一种调节电纺丝直径的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电纺丝技术，尤其涉及一种调节电纺丝直径的方法。
【背景技术】
[0002] 在影响纤维使用的许多因素中，纤维直径是一个非常重要的参数，当长径比非常 大或者非常小的时候，比表面积才会非常大。这首先意味着当用做增强填料的时候，超细纤 维的增强效果要比直径粗的纤维好（这里假设界面的尺寸大小决定增强的效果）。而超细 纤维的另一个优点就是当纤维直径比可见光的波长还要小的时候，纤维的光散射的能力就 显著地减弱，比如当纤维的直径小于400nm的时候，这时候纤维实际上就已经不可见了。
[0003] 超细纤维还有许多的优点。当这种纤维用于过滤材料时，过滤效果随着纤维直径 的减小而得到改善；当其用于伤口包扎材料时也比普通的纤维的效果要好；而在织物中， 与粗纤维相比，使用细纤维的织物有更好的表面性质。
[0004] 静电纺丝技术的主要的优点就是可以制得直径在纳米到微米之间的超细纤维。这 些纤维的直径范围比通常的纺丝方法纺出的丝小1~2个数量级，并且有较高的长径比，比 表面积也较大。对许多不同几何构造的聚合物，通过静电纺丝技术都可以制得直径和取向 度较小的纤维。而传统的纺丝方法制得的纤维的直径在10~20 ym之间，因此，除了静电 纺丝法以外，其它的纺丝方法很难制得纳米级的纤维。静电纺丝技术的其它优点是这种技 术的设备比较简单，由于较高的纺丝速度，所以操作时间也比较短。另外，在静电纺丝过程 中仅仅需要很少的样品，这一点对那些价格昂贵的样品就显的尤为重要。静电纺丝技术有 着许多独有的特性，它使用的材料很广泛，许多聚合物熔体或溶液都可使用，例如，聚丙烯 腈、尼龙-6、聚氧乙稀、聚乙烯醇、聚己内酰胺、聚苯乙烯和聚苯胺等。电纺丝制备的纳米纤 维有广泛应用：传统的微米级纤维材料主要的应用尤其是工程纤维如：碳纤维、玻璃纤维 和Kevlar纤维等用做复合材料中作为增强材料。作为生物医学材料，主要应用在组织工程 上、医药控制释放、仿生材料及人工器官。在组织工程中细胞支架起到细胞外基质的作用， 是对细胞外基质的结构和功能的仿生，组织培养时要受到支架的组成结构影响。
[0005] 电纺丝可以作为过滤用材料。美国ASSC Natick开发中心一直致力于利用电子 纺丝开发保护性服用材料（A review on polymers nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites, Zheng-Ming Huang, Y. -Z. Zhang, M. Kotaki, S. Ramakrishna.，Composites science and technology, 2003, 63:2223-2253.)。由于纳米 纤维具有很高的比表面积，可用作吸附媒质，包覆活性炭、生物杀灭剂等。用这些纤维制作 的生物化学防护服，能够高效地吸收并降解有害液体和气体。用电子纺丝法制备的纳米级 无纺膜对以气溶胶形式存在的生物化学制剂具有很好的防护作用。人们认为纳米纤维直径 与气体分子平均自由程相当，当含有气溶胶的气流通过无纺膜时，气体能在纤维表面产生 滑移，因此由纤维造成的压力降损失大大减小，他认为这是无纺膜具有高的过滤效率的直 接原因。通过测试发现用极薄的膜可以获得较高的过滤效率，例如包覆含活性炭的聚氨酯 泡沫体（防护服的组成部分）的锦纶6,6无纺膜，控制喷射时间以改变包覆量，当包覆量达 到0. 001kg/m2时，原先容易透过泡沫层的气溶胶，几乎不能进入泡沫体。他通过比较发现， 无纺膜对气溶胶的过滤性能大大优于现在装备军队的保护性服装材料。另外，无纺膜的孔 状结构形成内外贯通的微孔，这有利于毛细管吸水，与其它膜相比，无纺膜对气相水分扩散 的阻力最小。因此无纺膜不但有良好的过滤性能，还有良好的透气性，这对保护性服装特别 有利。电子纺丝法能够获得连续的无纺膜，可以利用这一优点，设计无缝的包覆膜。军事上 可利用这个方法制作靴子和手套的衬垫、生物化学防护服以及常受接缝问题困扰的防毒面 具。
[0006] 上述现有技术中，对电纺丝直径的调节工艺复杂、环保性差。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种工艺简单、方便、环保的调节电纺丝直径的方法。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] 本发明的调节电纺丝直径的方法，利用溶液静电纺丝技术制备纤维，并按下述方 法制备：
[0010] 利用溶液静电纺丝装置配置掺杂导电材料的高分子溶液，将掺杂导电材料的高分 子溶液加入注射器中，通过高压电源加上电压，使液体在高压静电的作用下喷射到接收装 置上，得到掺杂导电材料的高分子纳米级纤维丝；
[0011] 通过调节导电材料的掺加量调节高分子纳米级纤维丝的直径，纤维丝的平均直径 与随着导电材料的掺加量增加而减小。
[0012] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的调节电纺丝直径的 方法，由于通过调节导电材料的掺加量调节高分子纳米级纤维丝的直径，工艺简单、方便、 环保。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明实施例1中的显微镜图像（炭黑2. 5% );
[0014] 图2为本发明实施例1中的显微镜图像（炭黑5. 0% )。
【具体实施方式】
