用于生产由具有同轴结构的纤维所构成的纳米纤维及微纤维材料的喷丝头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于生产纳米纤维或微纤维材料的装置，该装置包括连接至高压电源电位点中之一的喷丝电极，该电极由导电组件及非导电组件组成，两种不同的喷丝混合物通过两个单独分配通道被送入导电组件及非导电组件中，该通道连接至两个各自的配比装置，该混合物中之一形成纤维的纵向核，而该混合物中的另一者形成纤维的纵向壳，另外，环绕该喷头的气流通过该喷头。
【背景技术】
[0002]用于生产纳米纤维或微纤维材料的静电喷丝的方法基于利用连接至相反电位点的两个电极。在基本配置中，该电极中之一起到按比例配制聚合物溶液以及使该溶液成形为具有较小曲率半径的弯曲形状的作用。由于强电场引发的力的作用，可形成所谓的泰勒锥(Taylor cone)，同时生成纤维，该纤维被静电力吸引至另一电极处，S卩，具有反极性且可起到俘获飞行纤维作用的相对电极。该纤维被俘获后相继在该相对电极的表面上形成连续层，该层由随机排列的小直径(大体介于十几纳米与几微米之间)纤维组成。为了能够在强电场中实际形成纤维，必需满足关于聚合物溶液本身的物理性质及化学性质以及环境影响及电极的几何形状的诸多条件。在两种不同材料在符合多个其它附加的条件下供应至调适合适的喷头的情况下，可形成同轴纤维，这意味着每个单个纤维都由同轴核(由该两种材料中之一制成)及壳(由另一不同材料制成)形成。该调适的过程被称为同轴静电喷丝或缩写为“同轴-静电喷丝”(co-electrospinning)。从上述描述中可理解的是，必需启动发源于由该混合物中之一形成的内部液滴以及由另一混合物形成的封闭外部液滴两者的泰勒锥，以便获得该同轴纤维。可通过同轴导电喷头供应两种不同混合物来实现这一点。
[0003]结合新颖的纳米纤维和微纤维材料及其应用的开发，关于这种材料的扩展形态学参数的需要在持续增加。此情况也适用于关于生成具有扩展功能的较复杂的纳米结构及微观结构的要求。在最新应用中，纤维的简化概念在于具有经修改的纳米结构或微观结构的纤维代替了具有圆形横截面的薄、长形状的纤维。该结构修改还可包括由两种不同材料构成的核和壳所形成的同轴纤维。由该同轴纤维制成的称为“核-壳纤维”的最终产品可用于现代医学应用以及其它工业应用(药物控释、纤维表面活性增加、机械性质增强、过滤效率增加等)中。示例性应用包括用于控制药物分配及释放的新材料，其中首先从纤维的壳释放第一材料，随后从纤维的核释放第二材料(反应动力学由材料的结构控制)。另外，在喷丝过程期间，不可独立喷丝或可能被损坏或遭受耐久性快速损失等其它粒子或物质，诸如病毒、细菌、晶体或类似物可封装至该外壳中。另外，该壳可充当不可降解的障壁，该障壁能够封装用于例如侦测、诊断及类似用途的有毒物质。当该材料本身不可喷丝但具有对于各别应用绝对必需且实质的功能时，该核可相反地将第二材料(即，该壳中所含的混合物)结合在核的表面上。然后，可在以获得具有中空横截面的纤维为目的的后处理过程中去除内部材料。以此方式，可形成诸如那些能够增加各别纤维材料的具体表面、能够制备微量吸液管等的纳米通道或微通道。该纤维的进一步优势在于该纤维具有增强的机械属性，材料中之一就机械性能而言更重要，并且组成用于另一材料的承载元件。以上概述的该可能应用的全部范围明显指出这种复杂的纳米纤维及微纤维材料的开发及使用的重要性将来会继续增大，且正在/将研发同轴纤维的工业生产。
