一种制备有序纳米纤维阵列的纺丝装置的制作方法

本实用新型涉及一种制备有序纳米纤维阵列的纺丝装置，更具体的说是一种即可以熔融纺丝又可以微流体纺丝的复合装置。

背景技术：

纺丝工艺是实现各种微化工制备纤维的工艺，广泛应用于生物组织，纺织行业，超级电容器以及可穿戴方面。目前，普遍使用的纺丝工艺主要是静电纺丝、熔融纺丝以及离心纺丝等工艺流程。在所有这些纺丝工艺流程中，静电纺丝由于其可纺聚合物广，所纺纤维直径小用的最为广泛。然而，静电纺丝只能将导电聚合物溶液或熔体在强电场中喷射纺丝，在纺织粘性较大或者近乎绝缘的聚合物溶液时，很难克服表面张力形成喷射流，而且不能收集各种角度的纺丝网格阵列；熔融纺丝工艺就是将聚合物熔融后并定量从喷丝头挤出形成细流，经空气或水冷却固化，以一定的速度卷绕成纤维，这样就导致熔融纺丝只能纺丝，无法制备成膜，而且所纺纤维的直径约在10μm以上。离心纺丝作为新型的纺丝方法，由于其简单快捷的制备方法也受到广泛关注，但是由于其高速运转而带来的成本问题以及其可纺聚合物的范围限制了其应用。另外，这三种纺丝装置均存在纺丝方式单一且均不能制备出有序纤维阵列的缺陷。因此需要开发一种既能纺织出超细纳米纤维又能制备出有序微阵列成为了亟待解决的问题。

近来微流体纺丝由于其简单，安全，多样化及成本低来制备有序微纤维而被广泛研究。但是由于微流体纺丝机的旋转速度和前进速度受到限制导致纤维直径仍然保持在微米级别，因此要纺织出超长纳米有序纤维还需要结合某种纺丝工艺实现即可以制备纳米纤维又可以纺织出有序微阵列，我们选择了微流体纺丝机与熔融纺丝机相结合的方式，通过调节控制面板进行选择模式，开发出一种即可以具备熔融纺丝的功能又可以制备出有序微阵列的多功能纺丝工艺流程。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的问题与不足，提供一种制备有序纳米纤维阵列的纺丝装置，将熔融纺丝与微流体纺丝相结合的方式实用新型出一种既包含熔融纺丝的所有功能又可以制备出有序微阵列的纤维工艺，利用熔融纺丝机模式制备纳米纤维，利用微流体纺丝模式制备有序微阵列。主要是解决了传统纺丝方法难以制备纳米有序微阵列的的纤维。同时，扩大了纤维的应用领域。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种制备有序纳米纤维阵列的纺丝装置，其特征在于由熔融挤出机、纺丝泵、微流泵、注射器、针头、控制器、移动平台、移动平台电机、喷丝头、固化装置、接收器、接收器电机组成；其中接收器电机与接收器通过夹持装置连接，带动接收器旋转，在接收器一侧的上方设有固化装置，在固化装置正上方有喷丝头，喷丝头焊接在纺丝泵下方，纺丝泵与熔融挤出机相焊接；接收器另一侧上方有针头，针头与微流泵内的注射器相焊接；通过移动平台电机正上方的控制器进行选择纺丝模式；控制器内部线路与接受器电机、移动平台电机、纺丝泵、微流泵相连，接收器和接收器电机均固定在移动平台上，移动平台电机与移动平台通过丝杠连接，移动平台电机旋转通过丝杠可以带动移动平台左右往复运动。

优选注射器的针头与接收器的距离为0.1～0.2mm。

优选喷丝头的内外直径分别为0.3-1mm和0.4-1.2mm。

本实用新型还提供了利用上述的纺丝装置制备有序纳米纤维阵列的纺丝工艺，其具体步骤如下：

(a)通过调节控制器来调节纺丝模式，先将纺丝模式调节为熔融纺丝，并在控制器面板上调节聚合物熔解的温度(根据不同聚合物熔融温度来设定)以及纺丝泵的流速，然后将可纺聚合物颗粒从熔融挤出机入口倒入，使聚合物受热熔融成为熔体，熔体将流经纺丝泵并打入喷丝头中，形成液体细流，细流经过喷丝头下方的固化装置进行固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在接收器上；启动移动平台电机和接收器电机，接收器电机带动接收器旋转收丝，移动平台电机旋转通过丝杆带动其左边的移动平台移动，使接收器上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台带动接收器往复运动，使丝层层叠加，形成膜；

