静电纺制备连续纳米纤维纱线的方法

静电纺制备连续纳米纤维纱线的方法

静态纺丝是一种简单、易于加工的有机聚合物和有机氧化物。它是一种简单、易用的纺织加工技术。亚洲的大米和纳米纤维。目前的产品形式基本都是呈无规排列状态的纤维毡,这种片状材料可以直接应用,但产品的二次加工性及力学性能较差。通过静电纺丝制备纳米纤维束构成的连续纱线,则可以解决纳米纤维毡力学性能差、纤维集合体结构无序等问题。2002年以来,关于静电纺连续纳米纤维纱线的研究报道相继出现,而最早开展这项研究工作的是Formhals,他在1934-1944年申请的专利中就提出了一系列纺制连续纳米纤维纱线的方法,虽然近70年来都没有见其在商业方面得到应用,但这些方法却给后人提供了很好的参考价值。本研究共介绍了14种静电纺纳米纤维纱的制备方法,这些纺丝方法可归纳为喷嘴处成纱和收集区成纱两大类,收集区成纱主要是通过改进收集装置和添加一种或多种辅助电极等手段而实现的。1喷嘴法-双重电极法HuanPan等2收集区域的编织2.1纳米纤维纱线的制备多收集器法采用2个或2个以上的收集装置制备纳米纤维纱,先利用一个收集装置进行纤维的沉积,再利用另一个收集器转移并卷绕纤维束,从而形成纱线。2.1.1旋转多收集器纺织布旋转-多收集器纺纱法2.1.2旋转-双收集器法多收集器纺纱法先将纤维纺到静止或旋转的圆盘或金属滤网上,再将这些收集到的纤维连续地转移到第二个旋转罗拉上实现卷取。这种方法本质上和Formhals的旋转-双收集器法类似,都是使用辅助收集器转移纤维束来得到连续的纱线。前者通过收集轮边缘较窄的收集面来实现纤维束的沉积,再通过旋转实现纤维纱的连续从而得到纳米纤维纱;而后者接收屏是一个圆形平面,通过旋转圆形平面使得纤维束只是沉积在一个较窄的范围内形成一个圈,通过转移得到连续的纱线。同样是利用旋转的方法,收集盘相对收集轮接收面积大,所以第二种方法得到的纤维定向排列程度相对较差。2.2集器纤维模型间隙-加捻法利用2个间隔放置的导电收集器,纤维在它们的间隙中形成纤维束并通过机械装置或空气涡流给纤维加捻、增强纤维间的抱合从而获得连续的纱线。2.2.1机械扭曲纺织布Bazbouz等2.2.2机械加捻法空气涡流加捻纺纱法是Doiphode等机械加捻纺纱和空气涡流加捻纺纱,这两种纺纱方法均采用间隙排列导电收集板的方法获得定向排列的纤维束,纤维的定向排列程度在已有方法中是最好的。机械加捻法的创新点在于把间隔排列的导电板改为可以转动的铜片,并利用电动机实现铜片较稳定的可控制旋转,可操作性强,可实现自动化生产;空气涡流加捻法,空心半球的旋转及细金属棒的平移还没有实现自动化,但它具有较强的创新性,开拓了思路,能为后人提供较好的参考价值。但这两种方法的纺丝时间都较短。2.3辅助林场法加入辅助电场可以使纺丝区域的电场分布发生变化,从而对射流进行控制,实现连续纤维纱线的纺制。2.3.1短纤维纺织布Formhals2.3.2反电极复合方法和常见的直接将纤维纺到正极收集板上不一样,Formhals这两种方法虽然都改变了电场,但是方法和目的却不同。前者是通过电场的周期性变化得到短纤维纱;而后者则是通过反极性电极的加入,达到纤维集束并纺制连续纳米纤维纱线的目的。这两种方法实质上都用到了点收集器法来实现纤维的定向排列,只是第二种方法中纤维并没有在反电极(点收集器)上沉积,而是因为电荷排斥作用偏离反电极卷绕到收集辊上。第一种方法收集装置较复杂,但巧妙地利用传送带实现了纤维束的集束成纱,并利用多喷头和多收集器提高了产量;第二种方法中反电极既起到了点收集器的作用又作为辅助电场实现了纤维的集束成纱,设计较为巧妙,装置较为简单。2.4包法Formhals2.5独立配置方法Aufy等2.6旋转鼓作用的纤维束织物Ko等该方法中空气调节装置起到了对纤维束的预集束及定向排列的作用,旋转鼓收集并引导纤维束运动。该作者研究发现,通过这种纺纱方法不仅能够获得定向排列的纳米纤维纱,还能提高纺丝液中添加物沿纤维轴向排列的程度。2.7静电纺无规则排列纤维网纳米纤维纱如图9所示,Kim等非织造布切割纺纱如图10带凹槽收集器纺纱如图11所示,该法是Kim等这两种方法本质上是通过后处理的方法实现纳米纤维纱的纺制,静电纺得到的都是无规则排列的纤维网,然后通过带状纤维网的集束形成纳米纤维纱,所以纤维的定向排列程度较差,最终得到的纳米纤维纱中纤维的抱合较差,必要时还需进行加捻等后处理以提高纱线性能。但由于静电纺无规排列纤维网技术较成熟,该方法制备连续纳米纤维纱的产业化应用价值较高。带凹槽收集器纺纱法由于纤维只是收集到狭长导电板上,范围相对较小,所以纤维定向排列程度较好,得到的纱线呈现较好的聚集能力和可延伸性2.8动态水浴纺纱水浴法的创新点是打破传统的思维,将收集装置从固体转向液体,利用液体表面实现纤维的收集,并通过液体对纤维的滑移、抱合作用图12动态水浴纺纱如图13这两种水浴法得到的纤维纱线的定向排列程度都很好,可纺时间较长,动态法是对静态法的一种创新与改进。水浴法是目前制备连续纳米纤维纱较成熟的方法,其中静态法已取得了一定的成果,越来越多的研究者利用它来进行连续纱线的纺制。Khil等3复合纱线的连续纺丝上面介绍的方法虽然都可以得到连续的纳米纤维纱线,但有些方法纺丝时间较短,不能真正实现长时间连续纺丝,纤维的定向排列程度也有较大程度的差异。总体说来,水浴法实验过程可控制、较稳定,能实现较长时间的连续纺丝。纳米纤维纱线的长时间高效连续纺制是使其得到应用的前提保证,也是完善其性能的决定性因素。除双电极法以外,大多都从收集装置入手来进行纺纱设备的改进,当然也具有很好的研究价值,但还是不能解决纺丝产率低的问题。虽然多喷头纺丝从理论上可以提高产率,但由于采用的是很细的针状喷头或毛细管