一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法及装置与流程

本发明属于微纳米材料加工领域，具体涉及一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法及装置。

背景技术：

高压静电纺丝技术是一种自上而下的纳米制造技术，通过外加电场力克服喷头尖端液滴的液体表面张力和粘弹力而形成射流，在静电斥力、库仑力和表面张力共同作用下，被雾化后的液体射流被高频弯曲、拉延、分裂，在几十毫秒内被牵伸千万倍，经溶剂挥发或熔体冷却在接收端得到纳米级纤维。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料范围广泛、可控性强、并且可以通过喷头设计制备具有微观结构特征的纳米纤维，被认为是最有可能实现连续纳米纤维工业化生产的一种方法，应用该技术制备功能纳米纤维具有良好的前景。

在所有的自上而下的纳米制造技术中，电纺技术的优势是可以通过宏观层次纺丝头结构的设计，单步有效地制备具有相应微观结构特征的纳米纤维，例如通过内外两层套管结构纺丝头制备芯鞘结构纳米纤维，或者以并排两根毛细管为纺丝头制备并列结构纳米纤维。但是电纺技术的该优势才刚刚起步，目前普遍研究报道的为两股流体的操控制备具有二级结构特征的微纳米产品。而在应用普通同轴高压静电纺丝工艺制备芯鞘纳米纤维的过程中，普遍存在一个关于鞘液浓度的问题，如果鞘液中聚合物浓度偏高，则容易堵塞纺丝头，如果鞘液聚合物浓度偏低，则容易导致芯液外冲，另外鞘液还常常容易独立射出形成纤维分丝现象。这些情况都使得采用普通同轴静电纺丝工艺直接制备芯鞘纳米纤维的过程不易控制，而且纤维的质量不高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将调配好的内层流体、中层流体以及外层流体分别装入内层流体注射器、中层流体注射器以及外层流体注射器中；步骤2，接通三级同轴纺丝头和高压静电发生器，使三级同轴纺丝头带电，内层流体、中层流体以及外层流体在三级同轴纺丝头处形成泰勒锥并发出喷射流；步骤3，在喷射流发出后的快速拉伸过程中，外层流体完全挥发，最终形成芯鞘纳米纤维，纤维接收板接收芯鞘纳米纤维。

本发明提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法，还具有以下技术特征：外层流体为无水乙醇。

本发明提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法，还具有以下技术特征：内层流体、中层流体以及外层流体的流量分别为0.5/2/0.5ml/h。

本发明提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法，还具有以下技术特征：纤维接收板与三级同轴纺丝头的距离为15cm，所述高压静电场的电压为15kV，环境温度为22±1℃，环境湿度为51±4％。

本发明提供一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备装置，其特征在于，包括：高压发生器；三级同轴纺丝头，与高压发生器连接；纤维接收板，设置在三级同轴纺丝头的下方，用于接收芯鞘纳米纤维；以及流体注射泵，与三级同轴纺丝头连接，具有外层流体注射泵、中层流体注射泵以及内层流体注射泵，外层流体注射泵、中层流体注射泵以及内层流体注射泵按由下至上的顺序依次安装。

本发明提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备装置，还具有以下技术特征：外层流体注射泵上、中层流体注射泵上以及内层流体注射泵上分别设置有外层流体注射器、中层流体注射器以及内层流体注射器。

发明作用与效果

本发明提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法及装置，由于采用无水乙醇作为外层流体和中层流体的保护作用，阻止喷射流外表的半固化形成和纺丝头堵塞，使得电纺过程能够稳定持续进行。外层流体在内层流体与大气之间起到过渡的作用，有利于内层流体的溶剂挥发完全。本发明的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法的工艺简单、单步有效，制备出的纳米纤维的芯鞘结构清晰、直径小、线性好、直径分布均匀、表面光滑。

附图说明

图1是本发明的三级同轴电纺制备装置的示意图；

图2是本发明的三级同轴纺丝头的示意图；

图3是本发明的实施例一的泰勒锥的图像；

图4是本发明的实施例一制备的芯鞘纳米纤维的场发射扫描电子显微镜图像；

图5是本发明的实施例一制备的芯鞘纳米纤维的透射电子显微镜图像；

图6是本发明的实施例二制备的芯鞘纳米纤维的场发射扫描电镜图像；

图7是本发明的实施例二制备的芯鞘纳米纤维的透射电子显微镜图像。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

