CN103572388A - 一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法，装置包括阶梯状无针式喷丝头、供液系统、溶液回收槽、接收板以及高压静电发生器，所述的供液系统包括推进器、绝缘棒、储液容器；所述的阶梯状无针式喷丝头中心为一圆柱形空心处，两根直径不同的输液导管在圆柱形空心处沿轴向同心配置；所述两根直径不同的输液导管分别与壳层储液容器和芯层储液容器相连接；所述的阶梯状无针式喷丝头底部放置所述的溶液回收槽；方法为使用上述高效无针式同轴静电纺丝装置进行纺丝。本发明的梯状无针式喷头可以避免针头堵塞现象，且容易清洗，稳定性好；本发明的静电纺丝方法有效提高了核壳结构纳米纤维的生产效率，可实现核壳结构纳米纤维的连续和规模化生产。

Description

一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法
技术领域
本发明属于同轴静电纺丝领域，特别涉及一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法。
背景技术
静电纺丝技术是目前制造纳米纤维的一种简单可行方法，其设备简单、操作容易、制备成本低，得到了学术界和工业界的广泛关注。采用静电纺丝技术制备的纳米纤维直径较小，具有很高的比表面积及孔隙率，这些优异的特性使纳米纤维在生物医学、过滤防护、能源、催化、传感材料、吸声材料等应用中发挥着重要作用。
传统的静电纺丝技术使用单一的毛细针管作为喷丝头，通常仅能制备单一结构的纳米纤维。为了发挥纳米纤维的潜在应用价值，在传统静电纺丝技术的基础上，通过改进传统静电纺丝装置，将单一的毛细管喷丝口改进为同心轴配置的复合毛细管喷丝头，即由同轴配置的两个毛细管相互嵌套而成。同轴电纺时，将壳层和芯层纺丝溶液分别由两个不同的注射泵进行供液，在高压静电场作用下，能够获得具有功能化的核壳结构纳米纤维。当芯层溶液载入生物、光学等活性物质后，核壳结构纳米纤维将在组织工程、药物缓释、催化等领域具有广阔的潜在应用价值。
目前对于同轴静电纺丝的研究已取得了一定的突破，但该技术仍停留在实验室阶段。传统同轴静电纺丝装置的生产效率较低，是这种技术从实验室走向产业化生产和应用的最大障碍。目前对于静电纺丝纳米纤维规模化制备的研究仅限于制备单一结构的纳米纤维，尚未有用于规模化制备核壳结构纳米纤维的规模化同轴静电纺丝装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法，该纺丝装置避免了传统同轴静电纺丝技术容易产生的堵塞现象，容易清洗，稳定性好，而且该纺丝装置能够实现核壳纳米纤维的批量化生产，大幅提高生产效率。
本发明的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，包括阶梯状无针式喷丝头、供液系统、溶液回收槽、接收装置以及高压静电发生器五部分，所述的阶梯状无针式喷丝头上方设有所述的接收装置，所述的阶梯状无针式喷丝头底部放置有溶液回收槽，所述的阶梯状无针式喷丝头下方设有与高压发生器相连的接线柱；
所述的阶梯状无针式喷丝头中心为一空心处，所述的供液系统的输出端置入所述的阶梯状无针式喷丝头的空心处；所述的阶梯状无针式喷丝头为圆形阶梯状，具有三层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层边缘内侧与水平成45°，外侧与水平成60°。
所述的空心处为圆柱形，其轴线与所述的阶梯状无针式喷丝头的中轴线重合，空心处含有内、外两根直径不同的导管，其中内管与外管同轴配置，所述外管直径与圆柱形空心处的直径相同，内管直径为外管直径的1/2，外管顶端高度与所述阶梯状无针式喷丝头顶层边缘相同，内管顶端高度高于所述阶梯状无针式喷丝头顶层边缘3-4mm。
所述的供液系统包括两套供液装置，其中第一供液装置和第二供液装置分别装有芯层和壳层纺丝溶液，且第一供液装置和第二供液装置的输出端分别与所述阶梯状无针式喷丝头中心处内外管相连。
