CN102828261A

CN102828261A - 一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置及方法

Info

Publication number: CN102828261A
Application number: CN2012103482257A
Authority: CN
Inventors: 王新厚; 韩万里; 李储林
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Anhui deep breathing Textile Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: CN102828261B

Abstract

本发明涉及一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置及方法，装置包括溶液槽、转轴、高压静电发生装置、接收装置管、静电纺丝端，所述溶液槽上表面开放，所述溶液槽上方设有转轴，所述转轴可导电并连接高压静电发生装置，所述转轴两端连接转动驱动装置；所述转轴左右两侧分别固定有固定装置，所述转轴外表面且位于两个固定装置之间位置包有接收装置管，所述转轴连接若干组静电纺丝端；所述静电纺丝端包括绝缘棒和两个支架，所述绝缘棒两端分别通过支架连接转轴左右两侧的固定装置；方法为使用该装置来制备纳米纤维管。本发明能够快速化均匀化制备纳米纤维管，可采用多根绝缘棒，并消除了它们相互之间的干扰，产量高，成本低，能耗低。

Description

一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置及方法

技术领域

本发明属静电纺丝技术领域，特别是涉及一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置及方法。

背景技术

静电纺丝技术始于20世纪30年代，是一种直接生产纳米纤维的常用方法。该方法工艺流程短，操作简单，其产品多用于高效的过滤材料、生物医学材料、化学传感器等高科技领域。

传统的静电纺丝设备是将注射器挤出的聚合物溶液置于高压静电场中，带电的聚合物液滴在电场库仑力的作用下被拉伸。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成非织造布状的微、纳米纤维膜。传统静电纺丝方法所制备的产品用途狭窄且产量低，如果需要制备纳米纤维管，则需带有转动和横动装置的收集设备，比较费时费力。近年来，为了制备静电纺丝纳米纤维管，人们提出了不同的静电纺丝方法和装置，如东华大学专利基于复合纳米纤维的小口径管状支架静电纺丝的制备方法（申请号：201010101356.6，公开号CN 101829366A）,同济大学专利并列式静电纺丝血管收集器（申请号：200810204349.1，公开号：CN101474105A）装置都为单针头式纺丝设备，可以制得纳米纤维管状材料。前者接收装置依靠高转速（500～1000转/分钟）来达到纺丝的均匀，后者则配置横动和转动装置，因而设备配备成本高。而且，由于单针头纺丝，产量很低且容易堵塞针头，供液装置复杂，在制备医用材料时增加了感染的几率，维护较为困难。

欧洲专利（WO2005024101）设计了一种无喷头纳米纤维纺丝机：它是通过带有正电荷的金属棒旋转汲取溶液并将溶液带出到金属棒的表面以形成Taylor锥，在静电场作用下拉伸成丝接收到外面的接收装置。但实验证明，当金属棒在聚合物溶液中旋转时，在高压静电作用下，会四处飞溅，无法集中收集到接收装置。同时根据Simon L.Gorenr和S.Tomotika等人关于液体自由表面不稳定性的研究认为液滴的形成与电极自由表面的直径有很大的关系，只有电极直径小于某一临界值时才能形成稳定的液滴进行纺丝，如果上述专利电极金属棒直径较大时，溶液会在电极表面成为膜状，难以拉伸成丝；而直径较小时却又无法满足大批量生产的目的。而本发明装置，纳米纤维收集装置接有正电极，而一定细度的绝缘棒为纺丝部件，利用由外到内的纺丝方式，不仅可以通过增加电极的数目来达到成倍提高产量的目的，而且电场分布均匀，避免了电极间的干扰而引起的纤维丝飞溅，能够稳定地进行纺丝，使生产过程更加的稳定。另我们因此使用绝缘电极（玻璃棒，聚四氟乙烯棒等），防止多个导体针头或电极彼此间引起电场的相互干扰，严重影响纺丝质量和效率，同时欧洲专利（WO2005024101）所制备的产品为纳米纤维片状材料，如要制备纳米纤维管，则需添加转动和横动装置，这样更增加了设备成本与能耗。

针对以上静电纺丝装置或方法制备纳米纤维管所存在的问题，我们设计了一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置及方法以克服上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置及方法，能够快速化均匀化制备纳米纤维管。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，包括溶液槽、转轴、高压静电发生装置、接收装置管、静电纺丝端，所述溶液槽上表面开放，所述溶液槽上方设有转轴，所述转轴可导电并连接高压静电发生装置，所述转轴两端连接转动驱动装置；所述转轴左右两侧分别固定有固定装置，所述转轴外表面且位于两个固定装置之间位置包有接收装置管，所述转轴连接若干组静电纺丝端；所述静电纺丝端包括绝缘棒和两个支架，所述绝缘棒两端分别通过支架连接转轴左右两侧的固定装置。

