专利名称：一种框架收集式纳米纤维绞线结构静电纺丝装置的制作方法
技术领域：
本发明属于静电纺丝制备微纳米纤维技术领域，涉及一种以框架收集式纳米纤维绞线结构静电纺丝装置。
背景技术：
静电纺丝也称为聚合物喷射静电拉伸纺丝，与传统纺丝方法截然不同，是一种简便易行、可直接从聚合物及复合材料的溶液或熔体制备连续纳米纤维的方法，这些方法将聚合物溶液或熔体带上几千至几万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在纺丝喷头形成“Taylor”锥，当电场力足够大，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流，当带电射流从纺丝喷头末端向收集极运动时，都会出现加速现象，从而导致射流在电场中的拉伸细化或劈裂细化，形成微纳米纤维；射流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在收集极上，一般形成纤维无序排列的无纺布或纤维毡。静电纺丝法具有一些突出的优点，例如设备和实验成本较低，纤维产率较高，可以大规模生产连续的纤维，制备出的纤维直径在几个纳米到几个微米的范围内、适用于许多不同种类有机和无机材料，这些优点使静电纺丝纳米纤维在电子器件、光学器件、生物医用、服装纺织、能源环保等诸多民用和军事领域具有广泛的应用前景。传统的静电纺丝装置采用静止的金属板/片或导体收集纳米纤维，其微观结构是无序排列的无纺布或纤维毡，这限制了电纺纤维在某些方面的应用，例如光学偏振器件(“基于定向纤维的散射型偏振片及其制备方法”，中国专利申请号200810018826. 5)。 为了制备有序排列的电纺纤维，可以改进收集方式或者纺丝方式，例如，文献和专利中已经报道的方法有旋转圆筒(中国专利申请号=200720067712. 0,200620043779. 6, 200610125960. 6 和 200810070364. 1)或圆盘(申请号200820232745. 0)收集、狭缝收集(Nano Letters, 2003, 3 (8) :1167-71 ；申请号200810102096. 7)、台阶收集(Chinese Physics Letters,2008,25(8) :3067-70)、辅助外电场(Polymer,2007,48 :5653-61 ； 申请号:200920210248. 5)或磁场(Advanced Materials, 2007,19 :3702-06 ；申请号 200910206274.5)收集、框架收集(Composites Science and Technology,2003,63 2223-53 ;Biomaterials，2005，26 :1453-56)、以及近场静电纺丝(Sensors and Actuators A,2010,164 :131-136)和离心静电纺丝(中国专利申请号=201010184068. 1)等。除了有序排列的电纺纤维，螺旋缠绕结构的电纺纤维(绞线结构，或微纳米绳索)在人工肌肉、p-n结电子器件(Journal of Applied Physics, 2009,106 :014303)等方面有潜在应用。目前国内外关于电纺纳米纤维绞线结构的报道不多，主要是通过双环收集-旋转法(Polymer，2005， 46 :611-14)、改进的双极收集法(Applied Physics Letters，2007，90 :083108 ；中国专利申请号:200910084009. 4)，或通过交变电场(Applied Physics Letters，2007，90 :263902) 和交流静电纺丝(Advanced Materials, 2009, 21 :349-54)进行制备。然而，已报道的这些方法存在着缺点。