CN106283221B - 一种一鞘双芯微流体控制喷头、纺丝装置及纺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一鞘双芯微流体控制喷头，包括一个总毛细管、第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管；第一弯曲毛细管设置在总毛细管中，第一弯曲毛细管的弯曲的一端从总毛细管的进口端的侧壁上穿出，第一弯曲毛细管的另外一端从总毛细管的出口端的中心穿出；第二弯曲毛细管的直线段设置在第一弯曲毛细管中，第二弯曲毛细管的弯曲部从总毛细管的进口端的侧壁上穿出。还提供了一种高压静电纺丝装置，包括第一注射泵、第二注射泵、第三注射泵、硅胶软管、纤维接收板、高压发生器和上述的鞘双芯微流体控制喷头。本发明还提供了应用上述的装置制备一鞘双芯结构纳米纤维的实施方法，在高压静电场下，可以单步有效地制备出一鞘双芯结构纳米纤维。

Description

一种一鞘双芯微流体控制喷头、纺丝装置及纺丝方法

技术领域

本发明属于纳米材料学领域，涉及一种纺丝装置，具体来说是一种一鞘双芯微流体控制喷头、一种带有一鞘双芯微流体控制喷头的多流体电纺装置，和利用该装置进行电纺单步制备一鞘双芯结构纳米纤维的方法。

背景技术

高压静电纺丝技术简称电纺是一种自上而下(top-down)的纳米制造技术，通过外加电场力克服喷头尖端液滴的液体表面张力和粘弹力而形成射流，在静电斥力、库仑力和表面张力共同作用下，被雾化后的液体射流被高频弯曲、拉延、分裂，在几十毫秒内被牵伸千万倍，经溶剂挥发或熔体冷却在接收端得到纳米级纤维。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料范围广泛、可控性强、并且可以通过喷头设计制备具有微观结构特征的纳米纤维，被认为是最有可能实现连续纳米纤维工业化生产的一种方法，应用该技术制备功能纳米纤维具有良好的前景预期。

电纺的最大优势是可以通过纺丝头结构的设计和变换，单步有效地制备出相应结构特征的聚合物微纳米纤维，这是其它各种“bottom-up”的化学合成方法不可能实现的。最常见的是使用同轴毛细金属套管为纺丝头制备芯鞘结构纳米纤维(Moghe AK and GuptaBS.Co-axial electrospinning for nanofiber structures:Preparation andapplications.Polym.Rev.2008；48:353-377.)和应用左右关系结构纺丝头制备并列纳米纤维(Walther A and Müller AHE.Janus particles:synthesis,self-assembly,physical properties,and applications.Chem.Rev.2013；113:5194-5261.)。但是基于这个概念，还有更多具有复杂结构特征的纳米结构产品有待开发。

纳米科技发展到今天，单纯地减小产品的微纳米尺寸以获得相应纳米效用的概念已经逐渐偏出主流。目前更多的注意力都集中在纳米器件、复杂微纳米结构与相应纳米层次的构效关系上。如何有效地制备出结构完整的、具有复杂结构特征的微纳米纤维，并且通过纤维的结构特征去设计它们的功能既是纳米科技的研究热点、也是微制造领域和新型微纳米产品生产所需解决的关键内容。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种一鞘双芯微流体控制喷头、纺丝装置及纺丝方法，所述的这种一鞘双芯微流体控制喷头、纺丝装置及纺丝方法要解决现有技术中制备一鞘双芯复杂结构特征的纳米纤维的工艺复杂的技术问题。

本发明提供了一种一鞘双芯微流体控制喷头，包括一个总毛细管、第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管；所述的第一弯曲毛细管的外径小于所述的总毛细管的内径，所述的第二弯曲毛细管的外径小于所述的第一弯曲毛细管的内径，所述的第一弯曲毛细管设置在所述的总毛细管中，所述的第一弯曲毛细管的弯曲的一端从所述的总毛细管的进口端的侧壁上穿出，所述的第一弯曲毛细管的另外一端从所述的总毛细管的出口端的中心穿出；所述的第二弯曲毛细管的直线段设置在所述的第一弯曲毛细管中，所述的第二弯曲毛细管的一端穿出所述的第一弯曲毛细管，所述的第二弯曲毛细管的弯曲部从所述的总毛细管的进口端的侧壁上穿出，所述的第二弯曲毛细管的另外一端从所述的第一弯曲毛细管的出口端的穿出；所述的第二弯曲毛细管在所述的第一弯曲毛细管中部分的外侧壁紧贴所述的第一弯曲毛细管的内侧壁。