所述转轴采用金属材料制成，长度为30～40cm，直径为2～3cm，转速为4～8r/min。

所述转轴连接2组或8组静电纺丝端。

所述支架为可伸缩支架。

所述可伸缩支架包括支架外层、支架中层、支架内层，此三层相互嵌套组成可伸缩支架。

所述转轴与绝缘棒之间距离为50～60cm。

一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝方法，包括下列步骤：

1）将一定量的高分子聚合物溶解于溶液或去离子水中，得到高分子聚合物溶液；

2）将高分子聚合物溶液倒入溶液槽中；

3）启动转动驱动装置以驱动转轴，并带动绝缘棒绕转轴旋转；

4）确认绝缘棒在旋转到转轴正下方时，能够浸泡在溶液槽内；

5）调节高压静电发生装置的输出电压，启动高压静电发生装置，开始静电纺丝；

6）在接收装置管外表面生成纳米纤维管产物；

7）先关闭高压静电发生装置，后关闭转动驱动装置，取下接收装置管外表面的纳米纤维管，制备工作结束。

所述的步骤1中，所述高分子聚合物为聚氧化乙烯或聚环氧乙烷或聚乳酸或聚羟基丁酸戊酸共聚酯，分子量为10万～100万。

所述的步骤5中，高压静电发生装置输出电压为50～60KV。

所述的步骤7后，增加以下步骤：采用高分子可降解纤维编织成网状导管套在制得的纳米纤维管上，拉伸固定，再次执行步骤3至步骤7，制得三层夹心式静电纺丝纤维导管。

有益效果

本发明相比现有技术具有下列有益效果：

1）该装置为无针头式静电纺丝装置，其绝缘棒表面可形成多个均匀的Taylor锥，静电纺丝产量高，高效率制备纳米纤维管；

2）静电纺丝端采用绝缘棒，消除了彼此之间电场的干扰，可采用多根绝缘棒，且电荷集中在绝缘棒上的聚合物溶液中，有利于有效快速纺丝和牵伸制备纳米纤维；

3）纳米纤维的接收方向集中统一，接收距离相等，避免了纳米纤维乱飞造成浪费，也保障了纤维的均匀性，提高了静电纺丝生产效率和产品质量，降低了能量消耗；

4）接收装置管与高压静电装置采用统一转动装置，无需溶液控制装置，减少了设备配套成本；

5）可以通过增加绝缘棒数量以及绝缘棒与接收装置管的长度进一步提高产量；

6）可以通过替换纺丝溶液的方式，制造多种材料复合的多层纤维管材。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图（立体图）；

图2为本发明装置结构示意图（主视图）；

图3为本发明装置结构示意图（侧视图）；

图4为可伸缩支架的多层套管示意图；

1．高压静电发生装置 2．溶液槽 3．转轴 4．固定装置 5．接收装置管 6．支架7．绝缘棒 8．高分子聚合物溶液 61．支架外层 62．支架中层 63．支架内层

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。

如图1～图4所示，本发明一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，包括溶液槽2、转轴3、高压静电发生装置1、接收装置管5、静电纺丝端，所述溶液槽2上表面开放，所述溶液槽2上方设有转轴3，所述转轴3可导电并连接高压静电发生装置1，所述转轴3两端连接转动驱动装置；所述转轴3左右两侧分别固定有固定装置4，所述转轴3外表面且位于两个固定装置4之间位置包有接收装置管5，所述转轴3连接若干组静电纺丝端；所述静电纺丝端包括绝缘棒7和两个支架6，所述绝缘棒7两端分别通过支架6连接转轴3左右两侧的固定装置4。

所述转轴3采用金属材料制成，长度为30～40cm，直径为2～3cm，转速为4～8r/min。

所述转轴3连接2组或8组静电纺丝端。

所述支架6为可伸缩支架。

所述可伸缩支架包括支架外层61、支架中层62、支架内层63，该三层相互嵌套组成可伸缩支架。

所述转轴3与绝缘棒7之间距离为50～60cm。

1）将一定量的高分子聚合物溶解于溶液或去离子水中，得到高分子聚合物溶液8；

2）将高分子聚合物溶液8倒入溶液槽2中；

3）启动转动驱动装置以驱动转轴3，并带动绝缘棒7绕转轴3旋转；

4）确认绝缘棒7在旋转到转轴3正下方时，能够浸泡在溶液槽2内；

5）调节高压静电发生装置1的输出电压，启动高压静电发生装置1，开始静电纺丝；

6）在接收装置管5外表面生成纳米纤维管产物；

7）先关闭高压静电发生装置1，后关闭转动驱动装置，取下接收装置管5外表面的纳米纤维管，制备工作结束。

所述的步骤5中，高压静电发生装置1输出电压为50～60KV。

以下通过具体的实施例进一步说明本发明：

实施例1

称取127.7g聚氧化乙烯（PEO，分子量10万）溶解于2000mL去离子水中，采用水浴法制成质量浓度为6%透明无沉淀的纺丝液，并将其倒入溶液槽2中。转轴3长度为30cm，直径为2cm，转速为6r/min，转轴3上套有接收装置管5，直径为2.1cm。调节支架6，使转轴3到绝缘棒7距离为50cm，施加电压为60KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维管，纤维直径分布在300～500nm之间，纤维纳米管直径为2.4±0.01cm，平均产量为15g/h/m。

