CN106555234A - 一种复合螺旋纤维纺丝装置与其纺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合螺旋纤维纺丝装置及其纺丝方法，该装置包括：绝缘储液腔、高压电源、电机、收集电极；绝缘储液腔的上端与电机的输出轴相连，绝缘储液腔上至少具有两个腔室，每个腔室的底部插有一个不锈钢喷头，绝缘储液腔上开有与腔室数量相同的通气孔，每个通气孔与对应的腔室相通，绝缘储液腔上套设有与腔室数量相同的环形电刷，每个环形电刷与对应的腔室通过导线相连，每个环形电刷与各自对应的高压电源的正极相连，所有的高压电源的负极均与收集电极相连。本发明能够兼有多种不同材料电纺纤维的特性，而且通过缠结作用有效地提升了纤维的机械强度和表面型态，在制备多功能生物支架、复合无纺布、药物缓释材料等方面具有潜在的应用前景。

Description

一种复合螺旋纤维纺丝装置与其纺丝方法

技术领域

本发明涉及复合纤维静电纺丝技术领域，尤其涉及一种复合螺旋纤维纺丝装置与其纺丝方法。

背景技术

高压静电纺丝技术是近些年受到广泛重视的微纳米纤维制备技术，通过调节实验参数，能将纤维的尺寸在几个纳米到几十微米之间任意调节，是目前制备纳米纤维材料的简单廉价的方法。由静电纺丝技术制备的纳米纤维具有超高的比表面积、极大长径比、高表面活性、优越的机械性能等特点，在纺织工程、组织工程、生物科技、医疗与卫生健康等领域都有十分广阔的应用前景。其原理是，在高压电源的作用下，电纺液喷丝装置和电纺纤维接收装置之间形成高压静电场，聚合物溶液在喷嘴处形成液滴并被充电，带电液滴在电场力的作用下在泰勒锥顶部被加速，当电场力足够大时，带电液滴克服表面张力形成带电射流，带电射流在静电纺丝空间运行时，伴随溶剂挥发，弯曲和拉伸，最终被接收装置收集，形成随机排列的电纺丝纤维材料。

目前现有的习知技术中，仅仅用单一的材料进行静电纺丝，得到的纤维只能体现一种材料的功能和特性，其应用有很强的局限性。于是，国际上开始尝试用多种材料进行混合静电纺丝，发现得到的纤维或是沉积后得到的无纺布具有多种材料的功能特性。但是，仅仅让几种不同材料单独静电纺丝后同时混合沉积，由于电纺纤维的鞭动不稳定性，不同接收位置得到的混纺纤维或无纺布中多种材料的比例差异性很大，多种纤维并不能保证均匀混合分布。并且，目前在两种材料的同时纤维制备时，只能在电纺后进行混合沉积的方式并不能让多种材料紧密结合在一起，导致结构无法形成特殊有序排列，降低机械强度也影响到了复合纤维的应用和推广。

发明内容

本发明是为了解决上述所存在的技术问题而提供一种复合螺旋纤维纺丝装置与其纺丝方法。利用本发明的装置，可以高效地持续获得多材料复合螺旋微纳米纤维。并且，可通过调整电机转速、电纺溶液的种类、性质以及制备过程的条件参数，调控所得纤维的直径和致密度，为组织工程支架、无纺布、药物释放提供可行的解决方案。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种复合螺旋纤维纺丝装置，包括：绝缘储液腔、高压电源、电机、收集电极；所述绝缘储液腔的上端与电机的输出轴相连，所述绝缘储液腔上至少具有两个独立的腔室，每个腔室的底部插有一个不锈钢喷头，所述绝缘储液腔上开有与腔室数量相同的通气孔，每个通气孔与对应的腔室相通，所述绝缘储液腔上套设有与腔室数量相同的环形电刷，每个环形电刷与对应的腔室通过导线相连，每个环形电刷与各自对应的高压电源的正极相连，所有的高压电源的负极均与收集电极相连。

进一步的，在绝缘储液腔与环形电刷接触处设置有导电涂层，所述环形电刷与导线通过导电涂层电连接。

进一步的，所述收集电极布置在不锈钢喷头下方距离为5cm-30cm。

进一步的，所述不锈钢喷头为内径相同或不同的中空针头。

进一步的，所述电机的转速范围在50rpm-20000rpm之间。

进一步的，所述高压电源能提供0～30kV电压。

本发明还提供一种利用上述的复合螺旋纤维纺丝装置的纺丝方法，包括以下步骤：

(1)复合螺旋纤维生成工序：在每个绝缘储液腔中注入不同的电纺溶液，电纺溶液在重力的作用下从不锈钢喷头流出，并利用环形电刷、导电涂层以及导线的传导使电纺溶液带电，从而在电纺溶液与收集电极之间形成高压电场，通过高压电场的拉伸作用，从不锈钢喷头流出的电纺溶液被拉伸形成微纳米纤维；

