CN104611772A - 一种批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，包括第一供液装置、第二供液装置、无针式同轴静电纺丝喷头、纤维收集装置和高压发生器，其中，所述的无针式同轴静电纺丝喷头包括外层溶液喷丝头和设于外层溶液喷丝头内侧的内层溶液喷丝头，外层溶液喷丝头和内层溶液喷丝头和分别与第一供液装置和第二供液装置连接，第一供液装置和第二供液装置中分别设有外层溶液和内层溶液，内层溶液在无针式同轴静电纺丝喷头边缘处沿轴向覆盖在外层溶液上面形成同轴复合溶液，在高压发生器产生的高压静电场的作用下，沿无针式同轴静电纺丝喷头边缘轴向形成多个同轴纺射流。本发明可以批量制备具有皮芯结构的纳米纤维毡。

Description

一种批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种同轴静电纺丝装置，具体涉及批量制备同轴结构纳米纤维的静电纺丝装置。

背景技术

静电纺纳米纤维由于具有较小的直径和较高的比表面积，使其在生物医用材料、过滤、催化、能源、光电等领域发挥了巨大的作用。传统的静电纺丝技术采用单针头进行纺丝，只能制备单一结构的纳米纤维。2002年，科学家Loscertales发明了第一台同轴静电喷雾设备，之后一些科学家将这一技术运用到静电纺丝领域，通过改造喷头结构，发展了同轴静电纺丝技术，能够制备具有皮芯结构的纳米纤维。由于同轴纺纳米纤维具有特殊的结构，使其被应用到越来越多的潜在领域，尤其是被用于药物缓释体系、组织工程支架等生物医学领域。

目前的同轴静电纺丝技术主要集中在实验室规模的使用，以单轴静电纺丝为基础发展而来，主要区别在于使用了不同结构的喷丝口。普通静电纺丝技术使用的喷丝口是单轴毛细管，而改进后的同轴喷丝口为同心轴的复合毛细管。皮层溶液和芯层溶液分别装在两个推进容器中，皮层溶液在外力驱动下从内外层喷丝口之间的环状空隙处流出；芯层溶液从内毛细管流出。因为内管直径较小，故其置于直径较大的外层毛细喷头内并保持同轴，所以皮层和芯层溶液在同轴纺丝装置内并不接触，而在同轴喷头端口处汇集并形成复合液滴。对复合液滴施加高压电场，其表面富集大量电荷。当电荷聚集到一定程度时，静电场力将复合液滴拉伸成复合的Taylor锥。复合的Taylor锥被进一步牵伸后形成皮芯结构的射流，由于在牵伸的过程中剧烈鞭动，随着溶剂在细流牵伸过程中快速挥发和射流的逐渐细化，最终得到皮芯结构的同轴纳米纤维。

喷嘴处的同心圆环结构实现了同时将两种可混溶或不可混溶的溶液进行静电纺丝的可能性，从而最终得到具有二级机构的皮芯纳米纤维。这种制备皮芯结构纳米纤维的方法操作简单，在纤维的均匀性和连续性方面都要好于其他的加工方法。通过选择不同的聚合物，可以使皮芯结构纳米纤维的皮层具有良好的生物相容性、感光性等，而纤维芯层则具备较好的机械性能。当皮层载入生物、化学、光学或电学活性物质后，皮芯结构纳米纤维在药物控制释放、组织工程、催化、传感等领域具有广泛的应用潜力。但实验室使用的同轴静电纺丝装置普遍使用毛细管为喷丝头，很大程度上限制了同轴纳米纤维的生产效率，使其无法得到大规模的生产应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有同轴静电纺丝技术效率低下的问题，提供一种方便且可批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置，通过该装置中的无针式同轴静电纺丝喷头可以同时形成大量同轴纺射流，大幅提高同轴静电纺丝的效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，包括第一供液装置、第二供液装置、无针式同轴静电纺丝喷头、纤维收集装置和高压发生器，高压发生器的正极与无针式同轴静电纺丝喷头连接，高压发生器的负极与纤维收集装置连接，其中，所述的无针式同轴静电纺丝喷头包括外层溶液喷丝头和设于外层溶液喷丝头内侧的内层溶液喷丝头，所述的内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头皆为喇叭形，内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头同轴设置，外层溶液喷丝头和内层溶液喷丝头和分别与第一供液装置和第二供液装置连接，第一供液装置和第二供液装置中分别设有外层溶液和内层溶液，内层溶液在无针式同轴静电纺丝喷头边缘处沿轴向覆盖在外层溶液上面形成同轴复合溶液，在高压发生器产生的高压静电场的作用下，沿无针式同轴静电纺丝喷头边缘轴向形成多个同轴纺射流。

优选地，所述的批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置还包括纺丝溶液回收槽，所述的纺丝溶液回收槽的中部设有通孔，所述的无针式同轴静电纺丝喷头设于所述的通孔中，无针式同轴静电纺丝喷头的内层溶液和外层溶液在第二供液装置和第一供液装置的驱动下，在无针式同轴静电纺丝喷头的边缘处溢出，并沿无针式同轴静电纺丝喷头的外表面流向纺丝溶液回收槽。

