CN104278345A - 一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置以及采用该装置的方法，注射器吸取聚合物溶液；推进泵将聚合物溶液从注射器中推出，通过导管后从针头末端挤出；被挤出的聚合物溶液受与针头连接的电压发生器的静电力作用形成射流，射向金属丝芯层上；金属丝芯层具有一定速度的自转，使得射流均匀的包覆在金属丝芯层表面；金属丝芯层被其末端具有一定转速的辊筒卷绕装置卷绕，实现皮芯结构复合单纤维的连续生产。本发明结构简单、操作方便，将接收装置改变为一根可自转的金属丝，防止纺丝液快速凝固，使得静电纺射流均匀的包覆在金属丝芯层表面，在过滤、催化、能量转换、药物负载等方面有很好的应用前景。

Description

一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置及方法
技术领域
本发明涉及一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置及方法，属于制备聚合物纳米纤维技术领域。
背景技术
静电纺丝法是制备聚合物纳米纤维的常见方法，有设备简单，易于操作且所得纤维稳定等优点。一般的静电纺装置是将聚合物溶液或熔体以一定的速度从较细的针管中挤出，静电力使纺丝液形成泰勒锥，纤维从泰勒锥顶端射出，射流中溶剂在飞行过程中挥发，从而在负极接收极板上收集到纳米纤维。
一般情况下，负极的接收极板为垂直于射流的金属板，具有一定转速的辊筒，或是液体接收极，同时传统的静电纺一般设定接收距离较长，以使得纺丝液有足够的时间凝固，这样就会造成静电纺射流存在不稳定扰动，使得最终所得的纳米纤维以无序或具有一定取向的无纺布毡形式存在，大大限制了纳米纤维的应用领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供了一种结构简单、操作方便、防止纺丝液快速凝固的制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置及方法，解决了传统的静电纺设定接收距离较长，且负极的接收极板为垂直于射流的金属板，导致纺丝液快速凝固的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置，其特征在于，包括推进泵，推进泵上的活动端与注射器的压缩端连接，注射器的出口端通过导管与针头的一端连接，针头的中间段与电压发生器的正极连接，电压发生器的负极通过金属丝芯层与辊筒卷绕装置连接，金属丝芯层的外侧套设有皮层，金属丝芯层与电压发生器的负极连接的一端接地。
一种采用静电纺装置制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：注射器吸取聚合物溶液；
步骤2：推进泵将聚合物溶液从注射器中推出，通过导管后从针头末端挤出；
步骤3：被挤出的聚合物溶液受与针头连接的电压发生器的静电力作用形成射流，射向金属丝芯层上；
步骤4：金属丝芯层具有一定速度的自转，使得射流均匀的包覆在金属丝芯层表面；
步骤5：金属丝芯层被其末端具有一定转速的辊筒卷绕装置卷绕，实现皮芯结构复合单纤维的连续生产。
优选地，所述的推进泵为速度可调的推进泵，其可调速度范围为0.1～5ml/h。
优选地，所述的聚合物溶液的溶液质量分数为6～20％。
优选地，所述的金属丝芯层为直径在0.05～1mm之间的均匀圆形金属丝。
优选地，所述的金属丝芯层的自转速度为10～1000 r/min。
优选地，所述的辊筒卷绕装置的卷绕速度为1～1000m/min。
优选地，所述的电压发生器可产生0～50kV的静电压。
优选地，所述的针头末端到金属丝芯层的距离为5～300mm之间。
本发明结构简单、操作方便，通过改变负极接收端的接收装置，将接收装置改变为一根可自转的金属丝，再通过调整静电纺过程中的其他参数，制备出了一种以金属丝为芯层，以聚合物纳米纤维为皮层的皮芯结构复合单纤维，防止纺丝液快速凝固，使得静电纺射流均匀的包覆在金属丝芯层表面，在过滤、催化、能量转换、药物负载等方面有很好的应用前景。
附图说明
图1为一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置的结构示意图。
其中：1为推进泵，2为注射器，3为导管，4为针头，5为电压发生器，6为皮层，7为金属丝芯层，8为辊筒卷绕装置。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置，如图1所示，其包括：推进系统、接收系统和电压发生器5。三个系统相互协调配合，完成不同形态的皮芯结构复合单纤维的制备。推进系统包括推进泵1，推进泵1上的活动端与注射器2的压缩端连接，注射器2的出口端通过导管3与针头4的一端连接，接收系统包括金属丝芯层7，金属丝芯层7的一端与辊筒卷绕装置8连接，金属丝芯层7的外侧套有皮层6，针头4的中间段与电压发生器5的正极连接，金属丝芯层7的另一端接地且与电压发生器5的负极连接。导管3为聚四氟乙烯导管，皮层6为聚合物纳米纤维皮层。
通过该静电纺装置可以制备皮芯结构复合单纤维，并采用近场静电纺或常规静电纺实现，推进系统只要负责纺丝液(即聚合物溶液)的定速推送。
首先规格为5ml的注射器2吸取聚合物溶液(溶液质量分数为6～20％)，由一台速度可调的推进泵1以一定的速度(0.01～5ml/h)将聚合物溶液挤出注射器1(近场静电纺的推进速度一般要小于常规静电纺)，经过聚四氟乙烯导管，最终从针头4末端挤出；电压发生器5产生的0～50kV的电压(近场静电纺所需电压一般小于常规静电纺)，电压发生器5正负极分别于推进系统的末端针头4和接收系统的金属丝芯层7相连，针头4末端到金属丝芯层7的距离为5～300mm之间(近场静电纺的接收距离一般在5～50mm之间，而常规静电纺则在30～300mm之间)，被挤出的纺丝液受静电力作用形成射流，射向接收系统中的金属丝芯层7上；接收极为直径0.05～1mm的圆形均匀金属丝，同时其具有一定速度的自转(10～1000r/min)，使得射流均匀的包覆在金属丝芯层7表面，另外，由于金属丝芯层7末端有一定转速的卷绕装置(0.1～50m/min)卷绕，实现皮芯结构复合单纤维的连续生产。
通过控制装置中的各个参数，实现不同形态皮芯结构复合单纤维的制备。
实施例1
纺丝液为10％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，采用常规静电纺装置，用5ml注射器吸取溶液，推进速度设定为1ml/h，电压发生器输出电压设为15kV，接收距离设定为150mm，用直径为0.4mm的金属丝芯层作为接收极，金属丝芯层自转速度为60 r/min，金属丝芯层末端卷绕速度为6 m/min，进行静电纺实验。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.5mm左右，纳米纤维之间贴合不紧密，皮层纤维整体比较蓬松。
实施例2
纺丝液为8％的PHBV/三氯甲烷溶液，采用常规静电纺装置，用5ml注射器吸取溶液，推进速度设定为1.2 ml/h，电压发生器输出电压设为18kV，接收距离设定为150mm，用直径为0.4mm的金属丝芯层作为接收极，金属丝芯层自转速度为60 r/min，金属丝芯层末端卷绕速度为6 m/min，进行静电纺实验。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.3mm左右，纳米纤维之间贴合比较紧密。
实施例3
纺丝液为6％的聚偏氟乙烯/DMF丙酮复配溶液，采用常规静电纺装置，用5ml注射器吸取溶液，推进速度设定为1 ml/h，电压发生器输出电压设为15kV，接收距离设定为150mm，用直径为0.4mm的金属丝芯层作为接收极，金属丝芯层自转速度为60 r/min，金属丝芯层末端卷绕速度为6 m/min，进行静电纺实验。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.1mm左右，纳米纤维之间贴合比较紧密，且形成具有串珠结构的纳米纤维相互缠结。
实施例4
纺丝液为10％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，采用近场静电纺装置，用5ml注射器吸取溶液，推进速度设定为0.1 ml/h，电压发生器输出电压设为2kV，接收距离设定为10mm，用直径为0.4mm的金属丝芯层作为接收极，金属丝芯层自转速度为60 r/min，金属丝芯层末端卷绕速度为3 m/min，进行静电纺实验。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，皮层厚度为0.05mm左右，皮层未观察到明显的纳米纤维，主要是因为射流未凝固即射到金属丝芯层上，使得纤维之间相互粘连。