进一步的，所述的第一弯曲毛细管的另外一端穿出所述的总毛细管的出口端0.2mm；所述的第二弯曲毛细管的另外一端穿出所述的第一弯曲毛细管的出口端0.2mm。

进一步的，所述的总毛细管的进口端设置有一个接口，所述的接口的外侧壁上设置有螺旋形的加强筋，所述的第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管的弯曲部的外侧壁上均设置有环形的凸起。

进一步的，所述的总毛细管的长度为70mm；第一弯曲毛细管的长度为75mm；第二弯曲毛细管的长度为80mm；所述的总毛细管、第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管之间采用环氧树脂胶粘一起并密封。

本发明还提供了一种高压静电纺丝装置，包括第一注射泵、第一注射器、第二注射泵、第二注射器、第三注射泵、第三注射器、第一硅胶软管、纤维接收板、高压发生器、第二硅胶软管，权利要求1所述的一种一鞘双芯微流体控制喷头，所述的第一注射器安装在所述的第一注射泵内，所述的第一注射器和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，所述的第二注射器安装在所述的第二注射泵内，所述的第二注射器通过所述的第一硅胶软管和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，所述的第三注射器安装在所述的第三注射泵内，所述的第三注射器通过所述的第二硅胶软管和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，所述的高压发生器和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，在所述的一鞘双芯微流体控制喷头的下端设置有纤维接收板。

本发明还提供了利用上述的电纺丝装置制备一鞘双芯结构纳米纤维的方法，在第一注射器内加入第一种外鞘纺丝液体，第二注射器内加入第二种的内芯纺丝液体，第三注射器内加入第三种的内芯纺丝液体，通过高压静电场作用，即可制备出一鞘双芯结构纳米纤维。

进一步的，上述的制备一鞘双芯结构纳米纤维的方法，于包括如下步骤：

1)一个配制纺丝液的步骤：

i.第一纺丝液为质量百分比浓度为8％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液；

ii.第二纺丝液为质量百分比浓度为13％的Eudragit E100的乙醇溶液；

iii.第三纺丝液为质量百分比浓度为13％的Eudragit L100的乙醇溶液；

2)将步骤1所得的第一、第二和第三纺丝液分别加入到相应注射器中，然后开启第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵；

3)控制第一注射器的鞘液流量为2ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量均为0.2ml/h，开启高压发生器，调整纤维板接受距离为15cm，将电压升为15kV进行电纺，即得聚乙烯吡咯烷酮包裹Eudragit E100、Eudragit L100的一鞘双芯结构纳米纤维。

本发明在多次试验的基础上，遵循高压电场下流体的行为特征和基本的自然规律，摸索出一种一鞘双芯微流体控制喷头，应用该喷头组装电纺装置、实施电纺工艺，可以单步有效地制备出结构完整、尺寸均一的一鞘双芯纳米纤维，为新型结构纳米功能材料的设计、制备以及大规模生产和应用提供可能。

本发明的纺丝原理是：微流体喷头的一鞘双芯结构为制备相应结构纳米材料提供一个宏观模版，在高压静电场下，完整的圆形外鞘总毛细管，有利于外鞘流体的均匀充电和全部流体在外鞘流体带领下的均匀拉伸。另一方面，喷头双芯结构的设置有利于内芯两股流体在电场内的拉伸过程中保持大面积的接触，有效防止两股流体的分裂。上述原理共同作用，确保高压静电场下，从宏观模版到微观结构纳米纤维的准确“复制”。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的纺丝方法应用简单、操作方便、易于控制，在高压电场下可以单步有效地制备出一鞘双芯结构纳米纤维，并且可以通过增多纺丝头数量进行大规模放大生产。

附图说明

图1是本发明的一种一鞘双芯微流体控制喷头的整体外形示意图，1-总毛细管、2-第一弯曲毛细管、3-第二弯曲毛细管、4-接口、5-环氧树脂、6-环形凸起。

图2是本发明的一种一鞘双芯微流体控制喷头的出口拍摄图。

图3是本发明的带有一鞘双芯微流体电喷头的多射流电纺装置的结构示意图，7-高压发生器、8-第一注射泵、9-第二注射泵、10-第三注射泵、11-一鞘双芯微流体控制喷头、12-纤维接收板、13-第一高弹性硅胶软管、14-第一注射器、15-第二注射器、16-第三注射器、17-第二高弹性硅胶软管。

