一种偏心套管并列纺丝头及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料制备领域，特别是涉及一种偏心套管并列纺丝头、一种带有偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置和利用该带有偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置进行乔纳斯纳米纤维制备的方法。
【背景技术】
[0002]高压静电纺丝技术是一种自上而下(top-down)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预期。
[0003]在通过纺丝头的设计制备具有微观结构特征的纳米纤维方面，最常见的是使用同轴套毛细金属管为纺丝头，制备芯鞘结构纳米纤维(Moghe AK and Gupta BS.Co-axialelectrospinning for nanofiber structures: Preparat1n and applicat1ns.PolymRev 2008;48:353-377.)。对于两种组分来说，其空间结构关系只有两种，即内外关系的芯鞘结构和左右关系并列的乔纳斯(乔纳斯，罗马神话中的两面神)结构(Walther A andMiiller AHE.Janus particles: synthesis, self-assembly, physical properties, andapplicat1ns.Chem.Rev.2013;113:5194-5261.)。目前应用同轴纺丝投制备芯鞘结构纳米纤维的报道有几千篇，而应用并列纺丝头制备乔纳斯纳米纤维的文献仅十余篇。而实际在先进功能材料的开发应用上，乔纳斯纳米纤维由于两种组分都与环境接触，因此比芯鞘纤维在设计制备多功能材料上更具有优势。
[0004]造成这种现象的根本原因在于传统的做法是使用普通的并列两根金属毛细管为并列纺丝头(Liu Z, et al.An Efficient Bicomponent Ti02/Sn02 NanofiberPhotocatalyst Fabricated by Electrospinning with a Side-by-Side dual SpinneretMethod.Nano Lett.2007 ,.7:1081-1085.)，很难得到结构完整的乔纳斯纳米纤维。而深层次的原因是传统纺丝头的设计并没有遵循高压电场下物质的行为和基本的自然规律。
[0005]本发明在多次试验的基础上，摸索出一种复合高压电场下流体自然行为的并列纺丝头，应用该纺丝头，可以单步有效地制备出结构完整、尺寸均一的乔纳斯纳米纤维，为大规模生产和应用提供可能。
【发明内容】
[0006]本发明的目的为了解决现有技术难以制备出具有并列结构特征的纳米纤维的技术问题是提供一种偏心套管并列纺丝头，利用带有该偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置即可制备出具有并列结构特征的纳米纤维。
[0007]本发明的技术方案
一种偏心套管并列纺丝头，包括中空的L型管I和直管2 ；
所述的直管2从中空的L型管的一侧直管11的内部紧贴管壁直插并穿出中空的L型管的另一侧直管12的管壁；
穿入在中空的L型管的一侧直管11中的直管2的一端，其露出在中空的L型管的一侧直管11外的长度为Imm;
穿出在中空的L型管I的另一侧直管12的管壁外的直管2的一端，其露出长度为20mm，并通过焊接固定在中空的L型管I的另一侧直管12的外壁上从而形成牢固的偏心套管结构；
所述的中空的L型管I的内径为2mm，所述直管2内径为0.5mm ；
所述的中空的L型管I的一侧直管11的长度为15mm，另一侧直管12的长度为15mm ； 所述的中空的L型管I通过不锈钢坯铸造而成，所述直管2为不锈钢毛细管。
[0008]一种带有上述的偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置，包括第一轴流注射泵、第二轴流注射泵，第一注射器、第二注射器、硅胶管、纤维接收板、高压发生器和接地装置，还包括偏心套管并列纺丝头；
偏心套管并列纺丝头中，直管2穿出在中空的L型管I的另一侧直管12的管壁外的一端，即直管2的穿出端，其与第二注射器直接连接，中空的L型管I的另一侧直管12的管口端通过硅胶管与第一注射器连接；
第一注射器安装在第一轴流注射泵上，第二注射器安装在第二轴流注射泵上，第一轴流注射泵，第二轴流注射泵分别调控第一注射器和第二注射器的推进速率，高压发生器与偏心套管并列纺丝头通过导线直接连接以提供高压静电；
偏心套管并列纺丝头中，中空的L型管I的一侧直管11的管口端与纤维接收板的中心相对，距离为20cm，高压发生器与纤维接收板共同通过接地装置接地；
所述的高压发生器提供电压为O?60kV ；
