专利名称：一种制备纳米纤维绞线结构的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于纳米纤维绞线结构或微纳米绳索制备技术领域，特别涉及一种利用离心静电纺丝技术制备纳米纤维绞线结构的装置。
背景技术：
准一维纳米纤维由于直径小、比表面积较大，往往表现出不同于块体和薄膜材料的光、电、磁、力等物理化学性能，具有广泛的应用前景。目前，涉及纳米纤维的制备方法主要有物理/化学气相沉积、模板法、化学自组装法和静电纺丝法等，其中静电纺丝是一种简便易行、可直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法，具有设备和实验成本较低，纤维产率较高，制备出的纤维直径可在几个纳米到几个微米的范围内调控，并且适用于许多不同种类的材料等突出优点。这些优点使静电纺丝纳米纤维在复合材料增强体、 微/纳电子器件、纳米传感器、过滤与分离、生物医学、防护服等诸多领域具有广泛的潜在应用。现有的静电纺丝技术和设备采用高压电源提供高压电，正极接在注射器(纺丝溶液容器)的不锈钢针头(纺丝喷头)上，负极(接地)接在作为收集板的铝箔上，所施加的电压一般在7 30kV之间，针头到收集极的距离(工作距离)一般为8 20cm，实验时， 将纺丝溶液装入注射器内，并加上高电压；由于高压电场的作用，纺丝溶液在针头处形成 “泰勒锥”，当电场力克服表面张力后，“泰勒锥”纺丝溶液形成被极化的纤维射流，朝收集极的方向快速移动；在高压电场中，纤维射流被拉伸细化或发生劈裂，同时溶剂快速挥发， 在收集极板上得到微纳米尺度的纤维，传统静电纺丝得到的纳米纤维是以无纺布形式存在的，纤维排列一般是无序的，这限制了电纺纤维在某些领域的应用。现有的普通电纺纤维的力学性能一般不太理想，为了提高电纺纤维的强度，通常采用在纤维中复合碳纳米管 (PoIymer46 (2005) 12689-12695)、或者增加纤维之间的焊点(Nanoscale2 (2010) 218-221) 等方法；此外，一种比较新的技术思路是将电纺纤维制备成绞线结构，即微纳米绳索；纳米纤维绞线结构具有类似于DNA、肌原蛋白等生物质的螺旋缠绕结构，可以比较显著地提高力学性能，应用于人工肌肉等微机电系统，还可以用于制备绞线结构p-n结电子器件 (J. Appl. Phys. 106 (2009) 014303)。目前用静电纺丝技术制备纳米纤维绞线结构的文献报道不是很多，已有的报道也主要是通过对收集方式的改进，获得多根纤维的螺旋缠绕绞线结构，例如，Paul D. Dalton 等(Polymer46 0005)611-614)利用双环收集一旋转法获得了纳米纤维的绞线结构；Lu-Qi Liu等(Appl. Phys. Lett. 90(2007)083108)利用一种改进的双极收集法制得了纳米纤维绞线结构；此外，通过交变电场(Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 263902)或交流静电纺丝(Adv. Mater. 21 (2009) 349-354)也可以制备绞线结构；然而上述这些方法普遍存在着纺丝电压较高、绞线结构形成之前的搭连纤维束不够有序、绞线结构纳米纤维的数目可控性较差等突出缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有制备纳米纤维绞线结构技术存在的缺点，寻求设计制备一种新型的可对绞线纤维形貌进行修饰并可精确控制绞线纤维数目的装置，将离心静电纺丝技术与绞线结构制取技术结合在一起，充分发挥离心静电纺丝的低电压、纺丝纤维高有序度、以及纤维二维分布等优势，制备绞线结构或伞状结构的纳米纤维。