一种静电纺丝超细纤维捻线装置及方法与流程

本发明涉及静电纺丝技术领域，特别是涉及一种静电纺丝超细纤维捻线装置及方法。

背景技术：

静电纺丝技术是聚合物溶液或者熔体在强电场作用下形成射流，射流固化形成纤维的纤维制造方法。作为一种特殊的纤维制造工艺，静电纺丝技术可以生产出纳米级直径的聚合物纤维，被认为是最具工业化前景的超细纤维制备方法之一。

传统静电纺丝法得到的产物一般是无纺布纤维毡，限制了其应用范围。将纤维成束或者加捻收集可以提高纤维拉伸强度和促使纤维有序排列，将会在很大程度上激发静电纺丝法在纺织、传感器和组织工程等领域的应用潜力。

目前静电纺丝超细纤维加捻多是利用旋转水流或者气流带动纤维束集束并且加捻，存在稳定性和均匀性较差的缺点，且不能精确控制捻度。由于静电纺丝必须有高压静电，必须做好静电隔离等防护，给机械集束加捻带来困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种静电纺丝超细纤维捻线装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高静电纺丝纤维捻线的稳定性和均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种静电纺丝超细纤维捻线装置，包括外套筒和中间套筒，所述外套筒套设在所述中间套筒上，所述外套筒与所述中间套筒之间形成有环形间隙，所述外套筒上设置有与所述环形间隙连通的熔体入口，所述外套筒的底端设置有一锥形孔，且所述锥形孔的顶端与所述环形间隙的底端相通，所述外套筒上包裹有用于加热所述环形间隙中的熔体的加热圈；所述中间套筒中穿设有圆柱形的金属杆，所述金属杆与所述中间套筒之间具有间隔，所述金属杆的底端固连有一位于所述锥形孔下方的圆台，所述圆台上面积较大的底面与所述金属杆的底端固连，所述圆台上面积较小的底面固连有一锥形的引导尖端，所述引导尖端的锥面与所述圆台的锥面光顺连接；所述金属杆、所述圆台、所述引导尖端及所述环形间隙同轴；还包括设置在所述引导尖端下方的辊筒和能够驱动所述金属杆自转的驱动装置，所述金属杆与高压静电发生器的输出电极电连接，所述圆台导电，所述引导尖端绝缘，所述外套筒接地。

优选的，还包括内套筒，所述金属杆插设在所述内套筒中，所述金属杆与所述内套筒固连，所述内套筒通过滑动轴承与所述中间套筒转动配合，所述内套筒和所述滑动轴承设置在所述间隔内；所述中间套筒的顶端还固设有一滚动轴承，所述滚动轴承的外圈与所述中间套筒固连，所述滚动轴承套设在所述内套筒上，且所述内套筒与所述滚动轴承的内圈过渡配合。

优选的，所述金属杆的顶端固设有绝缘轴端套，所述驱动装置为调速电机，所述调速电机的输出轴通过联轴器与所述绝缘轴端套固连。

优选的，所述中间套筒的顶端固设有碳刷支架，所述碳刷支架通过弹簧连接有碳刷，所述碳刷支架上还螺纹连接有连接螺钉，所述连接螺钉通过导线与所述高压静电发生器的输出电极电连接，所述连接螺钉还与所述弹簧远离所述碳刷的一端固连，所述碳刷在所述弹簧的弹力下与所述金属杆的侧壁紧密接触。

优选的，所述锥形孔的底端为环形尖端；所述锥形孔的底端均匀设置有多个射流引导球。

优选的，所述中间套筒的底端还对应所述锥形孔设置有与所述金属杆同轴的锥形体，所述锥形体位于所述锥形孔中，所述锥形体的锥面与所述锥形孔的锥面之间具有间隔，且所述锥形体的底端边缘伸出所述锥形孔，所述金属杆和所述内套筒穿过所述锥形体，所述内套筒与所述锥形体之间具有间隙，所述圆台位于所述锥形体的下方。

