定向排列电纺纳米纤维的制备方法和静电纺丝装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种定向排列电纺纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：将金属收集薄片进行折叠，然后清洗，放入干燥箱中备用；制备高聚物溶液作为电纺溶液；将制备的电纺溶液注入静电纺丝装置中；将制备的折叠的金属收集薄片作为收集板，开启静电纺丝装置，在电压为10-20KV的在外加电场作用下，并在收集距离10-30厘米的条件下，在金属收集薄片上收集定向排列的电纺纳米纤维，并通过调整金属收集薄片的方向得到所需形状的纳米纤维。本发明还提供一种静电纺丝装置。本发明采用折叠金属收集薄片法进行材料制备，即将收集装置--金属薄片进行如扇面一样的折叠，然后作为收集板收集纳米纤维，得到定向排列的电纺纳米纤维。
【专利说明】定向排列电纺纳米纤维的制备方法和静电纺丝装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纺丝加工的工艺及设备，特别是涉及一种制备超精细纤维的加工方法和装置，应用于纺织、生物医用材料、过滤及防护、催化、食品工程、化妆品等领域。
【背景技术】
[0002]静电纺丝技术就是在高压电场下获得纳米纤维的一种技术。始于上世纪30年代，兴起于上世纪90年代。由于其制备工艺简单，成本低廉等特点越来越受到研究人员的重视。最初主要应用于纺织领域的生产和研究。随着研究的进展，静电纺丝技术又被引入到功能材料的制备中，如场效应二极管等材料等。近几年，其在无机材料制备方面的应用，由于无机电纺纳米纤维在在光、热、电、理学和化学等方面的特性及广泛的应用前景逐渐受到研究者的青睐，如MgO，NiO, ZnO以及碳纳米管电纺纤维都成为主要研究对象。此外，在生物医学方面的应用，尤其是作为细胞组织等的支架材料，也成为静电纺丝技术的研究热点之一 O
[0003]在生物医学材料和无机功能纳米纤维的应用中，对纤维的结构和形貌都有严格的要求，尤其是纤维排列方向。定向排列的电纺纳米纤维更切合其在生物医学和功能器件中的应用要求。
[0004]在纺织领域，为了获得定向排列的纤维束，较早展开了对定向排列电纺纳米纤维的研究。采用高速旋转的收集装置、利用铝制锥形盘、三角形旋转框架、铜线框制成的旋转鼓、平行电极等都可以获得不同程度定向排列的电纺纳米纤维。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种定向排列电纺纳米纤维的制备方法和静电纺丝装置，采用折叠金属收集薄片法进行材料制备，即将收集装置一金属薄片进行如扇面一样的折叠，然后作为收集板收集纳米纤维，得到定向排列的电纺纳米纤维。
[0006]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
a.将金属收集薄片进行折叠，然后清洗，放入干燥箱中备用；折叠制备的金属收集薄片的断面优选为成锯齿状；采用的金属收集薄片优选为铝箔或铜箔；
b.制备高聚物溶液作为电纺溶液；
c.将在上述步骤b中制备的电纺溶液注入静电纺丝装置中；
d.将在上述步骤a中制备的折叠的金属收集薄片作为收集板，开启静电纺丝装置，在电压为10-20KV的在外加电场作用下，并在收集距离10-30厘米的条件下，在金属收集薄片上收集定向排列的电纺纳米纤维，并通过调整金属收集薄片的方向得到所需形状的纳米纤维；调整金属收集薄片的方向优选采用改变金属收集薄片的放置角度来实现。
[0007]作为上述本发明技术方案进一步优选的技术方案，在上述折叠的金属收集薄片上收集到的定向排列电纺纳米纤维为直线型、十字型的、米字型或者放射状。
[0008]作为上述本发明技术方案进一步优选的技术方案，在上述步骤b中，所制备的高聚物溶液为单一高分子聚合物溶液、不同高聚物的混合溶液或高聚物与无机物的混合溶液。
