CN101104970A

CN101104970A - 一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法

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Publication number: CN101104970A
Application number: CNA2007100440340A
Authority: CN
Inventors: 朱美芳; 王雪芬; 张锴; 俞昊; 周哲; 陈彦模
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: CN101104970B

Abstract

本发明涉及一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，包括下列步骤：(1)将高分子溶解于溶剂中制得均一的溶液；(2)将添加剂加入溶液中；(3)用所制备的溶液进行静电纺丝，纺丝原液加入到容器中，由微量注射泵控制挤出，喷口接高压正极。对静电纺各种参数进行控制获得稳定纺丝状态；(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。本发明提供的制备方法所得到的超细静电纺纤维纱线，可拓宽静电纺纤维产品的应用领域。

Description

一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法

技术领域

本发明属于纳米纤维的制备领域，具体涉及一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法。

背景技术

静电纺丝技术是制备得到超细纤维的极为简便的方法。通过静电纺方法可以制得的纤维直径在几十纳米至几微米的范围。这种超细纤维由于其纳米级的一维形态和极高的比表面积会在不同领域内展现出惊人的特性并有着极大的应用前景。现在大多数静电纺纤维均是以无纺布形式得到，这限制了静电纺纤维在更广阔领域的应用，现在大多仅能用于过滤，组织工程支架，移植涂膜和创伤修复等。当我们用传统纤维和纺织工业的观点去理解纳米纤维时，只有当获得单根纳米纤维或单轴纤维束时，并对其进行编织，才能认为纳米纤维的应用范围可以扩展到更广泛的领域。可是现在利用静电纺的方法，连续获得单根纳米纤维或单轴纤维束十分艰难。这是因为聚合物射流的飞行轨迹是十分复杂的三维“抖动或鞭动”，这种“鞭动”是由于弯曲不稳定引起的，而不是在直线路径处产生的。全世界众多的研究者均在这方面做了大量的研究，以求获得高度取向排列的纤维和纤维束。

当圆筒以每分钟几千转的速度高速旋转时，静电纺纳米纤维在圆筒圆周上可以取向。Virginia Common-wealth University的研究者Boland E D等人[Boland E D，WnekGE.Simpson D G.J Macromol Sci Pur Appl Chem[J].2001，A38(12)：1231-1243.]应用这一技术制得有一定程度取向的聚乳酸纳米纤维(转速：1000r/min)和I型胶原蛋白纳米纤维(4500r/min)。美国专利US Patent[P].4 689 186，1987公开了一种用于血管修复及尿管、胆管的管状纤维的制作方法。该发明的特点是用辅助电场使沉积纤维在圆周上充分取向。

为了获得单根纳米纤维用于实验表征，Huang等人[HunngZM，ZlumgY Z，KotakicM，etc.Corrgmsites Science and Technology[J].2003，63：2223-2253]公开了一种收集平行排列纤维的简单方法，就是将矩形的框架置于纺丝射流下方。不同材料的框架得到不同排列的纤维，铝框架所收纤维的排列比木质框架所收集纤维的排列好。Li Dan等人[Dan Li，Yuliang Wang，Yonnan Xia.Nano Letters[J].2003.1167-1171.ElectrospinningNanofibers as Uniaxially Aligned Arrays and Layer-by-Layer Stacked Films.AdvancedMaterials.2004.361-366]报道了一种简单且有效的方法来制备平行取向纳米纤维。他们的方法是在常规的收集器上凿开一个槽，在附加电场的作用下，纳米纤维横跨槽的两边形成平行取向排。

