专利名称：一种形状可控非织造材料的成形方法
技术领域：
本发明涉及一种形状可控非织造材料的成形方法，具体涉及利用双电源共同控制纤维的定向运动以实现非织造材料的定形制备，属于纺织材料加工成形领域。
背景技术：
随着科技的进步和发展，纺织材料已经突破了传统的服用、产业用布等应用领域，尤其是以非织造技术的发展和非织造材料的推广为主要动力，促进了纺织材料的应用拓展，逐渐延伸到生物医用、精细过滤、微电子、生物组织工程等新技术领域。在新技术领域的应用对纺织材料的平面或立体形状以及成形效果提出了更进一步的要求。例如，将纺织材料应用于人造血管，特别是直径小于6mm的血管，传统的管状机织布或针织布在抗血栓性能、顺应性能或材料的刚度、孔隙率等方面已无法满足应用要求，因而较多的采用具有一定表面结构、能满足内皮细胞依附的管状非织造材料，并且要求管状非织造血管内壁光滑，且能做到无缝、无痕接合成形；再如，纺织材料在生物组织支架材料的应用方面也取得了一定的突破，而组织支架作为生物组织生长依附的支撑材料，除了需要有适合于生物组织贴壁、分化的微观结构外，还需要有起到生物组织整体成形作用的宏观三维立体结构。目前，常用的非织造材料成形方法主要有拼接缝合、粘合、层间复合针刺加固以及热压成形等方法。专利“一种管状非织造布复合材料及其制造方法”(公开号CN101280872A)，通过对接缝合的方法将非织造布制成管状结构；专利“用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件的方法”(公开号CN 101232992A)，也是运用缝合的方法，首先将非织造条带按照所需的轮廓进行三维打褶，然后缝制到载体材料上实现三维成形；专利“复合鞋帮及其制造方法”(公开号1342046)，公开了一种模具热压成形的方法，首先将网状织物与热塑性泡沫、热塑性尿烷层压形成复合片料，然后将该复合片料加热，在模具中热压成形，制成整体的、无缝鞋帮。上述专利所公开的非织造材料或纺织复合材料成形方法具有一定的成形效果，但均无法实现由纺丝到材料成品一步成形的目的。此外，专利“三维非织造介质，过滤器和加工方法”(公开号CN 102002820A)，描述了一种具有三维筒状结构的非织造滤芯的连续成形方法，该方法利用旋转式筒状收集器对熔喷纤维进行多层次收集而实现非织造筒状滤芯的连续成形，但该专利所公开的加工方法较为复杂，并且适应面不广。
发明内容
本发明的目的是提供一种形状可控的非织造材料的一步成形方法，该方法简便易行，并且效果显著。一种形状可控非织造材料的成形方法，包括二维平面形状可控以及三维立体形状可控，通过控制空间电场的分布，对带电纤维的运动方向进行控制，实现纤维点对点定向运动，进一步实现纤维点对面或点对立体定形沉积，以达到一步成形目的。具体方法为以静电纺丝技术为基础，以待制备的非织造材料的形状为模板设计接收器，在接收器上接入负高压直流电源，采用正、负双电源共同控制空间电场分布，使得纤维定向地沉积到带有负电压的接收器上，直至布满整个接收器而不至于散落到接收器以外的区域，从而实现非织造材料的定形制备。具体步骤如下
(a)将配制好的高聚物纺丝液或高聚物熔体置于纺丝液供给装置中，并将正高压直流电源连接在喷丝头上；
(b)以待制备的非织造材料的形状为模板，制作相应形状的接收器，按照设定好的纺丝距离固定于喷丝头正前方，并连接负高压直流电源；
(C)设定纺丝溶液或熔体流速参数并开启注射泵；
(d)同时开启正高压直流电源和负高压直流电源，开始静电纺丝，在负高压电源作用下进行纳米纤维定形收集。其中，步骤(b)所述待制备材料的形状可以是二维平面形状，也可以是三维立体结构。步骤(b)所述的负高压直流电源，其电压值的变化范围是(T50kV，加载的电压值根据接收器的面积大小、形状以及接收距离、喷丝头电压而定。加载的负电压值越大，对纤维定向运动的控制作用越强，但负电压值的上限与接收距离以及喷丝头正电压值有关，以不致引起接收器与喷丝头之间空气击穿放电为限度。本发明实现了纤维非织造材料的一步成形，缩短了加工工序，并提高了纤维的利用率，其实现形状可控的定形制备的原因和机理可解释如下
纺丝过程中，强电场使纺丝液发生极化作用而感应带电，在喷丝头处形成纤维射流，并在电场力作用下由高电势点(喷丝头)向低电势点(接收器)运动并沉积于接收器上。在无负电压加载的收集方式下，由于接收器接地而处于零电势点，而接收器周围的区域同样处于零电势点，纤维在向接收器运动的过程中不具有明显的选择性，容易散落在接收器周围。本发明的实施方案为在接收器上接入负电压，使得接收器具有较周围零电势区域更低的电势，因此，纳米纤维的沉积区域会具有明显的选择性，而定向的沉积到具有更低电势的接收器上，不会散落到周围区域中。当接收器设计为特定的形状时，纳米纤维因定向的沉积到异形接收器上而具有与接收器相同形状的沉积面或立体结构，实现了纤维形状可控的收集。由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果