优选的，所述引导尖端的锥度与所述圆台的锥度相同，所述引导尖端的底面与所述圆台的截面的大小相等。

优选的，所述引导尖端的材料为耐高温绝缘材料，如聚四氟乙烯；所述圆台的材料为石墨或金属。

优选的，所述圆台的侧面上均匀设置有多个半圆槽，所述半圆槽的长度方向与所述侧面的斜度方向相同。

本发明还提供一种基于上述静电纺丝超细纤维捻线装置的静电纺丝超细纤维捻线方法，包括以下步骤：

(1)首先将一段绝缘细绳一端沿圆台的侧面缠绕若干圈，并与所述圆台的侧面粘接，然后将所述绝缘细绳的另一端缠绕在辊筒上若干圈，然后打开高压静电发生器；

(2)通过挤出机将聚合物熔体熔融塑化形成熔融的熔体后，通过熔体入口将熔融的熔体通入外套筒，同时打开加热圈；熔融的熔体经所述熔体入口流入环形间隙后继续流动并逐渐周向分布均匀，然后熔融的熔体继续向下流动到外套筒底部锥形孔的锥面内侧，由于重力作用和粘附效应熔融的熔体沿着内壁面自然向下流动到外套筒底端的环形尖端并呈环形均匀分布；

(3)由于打开高压静电发生器后圆台带电，在圆台表面和外套筒底端的环形尖端之间形成高压电场，外套筒底端的环形尖端感应带电，调节高压静电发生器的输出电压，直到环形尖端上附着的熔体薄层在强电场作用下被激发形成多股射流，多股射流自组织逐渐均匀分布形成间隔均匀稳定的多射流，射流冷却固化形成连续超细纤维，由于静电吸附效应，连续超细纤维被吸附在圆台侧面上缠绕的绝缘细绳上；

(4)然后打开辊筒的旋转开关使辊筒旋转，绝缘细绳缠绕在旋转的辊筒上从而将携带超细纤维牵引缠绕在辊筒上，由于纺出来的纤维是连续长纤维，此时经过集束的纤维便可以持续自动缠绕在辊筒上，然后打开调速电机，驱动圆台旋转，吸附在圆台底部锥面上的纤维束随之拧转加捻，加捻后形成纱线被辊筒连续收集；

(5)通过调节调速电机的转速来调节纱线捻度，使纱线达到工艺要求目标；通过改变高压静电发生器输出电压改变环形尖端上附着的熔体薄层被激发形成的射流数量，以满足纱线中纤维数量的工艺要求。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的静电纺丝超细纤维捻线装置及方法提高了静电纺丝纤维捻线的稳定性和均匀性。本发明的静电纺丝超细纤维捻线装置及方法利用圆台即高压电极对纤维的静电吸附作用，将环形尖端产生的多根纤维吸附到圆台上，达到集束的目的，然后通过圆台的旋转作用，给纤维束加捻，最终加捻后的纱线被辊筒接收并成卷收集，本发明具备使静电纺丝法制备的超细纤维集束、加捻和收集等功能，具有稳定性高、连续性强和捻度可调等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例一的部分结构示意图一；

图3为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例一的部分结构示意图二；

图4为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例二的部分结构示意图；

图5为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例三的部分结构示意图；

图6为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例一的部分结构示意图三；

图7为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例四的部分结构示意图；

图8为本发明静电纺丝超细纤维捻线装置实施例五的结构示意图；

其中：100、静电纺丝超细纤维捻线装置；1、外套筒；2、中间套筒；3、环形间隙；4、滑动轴承；5、内套筒；6、金属杆；7、圆台；8、引导尖端；9、熔体入口；10、辊筒；11、调速电机；12、输出轴；13、联轴器；14、绝缘轴端套；15、紧定螺钉；16、高压静电发生器；17、导线；18、碳刷支架；19、连接螺钉；20、弹簧；21、碳刷；22、滚动轴承；23、加热圈；24、纤维；25、纱线；26、半球体；27、射流引导球；28、半圆槽；29、锥形体；30、螺栓。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种静电纺丝超细纤维捻线装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高静电纺丝纤维捻线的稳定性和均匀性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1至图3及图6所示：本实施例提供了一种静电纺丝超细纤维捻线装置100，包括外套筒1和中间套筒2，外套筒1套设在中间套筒2上，外套筒1与中间套筒2之间形成有环形间隙3，外套筒1上设置有与环形间隙3连通的熔体入口9，外套筒1的底端设置有一锥形孔，且锥形孔的顶端与环形间隙3的底端相通，锥形孔的底端为环形尖端；外套筒1上包裹有用于加热环形间隙3中的熔体的加热圈23；中间套筒2中穿设有圆柱形的金属杆6，金属杆6与中间套筒2之间具有间隔，金属杆6的底端固连有一位于锥形孔下方的圆台7，圆台7上面积较大的底面与金属杆6的底端固连，圆台7上面积较小的底面固连有一锥形的引导尖端8，引导尖端8的锥面与圆台7的锥面光顺连接；金属杆6、圆台7、引导尖端8及环形间隙3同轴且均竖直；引导尖端8的锥度与圆台7的锥度相同，引导尖端8的底面与圆台7的截面的大小相等。引导尖端8采用聚四氟乙烯等耐高温绝缘材料制成，防止圆台7与中间套筒2电导通引起高压静电发生器16自保护导致的纺丝过程中断；圆台7的材料为石墨或金属等导电材质。本实施例中以金属杆6底端的圆台7作为高压电极，引导尖端8用于引导纱线25收集方向，同时防止纤维24被尖端附近吸引导致其加捻回转半径不足，保证加捻效果。