清华大学的Huan Pan等人[Huan Pan，Luming Li，Long Hu，Xiaojie Cui，Continuousaligned polymer fibers produced by a modified electrospinning method.Polymer2006，47：4901-4904]也提供了一种较为简单获得纤维束的方法。他们在相对的正负两极同时进行静电纺丝，带有不同电荷的纤维在正负极间相撞并相互吸引形成一束，然后被卷绕在滚筒上。Michaela Eder等人[Michaela Eder，Ingo Burgert，etc.One-stepelectrospun nanofiber-based composite ropes.APPLIED PHYSICS LETTERS 2007，90：083108-1-083108-3]利用旋转移动电机在静电纺丝过程中将电机与接受板间的纤维集束加捻形成具有一定长度的纤维束。

但上述各种方法均难连续获得单根纳米纤维或单轴纤维束，从而难以获得高度取向排列的纤维和纤维束。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术难连续获得单轴排列的静电纺超细纤维束的缺点，提供一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法。

本发明提供的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，具体包括下列步骤：

(1)将高分子溶解于溶剂中制得均一的溶液；

(2)将添加剂加入溶液中，以改善溶液的纺丝特性；

(3)用所制备的溶液进行静电纺丝，纺丝原液加入到容器中，由微量注射泵控制挤出，喷口接高压正极。对静电纺各种参数进行控制获得稳定纺丝状态；

(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；

(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；

(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。

所获得的超细静电纺纤维纱线直径为1μm～500μm，纱线中单丝直径为100nm～2μm。

步骤(1)中所述的高分子是聚丙烯腈(PAN)，聚氧化乙烯(PEO)，聚乙二醇(PEG)，聚乙烯醇(PVA)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚氨酯(PU)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚氯乙烯，聚乳酸(PLA)，聚砜，芳纶，聚3羟基丁酸酯(PHB)，3羟基丁酸与3羟基戊酸共聚酯(PHBV)，尼龙66(PA66)，尼龙6(PA6)等有机化合物。

步骤(1)中所述的溶剂是水，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)，乙醇，乙二醇，丙二醇，二氯甲烷，三氯甲烷，二氯乙烷，四氢呋喃(THF)，乙醚，三氯乙烯，环己醇，二甲亚砜(DMSO)，三氟乙醇中的一种或几种混合溶剂。

步骤(2)中所述的添加剂是三乙醇胺，三乙醇胺油酸皂，脂肪胺聚氧乙烯醚，苄基三甲基氯化铵，苄基三乙基氯化铵，苄基三丁基氯化铵，十二烷基二甲基氧化胺，烷基醇酰胺磷酸脂，氯化钠，氯化钾，磷酸氢钠中的一种以或其中几种的混合；添加剂浓度(以纺丝原液计)为0～5wt％。

步骤(3)中所述的静电纺丝参数为：电压5kV～50kV，喷口孔径1μm～2mm，溶液流速1μl/min～100μl/min，纺丝环境温度0～100℃，纺丝环境相对湿度45％～80％，卷绕速度1～600r/min。

本发明提供的制备方法通过获得单根纳米纤维或单轴纤维束，对其进行收集编织得到超细静电纺纤维纱线，可拓宽静电纺纤维产品的应用领域。

附图说明

图1制备所得的PHBV静电纺纤维纱线的扫描电镜照片；

图2制备所得的PAN静电纺纤维纱线的普通照片；

图3制备所得的PAN静电纺纤维纱线的扫描电镜照片；

图4制备所得的PLLA静电纺纤维纱线的扫描电镜照片；

图5制备所得的PVA静电纺纤维纱线的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)将经提纯的3羟基丁酸与3羟基戊酸共聚酯(PHBV)1.0g溶解于三氯甲烷/酒精混合溶剂99g(88/11)中，获得质量分数为1wt％的透明均一的溶液；

(2)将质量分数为0.3wt％的苄基三乙基氯化铵加入溶液中，以改善溶液的纺丝特性；

(3)以所制备的静电纺原液进行静电纺。纺丝参数控制在电压10kV，喷口孔径0.4mm，溶液流速1ml/h，环境温度30℃，空气相对湿度65％，卷绕速度230r/min；