所述的两套供液装置的组成相同，均包括储液容器、绝缘棒、推进器；所述推进器控制纺丝溶液的流速，所述的推进器通过绝缘棒与储液容器相连。
所述的阶梯状无针式喷丝头从顶层至底层的直径依次为65mm、85mm、105mm，每层之间的高度差为10mm，边缘厚度为1mm。
所述的溶液回收槽采用绝缘材质制成，放置于所述的阶梯状无针式喷丝头底部，以便对过量的纺丝液进行回收。
所述的溶液回收槽采用有机玻璃制备。
本发明的一种静电纺丝方法，该方法采用上述的高效无针式同轴静电纺丝装置进行静电纺丝。
上述静电纺丝的具体步骤包括：
将梯状无针式喷丝头上的接线柱连接高压发生器正电极；推进器通过绝缘棒推动水平放置的储液容器，向梯状无针式喷丝头中持续供应壳层和芯层聚合物纺丝溶液，开始静电纺丝，通过收集板收集，形成核壳结构纳米纤维。
本发明中推进器通过绝缘棒推动储液容器向梯状无针式喷丝头中持续供应壳层和芯层聚合物纺丝溶液，壳层溶液覆盖在芯层溶液上面，纺丝溶液从梯状无针式喷丝头的顶层沿梯状无针式喷丝头表面至上而下流入下一层，最终使梯状无针式喷丝头的每一层边缘都覆盖有均匀的壳层和芯层纺丝溶液；当电压达到一定值时，电场力将克服纺丝溶液自身的表面张力而形成许多泰勒锥，在梯状无针式喷丝头每一层边缘处形成大量同轴射流，通过收集板收集，形成核壳结构纳米纤维。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用的梯状无针式喷丝头，可以避免传统同轴静电纺丝针头结构装置易堵塞现象的发生，无需频繁更换和清洗喷丝孔，且极大地提高了核壳结构纳米纤维的生产效率，可实现核壳结构纳米纤维的连续和规模化生产。本发明可有效解决传统针头式同轴静电纺丝容易堵塞、效率低下以及清洗困难等弊端。
本发明对传统同轴静电纺丝喷头进行了改进，采用该喷头装置进行核壳结构纳米纤维的生产，在一定程度上提高了同轴静电纺丝的生产效率，可以实现核壳结构纳米纤维的批量化生产。
有益效果：
（1）本发明的梯状无针式喷头可以避免针头堵塞现象，且容易清洗，稳定性好；
（2）本发明的静电纺丝方法有效提高了核壳结构纳米纤维的生产效率，可实现核壳结构纳米纤维的连续和规模化生产。
附图说明
图1是本发明实施例的高效无针式同轴静电纺丝装置示意图；
图2是本发明实施例的梯状无针式喷头侧视图；
图3是本发明实施例的供液装置结构示意图；
图4是采用实施例的静电纺丝梯状无针式喷头纺PAN/PU核壳结构纳米纤维扫描电镜图；
图5是采用实施例的静电纺丝梯状无针式喷头纺PAN/PU核壳结构纳米纤维透射电镜图。
附图中标号说明：
1-梯状无针式喷头；2-供液系统；3-溶液回收槽；4-收集装置；5-高压发生器；6-内管；7-外管；8-储液容器；9-绝缘棒；10-推进器。
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
采用图1所示的高效无针式同轴静电纺丝装置进行同轴静电纺丝，芯层溶液选用质量浓度为8%的聚丙烯腈（PAN）溶液，壳层溶液采用12%的聚氨酯（PU）溶液，装有芯层溶液的储液容器输出端置入梯状无针式喷头1中部圆柱形空心外管7中，装有壳层溶液的储液容器输出端置入梯状无针式喷头1中部圆柱形空心内管6中，芯层纺丝溶液和壳层纺丝溶液在各自推进器作用下从梯状无针式喷头1顶层沿梯状无针式喷头表面自上而下留下，使梯状无针式喷头每一层边缘都覆盖有两层纺丝溶液。此时将高压发生器的电压调到55kV，梯状无针式喷头每一层边缘都产生大量同轴射流。采用此方法制备的核壳结构纳米纤维的直径大多分布于500～600nm之间，芯层直径268nm，壳层直径558nm，见扫描电镜图4（纳米纤维毡的扫描电镜图，放大倍数3000倍，平均直径约为532nm）和透射电镜图5。梯状无针式喷头消耗溶液量为8ml/min，纺得的纳米纤维的产量约为50g/h。
实施例2
