CN105442065A - 一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，包括高压供电装置、供气装置、离心喷头、敞开式旋转接收装置及离心驱动机构，离心喷头内部具有储液腔，离心喷头上设有出丝细孔，敞开式旋转接收装置包括转轴、传动装置及若干支撑臂，支撑臂随转轴转动时可形成碗状回转面，敞开式旋转接收装置设置多个，且以离心喷头为中心排列成环形，高压供电装置与离心喷头和敞开式旋转接收装置连接，形成产生溶液或熔体射流所需电场，离心喷头设有导气通道，导气通道与供气装置连接，可产生辅助拉伸气流。电场、气流和离心力使喷射出的聚合物形成纳米纤维，对生物材料的兼容性更好，材料适用范围广，获得的支架结构利于组织工程应用中的细胞生长。

Description

一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置

技术领域

本发明用于离心纺丝技术领域，特别是涉及一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置。

背景技术

静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的方法。这一技术的核心是使带电射流在静电场中拉伸与变形，最终得到纤维状物质，从而为高分子纳米材料提供了一种新的加工方法。静电纺丝技术具有操作简便、适用范围广、生产效率相对较高的优点，纺制出的纳米纤维具有纤维细、比表面积大、孔隙率高等特点，因此静电纺丝技术得到广泛的应用。

传统的静电纺丝法多为直流电纺法，采用直流高压电源产生直流电场，利用电场力将聚合物溶液或熔体从毛细管口处抽出形成射流，经过拉伸、鞭动、蒸发过程，最终得到纳米级的纤维，但是传统的静电纺丝多采用有针式喷头，结合滚筒式、鼠笼式或平板式收集器，生产效率极低，且因已沉积纤维造成电荷积累，同种电荷的排斥力影响后续的纤维沉积，制备的纳米纤维通常只能形成二维结构且厚度有限，制备三维纳米纤维支架仍然缺乏高效、高质的通用性工艺，这就限制了其在某些重要领域中的应用，比如纳米纤维在组织工程支架、功能性复合材料等方面的应用。

现有技术也提出了几种用于制备三维纳米纤维支架的装置，如专利CN201310026760.5，CN201110234233.4，但是其产量极低，就限制了其广泛应用，因此大量制备三维纳米纤维支架成为了研究的重点和发展趋势。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其所需射流启动电压更低，纤维直径更小，产量大幅度提高，可高效地获得大量三维纳米纤维支架，同时避免了喷头堵塞的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，包括高压供电装置、供气装置、离心喷头、敞开式旋转接收装置及驱动所述离心喷头转动的离心驱动机构，所述离心喷头内部具有储液腔，离心喷头上设有在离心喷头转动时使储液腔内的纺丝溶液或熔体喷出的出丝细孔，所述敞开式旋转接收装置包括转轴、可驱动所述转轴转动的传动装置以及设在所述转轴上的若干支撑臂，支撑臂随转轴转动时可形成正对所述离心喷头的碗状回转面，所述敞开式旋转接收装置设置多个，且多个所述敞开式旋转接收装置以所述离心喷头为中心排列成环形，所述高压供电装置分别与离心喷头和敞开式旋转接收装置连接，并可在所述离心喷头和敞开式旋转接收装置间形成产生溶液或熔体射流所需电场，所述离心喷头上在所述出丝细孔的一侧设有导气通道，所述导气通道与所述供气装置连接，并可产生由出丝细孔吹向敞开式旋转接收装置的气流，辅助泰勒锥形成和纤维拉伸、沉积。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述支撑臂采用弯曲的金属片或金属杆或塑料杆，各所述支撑臂均匀的分布在所述转轴上并形成碗状的爪结构。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述多个敞开式旋转接收装置之间等间距设置，多个敞开式旋转接收装置与离心喷头之间距离可调节。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述离心喷头呈圆筒状，离心喷头的外圆筒壁上开设若干出丝细孔，所述离心喷头的底部形成向下凸起的锥面，并在所述锥面的下方设有导流罩板，所述导流罩板与锥面间形成导气通道，所述导气通道在离心喷头的外圆筒壁底部边缘形成出气口。

