专利名称：静电纺纳米纤维纱线的制备方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种纱线的制备方法和装置，更具体地说，是涉及一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法和装置。
背景技术：
近几年来，由于纳米技术以及纳米材料研究的迅速升温，发展了许多制备纳米纤维的方法，如模板聚合、自组装、界面聚合、固相机械化学合成和静电纺等。模板聚合法是以纳米多孔膜为模板来制备纳米纤维或纳米中空纤维的方法。这种方法可以适用于不同的原料，如金属、导电聚合物、碳纳米管和半导体等，但是不能制备连续的纳米长纤维。自组装法主要是将低碳纳米材料通过自组装获得各种超结构的方法。采用这种方法可以合成有机或无机纳米材料、纳米多孔材料、纳米微粒、纳米丝甚至纳米管等，但是其产量较小。界面聚合法是采用有机相和水相界面发生聚合反应的方法，该法的合成和净化过程都较为简单，但是只适用于部分双亲性物质的反应中，应用范围具有一定的局限性。固相机械化学合成法是固相反应物混合并持续研磨的过程中发生反应的方法。这种方法操作简单、环保，所得产物性能良好而且容易分散，但是只有当反应物和氧化剂都是固相的，才能使用。相比于其他方法而言，静电纺则具有装置简单，纤维尺寸可控等特点，是目前唯一能够直接连续制备纳米纤维的方法，因此静电纺纳米纤维成为目前国际上的研究热点。静电纺的基本原理传统的静电纺装置一般由高压发生器3，喷丝头2和接收装置 4三个部分组成，如图1所示。将聚合物溶液注入注射器中，给溶液加上高压静电，刚开始时在喷丝头末端的带电液滴在电场中所受的电场力与聚合物溶液的表面张力处于平衡，液滴在喷丝头末端处于稳定状态，而随着电压的加大，液滴被逐渐拉长形成锥体(即Taylor锥)。 当电场增加到一临界值时，电荷斥力大于表面张力，射流从Taylor锥表面喷出。射流从泰勒锥喷出后先经过一个沿直线运动的稳定段，然后在某一点射流发生弯曲，形成螺旋状“鞭动”，从射流发生弯曲开始到射流不再变细为止为不稳定段，射流运动过程中溶剂挥发、固化，形成的纤维以无序排列的形式固化在接收装置上，最终在接收装置上得到纤维膜(网或者毡)。静电纺的影响因素主要包括溶液性质，过程条件和环境因素三个方面。其中溶液性质包括黏度、浓度、相对分子质量分布、弹性传导率、介电常数、表面张力等；过程条件则主要包括纺丝电压、溶液的流率、喷丝头与接收装置之间的距离、喷丝头直径等；而环境因素为温度、湿度、气体流速等。对于以上因素对静电纺的影响这一方面，国内外很多学者进行了系统的研究。高聚物分子链中原子均以共价键相结合，内部一般无自由电子和离子，大多数是很好的绝缘材料。烃类高聚物，如聚乙烯、聚苯乙烯等，绝缘性能好，且不受频率变化的影响。但高聚物溶液中由于溶剂的存在，溶液中存在少量的离子，在一定电压下，离子作定向运动，因而具有一定的导电性。在外加电场中，带正电荷的离子会向阴极运动，而带负电荷的离子会向阳极运动，这样就会导致溶液中的一定区域出现多余的电荷，也就是该区域带电。静电纺溶液的导电性对不稳定射流的运动状态影响非常大。盐的加入能够很大程度地提高溶液的导电性，加入盐后，静电纺溶液的电荷密度升高，所得纳米纤维的平均直径变细，纳米纤维的直径分布范围变窄。在传统的静电纺装置(如图1所示)中，接收装置一般为静止的平板，由于泰勒锥喷出的鞭动射流的运动存在随机性和不稳定性，接收装置上沉积的纤维随机排列并发生应力松弛，在接收装置上得到纤维膜(网或者毡)。静电纺纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、吸附性能好等优点，被广泛应用于生物医学(如人造血管、组织工程支架、伤口包扎、手术缝合线等)、光催化、过滤、传感器等领域。由于采用传统的静电纺装置制得的纤维是以无序状排列的，在微电子和光子的设备制造，生物工程等领域的使用受到了一定的限制，因此制取具有一定取向排列的静电纺纳米纤维或纤维束成为了当前研究的焦点。
