CN100562611C - 大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，具有注射器，在注射器喷口的侧下方设置有收集板，收集板上设置有负电极，负电极为小尺寸电极，电极和收集板之间绝缘设置。同时还提供了利用该制备装置制备聚合物纳米纤维的方法。这种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置及制备方法，制备出的纳米纤维长度长，并且成本低。

Description

大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置
技术领域
本发明涉及定向聚合物纳米纤维的电纺技术，尤其是一种大面积定向排列的聚合物纳米限位制备装置及制备方法。
背景技术
电纺(Electrospinning)是利用静电力的作用制备连续纳米纤维的技术，即将直流高压施加于聚合物溶液(或熔体)与纤维收集装置之间，聚合物溶液在静电力的作用下高速喷出形成连续纳米纤维。电纺丝是制备聚合物连续纳米纤维的唯一方法，所制备纤维的直径一般在3-500nm。1934年，美国工程师A.Formals在静电力的作用下，实现醋脂纤维素(CA)溶液的电纺丝(A.Formalas，US patent 1975504，1934)；随后在1950-1980年，相继有人进行研究；20世纪80年代后，尤其是近10年，研究较多。电纺丝装置一般分三部分：高压电源、毛细管和金属接收装置。高压电源电压在1-50kV；毛细管采用金属、玻璃或塑料，其内径一般为0.35-1.5mm；插入聚合物溶液中的金属电极一般为金属铂或铜等；接收装置根据不同要求可以采用不同的形状，直接接地或接负的直流电源。电纺丝技术的关键性问题之一在于如何实现纳米纤维的定向收集。如果接收电极为一静止平板，得到的沉积纤维将是紊乱排列的。而紊乱排列的纤维其应用价值大大降低。因此，定向控制技术一直是纤维电纺技术领域的重大课题。
目前已有的定向技术从原理上讲包括两种类型，一种是利用旋转收集装置，另一种是利用静电力的诱导作用。旋转收集装置是利用高速转动的圆柱体收集纤维，当圆柱体的旋转速度与纤维的运动速度相等时纤维彼此平行地缠绕在圆柱体的表面，实现定向收集。这种装置需要两个马达驱动，一个旋转，另一个直线推进。这种方法在多个方面存在难以克服的局限。如纤维运动速度的实时测定以及马达转速的实时精确调控都是很难做到的，同时，由于纤维运动的鞭动不稳定性，纤维到达收集圆柱体表面的位置难以固定，因此这种定向方法的可重复性不高。由于纳米纤维粘附在收集圆柱体表面上并且彼此粘结在一起，因此纤维的分离存在困难，同时也难以避免来自于收集圆柱体表面的污染。这种方法需要马达驱动，成本很高，不适于大规模生产。静电力诱导方法就是利用两个平行放置的导电平板作为收集电极，也可以在传统的导电收集平板上引入一个或者多个间隙或者绝缘性的区域，在间隙位置或者在绝缘区域的纤维上的电荷不能有效排出，从而使该区域的纤维仍然带正电。因而该区域的纤维彼此之间产生排斥力，这种斥力导致纤维彼此平行排列，从而实现纤维的定向控制。这种技术制备的定向纤维长度一般不到1厘米，对于大部分应用领域不能满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置及制备方法，使得制备出的纳米纤维长度长，并且成本低。
实现本发明目的的技术方案：
1、一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，具有注射器，其特征在于：在注射器喷口的侧下方设置有收集板，收集板上设置有负电极，负电极为小尺寸电极，电极和收集板之间绝缘设置。
2、利用前述装置制备聚合物纳米纤维的方法，其特征在于：把PCL溶解于四氢呋喃和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，用磁搅拌机搅拌后纺丝。
3、利用前述装置制备聚合物纳米纤维的方法，其特征在于：把PAN以7-15w/v％的浓度溶解于二甲基甲酰胺中，用磁搅拌机搅拌后纺丝。
本发明适用于所有具有可纺性质的材料。
本发明具有的有益效果：
本发明注收集电极位于注射器喷口的侧下方，不同于传统的正下方；收集电极为一负极导线，不同于传动的大面积金属板。由于本发明特有的结构特点，使得可以生产出长达30厘米的定向纤维，这些定向纤维沿收集板平行排列，分布宽度可达63厘米，可以生产大面积定向纤维布。本发明同时还具有一下优点：
(1)收集装置简单，不需要马达，成本比其他方法低得多。
(2)工艺简单，重复性好。
(3)定向纤维的生产效率高，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明制备装置的结构示意图。
图2为纤维前端未到达收集板时的工作状态图。
图3为纤维前端到达收集板时的工作状态图。
图4为纤维前端到达收集板后的工作状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，在注射器4喷口的侧下方设置有收集板2，收集板上设置有电极1，收集板的下方设置有支撑板3。电极为一负极导线，固定在收集板的通孔内，负极导线的端部位于收集板的侧表面或者接近收集板的侧表面，通孔位于收集板的中心位置。注射器可以有多个，相应地设置有多个收集板。收集板的尺寸可大可小，没有限制，材料可以是绝缘材料，如木、塑料，也可以是导电材料，导电材料与电极之间隔开绝缘。
如图2至4所示，在电场力的作用下，纤维从注射器喷口即针头尖端的液滴喷出并且向收集板运动；当一个液滴耗尽时则形成了一个单根纤维，同时下一个液滴在针头上形成；当纤维前端到达收集板后，由于纤维上相邻各个部分之间存在静电斥力，后面的纤维不再继续向收集板运动，而倾向于变直。同时，纤维后端落向支撑板并最终沉积在支撑板上，从而使纤维固定在收集电极与支撑板之间。接下来喷出的纤维就会因先前纤维的静电斥力而与之平行排列，这样沉积的一根根纤维就在收集板与支撑板之间平行排列，形成大量的定向纤维。
下面提供利用前述装置制备聚合物纳米纤维的方法实施例：
1、PCL(聚己内酯)定向纳米纤维的制备。把PCL溶解于四氢呋喃(THF)和DMF(二甲基甲酰胺)的1∶1混合溶剂中，浓度范围为5-12％(w/v％)，实施时，选用浓度10％(w/v％)，用磁搅拌机搅拌24小时后纺丝，电压范围是10-35kV。
2、PAN(聚丙烯腈)定向纤维的制备。把PAN以7-15％(w/v％)的浓度溶解于二甲基甲酰胺中，实施时选用浓度12％(w/v％)，用磁力搅拌机搅拌12小时后纺丝，纺丝电压为10-35kV。
以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1、一种大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，具有注射器，其特征在于：在注射器喷口的侧下方设置有收集板，收集板上设置有负电极，负电极为小尺寸电极，电极和收集板之间绝缘设置。
2、根据权利要求1所述的大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，其特征在于：负电极为负电极导线，固定在收集板的通孔内。
3、根据权利要求2所述的大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，其特征在于：负电极导线的端部位于收集板的侧表面或者接近收集板的侧表面。
4、根据权利要求1所述的大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，其特征在于：注射器设置有多个，相应地设置有多个收集板和/或收集点电极。
5、根据权利要求1所述的大面积定向排列的聚合物纳米纤维制备装置，其特征在于，收集板的下方设置有支撑板。
6、根据权利要求1所述聚合物纳米纤维制备装置制备定向聚合物纳米纤维的方法，其特征在于：利用小尺寸点电极实现电纺纳米纤维的定向。
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