一种制备厚层取向纳米纤维的方法及装置

1.本发明属于静电纺丝领域，具体涉及一种制备厚层取向纳米纤维的方法及装置。


背景技术：

2.静电纺丝技术作为一种制备连续纳米纤维的方法，具有加工工艺简单、原料来源广泛、所制备纤维产品尺寸小、孔隙率高、表面积大等特点，因此近年来受到广泛关注和研究，所制备纤维产品可以应用于多种方面如组织工程、伤口敷料、药物释放、过滤材料等。
3.静电纺丝制备纤维，是通过在喷头和接收装置间施加高压静电场，使喷出的聚合物溶液或熔体带有密集电荷并在电场力和液体表面张力的共同作用下形成泰勒锥，随电压升高，电场力大于表面张力，带电液流就会以一束微喷射流的形式从喷丝口喷射而出，向负极(收集装置)加速飞行将此阶段称为“直线段”。在飞向收集基板的同时伴随着溶剂的挥发，射流里的电荷密度不断增加并且同一个射流的电荷分布也不均勾，因而射流开始变得不稳定，在高压电场的作用下发生剧烈地抖动，此阶段称为“鞭动段”。在空中运动过程中溶剂挥发或熔体固化，纤维落在在接收器上形成超细固态纤维。
4.制备取向纤维是静电纺丝纤维实际应用的需要。静电纺丝的射流存在复杂的鞭动运动，因此制备的纤维多为无规产物。目前已有一些静电纺丝制备取向纤维的方法，如：各类高速旋转体通过牵引力使纤维取向，平行的棒或板可以使得带有电荷的纤维沿垂直于棍或板的方向平行排列得到取向纤维，附加磁场通过磁场力的作用制备取向。
5.高速旋转的收集器是获得取向纤维的常用方法，然而由于大部分纤维原料都不具有良好的导电性，导致纤维覆盖满收集器的表面后，收集器接地或异种电荷消失，纤维取向能力变差，从而无法获得厚层的取向纤维。为获得取向纤维，除采用旋转体作为收集器外，制备取向纤维的有效方法还有以下几种：liu等研究了磁场辅助制备取向纤维的方法(liu y,zhang x,xia y,et al.advanced material,2010,22:2454
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2457)；li等研究了利用平行接收电极获得取向纤维(li d,wang y,xia y.n ano letters,2003,3(8):1167
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1171)；一些研究人员也成功利用近场纺丝技术获得取向纤维(sun d,chang c,li s,lin l,nano letters,2006,6(4):839
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842)。虽然上述方法可以在原有静电纺丝装置的基础上，通过附加额外的装置实现取向。但是这些方法，当纤维在收集装置上逐渐堆积之后，由于纤维材料大多为绝缘材料或导电能力较差的材料，堆积到一定程度就会导致纤维之间静电力过弱或无静电力牵引而无规堆积，或是纤维之间的静电力产生排斥导致纤维浮起(即产生蓬松纤维)。综上现有静电纺丝收集装置对于制备较厚的取向纤维膜仍有较大的局限。