发明内容
为了得到纳米纤维纱线，本发明的目的在于提供发明一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法和装置。本发明解决技术问题采用的技术方案是 一、一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法
在高聚物溶液中加入了电解质形成静电纺溶液，其中高聚物与电解质质量比为200:1， 溶液流率为0. 005ml/min 0. 02ml/min，喷丝口加6kV 30kV电压，对漏斗式接收装置进行抽气，抽气速率为100 500L/min，以接收纳米纤维并使纳米纤维取向排列、加捻形成纳米纤维纱线。所述的静电纺溶液中的高聚物为聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氨酯。
所述的电解质为无机盐、导电性单质或有机类电解质。二、一种静电纺纳米纤维纱线的制备装置
包括喷丝头、高压发生器和接收装置；所述的接收装置为漏斗式接收装置，它由圆锥形收缩管和圆柱形管连接而成，圆锥形收缩管的大端朝向内装有静电纺溶液的喷丝头，圆柱形管底部具有开口，圆柱形管底部开口处接真空泵，在漏斗式接收装置中形成由漏斗入口向圆柱形管开口运动的气流。所述的圆锥形收缩管和圆柱形管材料均为金属或内表面贴有导电材料的非金属管。本发明具有的有益效果是
在高聚物溶液中加入无机或有机的添加剂，能改善溶液的导电性和可纺性，同时赋予纤维膜一定的功能。与其它无机盐相比，氯化锂对静电纺溶液的电导率影响程度最显著。本发明中在高聚物溶液中添加氯化锂盐，使用漏斗式接收装置发现，氯化锂盐不仅可以改变纤维的直径，也可以使纤维发生集聚。漏斗式接收装置的主要设计思路是将传统纺纱工艺中的涡流纺纱与静电纺相结合，设计出一种新型的用来制备静电纺纳米纤维纱的纺丝装置，并对该装置进行抽真空。也就是说，当射流从喷丝头喷出后，进入漏斗式接收装置的范围，不稳定的鞭动射流将受到气流场的作用不再向周围扩散，纤维被加捻，最后以纱线的形式被接收。
本发明的圆柱形管道底部具有开口，并在开口处用真空泵对整个漏斗式接收装置进行抽真空，使得气流从漏斗口进入后由开口处抽出，从而在整个接收装置中形成由漏斗口向开口运动的气流，该气流具有如下三方面作用1)使原本由射流鞭动随意沉积的纤维从漏斗口进入、集聚并取向排列；2)对取向排列的纤维进行进一步牵伸并带动纤维向前运动；3)气流场对纤维进一步集聚且加捻，最终形成纳米纤维纱。整个漏斗式接收装置的头端采用圆锥形的收缩管，主要是利用收缩管截面面积的逐渐收缩产生收缩气流，气流的速度分布逐渐增大，纤维因加速运动而伸直取向排列。射流进入接收装置后，由于气流速度的逐渐收缩，对射流的集聚作用随之逐渐加大，使得射流能够更好的全部进入后面的圆柱形管道，最后在圆柱形管道中集聚成纤维束甚至由于气流的旋转得到一定的捻度，形成纱线。总之，本发明制备简单，操作方便，用该发明制备的纳米纤维纱线可用于电子和生物工程等领域。
图1是传统静电纺装置示意图。图2是本发明静电纺装置示意图。图3是未添加(左图)和添加(右图)氯化锂的静电纺纳米纤维电镜照片。图4是纳米纤维形成纱线的过程图。图5是溶液流速为0. 005ml/min时所得到纳米纤维纱线的电镜照片。图6是溶液流速为0. 0075ml/min时所得到纳米纤维纱线的电镜照片。图7是溶液流速为0. Olml/min时所得到纳米纤维纱线的电镜照片。图中1、静电纺溶液，2、喷丝头，3、高压发生器，4、平板接收装置，5、漏斗式接收装置。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图2所示，本发明包括喷丝头2、高压发生器3和接收装置；其特征在于所述的接收装置为漏斗式接收装置5，它由圆锥形收缩管和圆柱形管连接而成，圆锥形收缩管的大端朝向内装有静电纺溶液1的喷丝头2，圆柱形管底部具有开口，圆柱形管底部开口处接真空泵，在漏斗式接收装置5中形成由漏斗入口向圆柱形管开口运动的气流。所述的圆锥形收缩管和圆柱形管材料均为金属或内表面贴有导电材料的非金属管。所述的漏斗入口截面直径为3. 5cm,出口截面的直径为2. 5cm，漏斗深3cm，圆柱形管道的直径为2. 5cm，长10. 5cm。如图3所示，是未添加(左图)和添加(右图)氯化锂的静电纺纳米纤维电镜照片。实施例1
