喷气纺纳米纤维成纱机理与实验

Electrospun nanofibers need to be produced as continuous yarns for incorporating them into more significant traditional textiles with wider market and for their application with higher added vale. However, due to the restriction from the instabilities of the electrospinning jet and the nanosize of the fibers, there have difficulties to produce electrospun fibers as continuous yarns. The project will apply an air-jet spinning method to explore the resolution program of mass producing continuous electrospun nanofiber yarns. We analyze the problems of mass producing nanofibers, aggregating, orienting and bundling nanofibers, and twisting nanofiber bundles continuously encountered in the spinning of nanofibers from new perspective, and propose new ideas of mass preparing nanofibers using enclosed air-jet electrospinning with multi nozzles, aggregating, orienting and bundling nanofibers continuously based on the principle of multiple conjugate electrospinning, then completing the twist of mass nanofibers and obtaining continuous yarns through 3-D rotating airflow. We focus on the optimization of the apparatus parameters of air-jet electrospinning, the electric field distribution of multiple conjugate aggregations and the structure of nozzle. The air-jet spinning mechanism of electrospun nanofibers will be investigated based on the characterization of nanofiber yarn structure. Finally, a new method of air-jet spinning is developed for mass production of continuous electrospun nanofiber yarns. The project provides a new strategy for developing nanofiber spinning method with industrial application potential.

静电纺纳米纤维只有加工成连续的纱线才能融入到市场更广阔、更有意义的传统纺织品中，并有更高附加值的运用。然而受静电纺射流不稳定和纤维尺度超细等因素的限制，纳米纤维难以连续成纱。本项目将采用喷气纺纱的方法，探索实现静电纺纳米纤维批量连续成纱的方案。我们以新的视角剖析纳米纤维纺纱中遇到的纤维批量化、纳米纤维的集聚、取向、连续成束和加捻等问题，提出利用多喷头封闭式喷气静电纺批量制备纳米纤维，基于多重共轭电纺原理实现纳米纤维的集聚、取向和连续成束，再通过三维旋转的气流完成批量纳米纤维的加捻和连续成纱。将电场、流场的数值模拟和实验相结合，重点优化喷气静电纺的装置参数、多重共轭集聚电场的分布和喷嘴结构，在表征纳米纤维成纱结构的基础上，研究纳米纤维喷气纺成纱机理，形成一种可批量连续制备静电纺纳米纤维纱的喷气纺纱技术。本项目为发展具有工业运用潜力的纳米纤维纺纱方法提供了新策略。

静电纺纳米纤维因其超细尺度、高表面积和孔隙率等特点，已在多领域显示广阔的应用前景。但是，纳米纤维只有加工成连续的纱线，才能运用机织、针织、编织等纺织技术加工，从而将其融合到更广阔、更有意义的市场中。纳米纤维纱中纤维沿轴取向可赋予材料独特的光学、电学、力学性能，因而有更高附加值的运用。.本项目提出一种新的静电纺纳米纤维喷气纺纱方法，利用多喷头封闭式喷气静电纺批量制备纳米纤维，基于多重共轭电纺原理实现纳米纤维的集聚、取向和连续成束，再通过三维旋转的气流完成批量纳米纤维的加捻和连续成纱。将电场、流场的数值模拟和实验相结合，重点优化喷气静电纺的工艺参数和成纱机理。首先设计一个纺丝单元的喷气静电纺丝装置，研究了电场分布、通气速度、溶液流量、电压等工艺参数对纳米纤维毡的产量、面积及纳米纤维的微观形貌的影响。当纺丝电压为30 kV，溶液液量为8 mL/h，通气量速度为1100 mL/min时，最有利于进行纺丝。此外，设计线形和矩形两种排列方式的四喷头喷气静电纺丝装置，通过电场模拟和实验研究不同排列方式与不同间距下四喷头之间的电场分布对纺丝射流、纳米纤维的产量、接收面积以及纤维形貌的影响。研究表明，不同排列方式及间距对纳米纤维的形貌影响较小，纳米纤维的平均直径在300 nm左右。然后设计纳米纤维集聚成束装置，研究多重共轭电纺纳米纤维集聚成束机理。研究表明，在电压为34 kV，通气速度为1200 mL/min，通液速度为32 mL的条件下，纳米纤维可稳定集聚和连续成束。最后设计气流加捻纳米纤维纱线装置。利用三维旋转气流加捻纳米纤维束，并对喷气加捻装置内气流场进行数值模拟，研究喷气加捻装置内气流流动特征，讨论气流分布对纳米纤维成纱的影响。结果显示，在气压为0.4 Mpa时，纳米纤维纱线具有良好的取向度和均匀的捻回分布，且捻回角达到73.9˚，断裂强力和伸长分别达到94.2 Mpa和101.6%。本项目为发展具有工业运用潜力的纳米纤维纺纱方法提供新策略。