例如，一种方法/装置只能制备有序排列的纤维或者绞线结构，不能两者兼顾；某些方法制备的纤维的有序排列程度不够高，制备的纳米纤维绞线结构可控性较差，表面形貌不好，产率比较低，不利于工业化生产，或者是实验条件比较苛刻等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有静电纺丝制备技术中存在的不足，寻求设计提出一种先制备有序排列程度高的纳米纤维，再制备成绞线结构的框架收集式静电纺丝装置，该装置可以同时制备有序排列的纳米纤维和绞线结构，而且纤维有序排列的程度比传统框架收集式静电纺丝的效果有明显提高；制备的纳米纤维绞线结构表面干净光滑，没有毛刺，构成绞线的纤维数目可控。为了实现上述目的，本发明涉及的静电纺丝装置采用框架式收集结构，由收集有序纤维和制备绞线结构两个功能部分组成；包括纺丝溶液容器或注射器针管、纺丝喷头或注射器针头、电动机、转轴、塑料夹、金属矩形框架、半矩形框架、细塑料管、金属圆筒、高压电源、支架和连接杆；带纺丝喷头的注射器固定在静电纺丝装置上面，纺丝喷头与高压电源的正极相连；金属矩形框置于纺丝喷头正下方，其一边中点与塑料夹相连，并固定在电动机的转轴上，对应一边的中点制有一个圆环，绕金属圆筒转动，金属圆筒固定在支架上，并与高压电源的负极相连且接地；金属矩形框内部置有一个半矩形框，半矩形框两长边上各套制一个细塑料管，半矩形框短边中点插入金属圆筒中，电动机转动带动金属矩形框转动，而不会带动半矩形框转动，构成有序纳米纤维的框架收集式结构；左右两边竖向置有两个支架，其中左边一个支架固定制有电动机，电动机上连有转轴和一个塑料夹，右边的一个支架上固定连接杆和一个塑料夹，右边的支架上的连接杆和塑料夹为活动式可拆装结构，以便于固定安装金属圆筒；半矩形框的两个半长边上的细塑料管为拉出式结构套插在半矩形框的两个半长边长，形成有序纳米纤维后，拉出两个细塑料管分别插装于两个支架的塑料夹中，构成制备纳米纤维绞线结构的装置结构。本发明与现有技术相比，一是可以同时制备有序排列纤维和绞线结构，纤维有序排列程度高，绞线结构形貌好；二是构成绞线的纤维数目可控，在制备纤维数较多的绞线结构时，节约时间，提高生产效率；三是为了控制微纳米绞线形貌，在进行绞线前对有序纤维进行人工挑选；四是本发明具有设备简单、易操作、重复性好和便于推广等优点，可用于制备光学器件、电子器件，以及用于微机电系统的微纳米绳索/人工肌肉等。
图1为本发明装置的结构原理示意图，其中包括纺丝溶液容器(注射器针管)1、纺丝喷头(注射器针头)2、框架收集的有序排列的纤维3、电动机4、转轴5、塑料夹6、金属矩形框架7、半矩形框架8、细塑料管9、金属圆筒10、高压电源11、支架12、连接杆13和纳米纤维绞线结构14。图2为本发明装置制备绞线结构时的部分结构原理示意图。图3为框架收集制备的有序排列纤维的光学照片。图4为框架收集制备的有序排列纤维的扫描电镜SEM照片。图5为本发明制备的纳米纤维绞线结构的扫描电镜SEM照片。
具体实施例方式
下面结合附图并通过实施例做进一步说明。本实施例涉及的静电纺丝装置采用框架式收集结构，由收集有序纤维和制备绞线结构两个功能部分组成；包括纺丝溶液容器(注射器针管)1、纺丝喷头(注射器针头)2、电动机4、转轴5、塑料夹6、金属矩形框架7、半矩形框架8、细塑料管9、金属圆筒10、高压电源11、支架12和连接杆13 ；带纺丝喷头2的注射器1固定在收集装置上面适当距离，纺丝喷头2与高压电源11的正极相连；金属矩形框7置于纺丝喷头2正下方，其一边中点与塑料夹6相连，并固定在电动机4的转轴5上，对应一边的中点制有一个圆环，绕金属圆筒10 转动，金属圆筒10固定在支架12上，并与高压电源11的负极相连且接地；金属矩形框7内部置有一个半矩形框8，半矩形框8两长边上各套一个细塑料管9，半矩形框8短边中点插入金属圆筒10中，电动机4转动带动金属矩形框7转动，而不会带动半矩形框8转动，构成有序纳米纤维的框架收集式结构；左右两边竖向置有两个支架12，其中左边一个支架12固定制有电动机4，电动机4上连有转轴5和一个塑料夹6，右边的一个支架12上固定连接杆 13和一个塑料夹6，右边的支架12上的连接杆13和塑料夹6为活动式可拆装结构，以便于固定安装金属圆筒10 ；半矩形框8的两个半长边上的细塑料管9为拉出式结构套插在半矩形框8的两个半长边长，形成有序纳米纤维后，拉出两个细塑料管9分别插装于两个支架12 的塑料夹6中，构成制备纳米纤维绞线结构的装置结构。