(2)复合螺旋结构生成工序：由复合螺旋纤维生成工序形成的多条微纳米纤维从不锈钢喷头中流出，与此同时开启电机，使多条微纳米纤维相互扭结形成复合螺旋纤维；

(3)回收工序：在不锈钢喷头与收集电极之间用玻璃片或锡箔纸收集复合螺旋纤维。

本发明的有益技术效果：

1.利用本发明所设计的装置，制备两种或两种以上不同纤维的结合，单一步骤实现制备不同材料复合螺旋微纳米纤维，能够具有多种不同材料搭配的螺旋电纺纤维特性。

2.利用本发明所设计的装置，可以装载不同电纺溶液，除了可以制备均一直径的电纺纤维，可以分别调节对电纺溶液施加的电压，获得小直径缠绕大直径的复合纤维，满足生物医学工程应用。

3.利用本发明所设计的装置，该独立腔室可以搭配不同直径的不锈钢喷头，可以在相同电压工作下，获得不同直径组合的的复合材料纤维，满足生物医学工程应用。

4.本发明多处利用回转体结构，保证了装置在高速旋转时的稳定性，保证了装置的持久耐用；利用内部走线的方式改善高速回转的稳定性，保证了各个储液腔能够在高速旋转的过程中持续施加不同电压。

6.本发明能够将不同电纺纤维的优良材料特性进行有机结合，获得不同机械强度的复合纤维以及不同亲水和疏水性纤维进行结合，改善纤维膜表面的亲疏水性，实现组织工程与生物工程应用；

7.本发明能够将不同电纺纤维的降解特性进行组合，获得不同降解程度的复合纤维，实现治疗与药物载体的不同降解程度调控；

8.本发明能够可根据盛装不同溶液的腔体个数比例按需要进行调节，定制符合需要的复合纤维膜，而腔体的个数组合可用于支撑材料功能调控，促进后期细胞的附着和生长，有利于支架植入区域的长期康复。

9.利用本发明设计的装置，除能将不同材料进行结合外，还能够利用调节转速的方法，使不同材料扭结成不同缠结程度的螺旋纤维，可用于在薄膜界面上形成不同的微观结构，改善薄膜的粗糙度、亲疏水性、孔隙率等性质。适用于制备防水透气材料、多孔材料、隔音材料等应用。

附图说明

图1为本发明实施例1双组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置结构示意图；

图2为本发明实施例2三组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置系统图；

图3为本发明实施例2三组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置正视图；

图4为本发明实施例2三组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置中截面图；

图5为本发明实施例2三组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置图2从A-A面剖视图；

图6为本发明实施例2三组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置仰视图；

图7为本发明实施例1双组分复合螺旋微纳米纤维示意图；

图8为本发明实施例2三组分复合螺旋微纳米纤维示意图；

图9为本发明实施例1装置制备的复合螺旋微纳米纤维的扫描电镜图片；

图中，绝缘储液腔1、高压电源2、电机3、导电涂层4、环形电刷5、导线6、不锈钢喷头7、收集电极8、

具体实施方式

下面通过具体实施实例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限于本发明。即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。另外，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。

如图1-6所示，本发明提供的一种复合螺旋纤维纺丝装置，包括：绝缘储液腔1、高压电源2、电机3、收集电极8；所述绝缘储液腔1的上端与电机3的输出轴相连，所述绝缘储液腔1上至少具有两个独立的腔室，每个腔室的底部插有一个不锈钢喷头7，所述收集电极8布置在不锈钢喷头7下方距离为5cm-30cm；所述绝缘储液腔1上开有与腔室数量相同的通气孔，每个通气孔与对应的腔室相通，所述通气孔的直径为2μm-2mm；所述绝缘储液腔1上套设有与腔室数量相同的环形电刷5，并由固定装置水平完全固定，可在绝缘储液腔1随电机3高速旋转时与导电涂层4实时紧密接触；每个环形电刷5与对应的腔室通过导线6相连，在绝缘储液腔1与环形电刷5接触处设置有导电涂层4，所述环形电刷5与导线6通过导电涂层4电连接，环形电刷5均由柔性导电材料组成；每个环形电刷5与各自对应的高压电源2的正极相连，使得导电涂层4持续带电，所有的高压电源2的负极均与收集电极8相连。

进一步的，所述不锈钢喷头7为内径相同或不同的中空针头。

进一步的，所述电机3的转速范围在50rpm-20000rpm之间，控制复合螺旋微纳米纤维的回转密度。

进一步的，所述高压电源2能提供0～30kV电压。

其工作路线如下：断开高压电源2，将多个环形电刷5同轴套在导电涂层4外周，绝缘储液腔1上端夹持在电机3的夹头上，将多个环形电刷5与分别与对应的高压电源2的正极连接并固定，收集电极8与高压电源2的负极连接，暂时封闭多个不锈钢喷头7的下端，从绝缘储液腔1的储液室的通气孔处添加电纺溶液，注液完毕后打开不锈钢喷头7的下端；打开高压电源2开关，在高压静电场力的作用下，多个不锈钢喷头7处形成带电的喷射流并拉伸成多股微纳米纤维，在电机3的高速旋转带动下，绝缘储液腔1、导电涂层4、导线6、和多个平行不锈钢喷头7同轴高速转动，多股纤维即扭结成一根复合螺旋微纳米纤维。