Claims (9)

1.一种制备皮芯结构复合单纤维的静电纺装置，其特征在于，包括推进泵(1)，推进泵(1)上的活动端与注射器(2)的压缩端连接，注射器(2)的出口端通过导管(3)与针头(4)的一端连接，针头(4)的中间段与电压发生器(5)的正极连接，电压发生器(5)的负极通过金属丝芯层(7)与辊筒卷绕装置(8)连接，金属丝芯层(7)的外侧套设有皮层(6)，金属丝芯层(7)与电压发生器(5)的负极连接的一端接地。
2.一种采用如权利要求1所述的静电纺装置制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：注射器(2)吸取聚合物溶液；
步骤2：推进泵(1)将聚合物溶液从注射器(2)中推出，通过导管(3)后从针头(4)末端挤出；
步骤3：被挤出的聚合物溶液受与针头(4)连接的电压发生器(5)的静电力作用形成射流，射向金属丝芯层(7)上；
步骤4：金属丝芯层(7)具有一定速度的自转，使得射流均匀的包覆在金属丝芯层(7)表面；
步骤5：金属丝芯层(7)被其末端具有一定转速的辊筒卷绕装置(8)卷绕，实现皮芯结构复合单纤维的连续生产。
3.如权利要求2所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的推进泵(1)为速度可调的推进泵，其可调速度范围为0.1～5ml/h。
4.如权利要求2所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的聚合物溶液的溶液质量分数为6～20％。
5.如权利要求2所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的金属丝芯层(7)为直径在0.05～1mm之间的均匀圆形金属丝。
6.如权利要求5所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的金属丝芯层(7)的自转速度为10～1000 r/min。
7.如权利要求2所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的辊筒卷绕装置(8)的卷绕速度为1～1000m/min。
8.如权利要求2所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的电压发生器(5)可产生0～50kV的静电压。
9.如权利要求2所述的一种制备皮芯结构复合单纤维的方法，其特征在于，所述的针头(4)末端到金属丝芯层(7)的距离为5～300mm之间。
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