各静电纺参数设置如下
(1)静电纺溶液为聚丙烯腈溶液，溶液的质量分数为12%;
(2)从喷丝头到接收装置之间的纺丝距离为3cm；
(3)纺丝电压为12kV；(4)静电纺溶液流率为0.005ml/min ；
(5)氯化锂的质量含量为0.6% ；
(6)真空泵的抽气速率为360L/min；
纳米纤维形成纱线的各个阶段如图4所示。其中b，c，d分别为体式显微镜所拍摄的照片，放大倍数为300倍。采用该装置在得到纳米纤维纱线的过程中，纤维的形态分成了三个阶段，依次为纤维取向排列，中间的过渡区，后端的纳米纤维纱线。纱线中纳米纤维形态如图5所示。纤维基本均沿纱线轴向排列，其中有少数纤维发生相互间纠缠。实施例2
各静电纺参数设置如下
(1)静电纺溶液流率为0. 0075ml/min ；
其它静电纺参数同上。得到的纳米纤维纱线同图4，纱线中纤维形态如图6所示。纱线中仍然有纤维纠缠，但纠缠纤维数量减少，纤维沿纱线轴线排列的伸直度提高。实施例3
各静电纺参数设置如下
(1)静电纺溶液流率为0. Olml/min ；
其它静电纺参数同上。得到的纳米纤维纱线同图4，纱线中纤维形态如图7所示。喷丝头中溶液流速增高，纤维发生拥挤而产生弯曲，纤维沿纱线轴线排列的伸直度减弱。
权利要求
1.一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于在高聚物溶液中加入了电解质形成静电纺溶液，其中高聚物与电解质质量比为200:1，溶液流率为0. 005ml/min 0. 02ml/min,喷丝口加6kV 30kV电压，对漏斗式接收装置进行抽气，抽气速率为100 500L/min，以接收纳米纤维并使纳米纤维取向排列、加捻形成纳米纤维纱线。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于所述的静电纺溶液中的高聚物为聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于所述的电解质为无机盐、导电性单质或有机类电解质。
4.一种根据权利要求1所述方法的静电纺纳米纤维纱线的制备装置，包括喷丝头(2)、 高压发生器(3)和接收装置；其特征在于所述的接收装置为漏斗式接收装置(5)，它由圆锥形收缩管和圆柱形管连接而成，圆锥形收缩管的大端朝向内装有静电纺溶液(1)的喷丝头(2)，圆柱形管底部具有开口，圆柱形管底部开口处接真空泵，在漏斗式接收装置(5)中形成由漏斗入口向圆柱形管开口运动的气流。
5.根据权利要求4所述的一种静电纺纳米纤维纱线的制备装置，其特征在于所述的圆锥形收缩管和圆柱形管材料均为金属或内表面贴有导电材料的非金属管。
全文摘要
本发明公开了一种静电纺纳米纤维纱线的制备方法和装置。包括喷丝头、高压发生器和接收装置；所述的接收装置为漏斗式接收装置，它由圆锥形收缩管和圆柱形管连接而成，圆锥形收缩管的大端朝向内装有静电纺溶液的喷丝头，圆柱形管底部具有开口，开口处接真空泵，在漏斗式接收装置中形成由漏斗入口向圆柱形管开口运动的气流。本发明在静电纺所用的高聚物溶液中加入电解质，以增加纤维的集聚效果；同时采用漏斗型管道作为静电纺纳米纤维的接收装置，并对漏斗后端的圆柱形管道切向抽真空，形成一定的气流场，从而对纤维进行集聚，形成由纳米纤维组成的纱线。该发明装置制备简单，操作方便，制备的纳米纤维纱线可用于电子和生物工程等领域。
文档编号D02G3/00GK102277668SQ20111020502
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者李妮, 熊杰, 薛花 申请人:浙江理工大学