[0009]本发明还提供一种实施定向排列电纺纳米纤维的制备方法的静电纺丝装置，包括高压电源、毛细管喷射装置和收集器，收集器接地，将电纺溶液注入毛细管喷射装置中，通过控制高压电源，在毛细管喷射装置和收集器之间的纳米纤维生成和收集空间内施加电场作用，使毛细管喷射装置的喷嘴处的电纺溶液液滴由球状被拉长为锥状，形成泰勒锥，当电场强度增加至设定的临界值时，从泰勒锥中喷射形成溶液射流，溶液射流在电场作用下被进一步迅速拉细形成铺展的电纺丝，收集器由金属薄片折叠形成金属收集薄片载体，通过方向控制装置变换金属薄片的位置和方向，来调节收集器相对于溶液射流的位置和角度，使收集距离保持在10-30厘米之间，在电压为10-20KV的在外加电场作用下，在邻近收集器的空间区域形成有规则的静电纺丝电场分布，引导从泰勒锥喷出的直径为纳米级的铺展的电纺丝，以设定的方向有规则地定向排列散落在收集器的上凸起处和凹槽处，从而在收集器得到所需形状的纳米纤维。
[0010]上述本发明静电纺丝装置中，构成收集器的金属薄片的断面优选为成锯齿状，在锯齿状的收集装置的凸起处和凹槽处制备定向排列电纺纳米纤维。
[0011]上述本发明静电纺丝装置中，构成收集器的金属薄片优选采用铝箔或铜箔。
[0012]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明无需加装或改装静电纺丝装置，只需将收集装置--金属收集薄片稍作改动，改变静电纺丝电场分布，引导从毛细管喷射装置针头喷出的电纺丝定向排列，制备定向排列电纺纳米纤维；
2.本发明可以根据实际需要，通过调整收集器放置位置和空间倾斜角度来制备复杂形状的纳米纤维，可以实现直线型、十字型的、米字型或者放射状电纺纳米纤维的定制，并且可以根据实际需要，通过调整收集装置的放置位置来制备复杂形状的纳米纤维。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例一静电纺丝装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1，一种静电纺丝装置，包括高压电源1、毛细管喷射装置2和收集器6，收集器6接地，将电纺溶液注入毛细管喷射装置2中，通过控制高压电源I，在毛细管喷射装置2和收集器6之间的纳米纤维生成和收集空间内施加电场作用，使毛细管喷射装置2的喷嘴处的电纺溶液液滴由球状被拉长为锥状，形成泰勒锥3，当电场强度增加至设定的临界值时，从泰勒锥3中喷射形成溶液射流4，溶液射流4在电场作用下被进一步迅速拉细形成铺展的电纺丝5，收集器6由金属薄片折叠形成金属收集薄片载体，通过方向控制装置变换金属薄片的位置和方向，来调节收集器6相对于溶液射流4的位置和角度，使收集距离保持在10-30厘米之间，在电压为10-20KV的在外加电场作用下，在邻近收集器6的空间区域形成有规则的静电纺丝电场分布，引导从泰勒锥3喷出的直径为纳米级的铺展的电纺丝5,以设定的方向有规则地定向排列散落在收集器6的上凸起处和凹槽处,从而在收集器6得到所需形状的纳米纤维。
[0015]使用本实施例静电纺丝装置进行定向排列电纺纳米纤维的制备方法，包括以下步骤:
a.将铝箔折叠成锯齿状，分别依次放入丙酮、乙醇和蒸馏水中超声脱脂20分钟，用蒸馏水再次漂洗后放于真空干燥箱备用；
b.将高聚物或其混合物的溶液配置静电纺丝溶液；
c.将在上述步骤b中配好的静电纺丝液注入到静电纺丝装置中，并将处理好的铝箔安装在图1所示的电极处，调节接收距离为15cm，电压为18KV，进行静电纺丝，铝箔上会接收到一层纳米纤维；
d.接收铺展的电纺丝5时，可以根据需要调整铝箔的方向，得到十字型的纳米纤维。
[0016]图1为带有带有锯齿形收集板的静电纺丝装置示意图。本实施例利用折叠成锯齿状的收集器6改变静电纺丝过程中的电场分布，利用锯齿形的收集器6对静电纺丝过程中电场分布的改变来引导电纺丝沿特定方向进行排列，制备定向排列的纳米纤维。本实施例方法工艺简单，将作为收集器6的铝箔进行折叠，使之呈锯齿状即可实现电场分布的定制。
[0017]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，根据需要调整铝箔的方向，得到米字型的纳米纤维，通过调整收集装置的放置位置来制备比实施例一更加复杂形状的纳米纤维。
