专利名称：一种电纺丝发生和收集的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种电纺丝发生和收集的装置及方法，具体为一种制备和排列连续微/纳米尺度纤维的电纺丝方法和装置，属于一维纳米材料制备领域。
背景技术：
电纺丝技术目前引起了越来越多的重视，在过滤材料、伤口敷料、生物组织工程材料、纳米复合材料和传感器等方面获得了广泛的应用，它被认为是一种制备连续微/纳米尺度纤维的理想方法。电纺丝装置一般包括高压电源、液体供给装置、喷射装置和收集装置四个部分。液体供给装置向喷射装置供给高分子聚合物或其它材料的溶液或熔融液体，高压电源向喷嘴提供几百到几万伏的直流电压。在电场力作用下，喷口的液体被拉出形成很细的射流飞向的收集装置，射流在飞行过程中固化、细化，最后成为纳米或微米尺度的纤维。接收装置一般为接地或接负电压的平板电极。由于射流在飞行过程中的高速随机甩动，上面的电纺丝过程获得的是纤维方向随机分布的无纺布，它只能应用于过滤材料和伤口敷料等领域。
在纳米增强材料、传感器等很多应用中，需要的是取向性很好的纤维，目前为止主要有以下三种电纺丝纤维排列工艺1)使用高速旋转的圆筒作为接收装置，当圆筒的旋转速度足够快时，可以获得一定取向程度的纤维排布。但如果速度过高又将会导致纤维被拉断，所以这种收集方法获得的纤维排布远未达到理想效果。2)使用边缘尖锐的薄圆盘作为收集装置，由于圆盘边缘对电场的聚焦作用，当圆盘高速旋转时，纤维被吸引到其边缘并获得很好的单向排列。这种方法的缺点在于纤维只能收集到圆盘边缘很狭小的范围内。3)使用两块导电平板作为接收装置，其间形成几毫米宽的绝缘区域，喷射一段时间后可以在绝缘区域上获得取向很好的纤维。这种方法的缺点是收集范围很小，当绝缘区域的宽度大于1cm后，纤维取向逐渐变差。因为绝大部分纤维喷射到两块导电极板上了，随着纤维层对极板的覆盖，绝缘区域纤维的取向也会变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电纺丝发生和收集的装置，包括液体供给装置，其向喷射装置提供工作液体；所述液体供给装置可控制所述喷射装置的流量；供给流量为0.01μl/min～5000μl/min；两个喷射装置，连接所述液体供给装置并接收工作液体，并且分别喷射出带有正、负电荷的纤维；所述喷射装置包括喷嘴；其加载电压可分别调节；所述两种相对喷射装置的距离为2cm-60cm；高压电源，分别向两个喷射装置提供正、负极性的加载电压；电压调节范围为2kV～20kV和-2kV～-20kV；收集装置，其用来收集所述纤维束，以获得所需纤维；所述收集装置位于与两个喷射装置垂直距离为0-500cm的位置；控制收集装置的表面速度，以获得不同取向程度的纤维结构。
其中，液体供给装置为注射泵或气压控制系统；每个喷射装置分别具有1个或多个喷嘴，喷嘴为玻璃毛细管或金属针头；为了聚焦电场，喷嘴上可以固定有薄平板电极，收集装置为旋转装置或皮带传动装置，收集装置的表面采用导电或绝缘材料。
此外，本发明目的还在于提供一种电纺丝发生和收集的方法，该方法包括如下步骤1)将电纺丝的工作溶液装入液体供给装置，并将其与两个喷射装置相连；2)调节两个喷射装置的供给流量为0.1μl/min～50μl/min；3)调整使两种喷射装置相对，并调节它们相互之间的距离为2cm-60cm；4)调节收集装置的位置，使其与两个喷嘴的垂直距离为0～500cm；5)调节收集装置的表面速度0.01m/s～50m/s6)分别调节两个喷射装置的加载电压为2kV～20kV和-2kV～-20kV；喷射装置分别喷射出带有正、负电荷的纤维，所述纤维在空中相遇并吸附在一起形成速度急剧降低的纤维束；使用气流或绝缘棒牵引所述纤维束到收集装置表面，开始收集。
本发明还包括如下特征1)当收集装置位于两个喷嘴中间时，能在直径较小的导电或者绝缘材料表面收集均匀的纤维材料。2)当收集装置距离喷嘴一定垂直距离时，能在各种大小的导电或者绝缘装置上收集高度单向排列的纤维。3)对两个喷嘴分别供给不同的高分子聚合物或其它材料溶液或熔融液体，并单独控制流量，能获得均匀混合的双组分纤维结构。4)把上述两个喷嘴扩展为两组喷嘴，每组喷嘴可以包含不同数量的喷嘴并排列成不同的几何结构；能对以上喷嘴供给同种高分子聚合物或其它材料溶液熔融液体，也可以供给不同的液体，从而获得均匀的多组分纤维结构。5)收集装置包括各种形状的运动装置，除了使用圆筒收集，还使用皮带传动装置来进行收集。控制收集装置的表面速度，能获得不同取向程度的纤维结构。
