专利名称：具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置及制备方法。
背景技术：
纤维素及其衍生物具有聚合度高、分子取向度好、化学稳定性强和可生物降解等优点，并且由于其在自然界中分布极为广泛，而已被大量应用于国民生活的各个领域，如纺织、卷烟、医药食品等行业。传统的制备纤维素类纤维的方法包括，溶液纺丝、熔融纺丝以及液晶纺丝等，但是通过上述方法制备的纤维素类纤维直径大小最低也只能是几个微米，由于纤维直径大而无法完全满足组织工程、药物缓释等一些特殊应用方面的需求。近年来，静电纺丝技术作为一种可制备直径分布在几百个纳米到几个微米范围内纤维的简单有效的方法，引起了学术界和工业界的广泛关注。该法通过在聚合物溶液中施加外加电场，使带电液体流受电场力拉伸并形成喷射细流，在此过程中细流经相分离、溶剂挥发和固化，最后沉积在收集装置上形成聚合物纤维。迄今为止，通过静电纺丝技术制备的超细纤维膜已经应用在过滤、反应催化剂载体、超疏水材料、组织工程和生物医学等领域。 但现有传统静电纺丝技术具有产率低且难以实现批量化制备的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置及方法，克服现有条件下无法制备小尺寸、高性能纳米纤维素类纤维膜的缺点。为了达到上述目的，本发明提供了一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置，其特征在于，包括可转动的滑台，供液注射泵设于滑台上，当滑台转动时，供液注射泵沿滑台移动，供液注射泵固定连接至少一个喷丝头，喷丝头的前方设有旋转式接收装置，喷丝头和旋转式接收装置皆连接高压电源，滑台和旋转式接收装置的转轴皆连接电动机和速度控制器。优选地，所述的旋转式接收装置为滚筒收集器。更优选地，所述的滚筒收集器的材料为铝箔、铜网、织物或无纺布。优选地，所述的喷丝头的个数为5-20个。本发明还提供了一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，采用上述制备装置，其特征在于，具体步骤为
第一步将纤维素类聚合物用溶剂溶解，得到性质均一的聚合物溶液； 第二步将第一步得到的聚合物溶液以恒定的流速输入到喷丝头上进行静电纺丝，喷射的溶液细流通过电场力拉伸至纳米级，经挥发溶剂后用旋转式接收装置收集，得到具有纳米结构的纤维素类纤维膜。所述第一步中的纤维素类聚合物优选为羟丙基纤维素，羟乙基纤维素，羧甲基纤维素，甲基纤维素，乙基纤维素，乙基氰乙基纤维素，醋酸纤维素，三醋酸纤维素，醋酸丁酸纤维素，纤维素醋酸丙酸酯，纤维素磷酸酯以及纤维素中的一种或二种以上的混合物。
所述第一步中的溶剂优选为多聚甲醛，二甲基亚砜，N, N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，尿素，氢氧化钠，4-甲基吗啉-N-氧化物，丙酮，醋酸，无水乙醇，四氢呋喃，二氯甲烷，二氯乙烷，环己烷，六氟异丙醇以及三氟一醇中的一种或二种以上的混合物。所述第一步中的搅拌速度优选为10_200rpm。所述第二步中的静电纺丝时所用的电压为10-30千伏，溶液输入到每个喷丝头上的速度为0. 5-3毫升/小时。所述第二步中的静电纺丝时的接收距离为10-30厘米。本发明与现有技术相比，优点如下
(1)本发明制得的具有纳米结构的纤维素类纤维膜，具备纤维尺寸小、孔隙率高、比表面积大和纤维均勻性好等优点，而被广泛应用于过滤、防护材料，组织工程和生物医学工程等领域。(2)本发明采用的制备具有纳米结构纤维的静电纺丝技术，具有制造装置简单， 纺丝条件可控，聚合物选择广泛和纺丝成本低廉等优点，通过多喷丝头设计和喷丝头供液的精确调控可有效提高静电纺纤维产率和质量，是纳米纤维材料由实验室走向市场实现批量化制造的重要途径之一。
图1为具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例来具体说明本发明。实施例1
如图1所示，为具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置结构示意图，所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置，包括可转动的滑台4，供液注射泵3设于滑台4上， 当滑台4转动时，供液注射泵3沿滑台4移动，供液注射泵3固定连接喷丝头7，喷丝头7的前方设有旋转式接收装置1 (即滚筒收集器)，喷丝头7和旋转式接收装置1皆连接高压电源2，滑台4和旋转式接收装置1的转轴皆连接电动机6和速度控制器5。使用时，将纺丝溶液通过供液注射泵3输送到喷丝头7，接通高压电源2开始静电纺丝，通过调节滚筒收集器以及滑台的转速来调整纤维素类纤维膜的厚度和孔隙率。实施例2
