CN102230231A

CN102230231A - 一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置及其应用

Info

Publication number: CN102230231A
Application number: CN2011101632999A
Authority: CN
Inventors: 余灯广; 王霞; 李颖; 钱微; 李晓燕
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: CN102230231B

Abstract

本发明公开一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置及利用其进行制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法。所述装置包括注射器1、轴流注射泵1、注射器2、轴流注射泵2、高压电源、粉末接收板及红外辐射源；注射器1通过高弹软硅胶管与注射器2的注射针头的前端形成同轴纺丝喷头；高压电源通过鳄鱼钳与注射器2的注射针头的后端相连接，高压电源与粉末接收板共同接地，红外辐射源置于注射器针头的喷口和粉末接收板中间。制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法包括溶液的配制、喷雾，同时用红外辐射源照射进行辅助干燥等2个步骤。本发明制备方法简单，适于工业化生产；所得核壳结构聚合物纳米粒干燥充分、直径小、并可调控。

Description

一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置及其应用

技术领域

本发明属聚合物微纳米颗粒的制备领域，特别是涉及一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置及其在制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒的应用。

背景技术

高压静电喷雾技术是一种自上而下(top-down)的微纳米制造技术，通过外加电场力克服喷头尖端液滴的液体表面张力和粘弹力而形成射流，在静电斥力、库仑力和表面张力共同作用下，被雾化后的液体射流被高频分裂，经溶剂挥发或熔体冷却在接收端得到微纳米级颗粒。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料范围广泛、可控性强、并且可以通过喷头设计制备具有微观结构特征的微纳米颗粒，应用该技术制备聚合物基功能微纳米体系具有良好的应用前景。

但是到目前为止，文献报道都是高压静电喷雾技术所用的装置，一般用于喷涂制备二维微纳米平面。而在制备三维微纳米颗粒上，一般都需要都过反向热气流辅助干燥，或者通过接受端的凝固浴作用获得分散的微纳米颗粒。这些反向热气流或者凝固浴的使用不仅使得高压静电喷雾装置复杂化，而且使得喷雾工艺过程的调节控制难度增大。

发明内容

本发明的目的之一是为了解决现有技术中存在的技术问题而提供一种红外辐射辅助高压静电喷雾装置。

本发明的目的之二利用上述的一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒。

本发明的技术方案

一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾，如图1所示，包括将芯液注射器2、芯液轴流注射泵1、鞘液注射器4、鞘液轴流注射泵3、高压电源9、粉末接收板8及红外辐射源7；

所述的鞘液注射器4与高弹软硅胶管5的一端相连，芯液注射器2的注射针头的前端从高弹软硅胶管5的侧面插入到高弹硅胶软管5内并与其另一端形成同轴纺丝喷头6；

其中芯液注射器2固定在芯液轴流注射泵1上，鞘液注射器4固定在鞘液轴流注射泵3上，高压电源9通过鳄鱼钳与芯液注射器2的注射针头的后端相连接，高压电源9与粉末接收板8共同接地，红外辐射源7置于同轴纺丝喷头6的喷口和粉末接收板8中间的高压电场内，可以移动，辐射方向为朝向粉末接收板8。

所述的高压电源9提供电压为0～60kV；

所述的红外辐射源7的功率300～1000W，可调节；

所述的芯液注射器2的注射针头的外径为0.1～1.0mm，壁厚为0.1～0.2mm，同轴纺丝喷头6的喷口，即芯液注射器2的注射针头的喷口与粉末接收板8的距离为15～30cm，所述的高弹硅胶软管5的内径为2mm，壁厚1mm。

一种利用上述的具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

（1）、内芯、外鞘溶液的配制；

内芯溶液的配制：将核聚合物溶解于其良性溶剂进行直接配制；

所述的核聚合物为聚丙烯腈（PAN）或尼龙；

外鞘溶液的配置：将壳聚合物溶解于其良性溶剂进行直接配制；

所述的壳聚合物为聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯酸树脂；

（2）、用上述的红外辐射辅助高压静电喷雾装置，将外鞘溶液装入鞘液注射器4内，内芯溶液装入芯液注射器2内，在高压电场于从同轴纺丝喷头6的喷口处一起进行高压静电喷雾，同时采用功率范围为300～1000W的红外辐射源照射粉末接收板8的雾化区，进行辅助干燥，最终制备出具有核壳结构聚合物微纳米颗粒。