[0015] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0016] 本发明的调节电纺丝直径的方法，其较佳的【具体实施方式】是：
[0017] 利用溶液静电纺丝技术制备纤维，并按下述方法制备：
[0018] 利用溶液静电纺丝装置配置掺杂导电材料的高分子溶液，将掺杂导电材料的高分 子溶液加入注射器中，通过高压电源加上电压，使液体在高压静电的作用下喷射到接收装 置上，得到掺杂导电材料的高分子纳米级纤维丝；
[0019] 通过调节导电材料的掺加量调节高分子纳米级纤维丝的直径，纤维丝的平均直径 与随着导电材料的掺加量增加而减小。
[0020] 所述导电材料包含以下任一种或多种：碳黑、石墨、碳纳米管、石墨烯等碳材料、纳 米金属颗粒。
[0021] 所述高分子包括以下任一种或多种：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯。
[0022] 本发明的调节电纺丝直径的方法，利用传统的溶液静电纺丝技术制备纤维，并用 溶液静电纺丝法制备的导电材料/高分子复合纤维改变纤维直径，将掺导电材料的高分子 溶液利用静电力的作用将其纺成纳米丝。
[0023] 本发明利用溶液静电纺丝装置，配置一定浓度梯度的掺导电材料的高分子溶液， 搅拌一定时间，最佳搅拌时间为12小时；（1)将混合溶液加入注射器中，打开高压电源，加 上一定电压，使熔体在高压静电的作用下喷射到接收装置上，得到不同直径的掺杂碳黑的 高分子纤维丝。（2)将一定浓度高分子、导电材料的混合溶液加入注射器中，打开高压电源， 一定范围内调节电压，得到不同直径的掺杂导电材料的高分子纤维丝。
[0024] 本发明具有以下优点：
[0025] 1、掺杂碳黑或其它的纳米丝直径可以通过调节碳黑浓度或纺丝电压进行调控；
[0026] 2、溶液静电纺丝技术避免了溶剂回收问题，将原料直接纺丝，不用添加其它可能 有毒的成分，能保证所纺纤维的安全性；
[0027] 3、溶液静电纺丝法制备的掺杂导电材料的纳米纤维是连续长纤维，纤维直径小， 比表面积大，应用前景广。
[0028] 4.随着导电材料含量的增加，直径明显变小（见表1)
[0029] 具体实施例：
[0030] 本发明中所用的原料：聚苯乙烯等高分子材料；N-N二甲基甲酰胺等有机溶剂；碳 黑等导电材料。
[0031] 本发明中所使用的装置为熔体静电纺丝装置，电压0. l-1000kV，接收距离为 0. l-20cm。利用此电纺装置，先将混合溶液加入注射器中，开启高压直流发生器电源，加上 一定电压，开始纺丝。
[0032] 实施例1本别称取20g DMF于3个烧杯中，分别加入0? 077g、0. 158g、0. 243g碳 黑，搅拌12h;分别加入4g PS，搅拌20h;超声20min。分别取2m L于注射器中，打开高压 电源，加上一定电压，开始纺丝，纺丝电压18kV，接收距离为10cm。纺丝一定时间后，取出纤 维。图1、图2分别为掺杂碳黑的PS纤维的显微镜照片，从图中可以观察到纤维的形貌良 好，粗细均匀，表面较为光滑。纤维的平均直径分别为1540nm、1368nm、1503nm ;其直径呈先 减小后增大趋势。
[0033] 实施例2称取20g DMF于3个烧杯中，加入0. 158g碳黑，搅拌12h ;加入4g PS，搅 拌20h;超声20min。取2m L于注射器中，打开高压电源，加上一定电压，开始纺丝，纺丝电 压分别为121^、151^、181^、211^，接收距离为10〇11。纺丝一定时间后，取出纤维。纤维的平 均直径与随着炭黑用量增加而减小（见表1)。
[0034] 表1电纺丝直径随碳黑含量的变化
[0035]
[0036] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种调节电纺丝直径的方法，其特征在于，利用溶液静电纺丝技术制备纤维，并按下 述方法制备： 利用溶液静电纺丝装置配置掺杂导电材料的高分子溶液，将掺杂导电材料的高分子溶 液加入注射器中，通过高压电源加上电压，使液体在高压静电的作用下喷射到接收装置上， 得到掺杂导电材料的高分子纳米级纤维丝； 通过调节导电材料的掺加量调节高分子纳米级纤维丝的直径，纤维丝的平均直径与随 着导电材料的掺加量增加而减小。2. 根据权利要求1所述的调节电纺丝直径的方法，其特征在于，所述导电材料包含以 下任一种或多种：碳黑、石墨、碳纳米管、石墨稀等碳材料、纳米金属颗粒。3. 根据权利要求1或2所述的调节电纺丝直径的方法，其特征在于，所述高分子包括以 下任一种或多种：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯。
【专利摘要】本发明公开了一种调节电纺丝直径的方法，利用溶液静电纺丝技术制备纤维，并按下述方法制备：利用溶液静电纺丝装置配置掺杂导电材料的高分子溶液，将掺杂导电材料的高分子溶液加入注射器中，通过高压电源加上电压，使液体在高压静电的作用下喷射到接收装置上，得到掺杂导电材料的高分子纳米级纤维丝；通过调节导电材料的掺加量调节高分子纳米级纤维丝的直径，纤维丝的平均直径与随着导电材料的掺加量增加而减小，工艺简单、方便、环保。
【IPC分类】D01D1/04, D01D5/00
【公开号】CN105220247
【申请号】CN201510781738
【发明人】刘太奇, 张晓玲, 赵云腾, 张旗, 哈旭然, 刘永壮
【申请人】北京石油化工学院
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年11月13日