进一步作为本发明技术方案的改进，离心喷头的顶部设有顶盖，顶盖的中部开设进料口。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述离心驱动机构包括设在所述离心喷头底部的旋转轴和通过联轴器与旋转轴连接的第一电机。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述传动装置包括输出端与转轴连接的第二电机，所述第一电机、第二电机均为可调速直流电机。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括罩在所述离心驱动机构顶部的绝缘外壳，所述绝缘外壳为中空的圆筒状，绝缘外壳的顶部设有圆孔，所述旋转轴穿过圆孔与离心喷头相连。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述绝缘外壳的顶部设有可对离心喷头加热的加热装置。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述高压供电装置包括高压正压电源和高压负压电源，所述高压正压电源与离心喷头连接，所述高压负压电源通过导线依次与各敞开式旋转接收装置连接。

本发明的有益效果：本发明所揭示的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，通过合理设置离心喷头、离心驱动机构，并将敞开式旋转接收装置以所述离心喷头为中心设置成环形，使得离心喷头在离心驱动机构的驱动下作旋转运动时，从离心喷头喷射出的聚合物射流附加了离心力，离心力可以使纳米纤维克服因已沉积纤维带同种电荷造成的电荷排斥力，从而沉积成为三维结构，提高了纤维沉积的厚度，而且获得的支架结构蓬松，密度小，更有利于组织工程应用中的细胞生长；

本发明创新地使用敞开式旋转接收装置，将离心气电纺丝获得的纳米纤维进行三维收集，相比传统平板收集器或者封闭式收集器，可有效地使高速气流通过，从而避免产生反冲气流，影响纤维沉积。相反地，高速气流还可起到沉积导向作用，在气流推力作用下可定向辅助电纺丝获得的纳米纤维沉积，成为具有特定形状、结构的三维纤维支架；

采用的高压供电装置能提供任意波形、频率、幅值、偏置电压值的电压，当需要的组织工程支架厚度相对较小时，可采用传统的直流高压静电纺丝模式，操作环境更安全，纤维均匀性好；当需要的支架厚度要求很大时，可采用交流高压模式，射流在交变电场、离心力、气流剪力和拉力的共同作用下，劈裂、拉伸成为电中性的纳米纤维，可更有效地避免因已沉积纤维造成电荷积累和同种电荷的排斥力影响后续的纤维沉积，从而在高速气流推力和离心力的作用下，在敞开式旋转接收装置上沉积成为厚度极大的三维纳米纤维支架。

在电场力、离心力和高速气流的剪力、拉力的共同作用下，结合采用无针式离心电纺制备三维纳米纤维支架，相比单一的离心气纺或者离心电纺，所需射流启动电压更低，纤维直径更小，纤维均匀性更好，产量大幅度提高，可高效地获得大量三维纳米纤维支架，同时避免了喷头堵塞的问题；

聚合物射流在电场力和离心力的共同作用下被收集在敞开式旋转接收装置，通过将敞开式旋转接收装置设置成环形阵列，增大了收集纤维的空间，从而实现三维纳米纤维的大量制备，以满足使用需求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明纺丝原理结构示意图；

图2是本发明离心喷头、离心驱动机构、绝缘外壳和加热装置结构示意图；

图3是本发明离心喷头内部结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图3，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。