[0018]实施例三:
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，根据需要调整铝箔的方向，得到放射状的纳米纤维，通过调整收集装置的放置位置来制备比实施例一和实施例二更加复杂形状的纳米纤维。
[0019]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明定向排列电纺纳米纤维的制备方法和静电纺丝装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: a.将金属收集薄片进行折叠，然后清洗，放入干燥箱中备用； b.制备高聚物溶液作为电纺溶液； c.将在上述步骤b中制备的电纺溶液注入静电纺丝装置中； d.将在上述步骤a中制备的折叠的金属收集薄片作为收集板，开启静电纺丝装置，在电压为10-20KV的在外加电场作用下，并在收集距离10-30厘米的条件下，在金属收集薄片上收集定向排列的电纺纳米纤维，并通过调整金属收集薄片的方向得到所需形状的纳米纤维。
2.根据权利要求1所述定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于:在上述步骤a中折叠制备的金属收集薄片的断面为成锯齿状。
3.根据权利要求2所述定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于:在上述步骤a中采用的金属收集薄片为铝箔或铜箔。
4.根据权利要求1?3中任意一项所述定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于:在上述步骤d中，调整金属收集薄片的方向为改变金属收集薄片的放置角度。
5.根据权利要求4所述定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于:在折叠的金属收集薄片上收集到的定向排列电纺纳米纤维为直线型、十字型的、米字型或者放射状。
6.根据权利要求1?3中任意一项所述定向排列电纺纳米纤维的制备方法，其特征在于:在上述步骤b中，所制备的高聚物溶液为单一高分子聚合物溶液、不同高聚物的混合溶液或高聚物与无机物的混合溶液。
7.一种实施权利要求1所述定向排列电纺纳米纤维的制备方法的静电纺丝装置，包括高压电源(I)、毛细管喷射装置(2)和收集器(6)，所述收集器(6)接地，将电纺溶液注入所述毛细管喷射装置(2)中，通过控制高压电源(1)，在毛细管喷射装置(2)和所述收集器(6)之间的纳米纤维生成和收集空间内施加电场作用，使毛细管喷射装置(2 )的喷嘴处的电纺溶液液滴由球状被拉长为锥状，形成泰勒锥(3)，当电场强度增加至设定的临界值时，从泰勒锥(3 )中喷射形成溶液射流(4 )，溶液射流(4 )在电场作用下被进一步迅速拉细形成铺展的电纺丝(5)，其特征在于:所述收集器(6)由金属薄片折叠形成金属收集薄片载体，通过方向控制装置变换金属薄片的位置和方向，来调节所述收集器(6)相对于溶液射流(4)的位置和角度，使收集距离保持在10-30厘米之间，在电压为10-20KV的在外加电场作用下，在邻近所述收集器(6)的空间区域形成有规则的静电纺丝电场分布，引导从泰勒锥(3)喷出的直径为纳米级的铺展的电纺丝(5)，以设定的方向有规则地定向排列散落在所述收集器(6)的上凸起处和凹槽处，从而在所述收集器(6)得到所需形状的纳米纤维。
8.根据权利要求7所述静电纺丝装置，其特征在于:构成所述收集器(6)的金属薄片的断面为成锯齿状，在锯齿状的收集装置的凸起处和凹槽处制备定向排列电纺纳米纤维。
9.根据权利要求7或8所述静电纺丝装置，其特征在于:构成所述收集器(6)的金属薄片为铝箔或铜箔。
【文档编号】D01D5/00GK103741229SQ201410000661
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】路秀真, 常岩岩 申请人:上海大学