本实施例静电纺丝超细纤维捻线装置100还包括内套筒5，金属杆6插设在内套筒5中，金属杆6与内套筒5固连，内套筒5通过滑动轴承4与中间套筒2转动配合，内套筒5和滑动轴承4设置在金属杆6与中间套筒2之间的间隔内；中间套筒2的顶端还固设有一滚动轴承22，滚动轴承22的外圈与中间套筒2固连，滚动轴承22套设在内套筒5上，且内套筒5与滚动轴承22的内圈过渡配合，通过相对滚动轴承22上下滑动内套筒5，能够调节锥面高压电极在纺丝喷头外套筒1底部的伸出距离。

本实施例静电纺丝超细纤维捻线装置100还包括设置在引导尖端8下方的辊筒10和能够驱动金属杆6自转的调速电机11，辊筒10能够旋转且转速可调，辊筒10及其驱动装置为纺丝领域内的常用设备，关于其具体结构在此不再赘述。

金属杆6与高压静电发生器16的输出电极电连接，圆台7导电，引导尖端8绝缘，外套筒1接地。金属杆6的顶端固设有绝缘轴端套14，绝缘轴端套14上设置有紧定螺钉15，通过紧定螺钉15实现绝缘轴端套14与金属杆6的周向固定，调速电机11的输出轴12通过联轴器13与绝缘轴端套14固连。中间套筒2的顶端固设有碳刷支架18，碳刷支架18通过螺栓30固定安装在中间套筒2上，碳刷支架18通过弹簧20连接有碳刷21，碳刷支架18上还螺纹连接有连接螺钉19，连接螺钉19通过导线17与高压静电发生器16的输出电极电连接，连接螺钉19还与弹簧20远离碳刷21的一端固连，碳刷21在弹簧20的弹力下与金属杆6的侧壁紧密接触，调节连接螺钉19的旋入深度可以调节弹簧20的松紧。

本实施例还提供一种基于上述静电纺丝超细纤维捻线装置100的静电纺丝超细纤维24捻线方法，包括以下步骤：

(1)首先将一段绝缘细绳一端沿圆台7的侧面缠绕若干圈，并与圆台7的侧面轻微粘接，轻微粘接的目的在于在保证绝限细绳能够随圆台7转动的基础上还能保证当辊筒10带动绝缘细绳转动时绝缘细绳能够与圆台7分离，然后将绝缘细绳的另一端缠绕在辊筒10上若干圈，然后打开高压静电发生器16；

(2)通过挤出机将聚合物熔体熔融塑化形成熔融的熔体后，通过熔体入口9将熔融的熔体通入外套筒1，同时打开加热圈23；熔融的熔体经熔体入口9流入环形间隙3后继续流动并逐渐周向分布均匀，然后熔融的熔体继续向下流动到外套筒1底部锥形孔的锥面内侧，由于重力作用和粘附效应熔融的熔体沿着内壁面自然向下流动到外套筒1底端的环形尖端并呈环形均匀分布，加热圈23用于维持熔体温度，以保持熔体的流动性；