为了实现上述目的，本发明涉及的制备纳米纤维绞线结构的装置，其主体结构包括纺丝喷头、纺丝溶液容器、金属杆、绝缘旋转盘、环形铝箔收集极、金属杆支架、直流无刷电机、高压直流电源、T型支架和调速装置；环形铝箔收集极的中心线处竖直方向置有金属杆，金属杆串过环形铝箔收集极的中心处制有金属杆支架，用以支撑和稳固金属杆，金属杆的底端与直流无刷电机的输出轴对接联动；金属杆的上部垂直于金属杆的轴线置有圆形的绝缘旋转盘，绝缘旋转盘的上侧面上对称于金属杆的中心线置有二个纺丝溶液容器，纺丝溶液容器上连通式制有针口对准环形铝箔收集极的纺丝喷头，纺丝喷头的结构同于注射用的不锈钢针头，而纺丝溶液容器同于注射器针管结构，或选用注射器替代纺丝溶液容器和纺丝喷头；高压直流电源的负极与环形铝箔收集极电连通，正极与两个纺丝喷头电连通，高压直流电源通过调速装置与直流无刷电机电连通；环形铝箔收集极的环周上制有5-15cm 左右缺口便于获得有序度较高的搭连，在缺口边处安装带有T型支架结构的速度可控式直流无刷电机，T型支架在直流无刷电机的带动下旋转，T型支架上垂直于金属杆的横杠上粘有双面胶，在纺丝过程中横杠平行于铝箔平面以接收有序搭连的纤维；纤维的获得以离心静电纺丝法为基础采用低压纺丝；通过离心静电纺丝法获得有序的二维结构的搭连纤维并对搭连纤维进行修饰，采用观察绞线结构伞状部分纤维数目的计数方式统计纤维数目。本发明与现有技术相比具有以下优点一是纺丝纤维数目准确可控，二维分布的纺丝纤维通过绞丝之前的有序搭连或伞状部分在光学显微镜下数出纤维根数；二是绞线结构形貌好，搭连序度较高，电压较低，不会出现毛刺现象，纤维二维分布便于用细棒将不合适的纤维去除，在绞丝过程中，因纺丝搭连宽度相对于长度较小，再加上纤维本身的韧性， 使得搭连棒两侧的纤维不会出现断丝的现象；三是便于测量单根纤维的力学性能，单根纤维所承受拉力极小，现有设备很难直接测量，间接测量的方法又比较复杂，由本装置得到的样品可在不破坏纤维形貌的前提下确定绞线根数，绞线的力学性能确定后，可估算单根纤维的力学性能。
图1为本发明装置的结构原理示意图，图中包括纺丝喷头(不锈钢针头)1、纺丝溶液容器(注射器针管)2、金属杆3、绝缘旋转盘4、环形铝箔收集极5、金属杆支架6、直流无刷电机7、高压直流电源8、纺丝纤维9、T型支架10、纳米纤维绞线结构11、调速装置13和纳米纤维伞状结构12。图2为本发明的环形铝箔收集极的俯视结构原理示意图。图3为本发明的环形铝箔收集极的绞丝俯视结构原理示意图。图4、5、6发明制作的纳米纤维绞线的扫描电镜SEM照片。图7本发明的一根微米绞线的力学性能测量结果。
具体实施例方式
下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步说明。本实施例的主体结构包括纺丝喷头1、纺丝溶液容器2、金属杆3、绝缘旋转盘4、环形铝箔收集极5、金属杆支架6、直流无刷电机7、高压直流电源8、T型支架10和调速装置 13 ；环形铝箔收集极5的中心线处竖直方向置有金属杆3，金属杆3串过环形铝箔收集极5 的中心处制有金属杆支架6，用以支撑和稳固金属杆3，金属杆3的底端与直流无刷电机7 的输出轴对接联动；金属杆3的上部垂直于金属杆3的轴线置有圆形的绝缘旋转盘4，绝缘旋转盘4的上侧面上对称于金属杆3的中心线置有二个纺丝溶液容器2，纺丝溶液容器2上连通式制有针口对准环形铝箔收集极5的纺丝喷头1，纺丝喷头1的结构同于注射用的不锈钢针头，而纺丝溶液容器2同于注射器针管结构，或选用注射器替代纺丝溶液容器2和纺丝喷头1 ；高压直流电源8的负极与环形铝箔收集极5电连通，正极与两个纺丝喷头1电连通，高压直流电源8通过调速装置13与直流无刷电机7电连通。