技术实现要素：

6.针对现有技术无法高效制备厚层取向静电纺丝纤维的缺点，本发明的目的在于提供一种制备厚层取向纳米纤维的方法及装置。
7.一种制备厚层取向纳米纤维的装置，包括：电压输出装置、供液装置、静电纺丝接收装置和支架。
8.所述的电压输出装置提供静电纺丝所需静电场或接地。
9.所述的供液装置为静电纺丝供给纺丝溶液。
10.所述的支架支撑接收装置并使接受装置接地，支架控制接收装置使接收装置在纤维的鞭动段范围内进行收集。
11.所述的静电纺丝接收装置为一凸起部件和一底部支撑收集部件组成。优选地，其中所述凸起部件为尖锥形、圆柱形、梯形平台形、环形支架形等其中的一种或多种的组合，所述底部支撑部件可为平板、凹面、凸面、半球形等其中一种或多种的组合。其中凸起部件应尽量不位于底部支撑收集部件的边缘位置。所述凸起部件与底部支撑收集部件的高度差可以为0
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10cm，不为0。
12.依托于该装置，带电纺丝液体流在电场中高速运动，形成极细射流，射流在空中运动过程中溶剂挥发或熔体固化，在收集装置上形成厚层取向纤维。
13.一种通过上述装置制备厚层取向纳米纤维的方法，包括以下步骤：
14.(1)搭建静电纺丝收集装置，并放置在注射器针头前方；
15.(2)将材料溶于溶剂中搅拌均匀，得纺丝液；
16.(3)用注射器吸取纺丝液，将导管和注射器的针头相连，进行纺丝；
17.(4)将收集到的厚层纳米纤维干燥，得厚层取向纳米纤维。
18.步骤(2)所述材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚己内酯、明胶、壳聚糖、聚乙二醇、聚乳酸、聚乳酸
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聚乙二醇和苯乙烯
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丁二烯
‑
苯乙烯共聚物中的至少一种；所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、n,n
‑
二甲基甲酰胺、四氢呋喃和六氟异丙醇中的至少一种；所述纺丝液浓度在6％
‑
20％之间。
19.步骤(3)所述纺丝的过程中正电压为5
‑
30kv，负电压为
‑
10～0kv，针头到静电纺丝收集装置的距离为5～20cm。所述纳米纤维的厚度由纺丝时间决定。
20.一种厚层取向纳米纤维，通过上述方法制备得到。
21.本发明的机理和优点：
22.本发明所述的方法利用的收集装置中，要求含有凸起部件及较低底部收集部件，同时由于静电纺纤维的鞭动运动，当纤维最初由于静电力的牵引向收集器运动，由于凸起部件距离喷丝口更近且凸起部件处电荷较为密集，电场力较强，纤维会首先落在凸起部件处。后续的纤维由于鞭动运动的惯性会甩出而落在底部支撑收集装置上。当纤维重复受到静电力牵引落在凸起部件后甩出这个过程，纤维便会在收集装置上的凸起和底部支撑部件之间形成取向纤维，并且在纤维变厚的过程中，纤维落下的顺序不会受到影响，仍旧沿凸起到底部的方向进行取向，逐渐堆积成较厚的取向纤维膜，整体外观为山丘形貌(图2)。当我们去除顶端，可观察到截面处有明显层状结构(图3)，证明纤维膜的层状堆积形成较厚的取向纤维膜。再沿侧面径向剪开，便可得到一块较厚的取向纤维膜(图4)。纤维的取向度较高，且由于在中间层取样，可以证明在整块较厚纤维膜中，每层均有一定取向度。其中单根纤维呈波浪状，可见这种取向结构是由于在鞭动段收集导致的形貌，证明利用静电纺丝纤维的特殊运动可以进行厚层取向纤维的制备。
附图说明
23.图1为静电纺丝射流运动图，(a)为静电纺丝射流运动实际图像，(b)为静电纺丝射
流运动示意图；
24.图2为静电纺丝过程图；
25.图3所制备厚层取向纤维膜结构示意图；
26.图4所制备厚层取向纤维膜结构示意图；
27.图5厚层取向纤维膜；
28.图6剪去顶端厚层取向纤维；
29.图7厚层纤维膜中间层sem图；
30.图8厚层纤维膜中间层取向度统计图。
具体实施方式
31.为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，本发明通过下列实施例进一步说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.实施例1
33.1)取0.8g pla溶于5.2g dcm中，搅拌12h，形成均匀纺丝溶液。
34.2)将纺丝液加入到注射器中，固定至注射泵上，针头到收集装置的距离为20cm，流速为30ml/h，纺丝正电压为18kv，负电压为0kv，收集装置凸起部件为直径5mm，高1cm的圆锥，底部支撑部件为15cm
×
15cm的金属平板，收集装置如图1，制备厚层取向的纤维膜。
35.3)如图3，4所示示意图，将厚层取向纤维从收集装置上取下，室温干燥，减去顶端，沿侧面经线剪开并铺展，可以得到一块厚层取向的纤维膜，实际样品图如图5，可观察到侧面纤维沿径向明显取向，剪去顶端后如图6，可观察到内部均为沿侧面径向取向纤维。取中间层纤维进行sem测试，其扫描电镜图见图7，可观察到纤维呈取向状态。根据图7中sem图统计纤维取向度，设定某一方向为0度，纤维与该方向夹角为相对角度，统计可知纤维在相对角度为120
°±5°
频率最高，即在该方向发生取向。
36.实施例2
37.1)取0.4g pcl溶于4.6g六氟异丙醇中，搅拌12h，加入0.4g明胶再次搅拌12h，形成均匀纺丝溶液。
38.2)将纺丝液加入到注射器中，固定至注射泵上，针头到收集装置的距离为5cm，流速为150ml/h，纺丝正电压为30kv，负电压为
‑
10kv，收集装置凸起部件为直径1mm，高5cm的长针，底部支撑部件为直径10cm的漏斗状金属圆锥，制备厚层取向的纤维膜。
39.3)将厚层取向纤维从收集装置上取下，室温干燥，减去顶端，沿侧面经线剪开并铺展，可以得到一块厚层取向的纤维膜，可观察到侧面纤维沿径向明显取向，可观察到内部均为沿侧面径向取向纤维。取中间层纤维进行sem测试，可观察到纤维呈取向状态。
40.实施例3
41.1)取0.4g sebs共聚物溶于4.6g thf中，搅拌12h，形成均匀纺丝溶液。
42.2)将纺丝液加入到注射器中，固定至注射泵上，针头到收集装置的距离为15cm，流速为33ml/h，纺丝正电压为28kv，负电压为
‑
1kv，收集装置凸起部件为直径1mm，高10cm的长针，底部支撑部件为直径20cm
×
30cm的金属凹面，制备厚层取向的纤维膜。
43.3)将厚层取向纤维从收集装置上取下，室温干燥，减去顶端，沿侧面经线剪开并铺展，可以得到一块厚层取向的纤维膜，可观察到侧面纤维沿径向明显取向，可观察到内部均
为沿侧面径向取向纤维。取中间层纤维进行sem测试，可观察到纤维呈取向状态。
44.实施例4
45.1)取0.6g pmma溶于5.4g dmf中，搅拌12h，形成均匀纺丝溶液。
46.2)将纺丝液加入到注射器中，固定至注射泵上，针头到收集装置的距离为12cm，流速为60ml/h，纺丝正电压为15kv，负电压为
‑
2kv，收集装置凸起部件为直径2mm，高3cm的圆柱，底部支撑部件为直径10cm的半球状金属面，制备厚层取向的纤维膜。
47.3)将厚层取向纤维从收集装置上取下，室温干燥，减去顶端，沿侧面经线剪开并铺展，可以得到一块厚层取向的纤维膜，可观察到侧面纤维沿径向明显取向，可观察到内部均为沿侧面径向取向纤维。取中间层纤维进行sem测试，可观察到纤维呈取向状态。
48.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。