一种取向纳米纤维纱线的连续纺纱装置及其使用方法
技术领域
本发明属于静电纺丝的技术领域，特别是涉及一种连续取向纳米纤维纱线静电纺丝装置及其使用方法。
背景技术
纳米纤维优势在于极大的长径比带来的大比表面积。纳米纤维纱线由于纤维取向加捻而在物理化学方面表现出各向异性。静电纺丝是当前一种最流行且便利的纳米纤维及其纱线制备技术，应用领域广泛，如到组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料、复合增强材料应力传感、能量转换、智能穿戴等等。静电纺丝法的原理是高聚物溶液在静电力的作用下拉伸运动的同时溶剂挥发聚合物固化，这一过程涉及到液滴的非稳态运动与相态转变，过程不可控，所以一般得到的是无规则排列的纤维膜或纤维毡。然而杂乱排列的纳米纤维材料由于其力学性能较低、结构单一等原因，极大地限制其进一步应用。特别是在需要实现各项异性及及功能性领域如组织工程、能源转化、应力传感等领域。取向纳米纤维纱线由于其优异的各向异性与一维结构以及成型能力得到更为广泛的应用。由于现阶段纳米纤维纱线的纺纱装置存在产量低的问题，这限制了纳米纤维纱线的应用。所以，批量化制备取向纳米纤维纱线的制备方法的发展能为纳米纤维纱线应用带来极大的发展。
很多学者已经致力于取向纳米纤维纱线制备方法的研究，例如Dalton[DaltonPD,Polymer,2005,46,611-614]利用两个对称圆盘收集到了取向的纳米纤维纱线，此方法制备的纱线均匀度好，纤维高度取向，但是最大的缺点是制备的纱线长度受圆盘间距的限制，无法满足实际应用场景的需要。中国专利CN105220246A报道了一种结合气流与摩擦纺丝的纳米纤维纱线纺纱装置，该方法通过气流运动轨迹带动纤维运动达到取向成纱的目的，能够提高纱线产量，但是该方法装置复杂，且利用摩擦的方法加捻可能造成纱线品质下降，且加捻过程不可控。另一种是利用共轭静电纺的原理并配置多个针头，该方法可以连续成纱，取向和加捻过程可控，但产量较低。由此可见，在现阶段纳米纤维纱线的连续化批量化制备方法中，还存在着纱线质量和产量难以同时保证的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种取向纳米纤维连续纺纱装置及使用方法，实现对纳米纤维纱线取向和加捻的控制，并连续成纱，提高纳米纤维纱线产量实现批量化生产。
本发明提供了一种取向纳米纤维纱线的连续纺纱装置，包括无针式静电纺丝喷头、高压发生器、储液罐、大金属环、小金属环、卷绕装置和绝缘底座组成，无针式静电纺丝喷头固定在绝缘套上，并由储液罐通过软管供液，软管设置有蠕动泵，用于控制无针式静电纺丝喷头的供液量以及供液速度；高压发生器的正极与无针式静电纺丝喷头通过金属导线连接；大金属环通过绝缘杆I可转动的固定在绝缘底座上，并在电机及传动装置的带动下旋转；小金属环通过绝缘杆II固定在绝缘底座上，卷绕装置设置在小金属环相对于大金属环的另一侧并与小金属环同心；大金属环与小金属环均接地；电机、绝缘杆I、无针式静电纺丝喷头、绝缘杆II、卷绕装置的中心投影在同一水平线上。
进一步，无针式静电纺丝喷头置于大金属环与小金属环下方。
进一步，大金属环外径为10-30cm，内径为9-29cm，小金属环外径为1.5-2cm，内径为1.2-1.7cm，大金属环与小金属环间距离可调，调节距离为5-100cm。。
进一步，大金属环与小金属环为实心不锈钢圆环。
进一步，传动装置由两个安装在电机转轴和大金属环轴心上的皮带轮以及套在皮带轮上的皮带组成。皮带传动的结构简单，制造成本低，安装维护方便，而且运转平稳，工作时噪声较低。
进一步，绝缘底座、绝缘套、绝缘杆I、绝缘杆II均为聚四氟乙烯材质。
进一步，电机转速在5rpm-9000rpm，卷绕装置转速在0.1m/min-100m/min。
进一步，蠕动泵转速为10-500rpm。
本发明还包括一种如上所述的批量取向纳米纤维连续纺纱装置的使用方法，包括以下步骤：
A:将纺丝溶液注入储液罐，通过蠕动泵转动输送纺丝溶液，通过调节蠕动泵转速调节流量使得无针式静电纺丝喷头上的纺丝溶液液面达到饱和与溢出的临界状态；
B:打开高压发生器向无针式静电纺丝喷头施加高压，使得多根射流从无针式静电纺丝喷头喷出；
C:通过大金属环和小金属环之间形成的电场诱导纳米纤维取向排列，打开电机驱动大金属环旋转，并对取向的纳米纤维加捻；
D:从小金属环内对纳米纤维进行牵伸，诱导纳米纤维形成纺纱三角锥，并从小金属环中心引出，得到连续取向纳米纤维纱线，并通过卷绕装置收集。