(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；

(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；

(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。

所制备的PHBV静电纺纤维纱线的扫描电镜照片如图1所示。

实施例2

(1)将经提纯的PAN10g溶解于，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)(90g)中，获得质量分数为10wt％PAN的透明均一的溶液；

(3)以所制备的静电纺原液进行静电纺。纺丝参数控制在电压9kV，喷口孔径0.05mm，溶液流速1.5ml/h，环境温度50℃，空气相对湿度50％，卷绕速度300r/min；

(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；

(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；

(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。

图2为PAN静电纺纤维纱线的普通照片，图3为PAN静电纺纤维纱线的扫描电镜照片。

实施例3

(1)将经提纯的聚乳酸(PLA)12g溶解于二氯甲烷/DMF混合溶剂88g(50/33)中，获得质量分数为12wt％的透明均一的溶液；

(2)将质量分数为0.5wt％的氯化钠加入溶液中，以改善溶液的纺丝特性；

(3)以所制备的静电纺原液进行静电纺。纺丝参数控制在电压17kV，喷口孔径0.8mm，溶液流速3.6ml/h，环境温度25℃，空气相对湿度70％，卷绕速度180r/min。

(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；

(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；

(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。

图4为所制得PLA静电纺纤维纱线的扫描电镜照片。

实施例4

(1)将经提纯的聚乙烯醇(PVA)10g溶解于H₂O 90g中，获得质量分数为10wt％的透明均一的溶液；

(2)将质量分数为0.2wt％的磷酸氢钠加入溶液中，以改善溶液的纺丝特性；

(3)以所制备的静电纺原液进行静电纺。纺丝参数控制在电压17kV，喷口孔径0.2mm，溶液流速0.6ml/h，环境温度50℃，空气相对湿度60％，卷绕速度120r/min。

(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；

(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；

(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。

图5为所制得的PVA静电纺纤维纱线的扫描电镜照片。

Claims

1.一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，包括下列步骤：

(1)将高分子溶解于溶剂中制得均一的溶液；

(2)将添加剂加入溶液中；

(4)利用接地针尖靠近喷口，将静电纺出的纤维诱导集束；

(5)将集束纤维束向后拖拽经过加捻装置加捻；

(6)将加捻后的连续纱线经卷绕装置卷绕在筒管上。

2.根据权利要求1所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的高分子是聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乳酸、聚砜、芳纶、聚3羟基丁酸酯、3羟基丁酸、3羟基戊酸共聚酯、尼龙66或尼龙6。

3.根据权利要求2所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：所述的高分子是3羟基丁酸与3羟基戊酸共聚酯、聚丙烯腈、聚乳酸或聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的溶剂是水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺，、乙醇、乙二醇、丙二醇、二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、乙醚、三氯乙烯、环己醇、二甲亚砜、三氟乙醇中的一种或几种混合溶剂。

5.根据权利要求4所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：所述的溶剂是三氯甲烷/酒精混合溶剂、二氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺或水。

6.根据权利要求1所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的添加剂是三乙醇胺、三乙醇胺油酸皂、脂肪胺聚氧乙烯醚、苄基三甲基氯化铵、苄基三乙基氯化铵、苄基三丁基氯化铵、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺磷酸脂、氯化钠、氯化钾、磷酸氢钠中的一种或其中几种的混合。

7.根据权利要求6所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：所述的添加剂是苄基三乙基氯化铵、N，N-二甲基甲酰胺、氯化钠或磷酸氢钠。

8.根据权利要求1所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的添加剂浓度为0～5wt％。

9.根据权利要求1所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的静电纺丝参数为：电压5kV～50kV，喷口孔径1μm～2mm，溶液流速1μl/min～100μl/min，纺丝环境温度0～100℃，纺丝环境相对湿度45％～80％，卷绕速度1～600r/min。

10.根据权利要求1所述的一种超细静电纺纤维纱线的连续制备方法，其特征在于：所获得的超细静电纺纤维纱线直径为1μm～500μm，纱线中单丝直径为100nm～2μm。