一种静电纺丝装置的制作方法

本实用新型涉及属于材料加工领域，涉及一种静电纺丝装置。

背景技术：

近年来，基于静电纺丝设备简单、可利用材料种类繁多、方便制备多组分复合材料、以及制备获得的纳米纤维比表面积大、内部连通性好等优异性能，使其在生物医学、药物控制释放体系、材料复合改性、过滤和防护、组织工程等领域得到广泛关注和应用。但由于制备获得的纳米纤维堆积密实，导致其孔径较小，孔隙率较低，限制了其在吸附过滤、药物传输、组织工程和生物医用等领域的应用。采用静电纺丝技术生产制造的组织工程支架严格意义来讲属于二维结构，但二维细胞培养实验并不能完全模拟体内细胞的三维生长环境，因此，所得的体外培养实验数据与细胞在体内的生长情况将有所偏差。为了提高静电纺丝制备的纳米纤维膜孔径、孔隙率及实现三维结构，一些研究者提出制备具有扭曲螺旋结构的纳米纤维膜。

目前，研究者们做了大量工作，努力研究和尝试制备具有扭曲螺旋结构的微/纳米纤维的新方法，并研究扭曲螺旋结构对纳米纤维膜性能的影响，但对其研究还不够深入。特别是对螺旋结构成形条件、纤维结构和性质仍知之甚少。到目前为止，能够用来制备扭曲螺旋结 构微/纳米纤维的方法比较有限。同时，由于静电纺丝法一般得到的是无序纤维，使其不容易得到具有明显螺旋结构的微/纳米纤维，因此开发和完善制备扭曲螺旋结构微/纳米纤维的新技术是一项具有挑战性的研究工作。

目前，可以用来制备具有扭曲螺旋结构的微/纳米纤维的静电纺丝装置主要有以下两种：典型的静电纺丝装置和并列型静电纺丝装置。

2006年，M K shin等用单一的非导电高聚物聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸)(PAMPS)，采用典型传统的静电纺丝装置，制备出了具有扭曲螺旋结构的纳米纤维。其原理是在静电纺丝喷射过程中产生的物理力的扭曲不稳定性，对螺旋结构的形成产生了很大的影响。

2004年，靳玉伟等用单一的非导电高聚物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙醇溶液为原料，制备出了具有扭曲螺旋结构的纳米纤维，并研究了溶液浓度和纺丝电压对纤维形态的影响，同时对螺旋纤维的形成机理进行了讨论，最后得出了在纺丝过程中纤维束所带静电荷之间的库仑斥力是形成螺旋纤维的直接动力。

2006年，R Kessick等用典型的静电纺丝装置对导电高聚物(PASA)和非导电高聚物(PEO)的复合水相体系进行了电纺丝的研究。结果表明：单相体系(如纯PEO)不能形成螺旋结构，复合相体系中需要有一种组分具有导电性，否则不能得到螺旋结构。这种螺旋结构的形成是由于高聚物纤维在静电纺丝过程中带有静电荷，所带电荷的种类取决于电源的正负极，纤维上的同种电荷互相推斥导致沿纤维 长度上产生库仑伸长力。平衡态时，静电推斥力与纤维上的粘弹回复力相平衡。当高聚物纤维落于导电表面(接收板)，最初导电PASA部分所带电荷被转移，收缩粘弹力超过了库仑推斥力，导致受力不均衡，纤维发生结构重排，并自发收缩成螺旋结构。

2007年，常敏等选用聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚苯乙烯(PS)与热塑性聚酯弹性体(TPEE)组成共混溶液，用典型的静电纺丝装置进行静电纺丝得到了具有扭曲螺旋结构的微/纳米纤维。其原理可解释为：将一种高断裂伸长率的高聚物和一种低断裂伸长率的高聚物共混纺丝，丝条在高压电场下受电场力拉伸，由于两者断裂伸长率的不同，产生不同的伸缩，从而使纤维扭曲形成螺旋结构。两种高聚物断裂伸长率相差越大，形成的螺旋结构越明显。

2014年，G Chang等利用典型的静电纺丝装置，只是在收集器上加一个负电极，将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和Cu(NO₃)₂混合成溶胶，制备出螺旋结构的纤维。

2005年，王训该等利用并列型静电纺丝装置，即是由两种不同的聚合物溶液从同一个喷丝头喷出，其实验人员将弹性高聚物聚氨酯(PU)和聚丙烯腈(PAN)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，制备出了具有扭曲螺旋结构的纳米纤维。