图4是应用一鞘双芯微流体电喷头电纺装置制备一鞘双芯结构纳米纤维的复合泰勒锥。

图5是应用实施例所得一鞘双芯结构纳米纤维扫描电子显微镜电镜图；

图6是应用实施例所得一鞘双芯结构纳米纤维透射电子显微镜电镜图。

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1

一种一鞘双芯微流体控制喷头，其结构示意图如图1所示，包括一个总毛细管1、第一弯曲毛细管2和第二弯曲毛细管3；所述的第一弯曲毛细管2的外径小于所述的总毛细管1的内径，所述的第二弯曲毛细管3的外径小于所述的第一弯曲毛细管2的内径，所述的第一弯曲毛细管2设置在所述的总毛细管1中，所述的第一弯曲毛细管2的弯曲的一端从所述的总毛细管1的进口端的侧壁上穿出，所述的第一弯曲毛细管2的另外一端从所述的总毛细管1的出口端的中心穿出；所述的第二弯曲毛细管3的直线段设置在所述的第一弯曲毛细管2中，所述的第二弯曲毛细管3的一端穿出所述的第一弯曲毛细管2，所述的第二弯曲毛细管3的弯曲部从所述的总毛细管1的进口端的侧壁上穿出，所述的第二弯曲毛细管3的另外一端从所述的第一弯曲毛细管2的出口端的穿出；所述的第二弯曲毛细管3的在所述的第一弯曲毛细管2中的中部分的外侧壁紧贴所述的第一弯曲毛细管2的内侧壁。

进一步的，所述的第二弯曲毛细管3和所述的第一弯曲毛细管2的连接处密封设置。

进一步的，所述的第一弯曲毛细管2的另外一端穿出所述的总毛细管1的出口端0.2mm；所述的第二弯曲毛细管3的另外一端穿出所述的第一弯曲毛细管2的出口端0.2mm，其出口的正面和侧面拍照图样如图2所示。

总毛细管1长度70mm，在其进口端设置有一个接口4，用以直接连接注射器，所述的接口4的外侧壁上设置有螺旋形的加强筋；所述的接口4的内径从外向内依次递减；第一弯曲毛细管2长度75mm；第二弯曲毛细管3长度80mm；总毛细管1、第一弯曲毛细管2和第二弯曲毛细管3之间采用环氧树脂5胶粘一起并密封。第一弯曲毛细管2和第二弯曲毛细管3的弯曲部的外侧壁上均设置有环形的凸起6，用以连接高弹性硅胶软管。

实施例2

一种应用该喷头组装的高压静电纺丝装置，其组成示意图如图3所示，包括高压发生器7、第一注射泵8、第二注射泵9、第三注射泵10、一鞘双芯微流体控制喷头11、纤维接收板12、第一高弹性硅胶软管17、第一注射器14、第二注射器15、第三注射器16、第二高弹性硅胶软管13。

应用带有一鞘双芯微流体控制喷头的电纺装置对三股流体实施电纺，其具体步骤如下：第一注射器14安装在第一注射泵8内，在注射器中14加入第一种外鞘纺丝液体，第一注射器14直接连接一鞘双芯微流体控制喷头11的接口。第二注射器15安装在第二注射泵6内，在第二注射器15中加入第二种的内芯纺丝液体，纺丝液体通过第一高弹性硅胶软管13导入一鞘双芯微流体控制喷头11的第一弯曲毛细管2中。第三注射器16安装在第三注射泵10内，在第三注射器16中加入第三种的内芯纺丝液体，纺丝液体通过第二高弹性硅胶软管17导入一鞘双芯微流体控制喷头11的第二弯曲毛细管3中。高压发生器7和一鞘双芯微流体控制喷头11直接连接，在喷头11下端设置有一个纤维接收板12，接受平板12为铝箔包裹的硬纸板，该接受板接地。

应用实施例1

利用实施例2所述的一种应用该喷头组装的高压静电纺丝装置实施电纺，以制备一鞘双芯结构纳米纤维，步骤如下：

1、纺丝液的配制

第一纺丝液，质量百分比浓度为8％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)乙醇溶液，其配制方法如下：即将8g的PVP加入到92g的乙醇中，搅拌均匀即得质量百分比浓度为8％的PVP乙醇溶液；

第二纺丝液，质量百分比浓度为13％的Eudragit E100的乙醇溶液，其配制方法如下：即将13g的Eudragit E100加入到78g的乙醇中，搅拌均匀即得质量百分比浓度为13％的Eudragit E100溶液；

第三纺丝液，质量百分比浓度为13％的Eudragit L100的乙醇溶液，其配制方法如下：即将13g的Eudragit L100加入到78g的乙醇中，搅拌均匀即得质量百分比浓度为13％的Eudragit L100溶液；