如图1和图2所示，一种高效无针式同轴静电纺丝装置，包括阶梯状无针式喷丝头1、供液系统2、溶液回收槽3、接收装置4以及高压静电发生器5五部分，其特征在于，所述的阶梯状无针式喷丝头1上方设有所述的接收装置4，所述的阶梯状无针式喷丝头1底部放置有溶液回收槽3，所述的阶梯状无针式喷丝头1下方设有与高压发生器5相连的接线柱；所述的阶梯状无针式喷丝头1中心为一空心处，所述的供液系统2的输出端置入所述的阶梯状无针式喷丝头1的空心处；所述的阶梯状无针式喷丝头1为圆形阶梯状，具有三层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层边缘内侧与水平成45°，外侧与水平成60°。
所述的空心处为圆柱形，其轴线与所述的阶梯状无针式喷丝头1的中轴线重合，空心处含有内、外两根直径不同的导管，其中内管6与外管7同轴配置，所述外管直径与圆柱形空心处的直径相同，内管直径为外管直径的1/2，外管顶端高度与所述阶梯状无针式喷丝头顶层边缘相同，内管顶端高度高于所述阶梯状无针式喷丝头1顶层边缘3-4mm。
所述的供液系统2包括两套供液装置，其中第一供液装置和第二供液装置分别装有芯层和壳层纺丝溶液，且第一供液装置和第二供液装置的输出端分别与所述阶梯状无针式喷丝头1中心处内外管相连。

Claims (8)

1.一种高效无针式同轴静电纺丝装置，包括阶梯状无针式喷丝头（1）、供液系统（2）、溶液回收槽（3）、接收装置（4）以及高压静电发生器（5）五部分，其特征在于，所述的阶梯状无针式喷丝头（1）上方设有所述的接收装置（4），所述的阶梯状无针式喷丝头（1）底部放置有溶液回收槽（3），所述的阶梯状无针式喷丝头（1）下方设有与高压发生器（5）相连的接线柱；
所述的阶梯状无针式喷丝头（1）中心为一空心处，所述的供液系统（2）的输出端置入所述的阶梯状无针式喷丝头（1）的空心处；所述的阶梯状无针式喷丝头（1）为圆形阶梯状，具有三层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层边缘内侧与水平成45°，外侧与水平成60°。
2.根据权利要求1所述的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，其特征在于：所述的空心处为圆柱形，其轴线与所述的阶梯状无针式喷丝头（1）的中轴线重合，空心处含有内、外两根直径不同的导管，其中内管（6）与外管（7）同轴配置，所述外管直径与圆柱形空心处的直径相同，内管直径为外管直径的1/2，外管顶端高度与所述阶梯状无针式喷丝头顶层边缘相同，内管顶端高度高于所述阶梯状无针式喷丝头（1）顶层边缘3-4mm。
3.根据权利要求1所述的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，其特征在于：所述的供液系统（2）包括两套供液装置，其中第一供液装置和第二供液装置分别装有芯层和壳层纺丝溶液，且第一供液装置和第二供液装置的输出端分别与所述阶梯状无针式喷丝头（1）中心处内外管相连。
4.根据权利要求3所述的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，其特征在于：所述的两套供液装置的组成相同，均包括储液容器（8）、绝缘棒（9）、推进器（10）；所述推进器（10）控制纺丝溶液的流速，所述的推进器（10）通过绝缘棒（9）与储液容器（8）相连。
5.根据权利要求1所述的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，其特征在于：所述的阶梯状无针式喷丝头（1）从顶层至底层的直径依次为65mm、85mm、105mm，每层之间的高度差为10mm，边缘厚度为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，其特征在于：所述的溶液回收槽（3）采用绝缘材质制成。
7.根据权利要求1或6所述的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，其特征在于：所述的溶液回收槽（3）采用有机玻璃制备。
8.一种静电纺丝方法，其特征在于：该方法采用如权利要求1-7任一所述的高效无针式同轴静电纺丝装置进行静电纺丝。
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