本发明提供了一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，包括高压供电装置、供气装置7、离心喷头1、敞开式旋转接收装置2及驱动所述离心喷头1转动的离心驱动机构，所述离心喷头1内部具有储液腔，离心喷头1上设有在离心喷头1转动时使储液腔内的纺丝溶液或熔体喷出的出丝细孔11，所述敞开式旋转接收装置2包括转轴21、可驱动所述转轴21转动的传动装置22以及设在所述转轴21上的若干支撑臂23，所述传动装置22包括输出端与转轴21连接的第二电机，所述第二电机为可调速直流电机。所述支撑臂23采用弯曲的金属片或金属杆或塑料杆，各所述支撑臂23均匀的分布在所述转轴21上并形成碗状的爪结构。支撑臂23随转轴21转动时可形成正对所述离心喷头1的碗状回转面，本发明创新地使用敞开式旋转接收装置2，将离心纺丝获得的纳米纤维进行三维收集，相比传统平板收集器或者封闭式收集器，可有效地使离心喷头旋转产生的附加气流通过，从而避免产生反冲气流，影响纤维沉积。相反地，气流还可在一定程度起到沉积导向作用，定向辅助电纺丝获得的纳米纤维沉积，成为具有特定形状、结构蓬松的三维纤维支架。所述敞开式旋转接收装置2设置多个，且多个所述敞开式旋转接收装置2以所述离心喷头1为中心排列成环形，所述高压供电装置分别与离心喷头1和敞开式旋转接收装置2连接，并可在所述离心喷头1和敞开式旋转接收装置2间形成产生溶液或熔体射流所需电场。优选的，高压供电装置可为信号发生器和高压放大器组合，可提供包括直流、交流在内的任意电压。所述高压供电装置包括高压正压电源61和高压负压电源62，所述高压正压电源61与离心喷头1连接，所述高压负压电源62通过导线依次与各敞开式旋转接收装置2连接。采用负高压电源62与收集器相连，可有效避免纤维被附近物体吸引，同时，更有效地沉积成为三维结构，提高三维结构的厚度和工艺稳定性。所述离心喷头1上在所述出丝细孔11的一侧设有导气通道13，所述导气通道13与所述供气装置7连接，并可产生由出丝细孔11吹向敞开式旋转接收装置2的气流，其中供气装置能提供包括压缩空气、氮气、二氧化碳气体在内的多种气体，提供不同种类、温度、湿度、气压的气流，气流辅助泰勒锥形成和纤维拉伸、沉积。

所述多个敞开式旋转接收装置2之间等间距设置，多个敞开式旋转接收装置2与离心喷头1之间距离可调节。可通过调节敞开式旋转接收装置2与离心喷头1之间的距离来控制纤维的直径及均匀度。

其中，所述离心喷头1呈圆筒状，离心喷头1的外圆筒壁上开设若干出丝细孔11，出丝细孔11面向敞开式旋转接收装置2，所述离心喷头1的底部形成向下凸起的V形弧状的锥面，并在所述锥面的下方设有导流罩板14，所述导流罩板14与锥面间形成导气通道13，所述导气通道13在离心喷头1的外圆筒壁底部边缘形成出气口15。离心喷头1的顶部设有顶盖，顶盖的中部开设进料口12。所述离心驱动机构包括设在所述离心喷头1底部的旋转轴31和通过联轴器32与旋转轴31连接的第一电机33，所述第一电机33为可调速直流电机，可通过调节第一电机33的转速来调节离心喷头1的转速，从而调节射流的旋转速度，以控制纤维的直径及均匀度。

还包括罩在所述离心驱动机构顶部的绝缘外壳4，所述绝缘外壳4为中空的圆筒状，绝缘外壳4的顶部设有圆孔，所述旋转轴31穿过圆孔与离心喷头1相连。所述绝缘外壳4的顶部设有可对离心喷头1加热的加热装置5，可对离心喷头1进行加热。

针对纺丝溶液和熔体可分别参照如下实施例：

实施例1：

本发明所揭示的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，使用时，首先在进行纺丝溶液制备，称取1200毫克PLLA（分子量=20万道尔顿），溶于20ml（9:1，CH₂Cl₂/DMF,v/v）溶剂中，制得6%PLLA溶液，用封口膜封口，磁力搅拌4小时，待用。

进料口12内装入PLLA溶液，高压正压电源61、供气装置7与离心喷头1相连接，多个敞开式旋转接收装置2分别通过负压电源线与高压负压电源62相连，调整离心喷头1到敞开式旋转接收装置2之间的距离为10cm，打开敞开式旋转接收装置2第二电机开关，打开高压供电装置，调节输出频率为100Hz，峰峰值为8KV的正弦高压交流电，由此，在离心喷头1和敞开式旋转接收装置2之间形成电场，调节供气装置气压为0.75MPa，调节气流温度到30℃，然后打开第一电机33的开关，使出丝细孔11处的PLLA溶液在高压电场、离心力、高速气流拉力和剪力的作用下形成连续射流，射流经过鞭动、细化、蒸发过程，在高压电场、离心力、高速气流推力的共同作用下，在敞开式旋转接收装置2上收集到大量三维纳米PLLA纤维支架。

