CN101787580B - 利用联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的方法。使用同轴嵌套的多个注射装置将聚合物溶液挤出到基底上，通过三维操作平台的移动和溶液在拉伸过程中溶剂的蒸发，制备同轴微米纤维。本发明利用聚合物溶液的粘弹性特性，对其进行拉伸成丝，不需要复杂的静电设备；整个制备过程耗时短，耗能少，效率高；在材料方面仅用到少量的聚合物溶液，材料成本低；可以在特定位置制备单根微米级纤维或微米级纤维阵列，其阵列结构可自由调节；适用于聚合物纤维的制备；通过对溶剂参数和操作参数的调整，可以更为精确的控制同轴微米纤维的直径。
Description
技术领域
本发明涉及同轴微米级纤维的定向拉伸制备，具体涉及是一种利用联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的方法。
背景技术
随着纳米技术的不断发展，多层同轴微纳米级纤维在越来越多的领域得到了广泛的应用。例如，可以用同轴纳米纤维制备生物工程支架，将人工合成聚合物作为内层、天然聚合物作为外层形成双层纳米纤维基质，那么得到的基质就具有人工合成聚合物纤维基质的机械特性，而又有天然聚合物纤维基质的细胞相容性。又如，可以将对制成的双层纳米纤维进行后处理，去掉芯部，得到单层纳米纤维管。
现有的可工业应用的同轴微纳纤维制备技术主要是联合静电纺丝法。使用该方法尽管可以制备直径从几百个纳米到几个微米的同轴聚合物纤维，但通常只能获得方向随意弯曲的、纤维连续的无纺垫结构，而无法在特定位置制备纤维机构。而更重要的是联合静纺对纤维每层的直径控制非常困难，因此，有必要发展出新的聚合物同轴微纳米级纤维制备方法，以达到在特定位置制备特定直径微纳米级同轴纤维结构的目的，从而使同轴纳米纤维在适应更多领域的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的方法，降低制备成本和简化制备工艺，同时具有对纤维直径更精确的控制，达到在需要位置制备所需直径的同轴微米级纤维结构的要求。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
使用同轴嵌套的多个注射装置将聚合物溶液挤出到基底上，通过三维操作平台的移动和溶液在拉伸过程中溶剂的蒸发，制备同轴微米纤维；该方法的具体步骤如下：
(1)在同轴嵌套的注射装置中分别装入由挥发性溶剂和不同聚合物溶质组成的溶液，为了防止出现内外层相互渗透，相邻层应使用同一种溶剂，聚合物溶液的质量浓度为15％-30％；
(2)注射装置的针头为同轴金属针头，该针头由多个直径不同的微型针管同轴嵌套而成，将三维微操作平台和三维手动操作平台固定在底座上，再将局部加热装置固定在三维微操作平台上，基底则水平安装在局部加热装置上，而注射装置则垂直安装于三维手动操作移动平台上面，保证注射装置尖端对准基底，而注射装置中的同轴针管后端分别与各自对应的微量注射泵相连；
(3)调节三维手动操作平台以调节注射装置同轴金属针头相对于基底的初始位置，同时使针尖贴近基底，保证基底材料与溶液的接触角在30°以内，在三维微操作平台上装有局部加热装置，控制基底温度为25℃-80℃；
(4)待金属针头位置设定完毕后，锁定三维手动操作平台，使用微量注射泵将溶液从同轴金属针头中挤出，并粘着到基底上，等待小于5秒后，控制载有基底的三维微操作平台移动从而对挤出的溶液进行拉伸，在拉伸过程中，溶液中的溶剂蒸发，聚合物溶质发生固化，最终形成悬空的微米级多层同轴纤维。
所述的挥发性溶剂为二甲基甲酰胺、氯苯或二甲苯；所述的聚合物溶质为聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
利用聚合物溶液的粘弹性特性，对其进行拉伸成丝，不需要复杂的静电设备；整个制备过程耗时短，耗能少，效率高；在材料方面仅用到少量的聚合物溶液，材料成本低；可以在特定位置制备单根微米级纤维或微米级纤维阵列，其阵列结构可自由调节；适用于聚合物纤维的制备；通过对溶剂参数和操作参数的调整，可以更为精确的控制微米级(500纳米到20微米)同轴纤维的直径。
附图说明
图1是联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的示意图。
图2是牵引成丝流程图。