上面所述的电纺丝发生和收集的方法及装置适用于传统的电纺丝方法和装置所使用的各种高分子聚合物或其它材料溶液和熔融液体。
本发明的有益效果是使用该方法和装置可以在很大的面积上收集连续的高度单向排列的纳米或微米纤维，能制备出均匀混合的双组分或者多组分纤维结构；还可以直接在绝缘表面收集纤维，而传统方法需要收集装置导电并接地或接负电。本发明所述方法和装置，拓展了传统电纺丝方法的概念，扩大了使用灵活性，特别在收集连续高度单向排列纤维方面提供了一种很有效的手段，赋予了电纺丝纤维更广阔的应用前景。
图1是本发明的装置示意图。
图2是喷射装置的喷嘴排列的四个例子。
图3是接收装置放置于喷嘴中间时的喷射示意图。
图4是使用皮带传动装置作为接收装置的示意图。
图5是用本发明所述方法和装置收集的高度单向排列纤维的扫描电镜图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行说明。
图1是本发明的装置示意图，其中1和2为分别连接正、负电源的喷射喷嘴，3和4分别为喷嘴1和喷嘴2喷射出的纤维，5是纤维3和4相互吸引，聚集在一起形成的纤维束，6是收集装置，7是最后收集得到的高度单方向性的纳米纤维。喷嘴1和2组成喷射装置，位置可以单独调节。通过液体供给装置向它们供给上述同一种工作液体，也可以分别供给不同的工作液体。从喷嘴1和2喷出的分别带有正、负电荷的纤维3和4在空中相遇并吸附在一起形成速度急剧降低的纤维束，将该纤维束牵引到高速转动的收集装置6上，就可以把它拉伸成更细的纤维束5，此后可以在收集装置6上收集到连续的高度单向排列的纤维7。上述拉伸过程提供了纺丝取向排列的机械动力，收集装置的表面速度越大，获得的纤维单向性越好。但为了防止收集过程中纤维断裂，收集装置表面速度一般不大于50m/s。
本发明所述装置主要包括喷射装置、液体供给装置、高压电源和收集装置四个部分。
1)高压电源使用两套直流高压电源，电源的输出电压分别为正、负2kV～20kV。它们分别与两个喷射装置连接并提供高电压，两个喷嘴上的加载电压可以分别调节。
2)液体供给装置液体供给装置使用注射泵，还可以使用气压控制系统。可以控制每个喷嘴的流量为0.01μl/min～5000μl/min。
3)喷射装置图2是喷射装置的喷嘴排列的四个例子。喷射装置可以使用玻璃毛细管，也可以使用医用注射器针头，内径为10μm-5mm。两个喷嘴的内径可以相同，也可以不同。为了聚集电场，还可以在喷嘴上固定“刀片状”薄平板电极8、9，如图2(a)所示，平板电极与喷嘴同时与高压电源连接。还可以把两个喷嘴都旋转一个角度，如图2(b)所示，这种结构可以使中和后的纤维束很容易被牵引出来。
可以把上述带正、负高电压的两根喷嘴用两组喷嘴阵列来代替，它们分别连接正、负性直流高电压。两组喷嘴相对放置，保证它们喷射的纺丝能够相遇并相互吸附。每组喷嘴可以包含不同数量的喷嘴，并能排列成不同的几何形状和空间结构。图2(c)、(d)是每组包括两个喷嘴的喷射装置的两个排列例子。
在多喷嘴的情况下，可以对所有的喷嘴供给同种高工作液体，也可以分组供给不同的液体，还可以对每个喷嘴单独供给不同液体。此外，可以控制每个喷嘴使用相同的流量或者不同的流量。用这种方法可以获得混合均匀的多组分纤维制品。
4)收集装置图1所示为高速旋转的圆筒距离两喷嘴一定距离进行收集，还可以将较小的圆筒放置于喷嘴之间进行收集，如图3是接收装置放置于喷嘴中间时的喷射示意图。这种方式收集的纤维排列同传统旋转圆筒的方法差不多，不同之处在于这种方法可以直接在绝缘圆筒上收集纺丝，传统方法需要圆筒导电并需要接负电或者接地。此外，由于本方法的收集过程中，对收集装置的放置位置和角度没有特别限制，可位于与两个喷嘴垂直距离为几毫米到几百厘米的任意位置。收集装置的尺寸也没有限制，使用直径很大的圆筒收集，可以在很大的面积上获得纤维排列，这是目前的很多纤维排列方法所不能实现的。为了使收集到的纤维沿收集圆筒轴向均匀分布，可以使圆筒或者喷嘴沿着圆筒轴向缓慢往复运动。收集装置可以是各种形状的运动装置，除了圆筒，还可以使用图4所示的皮带传动装置作为收集装置。