【实施例一】

图1是本发明的三级同轴电纺制备装置的示意图。

如图1所示，本发明的三级同轴电纺制备装置100，包括高压发生器7、三级同轴纺丝头10、纤维接收板11以及流体注射泵。

三级同轴纺丝头10与高压发生器7连接；纤维接收板11为铝箔包裹的硬纸板，设置在三级同轴纺丝头10的下方并接地，用于接收芯鞘纳米纤维；流体注射泵与三级同轴纺丝头10连接，具有外层流体注射泵6、中层流体注射泵4以及内层流体注射泵2，外层流体注射泵6、中层流体注射泵4以及内层流体注射泵2按由下至上的顺序依次安装，外层流体注射泵6上、中层流体注射泵4上以及内层流体注射泵2上分别设置有外层流体注射器5、中层流体注射器3以及内层流体注射器1，中层流体注射器3通过中层流体硅胶软管9与三级同轴纺丝头10连接，内层流体注射器1通过内层流体硅胶软管8与三级同轴纺丝头10连接。

图2是本发明的三级同轴纺丝头10的示意图。

如图2所示，本发明的三级同轴纺丝头10，包括外层毛细管14、中层毛细管13、内层毛细管12、橡胶接头15、内层流体凸环接头17、中层流体凸环接头18以及胶黏剂16。内层毛细管12、中层毛细管13分别与内层流体硅胶软管8、中层流体硅胶软管9连接，外层毛细管14直接连接外层流体注射器5。

本实施例提供一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用无水乙醇作为外层流体，将15药物辅料尤特奇放入100ml乙醇中配成中层流体；将10克聚乙二醇6000和10克枸橼酸他莫西芬共同溶解于100ml混合溶剂中，配成内层流体，混合溶剂由乙醇、二氯甲烷和N，N-二甲基甲酰胺按照4:5:1组成；将调配好的内层流体、中层流体以及外层流体分别装入内层流体注射器1、中层流体注射器3以及外层流体注射器5中。

步骤2，接通三级同轴纺丝头10和高压静电发生器7，使三级同轴纺丝头10带电，内层流体、中层流体以及外层流体在三级同轴纺丝头10处形成泰勒锥，泰勒锥的顶端发出喷射流。

步骤3，在喷射流发出过程中，外层流体挥发，最终形成芯鞘纳米纤维，纤维接收板11接收芯鞘纳米纤维。

其中，内层流体、中层流体以及外层流体的流量分别为0.5/2/0.5ml/h，纤维接收板11与三级同轴纺丝头10的距离为15cm，高压静电场的电压为15kV，环境温度为22±1℃，环境湿度为51±4％。

图3是本发明的实施例一的泰勒锥的图像。

如图3所示，从三级同轴纺丝头10出来的三层流体共同形成一个泰勒锥，泰勒锥的顶端发出一个直线射流。

图4是本发明的实施例一制备的芯鞘纳米纤维的场发射扫描电子显微镜图像。

如图4所示，采用场发射扫描电镜对所制备的芯鞘纳米纤维进行表面喷金后观察，本实施例制备的芯鞘纳米纤维直径为450±60nm，分布比较均匀，直径分布离散度低，呈现良好的线性状态，没有串珠结构，纤维表面光滑且纤维堆积均匀。

图5是本发明的实施例一制备的芯鞘纳米纤维的透射电子显微镜图像。

如图5所示，本实施例制备的芯鞘纳米纤维的芯鞘结构清晰。

【实施例二】

本实施例提供一种芯鞘纳米纤维的普通二级同轴电纺制备方法，制备方法与实施例一相同，关闭外层流体。

图6是本发明的实施例二制备的芯鞘纳米纤维的场发射扫描电镜图像。

如图6所示，采用场发射扫描电镜对本实施例所制备的芯鞘纳米纤维进行形貌和结构分析，发现本实施例制备的芯鞘纳米纤维有大量的分叉小纤维出现。

图7是本发明的实施例二制备的芯鞘纳米纤维的透射电子显微镜图像。

如图7所示，本实施例制备的芯鞘纳米纤维有明显的内芯液体窜漏现象出现。

实施例作用与效果

实施例一提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法及装置，制备得到的芯鞘纳米纤维的芯鞘结构清晰、直径小、线性好、直径分布均匀、表面光滑。实施例二制备的一种芯鞘纳米纤维是由普通二级同轴电纺制备得到，制备的芯鞘纳米纤维有明显的分叉小纤维和内芯液体窜漏现象。因此，实施例一的三级同轴电纺制备方法制备的芯鞘纳米纤维比实施例二的普通二级同轴电纺制备的芯鞘纳米纤维的质量更好。

本实施例一提供的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法及装置，由于采用无水乙醇作为外层流体和中层流体的保护作用，阻止喷射流外表的半固化形成和纺丝头堵塞，使得电纺过程能够稳定持续进行。外层流体在内层流体与大气之间起到过渡的作用，有利于内层流体的溶剂挥发完全。本发明的一种芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺制备方法的工艺简单、单步有效，制备出的纳米纤维的芯鞘结构清晰、直径小、线性好、直径分布均匀、表面光滑。