或者是

(b)通过调节控制器来调节纺丝模式，将纺丝模式调节为微流体纺丝模式，然后用溶剂将聚合物溶解成纺丝溶液并装入到微流泵内的注射器中，使注射器针头靠近接受器处固定，然后通过控制器设置好微流泵、移动平台电机和接收器电机的速率；当从针头流出聚合物液滴直至其接触接收器时，通过牵引力的作用将纤维缠绕在接收器上；启动移动平台电机和接收器电机，接收器电机带动接收器旋转收丝，移动平台电机旋转通过丝杆带动其左边的移动平台移动，使接收器上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台带动接收器往复运动，可使丝层层叠加，形成有序纤维膜；

或者是

(c)先完成步骤(a),再继续步骤(b),使(a)(b)两种纺丝模式组合。

优选所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯氰(PVA)、热塑性聚氨酯(tPU)或聚丙烯酸钠；所述的溶剂有乙醇、氯仿、二氯甲、丙酮或水。

优选熔融纺丝温度控制在100-300摄氏度。

优选纺丝溶液中聚合物的质量浓度范围在20-35％。

优选微流泵的流速控制在0.1-5ml/h。

优选接收器电机的旋转速率设置在500-9000r/s，移动平台电机速率设置在 500-10000μm/s。

本实用新型所纺的纤维直径在100nm-10μm。

有益效果：

本实用新型是一种制备有序纳米纤维阵列的纺丝工艺，既能进行熔融纺丝又能进行微流体纺丝工艺，从而制备出有序的纳米纤维阵列，解决了现有纺丝工艺纺丝功能单一的问题。此工艺流程不仅节省实验空间、节约实验成本，而且对于试验研究具有重要意义。

附图说明

图1是一种制备有序纳米纤维阵列的纺丝工艺的流程图；其中1.熔融挤出机，2.纺丝泵，3.微流泵，4.针头，5.控制器，6.移动平台，7.移动平台电机，8. 喷丝头，9.固化装置，10.接收器，11.接收器电机,12.注射器。

具体实施方式

通过控制器选择工作模式，工作模式分为熔融纺丝模式和微流纺丝模式。

实施例1

一种多功能纺丝装置，其结构装置图如图1所示：由熔融挤出机1、纺丝泵 2、微流泵3、针头4、控制器5、移动平台6、移动平台电机7、喷丝头8、固化装置9、接收器10、接收器电机11，注射器12组成；其中接收器电机11与接收器10通过夹持装置连接，带动接收器10旋转，在接收器10一侧的上方设有一个固化装置9，在固化装置9正上方有喷丝头8，喷丝头8焊接在纺丝泵2下方，纺丝泵2与熔融挤出机1相焊接，接收器10另一侧上方有针头4，针头4 与微流泵3内的注射器12相焊接；通过移动平台机7正上方的控制器5进行选择纺丝模式；控制器5内部线路与接受器电机11和移动平台电机7相连，接收器10和接收器电机11均固定在移动平台6上，移动平台电机7与移动平台6 通过丝杠连接，移动平台电机7旋转通过丝杠可以带动移动平台6左右往复运动。

实施例2

我们通过调节控制器5来调节纺丝模式，先将纺丝模式调节为熔融纺丝，然后将可纺聚合物颗粒聚乳酸(PLA)从熔融挤出机1入口倒入，并在控制器5面板上调节聚合物熔解的温度为170℃,纺丝泵2的流速为0.1ml/h，移动平台电机7速率设置在500μm/s,接收器电机11速率500r/s，使聚合物PLA受热熔融成为熔体，熔体将流经与熔融纺丝机右边相连的纺丝泵2并打入到其下方的喷丝头8(喷丝头的内外径分别为0.3mm,0.5mm)中，形成液体细流，细流在纺丝通道流出经过喷丝头8下方的固化装置9进行固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在固化装置 9下方的接收器上。最后，启动最右下方的移动平台电机7和接收器10左边的接收器电机11，接收器电机11带动接收器10旋转收丝，移动平台电机7旋转通过丝杆带动其左边的移动平台6移动，使接收器10上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台6带动接收器10往复运动，可使丝层层叠加，形成膜。所纺的纤维直径在4μm-10μm。

实施例3

我们通过调节控制器5来调节纺丝模式，先将纺丝模式调节为熔融纺丝，然后将可纺聚合物颗粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)从熔融挤出机1入口倒入，并在控制器5面板上调节聚合物熔解的温度为120℃以及纺丝泵2的流速控制在3ml/h, 移动平台电机7速率设置在2000μm/s,接收器电机11速率4000r/s，使聚合物PMMA 受热熔融成为熔体，熔体将流经与熔融纺丝机右边相连的纺丝泵2并打入到其下方的喷丝头8(喷丝头的内外径分别为0.5mm,0.7mm)中，形成液体细流，细流在纺丝通道流出经过喷丝头8下方的固化装置9进行固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在固化装置9下方的接收器上。最后，启动最右下方的移动平台电机7 和接收器10左边的接收器电机11，接收器电机11带动接收器10旋转收丝，移动平台电机7旋转通过丝杆带动其左边的移动平台6移动，使接收器10上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台6带动接收器10往复运动，可使丝层层叠加，形成膜。所纺的纤维直径在2μm-4μm。