(3)由于打开高压静电发生器16后圆台7带电，在圆台7表面和外套筒1底端的环形尖端之间形成高压电场，外套筒1底端的环形尖端感应带电，调节高压静电发生器16的输出电压，直到环形尖端上附着的熔体薄层在强电场作用下被激发形成多股射流，多股射流自组织逐渐均匀分布形成间隔均匀稳定的多射流，射流冷却固化形成连续超细纤维24，由于静电吸附效应，连续超细纤维24被吸附在圆台7侧面上缠绕的绝缘细绳上；

(4)然后打开辊筒10的旋转开关使辊筒10旋转，绝缘细绳缠绕在旋转的辊筒10上从而将携带超细纤维24牵引缠绕在辊筒10上，由于纺出来的纤维24是连续长纤维24，此时经过集束的纤维24便可以持续自动缠绕在辊筒10上，然后打开调速电机11，驱动圆台7旋转，吸附在圆台7底部锥面上的纤维24束随之拧转加捻，加捻后形成纱线25被辊筒10连续收集；

(5)通过调节调速电机11的转速来调节纱线25捻度，使纱线25达到工艺要求目标；通过改变高压静电发生器16输出电压改变环形尖端上附着的熔体薄层被激发形成的射流数量，以满足纱线25中纤维24数量的工艺要求；还可以通过改变圆台7侧面的粗糙度以调节加捻摩擦力。

实施例二

本实施例提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100与实施例一提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100大体结构基本相同，其区别之处仅在于：如图4所示，本实施例静电纺丝超细纤维捻线装置100中金属杆6的底端没有设置圆台7和引导尖端8，而是固设有一个半球体26作为高压电极，半球体26的球面朝下，半球体26的圆形底面与金属杆6的底端固连，半球体26与金属杆6同轴。

实施例三

本实施例提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100与实施例一提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100大体结构基本相同，其区别之处仅在于：如图5所示，在外套筒1底端的锥形孔的底端均匀设置有多个射流引导球27，相邻两个射流引导球27之间存在间隔，本实施例中设置的射流引导球27用于引导形成固定纤维24的数量以满足特定工艺需求。

具体的，聚合物熔体沿着外套筒1底部锥形孔的内锥面流动到环形尖端后，均匀分布在环形尖端和射流引导球27表面，由于射流引导球27的底部尖端凸出于环形尖端，由于尖端放电效应，射流引导球27的底部尖端的电荷最密集场强最强，能够激发形成射流，熔体也持续流到射流引导球表面形成稳定射流；具体的：打开高压静电发生器16后，由于尖端放电效应，射流引导球27的底部尖端附近感应场强最强，附着在射流引导球27底部表面的熔体激发形成射流，随着射流的持续运行带走射流引导球27表面更多的熔体，此时需要更多的熔体补充到射流引导球27表面，从而引导内锥面表面的熔体持续补充到射流引导球27表面，由于射流引导球27底部尖端放电效应，射流引导球27底部尖端感应场强最强，射流只在射流引导球27的底部尖端产生，起到引导射流的作用，因此，射流的数量取决于射流引导球27的数量，通过改变射流引导球27的数量就能够控制最终形成的射流的数量。

实施例四

本实施例提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100与实施例一提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100大体结构基本相同，其区别之处仅在于：如图7所示，圆台7的侧面上均匀设置有多个半圆槽28，半圆槽28的长度方向与侧面的斜度方向相同，半圆槽28可以仅仅分布在圆台7的侧面上，也可以向下延伸至引导尖端8的锥面上，半圆槽28能够增强圆台7对超细纤维的高压电极的加捻效果。

实施例五

本实施例提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100与实施例一提供的静电纺丝超细纤维捻线装置100大体结构基本相同，其区别之处仅在于：如图8所示，中间套筒2的底端还对应锥形孔设置有与金属杆6同轴的锥形体29，锥形体29位于锥形孔中，锥形体29的锥面与锥形孔的锥面之间具有间隔，且锥形体29的底端边缘伸出锥形孔，金属杆6和内套筒5穿过锥形体29，内套筒5与锥形体29之间具有间隙，圆台7位于锥形体29的下方。在本实施例中环形间隙3中的熔融的流体能够流动到锥形体29的底端边缘，在锥形体29的底端边缘形成熔体薄层，并被激发行成射流，进行纺丝并捻线。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。