实施例1 制备有序搭连的纤维。如附图1所示，将高压直流电源8的正极接金属杆3，负极接环形铝箔收集极5并接地，调节纺丝溶液容器或注射器针管2在绝缘旋转盘4上的位置，使纺丝喷头1尖端与金属杆3的水平距离为15cm ；调节纺丝喷头1尖端与环形铝箔收集极5的垂直距离为2-3cm， 将纺丝溶液注入纺丝溶液容器(注射器针管)2中；再将高压直流电源8插头插在日用220V 电源上，调节电压控制面板的电压调节旋钮，设定电压为2. 5-5kV，并按下电源开关，使之处于通电状态，此时纺丝喷头1被加上高压，从而极化纺丝溶液；闭合直流无刷电机7电源开关，设定转速为360rpm，此时电机带着金属杆支架6、绝缘旋转盘4和纺丝溶液容器2开始转动；高速旋转产生的离心力场和高压电场使纺丝溶液从纺丝喷头1中流出并形成极化的纤维射流，形成的纤维射流在水平方向会沿绝缘旋转盘4的切线方向运动，最终在环形金属收集极5上收集到有序排列的静电纺丝纳米纤维，其排列方向与绝缘旋转盘4的切线方向平行；纺丝结束，分别关闭直流无刷电机7和高压直流电源8并调节转速和电压调节旋钮，使之归零，拔下各装置电源插头。实施例2 制备纳米纤维绞线结构。如附图2所示，通过离心静电纺丝法在环形铝箔收集极5上形成有序排列的纺丝纤维9，与此同时就会在环形铝箔收集极5的缺口处形成粘附在T型支架10上的有序排列的搭连结构。用细棒将形貌较差的和太靠近T型支架10两端的纤维去除掉，并将T型支架 10和与其较近处的铝箔间的纤维切断，将转速调节装置电压调到最小，打开电机开关，调节转速尽量使电机由慢到快的平稳过渡，5-60分钟后就会形成绞线结构；如附图3所示，用载玻片由下到上将纳米纤维绞线结构11部分以及伞状结构12部分托起，即可得到绞线结构样品。实施例3:本实施例装置中，先将1. 3g聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA) 溶于8. 7g质量比为1 1的N，N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethylformamide, DMF)和四氢呋喃(tetrahydrofuran，THF)混合溶液中，然后再加入0. 026g荧光素，用磁力搅拌器搅拌 2个小时，静止半小时后加入到纺丝溶液容器2中，采用离心静电纺丝法获得有序搭连的荧光纤维，实施过程中给直流无刷电机7通电，让绝缘旋转盘4旋转，转速为360rpm，纺丝喷头 1与环形铝箔收集极5之间的距离为3cm，高压直流电源8的电压为3. 5kV，IOs后断开高压静电发生器的电源8，关闭直流无刷电机7，用细棒将形貌较差的或太靠近T型支架10两端的纤维去除掉，并将T型支架-10和与其较近处的铝箔间的纤维切断，将调速装置13电压调到最小，打开电机开关，调节转速尽量使电机由慢到快的平稳过渡，15s后形成绞线结构， 如附图3所示；用扫描电镜观察，会看到形貌较好的绞线结构，如附图4、5所示，并通过伞状部分可以方便的统计出纤维的根数，本实施例的结构如附图4所示的伞状部分为M根纤维。实施例4 本实施例装置中，先将1. 8g聚苯乙烯(polystyrene，PS)溶于8. 2g THF中，然后再加入0. 