进一步，步骤D中，使用玻璃棒对纳米纤维进行牵引，将沉积的纳米纤维从小金属环一侧拉出，并收集在卷绕装置上，或将一根棉纱从大金属环内穿入小金属环内穿出并缠绕在收卷装置上，作为芯纱对纳米纤维进行牵引。
本发明使纳米纤维取向的沉积在大小金属环之间，对纳米纤维进行牵伸形成纺纱三角锥后从小金属环中心引出得到连续取向纳米纤维纱线，并通过卷绕装置收集，实现了对纳米纤维纱线取向和加捻的控制并连续成纱，提高了纳米纤维纱线的产量，从而实现了取向纳米纤维纱线的批量化生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明大金属环的正面示意图；
图3为本发明大金属环的侧面示意图；
图4为本发明无针式喷头的主视图；
图5为本发明无针式喷头的剖面图。
1、无针式静电纺丝喷头，2、绝缘套，3、大金属环，4、绝缘杆I，5、传动装置，6、电机，7、小金属环，8、绝缘杆II，9、卷绕装置，10、高压发生器，11、储液罐，12、蠕动泵，13、绝缘底座。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。应理解，这些实施例仅用于说明本新型实现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。
实施例一
如图1所示，本实施例包括无针式静电纺丝喷头1、绝缘套2、大金属环3、绝缘杆I4、传动装置5、电机6、小金属环7、绝缘杆II8、卷绕装置9、高压发生器10、储液罐11、蠕动泵12和绝缘底座13。无针式静电纺丝喷头1固定在绝缘套上2，并由储液罐11通过软管供液，软管设置有蠕动泵12，用于控制无针式静电纺丝喷头1的供液量以及供液速度；高压发生器10的正极与无针式静电纺丝喷头1通过金属导线连接；大金属环3通过绝缘杆I4固定在绝缘底座13上，电机6通过传动装置5带动大金属圆环3旋转，传动装置5由两个安装在电机6转轴和大金属环3轴心上的皮带轮以及套在皮带轮上的皮带组成，电机6转轴转动时通过皮带轮和皮带带动安装在大金属环3上的皮带轮转动，从而带动大金属环3一起转动；小金属环7通过绝缘杆II8固定在绝缘底座13上，卷绕装置9设置在小金属环7相对于大金属环3的另一侧并与小金属环7同心；大金属环3与小金属环7均接地；电机6、绝缘杆I4、无针式静电纺丝喷头1、绝缘杆II8、卷绕装置9的中心投影在同一水平线上，且无针式静电纺丝喷头1置于大金属环3与小金属环7下方，大金属环3与小金属环7为实心不锈钢圆环，大金属环3外径为10-30cm，内径为9-29cm，小金属环7外径为1.5-2cm，内径在1.2-1.7cm，且大金属环3与小金属环7间距可调，调节距离为5-100cm。绝缘底座13、绝缘套2、绝缘杆I4、绝缘杆II8均为聚四氟乙烯材质。电机6转速在5rpm-9000rpm，卷绕装置9转速在0.1m/min-100m/min，蠕动泵12转速为10-500rpm。
本实施例在使用时，先将一定量PAN溶解于DMF中，配成质量分数为12％、14％或16％的纺丝液，注入储液罐11中，打开蠕动泵12开关，调节蠕动泵12转速为60rpm，纺丝液缓慢通过软管被加入到无针式静电纺丝喷头1中，至纺丝溶液液面达到饱和与溢出的临界状态时，打开高压发生器10开关，缓慢加大纺丝电压调节到有射流产生，产生的纳米纤维取向的沉积在大金属环3和小金属环7盘之间，此时打开电机6开关，调节转速在300rpm，纳米纤维开始加捻。用一根玻璃棒进行牵引，将沉积的纳米纤维从小金属环7一侧拉出，并收集在卷绕装置9上，打开卷绕装置9开关，调节到合适的速度开始连续收集取向纳米纤维纱线。
实施例二
本实施例的结构与实施例一的结构相同，不同之处在于使用方法。本实施例在使用时，先将一根棉纱从大金属环3内穿入小金属环7内穿出，再缠绕在收卷装置9上作为芯纱，然后将一定量PAN溶解于DMF中，配成质量分数为10％的纺丝液，注入储液罐11中，打开蠕动泵12开关，调节蠕动泵12转速为100rpm，纺丝液缓慢通过软管被加入到无针式静电纺丝喷头1中，至纺丝溶液液面达到饱和与溢出的临界状态时，打开高压发生器10开关，缓慢加大纺丝电压调节到有射流产生，产生的纳米纤维取向的沉积在大金属环3和小金属环7之间，此时打开电机6开关，调节转速在200rpm，纳米纤维沉积到棉纱表面，并开始加捻，打开卷绕装置9开关，调节到合适的速度开始连续收集取向纳米纤维包芯纱线。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
