一種納米纖維包纏紗紡紗裝置的開發與應用

劉 華 趙 磊 李桂付 卜啟虎 宋銀銀

（1.鹽城工業職業技術學院，江蘇鹽城，224005；2.江蘇悅達棉紡有限公司，江蘇鹽城，224000；3.泰興市凱萊時裝有限公司，江蘇泰州，225471）

由于納米材料的飛速發展，納米纖維應運而生，其尺寸效應和量子尺寸效應較突出，且在表面活性、吸收紫外線、屏蔽電磁波方面的功能也非常顯著［1-2］，納米纖維的應用也因此受到各行業的高度關注，在汽車、航天、過濾等其他材料領域研發產品眾多［3-5］，其主要的表現形式是納米纖維膜，然而納米纖維膜的均勻性難以控制，且產量嚴重受限制。目前，高校中的許多科學研究機構或納米研究所都在研究納米纖維紡紗裝置，如開發全新的納米纖維開松、梳理小樣裝置，或者在納米纖維制備的過程中直接采用氣流旋轉效應制備納米纖維紗［6-7］，但是，這些技術要么開發成本高昂，要么在理論上存在一定的研究價值。 將它們應用于實際生產確有一定困難。實際上，想利用納米纖維的表面效果，則不需要其存在于內部結構中，如果將其分布在紡織面料表面，可以將納米纖維均勻地覆蓋在紗體的表層，然后將納米纖維加捻到紗體中，形成獨特的納米纖維外層。

為了解決當前納米纖維紗加工困難，且細度、均勻性等控制差的問題，同時克服開發納米纖維紗設備在成本和批量生產方面的困難，本團隊開發了一種裝置結構簡單，能實現納米纖維包纏紡紗批量生產的紡紗裝置，保證了良好的納米纖維分布均勻性。

1 納米纖維包纏紗紡紗裝置的組成

本次開發的裝置從機后向機前依次設置為粗紗喂入部、納米纖維包纏部、干燥部、牽伸部和加捻卷繞部。粗紗喂入部由粗紗架、旋轉裝置組成，旋轉裝置安裝在粗紗管和用于將粗紗松捻的假捻器上；納米纖維包纏部分是靜電紡絲裝置（位于粗紗架和假捻器之間），粗紗在紡絲溶液儲液器和接收器中間穿過；干燥部設置于納米纖維包纏部和牽伸部之間；牽伸部、加捻卷繞部與傳統的環錠紡細紗機的結構基本相同。納米纖維包纏紗紡紗裝置如圖1 所示。

圖1 納米纖維包纏紗紡紗裝置

為了使包纏紡紗裝置中靜電紡絲裝置紡出的納米纖維盡可能地沿著紗體長度方向，紡絲液容器內的氮氣管出口形狀設計為與紗體縱向平行排列的三葉形；干燥部分為烘箱；粗紗架上還設置有一粗紗支持器；紡絲液儲液器為長方形紡絲槽。

2 納米纖維包纏紗紡紗裝置的特點

縱觀目前研究出的納米纖維紡紗裝置，本團隊將粗紗松捻與新型的靜電紡絲裝置融為一體，使得納米纖維分散進入到粗紗須條內部的常規纖維中，由于假捻效應，須條走出假捻器后又會被重新加上捻度，為了保證納米纖維包纏后不至于黏附于紡紗零部件上，整個納米纖維包纏部分處于烘箱環境中，使納米纖維快速烘干，干燥后的納米纖維完全被加捻嵌入紗體內部；嵌入了納米纖維的粗紗體順利通過導條輥、集聚口進入細紗的牽伸部分，經過后羅拉、后膠輥、中羅拉、中膠輥、前羅拉和前膠輥的牽伸，將粗紗條牽伸至所需要的細度，按照傳統的加捻卷繞原理，從而獲得納米纖維包纏常規粗紗體的新型納米纖維包纏紗。由于本次開發的裝置是與傳統環錠紡裝置結合，因此具有成本低、且納米纖維在紗體內分布均勻性好的優點。

3 納米纖維包纏紗紡紗裝置的紡紗過程

圖1 中，新型的納米纖維包纏紡紗裝置的粗紗架、粗紗支持器、粗紗管的作用與傳統環錠紡紗機的作用一致，假捻器的工作原理與傳統的粗紗機上的假捻器原理一致，旋轉方向為逆時針，目的是使粗紗完成部分退捻，須條內部纖維之間的間隙變大，此時松捻后的粗紗區域，氣泡靜電紡絲裝置同時工作，矩形紡絲槽（長度19 mm～27 mm，寬度4 mm～7 mm）中的紡絲液施加高壓靜電，矩形紡絲槽長度方向與粗紗體方向平行，并位于粗紗體垂直正下方，它們之間的垂直間距在5 mm～9 mm 之間，粗紗體與接受器的垂直間距在5 mm～9 mm 之間，氮氣在氮氣管的引導下通入紡絲液，為了不浪費過多的納米纖維，氮氣管出口為三葉形，使得產生的氣泡絕大部分均在粗紗體的正下方，紡絲液氣泡破裂后依靠高壓靜電作用獲得納米纖維，粗紗須條內存在較多的間隙，在接受器的吸附作用下，部分納米纖維便會均勻地分散在退捻后粗紗體的常規纖維間隙內，其他的納米纖維直接被聚集到接收器上，通過假捻器后松捻的粗紗須條又被重新加至之前的捻度，由于剛剛紡絲形成的納米纖維中溶劑還未完全揮發，為避免納米纖維黏附在紡紗零部件上，在假捻器的機前方添加一個簡易烘箱，使嵌入在粗紗體上的納米纖維快速烘干。納米纖維包纏后的粗紗體將依次通過導條輥、集聚口而進入細紗的后羅拉、后膠輥、中羅拉、中膠輥、前羅拉和前膠輥得到牽伸，依靠與傳統細紗機同樣的加捻卷繞原理，在導紗鉤、鋼領、鋼絲圈、錠子的作用下，將納米纖維包纏紗有規律地卷繞到細紗管上。該包纏紗的特點是納米纖維占有細紗表面的大部分，而常規纖維僅占有少部分。