06克稀土 Eu配合物(Eu (aspirin) 3phen)，用磁力搅拌器搅拌2小时，静止半小时后加入到纺丝溶液容器2中，采用离心静电纺丝法获得有序搭连的荧光纤维，实施过程中给直流无刷电机7通电，让绝缘旋转盘4旋转，转速为360rpm，纺丝喷头1与环形铝箔收集极5之间的距离为2. 5cm,高压直流电源8的电压为3. OkV, IOs后断开高压直流电源8， 关闭电机7 ；用细棒将形貌较差的或太靠近T型支架10两端的纤维去除掉，并将T型支架 10和与其较近处的铝箔间的纤维切断；将调速装置13的电压调到最小，打开电机开关，调节转速尽量使电机由慢到快的平稳过渡，1 后形成绞线结构，如附图3所示；用扫描电镜观察，会看到形貌较好的绞线结构，并且通过伞状部分可以方便的统计出纤维的根数，如附图6所示为98根聚苯乙烯纤维绞线微米绳索的拉力作用曲线，最大拉力约为0. 55cN，纤维强度约为1. 75cN/tex (绞线直径20 μ m,线密度为3. 14dtex)；计算得单根纤维所承受最大拉力约为5. 6 X IO-5N,单根纤维的强度约为0. 8cN/tex (纤维平均直径约为3 μ m,线密度约为为7X 10_2dtex)，即每平方毫米面积可以承受8N左右的拉力。
权利要求
1. 一种制备纳米纤维绞线结构的装置，主体结构包括纺丝喷头、纺丝溶液容器、金属杆、绝缘旋转盘、环形铝箔收集极、金属杆支架、直流无刷电机、高压直流电源、T型支架和调速装置；其特征在于环形铝箔收集极的中心线处竖直方向置有金属杆，金属杆串过环形铝箔收集极的中心处制有金属杆支架，用以支撑和稳固金属杆，金属杆的底端与直流无刷电机的输出轴对接联动；金属杆的上部垂直于金属杆的轴线置有圆形的绝缘旋转盘，绝缘旋转盘的上侧面上对称于金属杆的中心线置有二个纺丝溶液容器，纺丝溶液容器上连通式制有针口对准环形铝箔收集极的纺丝喷头，纺丝喷头的结构同于注射用的不锈钢针头，而纺丝溶液容器同于注射器针管结构，或选用注射器替代纺丝溶液容器和纺丝喷头；高压直流电源的负极与环形铝箔收集极电连通，正极与两个纺丝喷头电连通，高压直流电源通过调速装置与直流无刷电机电连通；环形铝箔收集极的环周上制有5-15cm缺口便于获得有序度较高的搭连，在缺口边处安装带有T型支架结构的速度可控式直流无刷电机，T型支架在直流无刷电机的带动下旋转，T型支架垂直于金属杆的横杠上粘有双面胶，在纺丝过程中横杠平行于铝箔平面以接收有序搭连的纤维；纤维的获得以离心静电纺丝法为基础采用低压纺丝；通过离心静电纺丝法获得有序的二维结构的搭连纤维并对搭连纤维进行修饰，采用观察绞线结构伞状部分纤维数目的计数方式统计纤维数目。
全文摘要
本发明属于纳米纤维绞线结构或微纳米绳索制备技术领域，特别涉及一种利用离心静电纺丝技术制备纳米纤维绞线结构的装置，环形铝箔收集极的中心线处竖直方向置有金属杆，其串过环形铝箔收集极的中心处制有金属杆支架，用以支撑和稳固金属杆，金属杆的底端与电机的输出轴对接联动；金属杆的上部垂直于金属杆的轴线置有圆形的绝缘旋转盘，绝缘旋转盘的上侧面上对称于金属杆的中心线置有二个纺丝溶液容器，其上连通式制有针口对准环形铝箔收集极的纺丝喷头；其纺丝纤维数目准确可控，绞线结构形貌好，搭连序度较高，电压较低，不会出现毛刺现象，便于测量单根纤维的力学性能。
文档编号D01D13/00GK102212893SQ20111013741
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月14日 优先权日2011年5月14日
发明者刘术亮, 唐成春, 尹红星, 赵南, 赵志立, 龙云泽 申请人:青岛大学