本发明提供一种电纺丝发生和收集的新方法和装置，能制备连续的高度单向排布的微纳米纤维。其中，使用两个或两组相对的分别连接正、负极性高电压的喷嘴1和2作为喷射系统，喷嘴喷出的带相反电荷的纤维在空中互相吸引、相撞、电中和，成为飞行速度急剧降低的纤维束，从而提供了一种新的电纺丝发生和收集方法，其步骤如下1)将电纺丝的工作溶液装入液体供给装置，并将其与两个喷射装置相连；2)调节两个喷射装置的供给流量为0.1μl/min～50μl/min；3)调整使两种喷射装置相对，并调节它们相互之间的距离为2cm-60cm；4)调节收集装置的位置，使其与两个喷嘴的垂直距离为0～500cm；5)调节收集装置的表面速度0.01m/s～50m/s6)分别调节两个喷射装置的加载电压为2kV～20kV和-2kV～-20kV；喷射装置分别喷射出带有正、负电荷的纤维，所述纤维在空中相遇并吸附在一起形成速度急剧降低的纤维束；使用气流或绝缘棒牵引所述纤维束到收集装置表面，开始收集。
上面所述的电纺丝发生和收集的方法及装置适用于传统的电纺丝装置所使用的各种高分子聚合物或其它材料溶液和熔融液体。
图5是用本发明所述方法和装置收集到的高度单向排列纤维的扫描电镜图，其中纤维材料为PVA，直径约为320纳米。
下面通过例子对本发明进行说明。
例11.以质量百分数为7％的PVA水溶液为工作液体，将其装入气压供液装置并与两根喷嘴相连；2.调节两根喷嘴的供给流量均为0.1μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为30cm；4.使用直径为6mm的聚四氟乙烯管作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为5cm。
5.调节圆筒的转速为3000rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为7kV和-7kV。使用绝缘棒将喷射出的纤维束牵引到聚四氟乙烯管表面，开始收集纺丝。
例21.以质量百分数为10％的PVA水溶液为工作液体，将其装入双通道注射泵中并与两根喷嘴相连；2.调节两根喷嘴的供给流量均为3μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为2cm；4.使用直径为40mm的金属圆筒作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为15cm。
5.调节圆筒的转速为1000rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为2kV和-2kV。使用绝缘棒将喷射出的纤维束牵引到金属圆筒表面，开始收集纺丝。
例31.以质量百分数为10％的PVA水溶液为工作液体，将其装入双通道注射泵中并与两根喷嘴连通；2.调节正、负极喷嘴的流量分别为2μl/min和7μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为20cm；4.使用直径为40mm的金属圆筒作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为20cm。
5.调节圆筒的转速为1000rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为7kV和-7kV。使用气流控制的方法将喷射出的纤维束牵引到金属圆筒表面，开始收集纺丝。
例41.以质量百分数为8％的PVA水溶液为工作液体，将其装入气压供液装置并与两根喷嘴连通；2.调节两根喷嘴的供给流量均为50μl/min；
3.使两根喷嘴正对，在喷嘴上固定正对的平板电极，调节它们之间的距离为60cm；4.使用直径为8mm的聚四氟乙烯管作为收集装置，放置于两根喷嘴中间。
5.调节聚四氟乙烯管的转速为4000rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为20kV和-20kV，开始收集纺丝。
例51.以质量百分数为16％的PS的氯仿溶液为工作液体，将其装入气压供液装置与两根喷嘴连通；2.调节两根喷嘴的供给流量均为5μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为30cm；4.使用皮带传动装置收集纤维，调节其与两根喷嘴垂直距离为10cm。
5.调节皮带传动装置的表面速度为2m/s；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为9kV和-9kV。使用绝缘棒将喷射出的纤维束牵引到皮带传动装置表面，开始收集纺丝。
