[发明专利]双级剪切式牵伸静电纺直纺微米纱装置、方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及静电纺丝、静电纺纱和纳米纤维纺丝机械领域，特别是涉及一种静电直纺微米纱的纺纱技术。

背景技术

近年来随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展。目前静电纺丝得到的纳米纤维尺度大多在亚微米尺度(100～1000nm)，而小于100nm的真正纳米纤维较少。则如何将亚微米粗细的纤维缩小到纳米尺度纤维是有待学者研究的问题。

静电纺纤维在环境、能源、生物医学、光电等领域均有应用，然而目前研究的静电纺纳米纤维主要以纤维直接堆砌的膜或毡的形式出现，是二维无序的纤维集合体，严重阻碍了这种材料的拓展应用。通常纱线可用于梭织、针织或编织，但直接以散纤维是不能用于针织、梭织和编织的，更不用说采用纳米散纤维体。同时目前的静电纺纤维的粗细偏粗、强度偏低或很低，几乎难以满足实用织物的要求，甚至无法直接织造成布。因此，将所成纳米纤维束直接纺成微米的纱，进而应用于机织、针织或编织，制备出多种结构及形状的织物，提供静电纺丝的单丝强度、细化单丝到纳米尺寸和粗细均匀化，是静电纺纳米技术中亟待解决的问题，也是纳米纤维应用发展的基础。同时，也出现一些静电纺丝直纺纱线的报道。

如Dalton[Dalton PD，Polymer，2005，46，611-614]等利用双圆碟装置收集到并形成取向排列的微米纱，此方法制备纱线条干和取向好，但纤维只有静电场牵伸，而无任何机械牵伸，故单丝在亚微米尺度且强度低，纤维成纱偏粗、强度亦低。Li[中国专利ZL201110205027.0]公开了一种静电纺纳米纤维纱线的方法和装置，利用漏斗接收装置，对漏斗后端的圆柱管道切向抽真空，形成气流进行装置，但是后面既无牵伸又无加捻卷绕装置无法实现连续成纱。Li[Li N，Materials Letters，2012：245-247]等自制一种装有高速气流的漏斗型收集装置，气流作为动力载体可形成多种纤维集合体和连续纱线，漏斗收集器分为漏斗和圆柱两个部分，但高速气流只能对纳米纤维实现加捻作用，无纱线连续收集装置而最终纤维束不带有捻度。

覃小红，吴韶华[中国专利ZL201310058070.8]公开了一种取向静电纺连续纱线制备装置及方法，其利用相对配置并接正负极喷头和金属圆形靶的旋转实现纳米纤维纺纱的连续生产，取向度和产量虽高，但亦不存在对丝束牵伸，单丝偏粗，强度无法改善，成纱细度变细受限制，强度较差。Usman Ali[Usman Ali，The Textile Institute，2012(1)：80-88]；He[He J，Journal of Applied Polymer Science，2014，131(8)]；He[He J，Polymer International，2014，63(7)：1288-1294]等也有相关研究，未涉及剪切牵伸，且喇叭口仅为收集外侧喷纺得到的亚微米纤维旋转加捻直接返回卷绕成纱的机构。原理与本发明完全不同。覃小红，吴韶华[中国专利ZL201320083418.4]公开了一种涡流纺成纱装置，利用喇叭形输送管道正对喷丝头并与涡流管输送孔相连，利用涡流作用加捻成纱，虽可连续制备纳米线纱线生产效率较高，但仍无剪切牵伸，则纤维取向和强度不足。

Li[Li Jie，Polymer Engineering&Science，2013，54，1618-1624]公开了一种聚酰胺6、66共聚物长丝纱连续静电纺丝方法。纤维束集于表面活性剂浴液中，集束的纤维经卷绕成初纺纱，再经过加热和二次牵伸得长丝纱，为了牵伸卷绕不易断裂需控制液体收集装置浴液，适用范围有所限制。Eugene Smit[Eugene Smit，Polymer，2005(46)：2419-2423]、俞昊[中国专利ZL201908162]也有相似的研究工作。其在静电纺过程上无牵伸装置，既非直纺成纱，且纺成纱中纤维细度粗、强度低且损伤大、工序多、能耗大，是不争的事实。

综上，现有的静电纺直纺成纱均未产生剪切牵伸，则更无双级剪切牵伸方法来实现对静电纺丝的牵伸变细并能达到真正纳米尺寸和单丝强度提升的直纺技术。二级牵伸纳米纤维的结构和粗细更均匀、强度更高、细度更细，而且实现纳米尺度纤维和高强的微米纱更容易。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用不同转速的正、反锥筒及其间的相互配合对喇叭喷头喷射出的亚微米静电丝实现两次剪切牵伸的静电直纺机构与方法，以此来获得细度更细达纳米尺寸、强度更强达实用织物要求的纳米丝和微米纱。