4 納米纖維包纏紗紡紗裝置的試用

4.1 聚丙烯腈納米纖維包纏純棉紗的開發

選取純棉粗紗干定量4.12 g/10 m，粗紗捻系數73.76。純棉粗紗從粗紗管上退繞，依靠假捻器使純棉粗紗的捻度退繞至原有的2/3，此時，靜電紡絲裝置上的高壓靜電調節至19.5 kV，按照8.5 %的質量分數將聚丙烯腈高分子顆粒溶于二甲基甲酰胺溶液中制備成紡絲液，紡絲槽長20 mm、寬度6 mm，矩形紡絲槽與粗紗的垂直間距設計為8 mm，粗紗與接受器的間距為5 mm，在紡絲槽底部充入氮氣，依據氣泡靜電紡絲原理獲得細度為300 nm 左右的聚丙烯腈納米纖維，此時由于松捻后的粗紗纖維與纖維間隙變大，聚丙烯腈納米纖維很容易嵌入其中，未被嵌入的聚丙烯腈納米纖維直接聚集到接收器上。納米纖維嵌入紗體后，直接進入到80 ℃的烘箱環境中，使得紡絲溶劑完全揮發，而后便將聚丙烯腈納米纖維迅速捻入粗紗，最后成功開發出聚丙烯腈納米纖維包纏純棉紗的15.8 tex 紗。

聚丙烯腈納米纖維包纏純棉紗的微觀結構圖片如圖2 所示?？梢钥闯?，納米纖維均勻并呈一定的傾斜角度覆蓋在紗體外層，這樣紗線在加工成面料時便可以充分發揮納米纖維的表面效應。將該包纏紗與純棉紗進行性能對比，測試結果見表1。從表1 可以看出，聚丙烯腈納米纖維包纏純棉紗的斷裂強度優于純棉紗，斷裂伸長率、條干CV、百米重量偏差均低于純棉紗，這說明納米纖維包纏有效地提高纖維之間接觸的比表面積，增加了滑移阻力，而氣泡納米纖維紡絲過程中能在紗體表面均勻覆蓋，使紗線的條干不勻性有所改善。

圖2 聚丙烯腈納米纖維包纏純棉紗的微觀結構圖

表1 純棉紗與納米纖維包纏紗性能對比

4.2 聚丙烯腈納米纖維包纏棉萊賽爾黃麻混紡紗的開發

棉萊賽爾黃麻混紡粗紗干定量4.68 g/10 m，粗紗捻系數82.68?；旒彺旨啅拇旨喒苌贤死@，依靠假捻器使混紡粗紗的捻度保留原來的2/5，高壓靜電調節到26 kV，靜電紡絲液按照10%的質量分數將聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶液中，紡絲槽長度26 mm，寬度6.5 mm，矩形紡絲槽與粗紗的垂直間距設計為6.5 mm，粗紗與接受器之間的垂直間距設計為5.5 mm，依據氣泡靜電紡絲原理獲得細度為310 nm 的聚丙烯腈納米纖維，在假捻器的旋轉退繞下聚丙烯腈納米纖維會均勻地嵌入棉纖維、萊賽爾及黃麻纖維之間的間隙中，未被嵌入的聚丙烯腈納米纖維直接聚集到接收器上。納米纖維嵌入紗體后，直接進入到85 ℃的烘箱環境中，再沿著粗紗導條輥進入集聚口后實現粗紗須條的牽伸（細紗捻系數390），并完成棉/萊賽爾/黃麻45/35/20 混紡紗卷繞工序，成功開發出聚丙烯腈納米纖維包纏的棉/萊賽爾/黃麻45/35/20 32.4 tex 紗。該包纏紗與棉/萊賽爾/黃麻45/35/20 32.4 tex 混紡紗（以下簡稱多組分紗）的性能對比測試結果見表2。從表2可以發現，多組分紗與包纏紗的對比結果與4.1中純棉紗及其包纏紗的對比結果完全相似。說明本研究開發的裝置用于加工納米纖維包纏紗的適用性強，紡紗性能比較穩定。

表2 多組分紗與納米纖維包纏紗性能對比

5 結語

通過應用實踐，本文開發的納米纖維包纏紗裝置可以對不同品種的紗線進行納米纖維的包纏，以實現納米纖維的表面效應。在納米纖維包纏紗的紡制過程中，結合高壓靜電數值的調節、矩形紡絲槽與松捻后粗紗體可控的垂直間距、氮氣充入速率、納米纖維干燥溫度等指標來控制納米纖維在細紗表面的包纏狀態，從而保證納米纖維的均勻分布。

期刊學術不端行為的界定及防范

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界定為學術不端行為的類型還有很多，以上只列出了較常見的幾種，本刊編輯部呼吁所有學術工作者務必愛惜自身學術聲譽，維護科學誠信，共同促進更負責任的創新氛圍，使創新的結果更加可靠。

本刊編輯部