使用实施例1所述的装置，在室温25°C下，将3g醋酸丁酸纤维素(重均分子量70000g/ mol)加入到盛有7g的醋酸/丙酮(重量比1/3)溶液的密闭容器中，在磁力搅拌机上以转速 50rpm激烈搅拌直至醋酸丁酸纤维素完全溶解，溶液呈无色透明液体，得到质量分数为30% 的醋酸丁酸纤维溶液。在室温25°C的条件下，将配制好的醋酸丁酸纤维素溶液在高电压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为环境相对湿度40%，电压25kV，喷丝头的个数为5个，滚筒收集器以及喷丝头的移动速度分别为50 rpm和5 m/min，溶液输入到每个喷丝头上的速度为2mL/h， 接收距离12cm，纺丝时间30min。滚筒收集器的材料为铜网，纤维平均直径为lOOnm，直径范围为80-130 nm、比表面积为18 m2/g。
实施例3
使用实施例1所述的装置，在室温25。C下，将1. 25g醋酸纤维素(数均分子量30，000) 加入到8. 75g的丙酮/ 二甲基乙酰胺(重量比2/1)溶液中，在磁力搅拌机上以转速70rpm 激烈搅拌直至醋酸纤维素完全溶解，溶液呈无色透明液体，得到质量分数为12. 5%的醋酸丁酸纤维溶液。在室温25°C的条件下，将配制好的醋酸纤维素溶液在高电压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为环境相对湿度40%，电压15kV，喷丝头的个数为20个，滚筒收集器以及喷丝头的移动速度分别为50 rpm和10 m/min，溶液输入到每个喷丝头上的速度为2mL/ h，接收距离10cm。滚筒收集器的材料为铝箔，纤维平均直径为150nm，直径范围为100-180 nm、比表面积为12 m2/go实施例4
使用实施例1所述的装置，在室温25°C下，将1. 5g羟丙基纤维素(重均分子量SOOOOg/ mol)加入到8. 5g的异丙醇溶剂中，在磁力搅拌机上以转速70rpm激烈搅拌直至羟丙基纤维素完全溶解，溶液呈无色透明液体，得到质量分数为15%的羟丙基纤维素溶液。在室温25°C的条件下，将配制好的羟丙基纤维素溶液在高电压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为环境相对湿度40%，电压20kV，喷丝头的个数为10个，滚筒收集器以及喷丝头的移动速度分别为50 rpm和10 m/min，溶液输入到每个喷丝头上的速度为1. 2mL/ h，接收距离15cm。滚筒收集器的材料为铜网，纤维平均直径为90nm，直径范围为70-120 nm、比表面积为20 m2/g。实施例5
使用实施例1所述的装置，在室温25°C下，将1. 5g乙基纤维素加入到13. 5g的四氢呋喃溶剂中，在磁力搅拌机上以转速SOrpm激烈搅拌直至乙基纤维素完全溶解，溶液呈无色透明液体，得到质量分数为10%的乙基纤维素溶液。在室温25°C的条件下，将配制好的乙基纤维素溶液在高电压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为环境相对湿度40%，电压20kV，喷丝头的个数为10个，滚筒收集器以及喷丝头的移动速度分别为50 rpm和10 m/min，溶液输入到每个喷丝头上的速度为2mL/ h，接收距离15cm。滚筒收集器的材料为铝箔，纤维平均直径为200nm，直径范围为150-230 nm、比表面积为8m2/g。实施例6
使用实施例1所述的装置，在室温25°C下，将0. 3g原棕棉纤维纤维素(重均分子量 50000g/mol)加入到24. 7g的氯化锂/ 二甲基乙酰胺混合溶剂中，在磁力搅拌机上以转速 90rpm激烈搅拌直至原棕棉纤维纤维素完全溶解，溶液呈无色透明液体，得到质量分数为 1. 2%的原棕棉纤维纤维素溶液。在室温25°C的条件下，将配制好的原棕棉纤维纤维素溶液在高电压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为环境相对湿度40%，电压25kV，喷丝头的个数为10个，滚筒收集器以及喷丝头的移动速度分别为60 rpm和5 m/min，溶液输入到每个喷丝头上的速度为3mL/ h，接收距离15cm。滚筒收集器的材料为铝箔，纤维平均直径为lOOnm，直径范围为80-120 nm、比表面积为18 m2/go实施例7使用实施例1所述的装置，在室温25°C下，将1.5g乙基氰乙基纤维素(重均分子量 60000g/mol)加入到13. 5g的四氢呋喃溶剂中，在磁力搅拌机上以转速80rpm激烈搅拌直至乙基氰乙基纤维素完全溶解，溶液呈无色透明液体，得到质量分数为10%的乙基氰乙基纤维素溶液。在室温25°C的条件下，将配制好的原棕棉纤维纤维素溶液在高电压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为环境相对湿度40%，电压30kV，喷丝头的个数为10个，滚筒收集器以及喷丝头的移动速度分别为60 rpm和10 m/min，溶液输入到每个喷丝头上的速度为2mL/h，接收距离15cm。滚筒收集器的材料为铝箔，纤维平均直径为200nm，直径范围为 150-230 nm、比表面积为 8 m2/g。对比例
