驱使所述活塞在所述储液腔内水平往复运动。4.根据权利要求1所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：每个所述针头组件中的所述多根针头呈圆周阵列分布，且在注射方向的正投影中，所述多根针头连线所构成环形、所述涡流、所述注射管道三者的中心重合设置。5.根据权利要求1或4所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：每根所述针头呈圆柱状，且每根所述针头的直径为0.3～2mm。6.根据权利要求1所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：每根所述导气管插在对应的所述注射管道中，且沿着所述注射管道的长度方向延伸。7.根据权利要求6所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：每根所述导气管在对应的所述注射管道的端面上形成出气口，对应的所述多根针头绕着所述出气口的外周分布。8.根据权利要求1所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：在所述注射方向的正投影中，所述集束通道的进口覆盖多个所述注射管道；和/或，所述集束通道呈喇叭状，且所述集束通道的锥角设置为60
°
～150
°
。9.根据权利要求1所述的批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置，其特征在于：所述收集单元还包括设置在所述集束器和所述络筒之间并能够绕着自身中心线转动的传输
辊，其中所述传输辊的延伸方向与注射方向相垂直，且在所述传输辊的转动下，多股所述纱线经过所述传输辊绷紧并向所述导纱辊传输。10.一种批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝方法，其特征在于：其采用权利要求1至9中任一项所述的静电纺丝装置，且包括如下步骤：s1、由所述注射器通过各个所述注射管道向对应的所述针头组件供应纺丝液，每个所述针头随之喷出射流，其中在同一电场作用下，每个所述针头所喷出的射流形成单根纳米纤维丝，且在同一涡流作用下，多根纳米纤维丝同步加捻形成单股纱线；s2、将形成的多股纱线穿过集束通道并合拢之后，经过导纱辊的导向并卷收在所述络筒上，完成多股纳米纤维纱线的连续批量制备。

技术总结
本发明公开了批量制备多股纳米纤维纱线的静电纺丝装置及方法，该纺丝装置包括：注射单元；供电单元；收集单元；加捻单元。本发明一方面通过在每个注射管道上连接多个间隔分布的针头，实现在同一电场中形成多根相互分离的纳米纤维丝，方便后续加工；另一方面通过将每组的多根针头绕着导气管喷出的涡流分布，针头所射出的纺丝液射流能够同步实施拉伸成丝和加捻成纱的过程，同时结合集束器，多股纳米纤维纱线能够自动合拢和收集，大大简化了操作，缩短纺丝耗时，有效提升产量，从而实现批量生产。产。产。


技术研发人员：刘福娟 常雅雯
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25