例61.以质量百分数为10％的PEO水溶液为工作液体，将其装入气压供液装置并与两根喷嘴连通；2.分别调节正负极喷嘴的流量为3μl/min和6μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为30cm；4.使用皮带传动装置收集纤维，调节其与两根喷嘴垂直距离为10cm。
5.调节皮带传动装置的表面速度为1.5m/s；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为10kV和-13kV。使用绝缘棒将喷射出的纤维束牵引到皮带传动装置表面，开始收集纺丝。
例71.配制质量百分数为7％和10％的PVA水溶液，将溶液加入双通道注射泵中，正极喷嘴供给7％PVA水溶液，负极喷嘴供给10％PVA水溶液；2.分别调节正、负极喷嘴的供给流量为10μl/min和4μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为30cm；4.使用直径为40mm的金属圆筒作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为15cm。
5.调节圆筒的转速为800rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为11kV和-11kV。使用绝缘棒牵引喷射出的纤维束到金属圆筒表面，开始收集纺丝。
例81.配制PVDF质量百分数为20％的DMAc溶液和PVC质量百分数为25％的DMAc溶液，将溶液加入双通道注射泵中，并分别与正、负极喷嘴连接；2.分别调节正、负极喷嘴的流量为12μl/min和15μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为30cm；4.使用直径为30mm的金属圆筒作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为20cm。
5.调节圆筒的转速为800rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为15kV和-15kV。使用气流控制的方法牵引喷射出的纤维束到金属圆筒表面，开始收集纺丝。
例91.配制PVDF质量百分数为20％的DMAc溶液和PVC质量百分数为25％的DMAc溶液，将溶液加入双通道注射泵中，并分别与正、负极喷嘴连接；2.分别调节正、负极喷嘴的流量为10μl/min和12μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为30cm；4.使用直径为8mm的聚四氟乙烯管作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为20cm。
5.调节聚四氟乙烯管的转速为3000rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为12kV和-12kV。使用绝缘棒将喷射出的纤维束牵引到聚四氟乙烯管表面，开始收集纺丝。
例101.配制PVDF质量百分数为20％的DMAc溶液和PVC质量百分数为25％的DMAc溶液，将溶液加入双通道注射泵中，并分别与正、负极喷嘴连接；2.分别调节正、负极喷嘴的流量为15μl/min和8μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为35cm；4.用皮带传动装置收集纤维，调节其与两根喷嘴垂直距离为20cm。
5.调节皮带传动装置的表面速度为3m/s；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为15kV和-15kV。使用气流控制的方法将喷射出的纤维束牵引到皮带传动装置表面，开始收集纺丝。
例111.配制质量比为2∶1的PVDF和PVC的质量百分数为20％的DMAc溶液，将溶液加入气压供液装置中并与两根喷嘴连接；2.调节两根喷嘴的流量均为13μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为20cm；4.使用直径为30mm的金属圆筒作为收集装置，调节其与两根喷嘴垂直距离为25cm。
