CN101994162A - 微流体静电纺丝装置 - Google Patents

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王清清
魏取福
李学佳
董宪君
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Abstract

本发明属于纺织领域，它公开了一种微流体静电纺丝装置，它包括双通道注射泵、微流体装置、高压电源和滚筒接收装置，其特征是在传统的静电纺丝装置中加入了微流体装置，注射泵为双通道注射泵可独立控制两个通道的注射器的推进速度。本发明可以纺出具有可预测结构的多组分复合纳米纤维，而且还能实现现有静电纺丝技术很难做到的精细控制复合纳米纤维中各组分间的比例，结构简单、操作方便、工艺流程短、所纺复合纳米纤维具有结构和功能上的独特性。

Description

微流体静电纺丝装置
技术领域
本发明属于纺织领域，它涉及一种微流体静电纺丝装置。
技术背景
目前广泛使用的传统的静电纺丝设备是由注射泵、高压电源、接收板三部分组成的。其工作原理是：将聚合物溶液或熔体带上几千万至上万伏高压静电，带电液滴在电场力作用下克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流在电场力、黏滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲、旋转以及鞭动。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维膜。近几年来，由于纳米科技研究的迅速升温，使得静电纺丝这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术激起了人们对其进行深入研究的浓厚兴趣。静电纺丝现已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法，目前，静电纺纳米纤维的功能结构多样化引起了广泛关注，主要手段有两种物质共混，溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化纳米纤维，共聚、接枝以及同轴静电纺丝等等。但是这些方法制备的纤维结构具有不可预测性，所以，通过装置的改进制备结构可控的多功能纳米纤维是制备功能化纳米纤维的一个必要步骤。而微流体静电纺丝装置的出现很好地解决了这一问题。微流体技术最早被认识到的优点是它能很精细地控制和操作液体以及液体界面。当一相液体流向另一相时两相会融合并借助层流形成分明的界面。在过去的15年里，微流体的这些特点被广泛用在为可预测可控制的化学反应、生化反应以及合成提供合适的环境。微流体方法用于快速混合以及精细地控制试剂浓度可以为纳米颗粒的形成提供精确的条件。
发明内容
为了能纺出具有可预测结构的多组分复合纳米纤维，而且还能实现现有静电纺丝技术很难做到的精细控制复合纳米纤维中各组分间的比例，本发明提供了一种微流体静电纺丝装置。
技术方案
一种微流体静电纺丝装置，包括双通道注射泵1、微流体装置(4、5、6、7)、高压电源和滚筒接收装置8，所述的微流体静电纺丝装置各部件间通过PVC软管3连接，在高压电源产生的静电场中被抽拉牵伸的丝由滚筒收集装置收集。
所述的双通道注射泵可独立控制两个注射器，两个注射器的推进速度可单独设置。
与现有技术相比本发明的优点是：
本发明可以在微流体装置中对两相溶液进行精密混合，纺出微观结构可预测成分比例可调控的纳米纤维，结构简单、操作方便、工艺流程短、所纺复合纳米纤维具有结构和功能上的独特性。
附图说明
图1是本发明所述的微流体静电纺丝装置外观示意图：1-双通道注射泵；2-针筒；3-PVC软管；4-注射器配套针头；5-内管；6-外管；7-针头；8-滚筒
图2对应图1中A点俯视图
图3本发明在静电纺丝过程中两相溶液微观运动及最终纳米纤维形成的原理图
图4借助本发明所述的微流体静电纺丝装置所纺纳米纤维的TEM图
具体实施方式
本发明采取的一种微流体辅助混合两相溶液的用于制备结构可预测成分比例可精细调控的微流体静电纺丝装置，主要包括双通道注射泵1、微流体装置(4、5、6、7)、滚筒收集装置8以及高压电源四个部分。其中高压电源采用DW-P503-4AC CD高压直流电源；纺丝液的在内外管的流速由JZB-1800D双通道注射泵控制；滚筒用QJ1510S直流稳定电源传动。其纺丝工艺为：打开双通道注射泵开关调节内外毛细管对应的针筒的流速配比→打开高压电源，调整电压，开始纺丝→打开直流稳定电源，滚筒转动→调节内外相流速比从而控制两种纺丝液在纳米纤维中的比例→纺丝完毕后，关闭双通道注射泵，停止输液→关掉高压电源，停止纺丝→关掉直流电源开关，滚筒停止转动→从滚筒上取下所纺复合纳米纤维膜。
通过如下方法实现的：
双通道注射泵
双通道注射泵能独立精密地控制两种纺丝液的流速，使得两种纺丝液以一定的比例混合，最终形成两相成分具有一定配比的纳米纤维。
(2)微流体装置的混合作用及静电场的拉伸作用
微流体装置可以很好地精细控制操作流体和流体界面，体积在微微升到微微微升范围的流体可以在精确的时间被控制、分离或结合，此外，还可以通过在开放毛细管内简单地扩散来达到混合的目的。当一种液体流向另一种液体并汇聚时借助层流作用会形成非常尖锐且界限分明的界面。微流体的这些性质被广泛用于为化学和生物化学反应及合成提供可预测的以及可控制的环境。
当两种溶液在微流体毛细管中汇合时，会由于两种流体的基本性质不同而形成乳液或层流，如图3所示。内相溶液在电场中被牵伸并合并，形成具有皮-芯结构的纳米纤维。
本发明的一个实施例：内相溶液为6wt％的聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液，外相溶液为8wt％的聚醋酸乙烯酯/甲乙醇溶液，纺丝电压15kv，接收距离100mm，纺丝流量外相1mL/h、内相0.5mL/h。所纺纤维为皮-芯结构，如图4所示。

Claims (7)

1.一种微流体静电纺丝装置，包括双通道注射泵、微流体装置、高压电源和滚筒接收装置，两种不同的纺丝液由双通道注射泵推出，在微流体装置中形成稳定的两相分离结构，然后在高压电源产生的静电场中抽拉牵伸形成纳米纤维，由滚筒装置收集。其特征是：溶液在微流体装置中混合并形成稳定的两相后进行静电纺丝。
2.如权利要求1所述的微流体静电纺丝装置，其特征是：所述的微流体装置是由两根毛细玻璃管(其中一根的外径小于另一根的内径，外径较小的毛细管作为内管，插入外管中适当位置)粘在玻璃基片上并在与内管接触的外管端口处用针头和胶水封住。
3.如权利要求2所述的微流体静电纺丝装置，其特征是：内管所用的毛细玻璃管插入外管的一端被拉伸成锥形。
4.如权利要求1所述的微流体静电纺丝装置，其特征是：所述的滚筒收集装置为包覆铝箔的铁质滚筒，由机械控制收集纺丝
5.如权利要求1所述的微流体静电纺丝装置，其特征是：双通道注射泵控制内外相液体的推进，其推进速度可单独控制，互不影响。
6.如权利要求1～5任意一权利要求所述的微流体静电纺丝装置，其特征是：所用的微流体装置材料和连接用的软管是绝缘的。
7.如权利要求6所述的微流体静电纺丝装置，其特征是：所用连接软管为PVC管，内径等于内管外径。
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