在70°C下，将22g纤维素浆粕(重均分子量80000g/mol)于真空干燥箱中干燥12h，加入到178g离子液体[BMIM]C1 (1—丁基一3—甲基咪唑氯化物)溶剂中，在捏合机中以转速 20rpm激烈搅拌直至纤维素完全溶解，得到质量分数为11%的纤维素溶液。随后在恒定压力下进行干湿法纺丝。具体纺丝条件为纺丝板孔径为0. 145mm,纺丝温度85°C ；压力0. 5MPa ；气隙长度IOcm ；凝固浴为水。由该体系纺制的纤维具有纤维素 II晶型的结构，纤维平均直径为2.5 μ m，直径范围为2-4 μ m，比表面积为0. 5 m2/g。而由本发明方法制得的纤维素纤维，其平均直径仅为200nm，较之湿法纺丝纤维平均直径大幅度减小，达到纳米级纤维。
权利要求
1.一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置，其特征在于，包括可转动的滑台 (4)，供液注射泵(3)设于滑台(4)上，当滑台(4)转动时，供液注射泵(3)沿滑台(4)移动， 供液注射泵(3 )固定连接至少一个喷丝头(7 )，喷丝头(7 )的前方设有旋转式接收装置(1)， 喷丝头(7 )和旋转式接收装置(1)皆连接高压电源(2 )，滑台(4 )和旋转式接收装置(1)的转轴皆连接电动机(6 )和速度控制器(5 )。
2.如权利要求1所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置，其特征在于，所述的旋转式接收装置(1)为滚筒收集器。
3.如权利要求2所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置，其特征在于，所述的滚筒收集器的材料为铝箔、铜网、织物或无纺布。
4.如权利要求1所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置，其特征在于，所述的喷丝头(7)的个数为5-20个。
5.一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的制备装置，具体步骤为第一步将纤维素类聚合物用溶剂溶解，得到性质均一的聚合物溶液；第二步将第一步得到的聚合物溶液以恒定的流速输入到喷丝头(7)上进行静电纺丝，喷射的溶液细流通过电场力拉伸至纳米级，经挥发溶剂后用旋转式接收装置(1)收集， 得到具有纳米结构的纤维素类纤维膜。
6.如权利要求5所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，其特征在于，所述第一步中的纤维素类聚合物为羟丙基纤维素，羟乙基纤维素，羧甲基纤维素，甲基纤维素，乙基纤维素，乙基氰乙基纤维素，醋酸纤维素，三醋酸纤维素，醋酸丁酸纤维素，纤维素醋酸丙酸酯，纤维素磷酸酯以及纤维素中的一种或二种以上的混合物。
7.如权利要求5所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，其特征在于，所述第一步中的溶剂为多聚甲醛，二甲基亚砜，N, N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，尿素，氢氧化钠，4-甲基吗啉-N-氧化物，丙酮，醋酸，无水乙醇，四氢呋喃，二氯甲烷，二氯乙烷，环己烷，六氟异丙醇以及三氟一醇中的一种或二种以上的混合物。
8.如权利要求5所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，其特征在于，所述第一步中的搅拌速度为10-200rpm。
9.如权利要求5所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，其特征在于，所述第二步中的静电纺丝时所用的电压为10-30千伏，溶液输入到每个喷丝头上的速度为 0. 5-3毫升/小时。
10.如权利要求5所述的具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备方法，其特征在于，所述第二步中的静电纺丝时的接收距离为10-30厘米。
全文摘要
本发明涉及一种具有纳米结构的纤维素类纤维膜的制备装置及方法。所述的装置包括可转动的滑台，供液注射泵设于滑台上，当滑台转动时，供液注射泵沿滑台移动，供液注射泵固定连接至少一个喷丝头，喷丝头的前方设有旋转式接收装置，喷丝头和旋转式接收装置皆连接高压电源，滑台和旋转式接收装置的转轴皆连接电动机和速度控制器。所述的方法为将纤维素类聚合物用溶剂溶解，得到性质均一的聚合物溶液；将聚合物溶液以恒定的流速输入到喷丝头上进行静电纺丝，得到具有纳米结构的纤维素类纤维膜。本发明制得的具有纳米结构的纤维素类纤维膜，具备纤维尺寸小、孔隙率高、比表面积大和纤维均匀性好等优点。
文档编号D04H1/72GK102277689SQ201110205230
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
发明者丁彬, 俞建勇, 胡娟平, 赵帆 申请人:东华大学