5.调节金属圆筒的转速为1200rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为6kV和-6kV。使用玻璃棒将喷射出的纤维束牵引到金属圆筒表面，开始收集纺丝。
例121.配制质量比为1∶3的PVDF和PVC的质量百分数为20％的DMAc溶液，将溶液加入气压供液装置中并与两根喷嘴连接；2.调节流量均为10μl/min；3.使两根喷嘴正对，调节它们之间的距离为35cm；4.使用直径为6mm的聚四氟乙烯管作为收集装置，放置于两根喷嘴中间并调节为同样高度；5.调节聚四氟乙烯管的转速为1500rpm；6.开启正、负高压电源，分别调节电压为10kV和-10kV，开始收集纺丝。
上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开了使用两种相对的且电压极性相反的喷射装置的基础上，很容易作出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式
所描述的装置和方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。
权利要求
1.一种电纺丝发生和收集的装置，其特征在于该电纺丝发生和收集的装置包括液体供给装置，其向喷射装置提供工作液体；所述液体供给装置可控制所述喷射装置的流量；供给流量为0.01μl/min～5000μl/min；两个喷射装置，连接所述液体供给装置并接收工作液体，并且分别喷射出带有正、负电荷的纤维；所述喷射装置包括喷嘴；其加载电压可分别调节；所述两种相对喷射装置的距离为2cm-60cm；高压电源，分别向两个喷射装置提供正、负极性的加载电压；电压调节范围为2kV～20kV和-2kV～-20kV；收集装置，用来收集所述纤维束，以获得所需纤维；所述收集装置位于与两个喷射装置垂直距离为0-500cm的位置；控制收集装置的表面速度，以获得不同取向程度的纤维结构。
2.如权利要求1所述的电纺丝发生和收集的装置，其特征在于，所述液体供给装置为注射泵或气压控制系统。
3.如权利要求1所述的电纺丝发生和收集的装置，其特征在于，每个喷射装置分别具有1个或多个喷嘴。
4.如权利要求1所述的电纺丝发生和收集的装置，其特征在于，所述喷嘴为玻璃毛细管或针头。
5.如权利要求1所述的电纺丝发生和收集的装置，其特征在于，所述喷嘴上固定有薄平板电极。
6.如权利要求1所述的电纺丝发生和收集的装置，其特征在于，所述收集装置为旋转装置或皮带传动装置。
7.如权利要求1所述的电纺丝发生和收集的装置，其特征在于，所述收集装置的表面采用导电或绝缘材料。
8.一种电纺丝发生和收集的方法，其包括如下步骤1)将电纺丝的工作溶液装入液体供给装置，并将其与两个喷射装置相连；2)调节两个喷射装置的供给流量为0.1μl/min～50μl/min；3)调整使两种喷射装置相对，并调节它们相互之间的距离为2cm-60cm；4)调节收集装置的位置，使其与两个喷嘴的垂直距离为0～500cm；5)调节收集装置的表面速度0.01m/s～50m/s6)分别调节两个喷射装置的加载电压为2kV～20kV和-2kV～-20kV；喷射装置分别喷射出带有正、负电荷的纤维，所述纤维在空中相遇并吸附在一起形成速度急剧降低的纤维束；使用气流或绝缘棒牵引所述纤维束到收集装置表面，开始收集纺丝。
全文摘要
一种电纺丝发生和收集的装置及方法，属于一维纳米材料制备领域，本发明所述装置主要包括喷射装置、液体供给装置、高压电源和收集装置四个部分，利用两根或两组正对的分别连接正、负极性高电压的喷嘴作为喷射系统，喷嘴喷出的带相反电荷的纤维在空中互相吸引、相撞、电中和，成为飞行速度急速降低的纺丝束，收集为高度单向排列的纤维。本发明可以在很大的面积上收集连续的高度单向排列的纳米或微米纤维，能制备出均匀混合的双组分或者多组分纤维结构；可以直接在绝缘表面收集纤维。本发明拓展了传统电纺丝方法的概念，扩大了使用灵活性，特别在收集连续高度单向排列纤维方面提供了一种很有效的手段，赋予了电纺丝纤维更广阔的应用前景。
文档编号D01D5/00GK1766181SQ20051008698
公开日2006年5月3日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者李路明, 潘焕, 胡龙 申请人:清华大学