专利名称：大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置及制备方法
技术领域：
本发明涉及定向聚合物纳米纤维的电纺技术，尤其是一种大 面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置及制备方法。
背景技术：
电纺(Electrospinning)是利用静电力的作用制备连续纳 米纤维的技术，即将直流高压施加于聚合物溶液(或熔体)与纤 维收集装置之间，聚合物溶液在静电力的作用下高速喷出形成连 续纳米纤维。电纺丝是制备聚合物连续纳米纤维的唯一方法，所 制备纤维的直径一般在3-500 nm。 1934年，美国工程师A. Formals在静电力的作用下，实现醋酯纤维素(CA)溶液的电纺丝 (A. Fo函las， US patent 1975504， 1934 );随后在1950 -1980年，相继有人进行研究；20世纪80年代后，尤其是近10 年，研究较多。电纺丝装置一般分三部分高压电源、毛细管和 金属接收装置。高压电源电压在1-50 kV;毛细管采用金属、 玻璃或塑料，其内径一般为0. 35-1.5腿；插人聚合物溶液中的 金属电极一般为金属铂或铜等；接收装置根据不同要求可以采用 不同的形状，直接接地或接负的直流电源。电纺丝技术的关键性 问题之一在于如何实现纳米纤维的定向收集。如果接收电极为一 静止平板，得到的沉积纤维将是紊乱排列的。而紊乱排列的的纤
维其应用价值大大降低.因此，定向控制技术一直是纤维电纺 技术领域的重大课题。
目前已有的定向技术从原理上讲包括两种类型， 一种是利 用旋转收集装置，另一种是利用静电力的诱导作用。旋转收集装 置是利用高速转动的圆柱体收集纤维，当圆柱体的旋转速度与纤 维的运动速度相等时纤维彼此平行地缠绕在圆柱体的表面，实现 定向收集。这种装置需要两个马达驱动， 一个旋转，另一个直线 推进。这种方法在多个方面存在难以克服的局限。如纤维运动速 度的实时测定以及马达转速的实时精确调控都是很难做到的，同 时，由于纤维运动的鞭动不稳定性，纤维到达收集圆柱体表面的 位置难以固定，因此这种定向方法的可重复性不高。由于纳米 纤维粘附在收集圆柱体表面上并且彼此粘结在一起，因此纤维的 分离存在困难，同时也难以避免来自于收集圓柱体表面的污染。 这种方法需要马达驱动，成本^艮高，不适于大頰^莫生产。静电力 诱导方法就是利用两个平行放置的导电平板作为收集电极，也可 以在传统的导电收集平板上引入一个或多个间隙或者绝缘性的 区域，在间隙位置或者在绝缘区域的纤维上的电荷不能有效排 出，从而使该区域的纤维仍然带正电。因而该区域的纤维彼此之 间产生排斥力，这种斥力导致纤维彼此平行排列，从而实现纤维 的定向控制。这种技术制备的定向纤维长度一般不到l厘米，对 于大部分应用领域不能满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种大面积定向排列的聚合物纳米纤
维制备装置及制备方法，使得制备出的纳米纤维长度长，并且成 本低。
实现本发明目的的技术方案
1、 一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，具有 注射器，其特征在于在注射器喷口的侧下方设置有收集板，收 集板上设置有电极。
2、 利用前述装置制备聚合物纳米纤维的方法，其特征在于 把PCL溶解于四氢呋喃和二曱基曱酰胺的混合溶剂中，用磁搅 拌机搅拌后纺丝。
3、 利用前述装置制备聚合物纳米纤维的方法，其特征在于 把PAN以7-15 w/v。/。的浓度溶解于二曱基甲酰胺中，用磁搅拌机 搅拌后纺丝。
本发明适用于所有具有可纺性质的材料。 本发明具有的有益效果
本发明注收集电极位于注射器喷口的侧下方，不同于传统的 正下方；收集电极为一负极导线，不同于传统的大面积金属板。 由于本发明特有的结构特点，佳:得可以生产出长达30厘米的定 向纤维，这些定向纤维沿收集板平行排列，分布宽度可达63厘 米，可以生产大面积定向纤维布。本发明同时还具有一下优点
(1) 收集装置简单，不需要马达，成本比其他方法低得多。
(2) 工艺简单，重复性好。
(3) 定向纤维的生产效率高，适合批量生产。
图1为本发明制备装置的结构示意图。