2、将步骤1所得的第一、第二和第三纺丝液分别加入到相应注射器中，按实施例2进行连接，然后开启第一注射泵8、第二注射泵9和第三注射泵10；

3、控制第一注射器14的鞘液流量为2ml/h，控制第二注射器15和第三注射器16的芯液流量均为0.2ml/h开启高压发生器7，调整纤维板12接受距离为15cm，将电压升为15kV进行电纺，制备过程中产生的一鞘双芯复合结构泰勒锥如图4所示。

应用实施例2

采用场扫描电镜对应用实施例1所制备的一鞘双芯结构纳米纤维进行表面喷金后观察，结果如图5所示。所制备的一鞘双芯结构纳米纤维收集均匀并呈现良好的线性状态，直径为670±120nm。采用高分辨透射电子显微镜对所制备一鞘双芯结构纳米纤维进行观察，结果如图6所示，纳米纤维的一鞘双芯结构清晰。

以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高压静电纺丝装置，其特征在于：包括第一注射泵、第一注射器、第二注射泵、第二注射器、第三注射泵、第三注射器、第一硅胶软管、纤维接收板、高压发生器、第二硅胶软管、一种一鞘双芯微流体控制喷头，

所述的一鞘双芯微流体控制喷头包括一个总毛细管、第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管；所述的第一弯曲毛细管的外径小于所述的总毛细管的内径，所述的第二弯曲毛细管的外径小于所述的第一弯曲毛细管的内径，所述的第一弯曲毛细管设置在所述的总毛细管中，所述的第一弯曲毛细管的弯曲的一端从所述的总毛细管的进口端的侧壁上穿出，所述的第一弯曲毛细管的另外一端从所述的总毛细管的出口端的中心穿出；所述的第二弯曲毛细管的直线段设置在所述的第一弯曲毛细管中，所述的第二弯曲毛细管的一端穿出所述的第一弯曲毛细管，所述的第二弯曲毛细管的弯曲部从所述的总毛细管的进口端的侧壁上穿出，所述的第二弯曲毛细管的另外一端从所述的第一弯曲毛细管的出口端的穿出；所述的第二弯曲毛细管在所述的第一弯曲毛细管中部分的外侧壁紧贴所述的第一弯曲毛细管的内侧壁；所述的第一注射器安装在所述的第一注射泵内，所述的第一注射器和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，所述的第二注射器安装在所述的第二注射泵内，所述的第二注射器通过所述的第一硅胶软管和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，所述的第三注射器安装在所述的第三注射泵内，所述的第三注射器通过所述的第二硅胶软管和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，所述的高压发生器和所述的一鞘双芯微流体控制喷头连接，在所述的一鞘双芯微流体控制喷头的下端设置有纤维接收板。

2.根据权利要求1所述的一种高压静电纺丝装置，其特征在于：所述的第一弯曲毛细管的另外一端穿出所述的总毛细管的出口端0.2mm；所述的第二弯曲毛细管的另外一端穿出所述的第一弯曲毛细管的出口端0.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种高压静电纺丝装置，其特征在于：所述的总毛细管的进口端设置有一个接口，所述的接口的外侧壁上设置有螺旋形的加强筋，所述的第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管的弯曲部的外侧壁上均设置有环形的凸起。

4.根据权利要求1所述的一种高压静电纺丝装置，其特征在于：所述的总毛细管的长度为70mm；第一弯曲毛细管的长度为75mm；第二弯曲毛细管的长度为80mm；所述的总毛细管、第一弯曲毛细管和第二弯曲毛细管之间采用环氧树脂胶粘一起并密封。

5.利用权利要求4所述的电纺丝装置制备一鞘双芯结构纳米纤维的方法，其特征在于：在第一注射器内加入第一种外鞘纺丝液体，第二注射器内加入第二种的内芯纺丝液体，第三注射器内加入第三种的内芯纺丝液体，通过高压静电场作用，即可制备出一鞘双芯结构纳米纤维。

6.根据权利要求5所述的制备一鞘双芯结构纳米纤维的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)一个配制纺丝液的步骤：

i.第一纺丝液为质量百分比浓度为8％的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液；

ii.第二纺丝液为质量百分比浓度为13％的Eudragit E100的乙醇溶液；

iii.第三纺丝液为质量百分比浓度为13％的Eudragit L100的乙醇溶液；

2)将步骤1所得的第一、第二和第三纺丝液分别加入到相应注射器中，然后开启第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵；

3)控制第一注射器的鞘液流量为2ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量均为0.2ml/h，开启高压发生器，调整纤维板接受距离为15cm，将电压升为15kV进行电纺，即得一鞘双芯结构纳米纤维。