[0004]同轴静电喷丝的方法包括:通过喷头将两种不同的溶液成比例配制为单个微型同轴小液滴，该溶液中之一经通过内部圆形喷头供料并且另一溶液通过外部圆形喷头供料，该外部喷头紧邻封闭该内部喷头。具有小直径(外部喷头直径通常小于2mm而内部喷头直径通常小于Imm)的两个喷头均连接至高压电源的一个电位点。高压电源的另一极连接至相对集电极，从而通过静电场效应吸引纤维。在例如文献US20060213829、WO 2012058425和GB 2482560中描述了这种同轴喷头的结构配置。还有其它专利文献涉及同轴纤维的生产。然而，所有这些文献都揭示了基于单个同轴喷头的解决方案，这些方案不具有充分生产性，并且，从实际观点来看，仅能提供用于实验目的的、由同轴纤维所构成的纳米纤维或微纤维材料。尽管有这些方案，仍然需要找到一种用于大规模生产技术的解决方案，以便能够以真正的工业方式生产同轴纳米纤维或微纤维材料。在文献US 20120034461中揭示了这种更具生产性的解决方案，其中，描述了具有相同结构配置的单独同轴喷头，通过增加喷头以及将该些喷头分组在微芯片内来实现增加生产性。上述文献中所描述的微型喷头系统并不构成用于重复生产的解决方案。具体地，不可能在实际应用期间清洁喷头。在专利说明书CZ302876(B6)中描述了用于同轴喷头的工业生产的另一解决方案。上述文献揭示了一种解决方案，该解决方案系基于以一种直接的方式使用在导电电极上流动而不会形成获取同轴纤维所必需的两组分的液滴的两种混合物。当两种混合物在电极流动时，这两种混合物在电极附近混合，这导致正形成的纤维中的组分的不受控制的分配，即，在纤维的核或壳中不受控制的分配。因而，易于独立且分别地喷丝不同材料。液体混合物流过电极后不能重复使用，并且随后不能以任何适当的方式回收。当考虑到用于同轴纤维生产的天然原材料或其成分相对昂贵的事实时，该方法显示了对于工业生产的主要的缺陷。
[0005]涉及同轴纤维形成的主要问题在于特殊同轴薄喷头的制造复杂且昂贵。与实验室制备相比，当大规模生产同轴纤维时，会增加各别喷头，且喷头布置在形成喷丝电极的区域内。自以上引用的文献已知的解决方案在维护方面很苛刻，且不适合同轴纤维的长期生产。长期经验显示，即使在使用简单、非同轴的喷头时，混合物也经常在薄毛细管内部固化，这就需要进行重复的、耗时的清洁工序。在一些情况下，不能再清洁这种喷头。如果设计一种新颖多喷丝头，该喷丝头能够以除了本领域公知增加同轴薄喷头之外的一种方式以工业规模生产同轴纤维，并且还能够以容易且快速的方式进行必要维护，则将可提供将同轴纤维的制备从实验室规模转变为真正工业规模的唯一可能性。这种喷头必须能够确保从两种独立成比例配制的混合物中形成两组分液滴(包括内部液滴及外部封闭液滴)，从而导致形成具有预定同轴成分的泰勒锥。
【发明内容】
[0006]本发明的目的为提出高产喷头的新颖设计解决方案，该喷头能够生产由单独同轴纤维所组成的纳米纤维或微纤维材料，这意味着每根纤维都将通过同轴核和壳形成，其中，同轴核由两种类型的材料中之一制成，壳由另一不同类型的材料制成。
[0007]该目的主要通过用于生产纳米纤维及微纤维材料的喷丝头实现，其中，根据本发明，该喷丝头包括:
[0008]第一板，该第一板设有至少一个连续凹槽，该连续凹槽用于将第一材料导向第一板的一个表面中的连续凹槽的出口口部分；