2008年，J Yu等[7]利用如图1所示静电纺丝装置，通过调整收集极位置，充分利用重力场，在静电纺丝螺旋结构取向上取得很大进展。纤维在空气中不仅受重力场作用，还受电场、流体甚至磁场作用。 将聚己内酯(PCL)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)(DMF：THF＝1:1)混合溶剂中，利用图1装置制备出扭曲螺旋结构的微/纳米纤维。其中图1中的1是指2mm的一根金属丝固定在木板2的一个木洞中，3是倾斜的玻璃片用于收集扭曲螺旋结构的纳米纤维，实验在θ＜45°和d1＜6cm的条件下获得了扭曲螺旋结构的微/纳米纤维。

2011年，S P Shariatpanahi等将聚苯乙烯(PS)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，利用如图2所示装置得到了具有扭曲螺旋结构的微/纳米纤维。该装置与典型的静电纺丝装置的区别在于高压是运用在注射器与针头之间，其次是利用水流做收集器。

2010年，X Cui等将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于乙醇中，利用静电纺丝装置制备出扭曲螺旋结构的纳米纤维。该装置与典型的静电纺丝装置的区别是：将喷丝头与一块金属板焊接在一起，在喷丝板与旋转收集器之间由七个铝环构成，铝环上同时加有高压。

2010年，K Liu等改进了静电纺丝经典模型，成功制得硝酸铈/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)的单组分微纳米螺线管状纤维。采用一种电极嵌套喷头—中空针头内套金属针尖，加小尺寸圆形收集极(直径约为2.5cm)，减小收集极尺寸并集中电场强度，便可连续制备大量螺旋结构纤维。认为形成螺旋结构可以脱离外部因素，只存在于纤维形成的过程中。流体鞭动不稳定性(微流体空气中螺旋倾向)、电场线的曲率变化等因素为螺旋结构纤维的形成提供了足够条件，因此在一个很广的范围内(纺丝电压5～30kV，纺丝距离5～100 cm)采用不同种材料均可收集到扭曲螺旋结构的纤维。实验说明伞状电场分布是螺旋结构形成的理想电场环境，所以采用针尖对圆点电极组合方式，控制电场分布，可以获得理想的结果。

2005年，P D Dalton等采用双环收集法制备扭曲螺旋结构的纳米纤维绳索，如所示，收集极双环平行对称放置，受电场分布作用，从喷头喷出的纤维横跨两环之间，纺丝结束后，一环静止，旋转另一环，两环之间的纤维便缠绕成绳索结构，可通过控制旋转的圈数来约束纳米绳索的形态。但该方法对纤维束内部纤维的数目难以确知，偶然性因素较多，步骤繁琐。

从国内外研究现状可以看出，目前，虽然各种各样的制造扭曲螺旋结构纤维的方法已经被广泛研究与发展。但是，至今仍没有一种简单易实现的技术制备具有螺旋结构的纤维膜。对于根据材料导电性或断裂伸长率的不同来制备螺旋结构的纤维膜来说，存在着可选材料受限的缺点，并且只能制备复合组分的纤维膜。对于目前通过对典型静电纺丝装置的改进实现制备扭曲螺旋结构的微/纳米纤维来说，存在着装置复杂，操作繁琐和后处理时间长等缺点。

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种扭曲螺旋结构的微/纳米纤维膜制备装置。该装置制备的三维多孔纤维膜支架具有较高孔隙率、较大孔径和良好的相互连通性，有利于细胞的进入、增殖及营养液和新陈代谢物的输送和排出。同时与天然纤维结构类似的螺旋结构使其具有较强的柔软性，较大的提高其力学性能。本实用新型的另一个目的是提供一种所述的三维螺旋结构纤维支 架的制备方法，该制备方法具有装置简单、操作方便、可利用材料种类繁多等优点，使其成为一种理想的加工制造三维螺旋结构纤维支架的方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种静电纺丝装置。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种静电纺丝装置，包含固定板6，固定板6上固定有调控电机3，调控电机3的输出端安装有转轴4，转轴4穿过固定板6中部的圆孔，转轴4上套装有主动带轮9；固定板6左侧设有轴承14，轴承14的外圈上固定有从动带轮13，主动带轮9和从动带轮13间通过皮带8传动；轴承14内圈的上端连接有送液装置，轴承14内圈的下端连接有连接器16，连接器16连接有纺丝针头12，纺丝针头12与高压发生器18相连，纺丝针头12的正下方设有滚筒收集器19，滚筒收集器19与接地极相连；静电纺丝过程中调控电机3驱动主动带轮9，主动带轮9通过皮带8驱动从动带轮13，从动带轮13驱动纺丝针头12旋转，送液装置保持静止。