本发明还提供复合螺旋纤维纺丝装置的纺丝方法，包括以下步骤：

(1)复合螺旋纤维生成工序：在每个绝缘储液腔1中注入不同的电纺溶液，电纺溶液在重力的作用下从不锈钢喷头7流出，并利用环形电刷5、导电涂层4以及导线6的传导使电纺溶液带电，从而在电纺溶液与收集电极8之间形成高压电场，通过高压电场的拉伸作用，从不锈钢喷头7流出的电纺溶液被拉伸形成微纳米纤维；

(2)复合螺旋结构生成工序：由复合螺旋纤维生成工序形成的多条微纳米纤维从不锈钢喷头7中流出，与此同时开启电机3，使多条微纳米纤维相互扭结形成复合螺旋纤维；

(3)回收工序：在不锈钢喷头7与收集电极8之间用玻璃片或锡箔纸收集复合螺旋纤维。

实施例1：

图1为双组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置，该装置中绝缘储液腔1开有两个腔室，将PCL颗粒溶解在二氯甲烷当中，常温下磁力搅拌，直至PCL完全溶于二氯甲烷当中，得到质量分数为8％的电纺溶液；同样，将PLGA溶解在二氯甲烷中，得到质量分数为10％的纺丝溶液。封闭不锈钢喷头7出液口，在2个腔室中分别注入PCL溶液和PLGA溶液。将绝缘储液腔1上端固定在电机3输出端，控制电机转速为1k～8k RPM，2个环形电刷电压分别设置为PCL溶液连接16kV,PLGA溶液连接到12kV,不锈钢喷头7出液口与收集电极8的距离为8～15cm，采用铝箔收集，可得到致密均一的连续的PCL-PLGA复合螺旋纤维，图7为双组分复合螺旋微纳米纤维示意图；外形如图9电镜照片所示。

实施例2：

图2-图6为三组分复合螺旋微纳米纤维纺丝装置，将PCL颗粒溶解在二氯甲烷当中，常温下磁力搅拌，直至PCL完全溶于二氯甲烷当中，得到质量分数为8％的电纺溶液；同样，将PLGA溶解在二氯甲烷中，得到质量分数为10％的电纺溶液。同样，将PVA溶解在纯水中，得到质量分数为3％的电纺溶液。封闭不锈钢喷头7出液口，在3个储液室中分别注入PCL溶液、PLGA和PVA溶液。将绝缘储液腔1上端固定在电机3输出端，控制电机转速为3k～15kRPM，3个环形电刷电压分别设置为PCL溶液连接16kV,PLGA溶液连接到12kV,PVA溶液连接到18kV,不锈钢喷头7出液口与收集电极8的距离为8～20cm，采用铝箔收集，可得到致密均一的连续的PCL-PLGA-PVA复合螺旋纤维，外形如图8所示。

Claims (7)

1.一种复合螺旋纤维纺丝装置，其特征在于，包括：绝缘储液腔、高压电源、电机、收集电极等；所述绝缘储液腔的上端与电机的输出轴相连，所述绝缘储液腔上至少具有两个独立的腔室，每个腔室的底部插有一个不锈钢喷头，所述绝缘储液腔上开有与腔室数量相同的通气孔，每个通气孔与对应的腔室相通，所述绝缘储液腔上套设有与腔室数量相同的环形电刷，每个环形电刷与对应的腔室通过导线相连，每个环形电刷与各自对应的高压电源的正极相连，所有的高压电源的负极均与收集电极相连。

2.根据权利要求1所述的复合螺旋纤维纺丝装置，其特征在于，在绝缘储液腔与环形电刷接触处设置有导电涂层，所述环形电刷与导线通过导电涂层电连接。

3.根据权利要求1所述的复合螺旋纤维纺丝装置，其特征在于，所述收集电极8布置在不锈钢喷头下方距离为5cm-30cm。

4.根据权利要求1所述的复合螺旋纤维纺丝装置，其特征在于，所述不锈钢喷头为内径相同或不同的中空针头。

5.根据权利要求1所述的复合螺旋纤维纺丝装置，其特征在于，所述电机的转速范围在50rpm-20000rpm之间。

6.根据权利要求1所述的复合螺旋纤维纺丝装置，其特征在于，所述高压电源能提供0～30kV电压。

7.利用权利要求1所述的复合螺旋纤维纺丝装置的纺丝方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)复合螺旋纤维生成工序：在每个绝缘储液腔中注入不同的电纺溶液，电纺溶液在重力的作用下从不锈钢喷头流出，并利用环形电刷、导电涂层以及导线的传导使电纺溶液带电，从而在电纺溶液与收集电极之间形成高压电场，通过高压电场的拉伸作用，从不锈钢喷头流出的电纺溶液被拉伸形成微纳米纤维。

(2)复合螺旋结构生成工序：由复合螺旋纤维生成工序形成的多条微纳米纤维从不锈钢喷头中流出，与此同时开启电机，使多条微纳米纤维相互扭结形成复合螺旋纤维。

(3)回收工序：在不锈钢喷头与收集电极之间用玻璃片或锡箔纸收集复合螺旋纤维。