[0009]第二板，该第二板设有至少一个连续凹槽，该连续凹槽用于将第二材料导向在第二板的连续凹槽的出口口部分，该出口口部分配置为邻近第一板的出口口部分，以及
[0010]分离板，配置在第一板与第二板之间，该分离板用于将第一板的连续凹槽与第二板的连续凹槽分开，同时分离板的表面与第一板的表面和/或第二板的表面在多个连续凹槽的出口口部分的区域中形成连续表面。
[0011]根据优选实施例，第一板由非导电材料构成，而第二板和分离板由导电材料构成。
[0012]根据另一优选实施例，第一板的连续凹槽比第二板的连续凹槽宽，并且在任一侧上均延伸超过第二板的连续凹槽，当在垂直于分离板的方向上观察时，连续凹槽的纵轴至少在该连续凹槽的出口口部分的区域中彼此重叠。
[0013]根据又一优选实施例，喷丝头包括第三板，该第三板设有在第三板的一个表面处的连续凹槽口并且邻接第二板，该第三板的连续凹槽的出口口部分被配置成邻近第二板的连续凹槽的相应出口口部分。
[0014]根据另一实施例，喷丝头包括第四板，该第四板被配置成与第二板间隔开，并且起到分别为第一板的表面、分离板的表面及第二板的表面供应成形和/或加热空气的作用。
[0015]根据又一优选实施例，喷丝头包括第五板和第六板，其中，该第五板与第三板间隔开，该第六板与第一板间隔开，第五板及第六板起到从任一侧分别为第一板的表面、分离板的表面、第二板的表面及第三板的表面供应成形和/或加热的空气的作用。
[0016]优选地，第一板、分离板、第二板及第三板的表面分别在喷丝头的出口表面中形成通道，该通道的纵轴平行于该分离板的表面的通道的纵轴。
【附图说明】
[0017]为获得更多细节，将通过附图进一步描述本发明，在附图中:
[0018]图1示意性地示出了根据本发明的喷丝头的一部分的俯视图，
[0019]图2示意性地示出了图1所示的根据本发明的喷丝头的纵剖面，
[0020]图3示意性地示出了根据本发明的喷丝头的第二示例性实施例的纵剖面，
[0021]图4示意性地示出了根据本发明的喷丝头的第三示例性实施例的纵剖面，
[0022]图5示意性地示出了根据本发明的喷丝头的第四示例性实施例的纵剖面，以及
[0023]图6示意性地示出了使用如图1所示的根据本发明的喷丝头的示例性实施例的同轴纤维的形成过程。
【具体实施方式】
[0024]图1示意性地示出了根据本发明的喷丝头的远端的俯视图。第一板I设有连续凹槽2，并且邻接分离板8，以使得分离板8侧向封闭连续凹槽2。在相对侧上，分离板8与第二板5邻接，该第二板5设有连续凹槽6并且邻接分离板8，以使得分离板8侧向封闭连续凹槽6。第三板11在第二板5的相对侧与第二板5邻接，该第三板11设有连续凹槽12，以使得第二板5侧向封闭连续凹槽12。第一板I的连续凹槽2和第三板11的连续凹槽12分别在一侧上延伸超过第二板5的连续凹槽6，在喷丝头的隐藏部分的远端的俯视图上显而易见的是，第一板I的连续凹槽2、第二板5的连续凹槽6及第三板11的连续凹槽12的中心分别在共享线上进行对准，该公用线垂直于分离板8与第一板I邻接的表面。连续凹槽6旨在用于导向同轴纤维的核材料，而连续凹槽2和12旨在用于导向封闭同轴纤维的核的壳材料。第二板5和分离板8由导电材料制成，而第一板I和第三板11由绝缘材料制成。第一板1、第二板5及第三板11可分别设有多个连续凹槽2、连续凹槽6和连续凹槽12，如图2所示，单独凹槽的出口口部分3、7和14在喷丝头的远端处形成，并且该出口口部分3、7及14的相互配置与图1所示的相应口部分的相互配置相同。第一板1、第二