实施例1 制备有序排列纤维和微纳米绞线结构的实例。本实施例所选取的纺丝溶液为质量百分比为20%的聚苯乙烯(PQ溶液；先将 2. Og PS (分子量为250000)颗粒和8. Og四氢呋喃(THF)加入锥形瓶中并加入磁子，室温下磁力搅拌4h，然后静置0. 5h，即可得均勻透明的20 %的PS静电纺丝前躯体溶液；将高压电源11的正极接纺丝喷头2，负极接金属圆筒10并接地；调节纺丝喷头2与金属矩形框 7垂直放置时顶端距离为8厘米，半矩形框8水平放置，将纺丝溶液用滴管滴加到注射器1 中；打开电动机4开关并调节转速，设定为600rpm，使其带动金属矩形框7转动，将高压电源11插头插在220V电源上，调节高压电源11及电压控制面板的电压调节旋钮，设定电压为20kV，并按下电源开关，使之处于打开状态，此时纺丝喷头2被加上高压，从而极化纺丝溶液形成纤维射流，生成的纤维沉积在金属矩形框7上，并随之转动然后缠绕在半矩形框8 的细塑料管9上，最终在半矩形框9上收集到了有序排列的静电纺丝纳米纤维3，其排列方向垂直于半矩形框8上的细塑料管9，如附图3所示；纺丝结束，分别按下电压控制面板的电源开关及电动机开关，使之处于关闭状态；并调节电压和转速调节旋钮，使之归零，拔下高压电源11插头。本实施例用于制备纳米绞线结构或微纳米绳索时，将半矩形框8及有平行纤维搭连的细塑料管9 一起取下，调节两个支架12的间距，把两个塑料管9分别夹在两塑料夹6 上，取下半矩形框8，打开电动机4开关，缓慢增大转速，电动机4带动一个细塑料管9转动， 使搭连在两细塑料管9间的平行纤维3绞在一起，待5 10秒，即得到绞线结构14，关闭电动机4并转速调节旋钮使之归零，用此方法得到的微纳米绞线形貌均勻。
权利要求
1. 一种框架收集式纳米纤维绞线结构静电纺丝装置，其特征在于采用框架式收集结构，由收集有序纤维和制备绞线结构两个功能部分组成；包括纺丝溶液容器或注射器针管、 纺丝喷头或注射器针头、电动机、转轴、塑料夹、金属矩形框架、半矩形框架、细塑料管、金属圆筒、高压电源、支架和连接杆；带纺丝喷头的注射器固定在静电纺丝装置上面，纺丝喷头与高压电源的正极相连；金属矩形框置于纺丝喷头正下方，其一边中点与塑料夹相连，并固定在电动机的转轴上，对应一边的中点制有一个圆环，绕金属圆筒转动，金属圆筒固定在支架上，并与高压电源的负极相连且接地；金属矩形框内部置有一个半矩形框，半矩形框两长边上各套制一个细塑料管，半矩形框短边中点插入金属圆筒中，电动机转动带动金属矩形框转动，而不会带动半矩形框转动，构成有序纳米纤维的框架收集式结构；左右两边竖向置有两个支架，其中左边一个支架固定制有电动机，电动机上连有转轴和一个塑料夹，右边的一个支架上固定连接杆和一个塑料夹，右边的支架上的连接杆和塑料夹为活动式可拆装结构，以便于固定安装金属圆筒；半矩形框的两个半长边上的细塑料管为拉出式结构套插在半矩形框的两个半长边长，形成有序纳米纤维后，拉出两个细塑料管分别插装于两个支架的塑料夹中，构成制备纳米纤维绞线结构的装置结构。
全文摘要
本发明属于静电纺丝制备微纳米纤维技术领域，涉及一种框架收集式纳米纤维绞线结构静电纺丝装置，带纺丝喷头的注射器固定在装置上面，纺丝喷头与高压电源的正极相连；金属矩形框置于纺丝喷头正下方，其一边中点与塑料夹相连，并固定在电动机的转轴上，金属圆筒固定在支架上与电源负极相连且接地；金属矩形框内部置有一个半矩形框，其两长边上各套一个细塑料管，半矩形框短边中点插入金属圆筒中，左边支架固定制有电动机，电动机上连有转轴和一个塑料夹，右边支架上固定连接杆和一个塑料夹，其结构简单、易操作、重复性好，便于推广，用于制备光学器件、电子器件及微机电系统的微纳米绳索等。
文档编号D01D13/00GK102212894SQ201110137420
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
发明者尹红星, 张志华, 邵峰, 郑杰, 韩维华, 龙云泽 申请人:青岛大学