实施例2：

本发明所揭示的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，使用时以聚乳酸为原料，将10克聚乳酸加入进料口12中，高压正压电源61与离心喷头1相连接，多个敞开式旋转接收装置2分别通过负压电源线与负高压电源62相连，调整离心喷头1到敞开式旋转接收装置2之间的距离为10cm，然后打开加热装置5开关，使聚乳酸在离心喷头1中加热至熔融状态，打开敞开式旋转接收装置2第二电机开关，打开高压正压电源61和负高压电源62的开关，调节输出正电压为5KV直流高压，负电压为-5KV直流高压，由此，在离心喷头1和敞开式旋转接收装置2之间形成电场，调节供气装置7气压为0.75MPa，调节气流温度到190℃，打开第一电机33的开关，使出丝细孔11处的聚乳酸熔体在高压电场、离心力、高速气流拉力和剪力的共同作用下形成连续射流，射流经过鞭动、细化、蒸发过程，在离心力、高速气流推力的共同作用下，在敞开式旋转接收装置2上收集到大量三维纳米聚乳酸纤维支架。

本发明所揭示的大量制备取向性纳米纤维的离心静电纺丝装置，结构简单、操作方便、控制简单、工艺流程短。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：包括高压供电装置、供气装置、离心喷头、敞开式旋转接收装置及驱动所述离心喷头转动的离心驱动机构，所述离心喷头内部具有储液腔，离心喷头上设有在离心喷头转动时使储液腔内的纺丝溶液或熔体喷出的出丝细孔，所述敞开式旋转接收装置包括转轴、可驱动所述转轴转动的传动装置以及设在所述转轴上的若干支撑臂，支撑臂随转轴转动时可形成正对所述离心喷头的碗状回转面，所述敞开式旋转接收装置设置多个，且多个所述敞开式旋转接收装置以所述离心喷头为中心排列成环形，所述高压供电装置分别与离心喷头和敞开式旋转接收装置连接，并可在所述离心喷头和敞开式旋转接收装置间形成产生溶液或熔体射流所需电场，所述离心喷头上在所述出丝细孔的一侧设有导气通道，所述导气通道与所述供气装置连接，并可产生由出丝细孔吹向敞开式旋转接收装置的气流。

2.根据权利要求1所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述支撑臂采用弯曲的金属片或金属杆或塑料杆，各所述支撑臂均匀的分布在所述转轴上并形成碗状的爪结构。

3.根据权利要求1所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述多个敞开式旋转接收装置之间等间距设置，多个敞开式旋转接收装置与离心喷头之间距离可调节。

4.根据权利要求1所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述离心喷头呈圆筒状，离心喷头的外圆筒壁上开设若干出丝细孔，所述离心喷头的底部形成向下凸起的锥面，并在所述锥面的下方设有导流罩板，所述导流罩板与锥面间形成导气通道，所述导气通道在离心喷头的外圆筒壁底部边缘形成出气口。

5.根据权利要求4所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：离心喷头的顶部设有顶盖，顶盖的中部开设进料口。

6.根据权利要求4所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述离心驱动机构包括设在所述离心喷头底部的旋转轴和通过联轴器与旋转轴连接的第一电机。

7.根据权利要求6所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述传动装置包括输出端与转轴连接的第二电机，所述第一电机、第二电机均为可调速直流电机。

8.根据权利要求6所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：还包括罩在所述离心驱动机构顶部的绝缘外壳，所述绝缘外壳为中空的圆筒状，绝缘外壳的顶部设有圆孔，所述旋转轴穿过圆孔与离心喷头相连。

9.根据权利要求8所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述绝缘外壳的顶部设有可对离心喷头加热的加热装置。

10.根据权利要求1所述的大量制备三维纳米纤维支架的离心气电纺装置，其特征在于：所述高压供电装置包括高压正压电源和高压负压电源，所述高压正压电源与离心喷头连接，所述高压负压电源通过导线依次与各敞开式旋转接收装置连接。