由于所述的红外辐射源的功率可调，即根据喷雾溶液情况，增大或减小红外辐射源照射功率，辅助聚合物微纳米颗粒迅速干燥；

由于所述的红外辐射源在同轴纺丝喷头与粉末接收端之间的高压电场内可以移动，以调控聚合物微纳米粒的尺寸；

高压静电喷雾过程控制同轴纺丝喷头6的喷口与粉末接收板8距离为15～30cm，电压为5～20Kv，鞘液注射器4内的外鞘溶液流速为1～3ml/h，芯液注射器4内的内芯溶液流速为0.2～0.6 ml/h。

本发明的有益技术效果

本发明的利用一种红外辐射辅助高压静电喷雾装置制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒额方法，由于简单有效地将静电高压雾化液滴的作用与红外辐射相结合，可以单步直接制备出具有核壳结构的聚合物微纳米粒子，因此本发明的制备方法具有制备工艺简单，且适合于工业化生产。

再有，由于红外辐射源的功率可调，根据喷雾溶液情况，增大或减小红外辐射源照射功率，可以辅助具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒迅速干燥，从而缩短干燥所用的时间。

另外，还由于红外辐射源在同轴纺丝喷头与接收端之间的高压电场内可以移动，从而可以调控具有核壳结构的聚合物微纳米粒的尺寸，即制备出直径可调的具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒。

附图说明

图1、具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置示意图: 1为芯液轴流注射泵、2为芯液注射器、3为鞘液轴流注射泵、4为鞘液注射器、5为高弹软硅胶管、6为同轴纺丝头、7为红外辐射源、8为粉末接收板、9为高压电源；

图2a、未加红外辐射的具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒的FESEM图；

图2b、加红外辐射的具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒的FESEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。即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。另外，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。

本发明所用的仪器

偏光显微镜，XP-700型（上海长方光学仪器厂）。

偏光显微镜与数码相机（PowerShot 640，日本佳能）直接相连。

本发明实施例中制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法所用的装置，即红外辐射辅助高压静电喷雾装置中：

采用削平的针头(5号不锈钢注射针头，内径0.5mm)作为芯液喷射细流的毛细管，即注射针头；

高压电源，ZGF2000型，上海苏特电器有限公司生产；

微量注射泵，KDS100型，美国Cole-Parmer^®公司生产；

粉末接收板采用铝箔包裹板，长宽高为200cm×200cm×200cm，厚1mm；

红外辐射源，JD010型, 功率300～1000W, 上海杰顿机械有限公司。

实施例 1

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包裹聚丙烯腈（PAN）的核壳结构微纳米球制备方法，包括如下步骤：

（1）、将3.0 g PAN粉末在4℃下分散于100 毫升DMAc中，然后在60℃水浴摇床中振摇过夜成淡黄色均匀透明溶液，作为内芯溶液；

将20.0 g PVP K17粉末在常温下溶解于100 毫升乙醇中，作为外鞘溶液；

（2）、将步骤（1）所得的内芯溶液和外鞘溶液分别加入到芯液注射器及鞘液注射器中通过红外辐射辅助高压静电喷雾装置进行高压静电喷雾；

高压静电喷雾过程控制鞘液注射器内的外鞘溶液流速为1～3ml/h，芯液注射器内的内芯溶液流速为0.2～0.6 ml/h；

芯液注射器的注射器针头的喷口与粉末接收板距离为25cm,电压18 kV，环境温度为(12±1) ℃，环境湿度为67±4%，最终得到PVP包裹PAN的核壳结构微纳米颗粒，颗粒直径为1.6±0.7μm。

所述的红外辐射辅助，即以红外辐射源直接照射在射流雾化区域，红外辐射光线可以与射流成直角，也可以以大于30°以上锐角对着接收板照射。

所述红外辐射辅助高压静电喷雾装置的芯液注射器的注射针头内孔径0.5 mm，外径为1mm，所述的高弹硅胶软管的内径为2.0mm，所述的粉末接收板采用铝箔包裹板，长宽高为200cm×200cm×200cm，厚1mm。