(1)本发明利用正负高压静电共同控制空间电场并控制纤维定向运动，以带负高压电的特定形状的接收器对纤维进行收集，使得形状可控的非织造材料的一步成形得以实现；
(2)负高压静电接收方式的使用，使纤维定向的沉积于接收器上，不至于飞落至接收器以外，提高了纤维的利用率；
(3)形状可控纤维非织造材料一步成形的实现，缩短了后序纤维毛毡的成形加工工序，减少加工成本。
图1为实施例1的效果 图2为实施例2的效果 图3为实施例3的效果图。
具体实施例方式下面结合聚乳酸超细纤维定向沉积及其形状可控非织造材料的制备对本发明的方案作进一步说明，以下实例不构成对本发明的限制。实例I聚乳酸超细纤维定向沉积
(1)将聚乳酸母粒置于熔体电纺装置的料管中，升温至180摄氏度，使聚乳酸熔化，并将正高压直流电源连接到喷丝头上；
(2)将五片直径为2cm的圆形铝箔接收器按图1(A)所示固定于针头前方IOcm处，其中右边一片铝箔接负高压直流电源，前、后、左、中四片铝箔均良好接地；
(3)设定熔体挤出速率为O.5ml/h，并开启熔体挤出单元；
(4)同时开启正、负高压直流电源，并分别设定电压为+15kv和_5kv，开始静电纺丝，以高速摄像机拍摄纤维沉积过程，效果如图1 (B)所示，收集10分钟后，效果如图1 (C)所示。由图1 (B)和图1 (C)可以看出，纤维射流由喷丝孔处形成后，会明显地偏向具有更低电势的接收器运动，而选择性的沉积到接有负电压的接收器上，从而实现纤维运动方向的定向控制。实例2聚丙烯腈纳米纤维定形沉积
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺(DMF)中，配制成质量分数为10%的纺丝液，量取20ml置于注射器内，并装载到微量注射泵上，将正高压直流电源接到针头上；
(2)将铝箔裁剪成五角星形作为接收器固定于喷丝头前方20cm处；
(3)设定溶液注射速率为O.3ml/h,开启注射泵；
(4)将接收器接地，并开启正高压直流电源,设定电压为+20kv，开始静电纺丝，收集Ih后效果如图2 (A)；
(5)将负高压直流电源连接到接收器上，同时开启正、负高压直流电源，分别设定电压为+20kv和-2kv，开始静电纺丝，收集Ih后效果如图2 (B)；
对比图2 (A)和图2 (B)，当单电源控制静电纺丝时，接收器对纤维的收集不具有束缚性，当纤维布满接收器后，由于接收器周围的区域与接收器同样处于零电势点，因而纤维会散落到接收器边缘以外的区域，如图2 (A)所示；当由双电源共同控制静电纺丝时，如图2(B)所示，纤维射流由喷丝孔处形成后会定向地沉积到带有负电压的接收器上，而不至于大面积溢出边缘而散落到周围区域，经过一定时间的收集过程，纤维因布满整个接收器而具有与接收器相同的形状，从而实现纤维定形收集的目的。实例3聚乳酸超细纤维立体成形
(1)将聚乳酸母粒置于熔体电纺装置的料管中，升温至180摄氏度，使聚乳酸熔化，并将正高压直流电源连接到喷丝头上
(2)将铝箔包裹在直径为30mm的陶瓷管上制成简易圆柱体形接收器并固定于喷丝头前方8cm处；
(3)设定熔体挤出速率为O.5ml/h，开启熔体挤出单元；
(4)将负高压直流电源连接到接收器上，同时开启正、负高压直流电源，分别设定电压为+14kv和-4kv,开始静电纺丝，收集IOmin后效果如图3。
权利要求
1.一种形状可控非织造材料的成形方法，采用静电纺丝方法，其特征在于:以所需非织造材料的形状为模板设计接收器，所述接收器上接有负高压直流电源。
2.如权利要求1所述的一种形状可控非织造材料的成形方法，其特征在于:所述的负高压直流电源，其电压值的变化范围是(T50kV，以不致引起接收器与喷丝头之间空气击穿放电为限度。
3.如权利要求1所述的一种形状可控非织造材料的成形方法，其特征在于:所述所需非织造材料的形状是二维平面形状或三维立体形状。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种形状可控非织造材料的成形方法，其特征在于所述静电纺丝方法为: (1)将配制好的纺丝液或熔体置于纺丝液供给装置中，并将正高压直流电源连接在喷丝头上； (2)将接收器按照设定好的纺丝距离固定于喷丝头正前方； (3)设定纺丝溶液或熔体流速参数并开启注射泵； (4 )开启正高压直流电源，开 始静电纺丝。
全文摘要
本发明公布了一种形状可控非织造材料的成形方法，包括二维平面形状可控以及三维立体形状可控，以静电纺丝技术为基础，以待制备的非织造材料的形状为模板设计接收器，在接收器上接入负高压直流电源，采用正、负双电源共同控制空间电场分布，使得纤维定向地沉积到带有负高压的接收器上，直至布满整个接收器而不至于散落到接收器以外的区域，从而实现非织造材料的一步成形制备。
文档编号D04H1/728GK103074738SQ201310004708
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者徐阳, 魏取福, 黄锋林, 杜远之 申请人:江南大学