所述的第一注射器和第二注射器均为市售医用商品。
[0009]所述的娃胶管内径为2mm,壁厚1mm。
[0010]利用上述的带有偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置对两股流体进行电纺制备乔纳斯纳米纤维的方法，具体步骤如下:
在第一注射器内加入第一种纺丝液体，第二注射器内加入第二种纺丝液体，通过电场作用，即可进行乔纳斯纳米纤维的制备；
制备过程中针对不同的纺丝液体，采用相应的流量和电压，即可制备不同的结构完整的乔纳斯纳米纤维。
[0011]本发明的有益效果
现有的并列电纺技术都采用平行的并列金属毛细管为纺丝头，由于采用这种纺丝头进行并列电纺时候，两股平行的流体在出口只有一个点进行接触，但是两股流体带有相同的电荷，因此彼此容易因为相互排斥而分离，不能获得完整的并列结构。而本发明的偏心套管并列纺丝头有一个面供流体相接触，因此能够确保两股流体的相互粘合，克服彼此之间的静电斥力，通过电纺过程、获得并列结构完整的纳米纤维。
[0012]同时，传统的并列金属毛细管纺丝头中流体的充电呈不规则的形状，不利于泰勒锥形成；而本发明的偏心套管并列纺丝头为统一的圆形形状并且截面积更小，有利于乔纳斯泰勒锥的形成。这些优势来源于本发明的偏心套管并列纺丝头更符合高压电场下流体充电与运行规律。
[0013]综上所述，本发明的偏心套管并列纺丝头应用简单、操作方便、易于控制，在高压电场下可以单步制备出具有并列结构特征的纳米纤维，并且可以通过增多纺丝头数量进行大规模放大生产。
【附图说明】
[0014]图1、偏心套管并列纺丝头整体外形示意图图2、图1中的偏心套管并列纺丝头的剖视图；
图3、带有实施例1所述偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置的结构示意图；
图4、实施例1的偏心套管并列纺丝头和现有技术中的并列纺丝头在高压电场下流体充电与运行规律说明图，其中I为传统并列纺丝头，2为实施例1的偏心套管并列纺丝头；图5、应用实施例1所得PVP/Eudragit L-100乔纳斯纳米纤维的透射电镜图；
图6、应用对照实施例1所得PVP/Eudragit L-100乔纳斯纳米纤维的透射电镜图。
【具体实施方式】
[0015]下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
[0016]本发明应用实施例中所用的场发射透射电镜为日本东京JEOL公司产品，型号为2100F ；
场发射电子扫描电镜为进口荷兰FEI公司产品，Quanta 450型。
[0017]实施例1
一种偏心套管并列纺丝头，其结构示意图如图1、图2所示，包括中空的L型管I和直管2，所述的中空的L型管I的一直管边11，其长度为15mm，另一直管边12，其长度为15mm;
所述的直管2的一端22从中空的L型管的一侧直管11的内部紧贴管壁直插并穿出中空的L型管的另一侧直管12的管壁；
穿入在中空的L型管的一侧直管11中的直管2的一端21，即直管2的穿入端，其露出在中空的L型管的一侧直管11外的长度为Imm ；
穿出在中空的L型管的另一侧直管12的管壁外的直管2的一端22，其露出长度为20mm,且穿出部分的直管2的一端22通过焊接固定在中空的L型管的另一侧直管12的外壁上从而形成牢固的偏心套管结构；
所述的中空的L型管I通过不锈钢坯铸造，其内径为2mm，所述直管2为内径为0.5mm的不锈钢毛细管。
[0018]实施例2
一种带有实施例1中所述的偏心套管并列纺丝头的并列电纺装置，其组成示意图如图3所示，包括第一轴流注射泵1、第二轴流注射泵2，第一注射器3、第二注射器4、硅胶管5、偏心套管并列纺丝头6，纤维接收板7、高压发生器8、接地装置9 ；
偏心套管并列纺丝头6中的直管2的穿出端22直接与第二注射器4进行连接，偏心套管并列纺丝头6中的中空的L型管I的另一直管边12的管口端通过硅胶管5与第一注射器3进行连接；
第一注射器3安装在第一轴流注射泵I上，第二注射器4安装在第二轴流注射泵2上，第一轴流注射泵I，第二轴流注射泵2分别调控第一注射器3和第二注射器4的推进速率，高压发生器8与偏心套管并列纺丝头6通过导线直接连接以提供高压静电；
偏心套管并列纺丝头6中，中空的L型管的一侧直管11的管口端与纤维接收板7的中心相对，距离为20cm，高压发生器8与纤维接收板7共同通过接地装置9接地；
所述的高压发生器8提供电压为O?60kV，上海苏特公司产品，ZGF2000型；
所述的第一注射器3和第二注射器4均为市售医用商品；
所述的娃胶管5内径为2mm,壁厚Imm ；
纤维接收板7为采用铝箔包裹的一块硬纸板做成；
第一轴流注射泵1、第二轴流注射泵2均为进口美国产品，KDS100型，美国Co I e-Parmer?公司生产。
[0019]上述所用的偏心套管并列纺丝头和现有技术中的并列纺丝头在高压电场下流体充电与运