图中：1、底座，2、三维微操作平台，3、同轴针头，4、同轴针管，5、内层溶液，6、外层溶液，7、基底，8、局部加热装置，9、三维手动操作平台，10、微量注射泵，11、调整针头至需要成丝的位置上方，并将针头贴近基底，12、，使用微量注射泵挤出溶液，使溶液粘着在基底表面，13、载有基底的三维微操作平台向成丝方向反向移动，14、牵引过程中，溶剂不断挥发，聚合物溶质固化，15、拉伸完成，针头离开基底，悬空的微米级同轴纤维结构形成。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明的具体步骤如下：
(1)在同轴嵌套的注射装置中分别装入由挥发性溶剂和聚合物溶质组成的溶液，为了防止出现内外层相互渗透，相邻层应使用同一种溶剂，聚合物溶液的质量浓度越高，对应的纤维层直径越大；
(2)注射装置的针头为同轴金属针头，该针头由多个直径不同的微型针管同轴嵌套而成，将三维微操作平台2和三维手动操作平台9固定在底座1上，再将基底7水平安装在三维微操作平台2上，而将注射装置垂直安装于三维手动操作移动平台9上面，保证注射装置尖端对准基底7，而注射装置中的同轴针管后端分别与各自对应的微量注射泵相连；
(3)调节三维手动操作平台以调节注射装置同轴金属针头相对于基底的初始位置，同时使针尖贴近基底，基底的材料应根据溶液进行选取，并保证基底材料与溶液的接触角在30°以内，在三维微操作平台上装有局部加热装置，为了适应聚合物成丝的要求，控制基底温度为60℃-70℃；
(4)待同轴针头位置设定完毕后，锁定三维手动操作平台，使用各自的微量注射泵10将溶液从同轴金属针头中挤出，并粘着到基底上，等待1-5秒后，控制载有基底的三维微操作平台以5-25毫米每秒的速率移动，从而对挤出的溶液进行拉伸，等待时间越长，那么得到的纤维直径越大，但是等待时间不应超过5秒，而移动速率越快，得到的纤维直径越小，在拉伸过程中，溶液中的溶剂蒸发，材料发生固化，最终形成悬空的微米级多层同轴纤维。
所述的挥发性溶剂为二甲基甲酰胺；所述的内层聚合物溶质为聚氨酯，外层聚合物溶质为聚偏氟乙烯；内层溶液质量浓度为20％，外层溶液质量浓度为20％；基底采用的材料为聚酰亚胺；微量注射泵流量控制在10微升每小时；溶液挤出到基底上至开始拉伸之间的等待时间为2秒；三维微操作平台拉伸移动速率控制在15毫米每秒；得到的同轴纤维悬空部分外径为10微米，悬空部分长度控制在5毫米。
本发明采用的同轴嵌套的多个注射装置由两层同轴针头3和两层同轴针管4构成，内层装内层溶液5，外层装外层溶液6，。
如图2所示是牵引成丝流程图，图2a中的11是调整针头至要成丝的位置上方；图2b中的12是将针头贴近基底，再使用微量注射泵挤出溶液；图2c中的13是载有基底的三维微操作平台向成丝方向反向移动；图2d中的14是牵引过程中，溶剂不断挥发，聚合物溶质固化；图2e中的15是拉伸完成，针头离开基底，悬空的同轴微米级纤维结构形成。
Claims (2)
1.一种利用联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的方法，其特征在于：使用同轴嵌套的多个注射装置将聚合物溶液挤出到基底上，通过三维微操作平台的移动和溶液在拉伸过程中溶剂的蒸发，制备同轴微米纤维；该方法的具体步骤如下：
(1)在同轴嵌套的注射装置中分别装入由挥发性溶剂和不同聚合物溶质组成的溶液，为了防止出现内外层相互渗透，相邻层应使用同一种溶剂，聚合物溶液的质量浓度为15％-30％；
(2)注射装置的针头为同轴金属针头，该针头由多个直径不同的微型针管同轴嵌套而成，将三维微操作平台和三维手动操作平台固定在底座上，再将局部加热装置固定在三维微操作平台上，基底则水平安装在局部加热装置上，而注射装置则垂直安装于三维手动操作平台上面，保证注射装置尖端对准基底，而注射装置中的同轴针管后端分别与各自对应的微量注射泵相连；
(3)调节三维手动操作平台以调节注射装置同轴金属针头相对于基底的初始位置，同时使针尖贴近基底，保证基底材料与溶液的接触角在30°以内，在三维微操作平台上装有局部加热装置，控制基底温度为25℃-80℃；
(4)待金属针头位置设定完毕后，锁定三维手动操作平台，使用微量注射泵将溶液从同轴金属针头中挤出，并粘着到基底上，等待小于5秒后，控制载有基底的三维微操作平台移动从而对挤出的溶液进行拉伸，在拉伸过程中，溶液中的溶剂蒸发，聚合物溶质发生固化，最终形成悬空的微米级多层同轴纤维。
2.根据权利要求1所述的一种利用联合牵引成丝装置制备同轴微米纤维的方法，其特征在于：所述的挥发性溶剂为二甲基甲酰胺、氯苯或二甲苯；所述的聚合物溶质为聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氨酯。
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