图2为纤维前端未到达收集板时的工作状态图。 图3为纤维前端到达收集板时的工作状态图。 图4为纤维前端到达收集板后的工作状态图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步说明 如图1所示，在注射器4喷口的侧下方设置有收集板2，收 集板上设置有电极l，收集板的下方设置有支撑板3。电极为一 负极导线，固定在收集板的通孔内，负极导线的端部位于收集板 的侧表面或者接近收集板的侧表面，通孔位于收集板的中心位 置。注射器可以有多个，相应地设置有多个收集板。收集板的尺 寸可大可小，没有限制，材料可以是绝缘材料，如木、塑料，也 可以是导电材料，导电材料与电极之间隔开绝缘。
如图2至4所示，在电场力的作用下，纤维从注射器喷口即 针头尖端的液滴喷出并且向收集板运动；当 一个液滴耗尽时则形 成了一个单根纤维，同时下一个液滴在针头上形成；当纤维前端
到达收集板后，由于纤维上相邻各个部分之间存在静电斥力，后 面的纤维不再继续向收集才反运动，而倾向于变直。同时，纤维后 端落向支撑板并最终沉积在支撑板上，从而使纤维固定在收集电 极与支撑板之间。接下来喷出的纤维就会因先前纤维的静电斥力 而与之平行排列，这样沉积的一根根纤维就在收集板与支撑板之 间平行排列，形成大量的定向纤维。
下面提供利用前述装置制备聚合物纳米纤维的方法实施例 1、 PCL (聚己内酯)定向纳米纤维的制备。把PCL溶解于四 氢呋喃(THF)和DMF(二曱基曱酰胺)的1:1混合溶剂中，浓度 范围为5-12%(w/v°/。)，实施时,选用浓度10。/。(w/v。/。)，用磁搅拌机
搅拌24小时后纺丝，电压范围是10-35kV。
2、 PAN(聚丙烯腈)定向纤维的制备。把PAN以7-15°/。(w/v%)
的浓度溶解于二甲基曱酰胺中，实施时选用浓度12%(w/v°/ )， 用i兹力搅拌机搅拌12小时后纺丝，纺丝电压为10-35kV。
以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定 本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、 特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要 求范围内。
权利要求
1、一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，具有注射器，其特征在于在注射器喷口的侧下方设置有收集板，收集板上设置有电极。
2、 根据权利要求1所述的大面积定向排列的聚合物纳米纤 维制备装置，其特征在于电极为导线，固定在收集板的通孔内。
3、 根据权利要求2所述的大面积定向排列的聚合物纳米纤 维制备装置，其特征在于负极导线的端部位于收集板的侧表面 或者接近收集板的侧表面。
4、 根据权利要求1至3所述的大面积定向排列的聚合物纳 米纤维制备装置，其特征在于收集电极为小尺寸点电极，具 有或者不具有收集板。
5、 根据权利要求1至4所述的大面积定向排列的聚合物纳 米纤维制备装置，其特征在于注射器可以有多个，相应地设置 有多个收集板和/或收集点电极。
6、 根据权利要求1至5所述的大面积定向排列的聚合物纳 米纤维制备装置，其特征在于收集板的下方设置有支撑板。
7、 根据权利要求1至5装置制备定向聚合物纳米纤维的方 法，其特征在于利用小尺寸点电极实现电纺纳米或非纳米纤维 的定向。
全文摘要
本发明涉及一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置及制备方法，制备出的纳米纤维长度长，并且成本低。技术方案1.一种大面积定向排列的纳米纤维制备装置，具有注射器，在注射器喷口的侧下方设置有收集板，收集板上设置有电极。电极尺寸很小，可以视为点电极。2.利用前述装置制备纳米纤维的方法，把PCL溶解于四氢呋喃和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，用磁搅拌机搅拌后纺丝。3.利用前述装置制备纳米纤维的方法，把PAN以7-15w/v％的浓度溶解于二甲基甲酰胺中，用磁搅拌机搅拌后纺丝。4.利用前述装置可以把任何具有可纺性质的材料制备成定向纳米纤维。
文档编号D01D11/00GK101096774SQ20071007622
公开日2008年1月2日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者杰 于, 于正良, 嘉伟·拉非克, 刚 方 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院