进一步的改进，所述送液装置包括推进器1，推进器1连接有针筒2，针筒2连接有聚四氟乙烯管15，聚四氟乙烯管15与轴承14内圈上端连接。

进一步的改进，所述固定板6下方连接有垫块5，垫款连接有第 二固定板7，第二固定板7与固定板6配合，固定住轴承14、主动带轮9和从动带轮13；第二固定板7下方连接有第三固定板10，第三固定板10上连接有第四固定板11，第三固定板10和第四固定板11配合，固定住纺丝针头12。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型中的装置制出的三维多孔纤维膜支架具有较高孔隙率、较大孔径和良好的相互连通性，有利于细胞的进入、增殖及营养液和新陈代谢物的输送和排出。同时与天然纤维结构类似的螺旋结构使其具有较强的柔软性，较大的提高其力学性能。采用本实用新型的装置制备三维多孔纤维膜支架，具有装置简单、操作方便、可利用材料种类繁多等优点，使其成为一种理想的加工制造三维螺旋结构纤维支架的方法。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例制成的PVA纤维SEM图(A为1k倍，B为3k倍)；

图3为静电纺丝过程中溶液射流体受力示意图

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

如图1所示的一种静电纺丝装置，包含固定板6，固定板6上固定有调控电机3，调控电机3的输出端安装有转轴4，转轴4穿过固定板6中部的圆孔，转轴4上套装有主动带轮9；固定板6左侧设有轴承14，轴承14的外圈上固定有从动带轮13，主动带轮9和从动带轮13间通过皮带8传动；轴承14内圈的上端连接有送液装置，所述送液装置包括推进器1，推进器1连接有针筒2，针筒2连接有聚四氟乙烯管15，聚四氟乙烯管15与轴承14内圈上端连接。轴承14内圈的下端连接有连接器16，连接器16连接有纺丝针头12，纺丝针头12与高压发生器18相连，纺丝针头12的正下方设有滚筒收集器19，滚筒收集器19与接地极相连。所述固定板6下方连接有垫块5，垫款连接有第二固定板7，第二固定板7与固定板6配合，固定住轴承14、主动带轮9和从动带轮13；第二固定板7下方连接有第三固定板10，第三固定板10上连接有第四固定板11，第三固定板10和第四固定板11配合，固定住纺丝针头12。静电纺丝过程中调控电机3驱动主动带轮9，主动带轮9通过皮带8驱动从动带轮13，从动带轮13驱动纺丝针头12旋转，送液装置保持静止。

以聚乙烯醇(PVA)为例，将5g聚乙烯醇(PVA)溶于20mL去离子水中，在60℃水浴中振荡6h,获得均一的10％(w/v)PVA纺丝液。取一定量PVA纺丝液装于10mL针筒内，用聚四氟乙烯软管(内径为1.19mm)将PVA溶液连于旋转装置上端，如所示。将针头与高压发生装置相连，并以铝箔纸覆在滚筒收集器作为接收装置。推进器的进给速率为1mL/h，纺丝电压为15kV，接收距离即针头离滚筒 收集器的距离为10cm，针头为23G(外径＝0.6mm、内径＝0.3mm)，纺丝温度控制为50℃。相对湿度为40％，调控电机的转速为2000rpm，滚筒收集器转速为300rpm。

如附图2所示，在实施例中获得了具有螺旋结构的PVA纤维。这主要是由于，如附图3所示，在传统的静电纺丝过程中，针头中的溶液射流体仅受到溶液的表面张力(F_st)、推进器的推力(F_c)，射流在高压电场的拉伸力下分裂喷射产生纤维，纤维在重力的作用下自由落下被收集。而在本实用新型中，静电纺丝时，针头中的溶液射流体不仅受到F_st、F_c，还受到针头旋转时产生的向心力(F_t)，因此在高压电场的拉伸作用下产生的PVA纤维，在受到重力的同时，受到针头旋转所产生的扭矩力，在扭矩力的作用下，使PVA纤维产生螺旋结构，并通过滚筒收集器进行收集，从而产生有序的PVA螺旋结构。