实施例2

将聚环氧乙烷（PEO，分子量100万）173.9g溶解于2000mL去离子水中，在常温水域中搅拌配制成质量浓度为8%透明无沉淀的聚合物纺丝液，并将其倒入溶液槽2中。转轴3长度为35cm，直径为2cm，转速为4r/min，转轴3上套有接收装置管5，直径为2.05cm。转轴3到绝缘棒7距离为60cm，施加电压为60KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维管，纤维直径分布在240～470nm之间，纤维纳米管直径为2.2±0.01cm，平均产量为14g/h/m。

实施例3

将聚乳酸（PLLA，相对分子质量为1.0×10⁵）197.8g溶解于2000mL去离子水中，在常温水域中搅拌配制成质量浓度为9%透明无沉淀的聚合物纺丝液，将其倒入溶液槽2中。转轴3长度为40cm，直径为3cm，转速为4r/min，转轴3上套有接收装置管5。直径为3.05cm。调节支架6，使转轴3到绝缘棒7距离为60cm，施加电压为50KV。按照上述实施步骤，制得纳米纤维管，纤维直径分布在240～430nm之间，纤维纳米管直径为3.2±0.01cm，平均产量为13g/h/m。

实施例4

将聚羟基丁酸戊酸共聚酯PHBV溶解于体积比为2:1～10:1的三氯甲烷/丙酮溶液中，搅拌均匀，得到PHBV质量百分比为5～15%的PHBV/三氯甲烷/丙酮混合溶液将上述混合溶液倒入溶液槽2中。转轴3长度为30cm，直径为2.5cm，转速为8r/min，转轴3上套有接收装置管5，直径为2.6cm。转轴3到绝缘棒7距离为50cm，施加电压为60KV得到纤维管，将高分子可降解纤维编织成2.8cm的网状导管套在上述纤维管上，拉伸固定，再次进行混合溶液的静电纺丝覆盖网状导管，这样就可以制备三层夹心式静电纺丝纤维导管。制得纳米纤维直径分布在300～450nm之间，纤维纳米管直径为2.8±0.02cm,平均产量为20g/h/m。

Claims

1.一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，包括溶液槽（2）、转轴（3）、高压静电发生装置（1）、接收装置管（5）、静电纺丝端，其特征在于：所述溶液槽（2）上表面开放，所述溶液槽（2）上方设有转轴（3），所述转轴（3）可导电并连接高压静电发生装置（1），所述转轴（3）两端连接转动驱动装置；所述转轴（3）左右两侧分别固定有固定装置（4），所述转轴（3）外表面且位于两个固定装置（4）之间位置包有接收装置管（5），所述转轴（3）连接若干组静电纺丝端；所述静电纺丝端包括绝缘棒（7）和两个支架（6），所述绝缘棒（7）两端分别通过支架（6）连接转轴（3）左右两侧的固定装置（4）。

2.如权利要求1所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述转轴（3）采用金属材料制成，长度为30～40cm，直径为2～3cm，转速为4～8r/min。

3.如权利要求1所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述转轴（3）连接2组或8组静电纺丝端。

4.如权利要求1所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述支架（6）为可伸缩支架。

5.如权利要求4所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述可伸缩支架包括支架外层（61）、支架中层（62）、支架内层（63），此三层相互嵌套组成可伸缩支架。

6.如权利要求1所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，其特征在于：所述转轴（3）与绝缘棒（7）之间距离为50～60cm。

7.一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝方法，使用如权利要求1所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝装置，其特征在于，包括下列步骤：

1）将高分子聚合物溶解于溶液或去离子水中，得到高分子聚合物溶液（8）；

2）将高分子聚合物溶液（8）倒入溶液槽（2）中；

3）启动转动驱动装置以驱动转轴（3），并带动绝缘棒（7）绕转轴（3）旋转；

4）确认绝缘棒（7）在旋转到转轴（3）正下方时，能够浸泡在溶液槽（2）内；

5）调节高压静电发生装置（1）的输出电压，启动高压静电发生装置（1），开始静电纺丝；

6）在接收装置管（5）外表面生成纳米纤维管产物；

7）先关闭高压静电发生装置（1），后关闭转动驱动装置，取下接收装置管（5）外表面的纳米纤维管，制备工作结束。

8.如权利要求7所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝方法，其特征在于：所述的步骤1中，所述高分子聚合物为聚氧化乙烯或聚环氧乙烷或聚乳酸或聚羟基丁酸戊酸共聚酯，分子量为10万～100万。

9.如权利要求7所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝方法，其特征在于：所述的步骤5中，高压静电发生装置（1）输出电压为50～60KV。

10.如权利要求7所述的一种用于制备纳米纤维管的无喷头静电纺丝方法，其特征在于：所述的步骤7后，增加以下步骤：采用高分子可降解纤维编织成网状导管套在制得的纳米纤维管上，拉伸固定，再次执行步骤3至步骤7，制得三层夹心式静电纺丝纤维导管。