上述的内芯/外鞘聚合物溶液液流量由两台单通道微量轴流注射泵(KDS100，美国Cole-Parmer^®公司)控制，也可优选采用一台双通道微量轴流注射泵(KDS200，美国Cole-Parmer^®公司)但采用不同体积的注射器进行调控。

对照实施例 1

不使用红外辐射源，其他均同实施例1。

将在实施例1使用红外辐射装置和对照实施例1不使用红外辐射装置的情况下，通过高压静电喷雾制备的PVP包裹PAN的具有核壳结构微纳米颗粒进行场扫描电镜观察，观察前进行表面喷碳处理, 电压15 kV。最终结果见图2a、图2b。

从图2a中可以看出，在不使用红外辐射装置的情况下，由于纯粹电喷雾过程不能完全干燥颗粒，使得颗粒粘连一起。

从图2b中可以看出，在使用红外辐射装置的情况下，由于红外辅助干燥作用，微纳米颗粒干燥基本完全，颗粒之间没有粘连现象。同时由于红外辐射引起的快速干燥，使得壳皮干燥更快，在进一步的干燥过程中，引起颗粒外表面局部塌陷情况，出现坑坑洼洼的情况，但不影响使用效果和核壳结构。

以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置，包括轴流注射泵1、轴流注射泵2、注射器1、注射器2、高压电源、粉末接收板，其特征在于还包括红外辐射源；

其中注射器1固定在轴流注射泵1上，注射器2固定在轴流注射泵2上，注射器1通过高弹软硅胶管与注射器2的注射针头的前端形成同轴纺丝喷头；

高压电源通过鳄鱼钳与注射器2的注射针头的后端相连接，红外辐射源位于同轴纺丝喷头的喷口和粉末接收板中间，位置可调，辐射方向为朝向粉末接收板；

高压电源与粉末接收板共同接地。

2.如权利要求1所述的具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置，其特征在于所述的高压电源提供电压为0～60kV。

3.如权利要求2所述的具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置，其特征在于所述的注射器2的注射针头的外径为0.1～1.0 mm，壁厚0.1～0.2mm，所述的高弹软硅胶管内径为2mm，壁厚1mm；

所述的同轴纺丝喷头的喷口，即注射器2的注射针头的喷口与粉末接收板的距离为15～30cm。

4.如权利要求3所述的具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置，其特征在于所述的红外辐射源功率为300～1000W ，其在同轴纺丝喷头的喷口和接收板中间的位置可调。

5.利用如权利要求1～4任一所述的具有同轴纺丝喷头的红外辐射辅助高压静电喷雾装置制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、内芯、外鞘溶液的配置；

所述的核聚合物为聚丙烯腈或尼龙；

所述的壳聚合物为聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯酸树脂；

（2）、将外鞘溶液装入注射器1内，内芯溶液装入注射器2内，在高压电场下从同轴纺丝喷头的喷口处进行高压静电喷雾，同时用红外辐射源照射接收板的雾化区进行辅助干燥，最终得到具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒。

6.如权利要求5所述的制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法，其特征于

高压静电喷雾过程控制注射器2的注射器针头的喷口与粉末接收板距离为

15～30cm，电压5～20kV，注射器1内的外鞘溶液流速为1～3ml/h，注射器

2内的内芯溶液流速为0.2～0.6 ml/h。

7.如权利要求6所述的制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法，其特征于

高压静电喷雾过程控制注射器2的注射器针头的喷口与粉末接收板距离为20～25 cm ,电压8～12kV，注射器1内的外鞘溶液流速为1.5 ml/h，注射器2内的内芯溶液流速为0.3 ml/h。

8.如权利要求5所述的制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法，其特征于高压静电喷雾过程根据喷雾溶液情况，增大或减小红外辐射源照射功率以辅助具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒迅速干燥。

9.如权利要求5所述的制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法，其特征于红外辐射源在同轴纺丝喷头的喷口与粉末接收板之间的高压电场内移动，以调控具有核壳结构的聚合物微纳米粒的尺寸。

10.如权利要求5所述的制备具有核壳结构的聚合物微纳米颗粒方法，其特征于步骤（2）所述的用红外辐射源照射粉末接收板的雾化区，即红外辐射光线以与射流成直角或以大于30°以上锐角，对着粉末接收板照射。