实施例4

我们控制器5来调节纺丝模式，先将纺丝模式调节为熔融纺丝，然后将可纺聚合物热塑性聚氨酯(tPU)从熔融挤出机1入口倒入，并在控制器5面板上调节聚合物熔解的温度为300℃以及纺丝泵2的流速控制在5ml/h，移动平台电机7速率设置在6000μm/s,接收器电机11速率8000r/s，使聚合物PMMA受热熔融成为熔体，熔体将流经与熔融纺丝机右边相连的纺丝泵2并打入到其下方的喷丝头8(喷丝头的内外径分别为0.9mm,1.0mm)中，形成液体细流，细流在纺丝通道流出经过喷丝头8下方的固化装置9进行固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在固化装置 9下方的接收器上。最后，启动最右下方的移动平台电机7和接收器10左边的接收器电机11，接收器电机11带动接收器10旋转收丝，移动平台电机7旋转通过丝杆带动其左边的移动平台6移动，使接收器10上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台6带动接收器10往复运动，可使丝层层叠加，形成膜。所纺的纤维直径在1μm-2μm。

实施例5

我们通过调节纺丝装置图中右上方的控制器5来调节纺丝模式，先将纺丝模式调节为微流体纺丝模式，然后用水作为溶剂将聚丙烯酸钠溶解成纺丝液加入到微流泵3内的注射器中，并将其夹持到微流泵3上，使注射器针头4靠近收集器 100.1mm处固定，然后通过控制器设置好微流泵速率为5ml/h、移动平台电机速率 10000μm/s和接收器电机速率9000r/s；当从针头(针头的内外径分别为 0.9mm,1.1mm),流出聚合物液滴直至其接触接收器7时，通过牵引力的作用将纤维缠绕在固化装置9下方的接收器上。最后，启动最右下方的移动平台电机7和接收器10左边的接收器电机11，接收器电机11带动接收器10旋转收丝，移动平台电机7旋转通过丝杆带动其左边的移动平台6移动，使接收器10上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台6带动接收器10往复运动，可使丝层层叠加，形成有序纤维膜。所纺的纤维直径在500nm-1μm。

实施例6

我们通过调节纺丝装置图中右上方的控制器5来调节纺丝模式，先将纺丝模式调节为熔融纺丝，然后将可纺聚合物颗粒聚乙烯吡咯烷酮(PVP)从熔融挤出机1入口倒入，并在控制器5面板上调节聚合物熔解的温度为100℃以及纺丝泵2 的流速0.1(ml/h)，移动平台电机7速率设置在2000μm/s,接收器电机11速率 4000r/s,使聚合物PVP受热熔融成为熔体，熔体将流经与熔融纺丝机右边相连的纺丝泵2并打入到其下方的喷丝头8(喷丝头的内外径分别为0.5mm,0.6mm)中，形成液体细流，细流在纺丝通道流出经过喷丝头8下方的固化装置9进行固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在固化装置9下方的接收器上。最后，启动最右下方的移动平台电机7和接收器10左边的接收器电机11，接收器电机11带动接收器10旋转收丝，移动平台电机7旋转通过丝杆带动其左边的移动平台6移动，使接收器10上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台6带动接收器10 往复运动，可使丝层层叠加，形成膜后。再调节纺丝装置图模式调节为微流体纺丝模式，然后用有机溶剂乙醇将聚合物PVP溶解形成纺丝溶液加入到微流泵3中的注射器中，并将其夹持到微流泵3上，使注射器针头4靠近收集器10的0.2mm处固定，然后通过控制器设置好微流泵速率为3ml/h、移动平台电机速率5000μm/s 和接收器电机速率8000r/s；当从针头(针头的内外径分别为0.9mm,1.0mm),流出聚合物液滴直至其接触接收器7时，通过牵引力的作用将纤维缠绕在固化装置9 下方的接收器上。最后，启动最右下方的移动平台电机7和接收器10左边的接收器电机11，接收器电机11带动接收器10旋转收丝，移动平台电机7旋转通过丝杆带动其左边的移动平台6移动，使接收器10上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列，通过移动平台6带动接收器10往复运动，可使丝层层叠加，形成有序纤维膜。这就使其形成有序与无序共有的纤维膜。所纺的纤维直径在100nm-5μm。