优选地，所述的纤维收集装置接地。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用无针式同轴静电纺丝喷头，避免了喷头易堵塞的情况，且可同时产生大量同轴纺丝射流，纺丝效率大幅提高，可实现同轴纳米纤维的规模化生产。亦可增大同轴结构纳米纤维毡的幅宽，从而扩大同轴纤维的应用。本发明装置结构简单，操作方便，生产效率高，在高压静电场中能同时形成大量的同轴静电纺射流，批量制备具有皮芯结构的纳米纤维毡。

附图说明

图1为一种批量制备同轴结构纳米纤维的静电纺丝装置结构示意图。

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

如图1所示，为批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置结构示意图，所述的批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置包括第一供液装置1、第二供液装置6、无针式同轴静电纺丝喷头3、纤维收集装置4和高压发生器5，高压发生器5的正极与无针式同轴静电纺丝喷头3连接，高压发生器5的负极与纤维收集装置4连接，所述的纤维收集装置4接地。所述的无针式同轴静电纺丝喷头3包括外层溶液喷丝头和设于外层溶液喷丝头内侧的内层溶液喷丝头，所述的内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头皆为喇叭形，内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头同轴设置，外层溶液喷丝头和内层溶液喷丝头和分别与第一供液装置1和第二供液装置6连接，第一供液装置1和第二供液装置6中分别设有外层溶液和内层溶液，内层溶液在无针式同轴静电纺丝喷头3边缘处沿轴向覆盖在外层溶液上面形成同轴复合溶液，在高压发生器5产生的高压静电场的作用下，沿无针式同轴静电纺丝喷头3边缘轴向形成多个同轴纺射流。

所述的批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置还包括纺丝溶液回收槽2，所述的纺丝溶液回收槽2的中部设有通孔，所述的无针式同轴静电纺丝喷头3设于所述的通孔中，无针式同轴静电纺丝喷头3的内层溶液和外层溶液在第二供液装置6和第一供液装置1的驱动下，在无针式同轴静电纺丝喷头3的边缘处溢出，并沿无针式同轴静电纺丝喷头3的外表面流向纺丝溶液回收槽2。

在同轴纳米纤维批量纺丝过程中，首先调节第一供液装置1、第二供液装置6，使内外层溶液沿无针式同轴静电纺丝喷头3边缘处均匀覆盖，并保持流动状态，内外层溶液在高压静电场作用下沿无针式同轴静电纺丝喷头3边缘形成大量泰勒锥，随着电压的增大形成大量射流，无针式同轴静电纺丝喷头的外层溶液带动覆盖其上的内层溶液形成同轴纺丝射流。过量的内外层纺丝溶液经无针式同轴静电纺丝喷头3的边缘沿其表面流向纺丝溶液回收槽2；纤维收集装置4接地，用于同轴纳米纤维毡的连续收集，其与无针式同轴静电纺丝喷头3之间的纺丝距离可以根据工艺参数进行调节；高压发生器5的正极与无针式同轴静电纺丝喷头3相连，在无针式同轴静电纺丝喷头3和纤维收集装置4之间形成高压静电场。

所述的批量制备同轴结构纳米纤维的静电纺丝装置在进行同轴纺丝时，无针式同轴静电纺丝喷头3的内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头须同轴配置。即内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头的轴线在同一直线上。从而确保形成的复合射流以及最终得到的纳米纤维具有标准的同轴结构，防止偏心或者混纺纤维的出现，保证其在各应用领域的有效使用。

Claims (3)

1.一种批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，包括第一供液装置(1)、第二供液装置(6)、无针式同轴静电纺丝喷头(3)、纤维收集装置(4)和高压发生器(5)，高压发生器(5)的正极与无针式同轴静电纺丝喷头(3)连接，高压发生器(5)的负极与纤维收集装置(4)连接，其中，所述的无针式同轴静电纺丝喷头(3)包括外层溶液喷丝头和设于外层溶液喷丝头内侧的内层溶液喷丝头，所述的内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头皆为喇叭形，内层溶液喷丝头和外层溶液喷丝头同轴设置，外层溶液喷丝头和内层溶液喷丝头和分别与第一供液装置(1)和第二供液装置(6)连接，第一供液装置(1)和第二供液装置(6)中分别设有外层溶液和内层溶液，内层溶液在无针式同轴静电纺丝喷头(3)边缘处沿轴向覆盖在外层溶液上面形成同轴复合溶液，在高压发生器(5)产生的高压静电场的作用下，沿无针式同轴静电纺丝喷头(3)边缘轴向形成多个同轴纺射流。

2.如权利要求1所述的批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述的批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置还包括纺丝溶液回收槽(2)，所述的纺丝溶液回收槽(2)的中部设有通孔，所述的无针式同轴静电纺丝喷头(3)设于所述的通孔中，无针式同轴静电纺丝喷头(3)的内层溶液和外层溶液在第二供液装置(6)和第一供液装置(1)的驱动下，在无针式同轴静电纺丝喷头(3)的边缘处溢出，并沿无针式同轴静电纺丝喷头(3)的外表面流向纺丝溶液回收槽(2)。

3.如权利要求1所述的批量制备同轴纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于，所述的纤维收集装置(4)接地。