CN106757413B - 一种空芯静电纺丝喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种空芯静电纺丝喷头，由内针管和外针管和空心管组成。内针管加工有垂直内针管轴向，横向贯通内针管内径的针口，其表面都进行了表面处理。空心管同轴安装在内针管内部，空心管和内针管同轴安装在外针管内部。本发明有益效果是能够实现两种以上不同组分的溶液的混合静电纺丝，为加工核‑壳结构、多孔结构的功能化纤维材料提供很大的便利，能够广泛应用于药物缓释、组织工程以及药物载体等领域，能够依照单针管喷头进行操作，操作工艺简单。

Description

一种空芯静电纺丝喷头
技术领域
本发明涉及一种静电纺丝喷头，从使用上讲，是一种基于静电纺丝法得到空心或多孔复合纤维用的一种空芯静电纺丝喷头。
背景技术
同轴静电纺丝法是在静电纺丝的基础上改进装置发展而来的一种工艺，可用来制备特殊功能结构的纤维材料，它的出现弥补了普通静电纺丝法在制备非常规结构纤维时所存在的缺陷。普通静电纺丝装置为单通道针头，而同轴静电纺丝装置为含有内外两个同轴的复合针头，复合针头的两个管道分别与注射器相连，注射器由注射泵控制，从而获得恒定注射量，内外针管溶液分别装入不同的注射器内，在注射泵的推动下内外针管溶液通过不同管道流经同轴针头，在针头处汇合形成核-芯结构的泰勒锥。在高压电场力和表面张力的共同作用下，芯层溶液与核层溶液发生相互作用，产生“粘拽”和“接触摩擦”，从而使核层溶液获得一定拉伸，最终形成具有层状结构的复合纳米纤维。
但是，由于同轴静电纺丝的喷头，以及操作工艺及其严格，不容易控制生成双层或复合的纤维，特别是内针头管道伸出外针头管道的距离是影响同轴喷射流形成的关键性因素：距离太小时，内针管道溶液容易被外层管道的溶液堵住，内针头溶液没办法顺利流出，此时在电场力作用下内层溶液得不到拉伸，仅有外层溶液形成射流。距离太大时，溶液沿内针管壁的外表面流出，无法将内针头伸出部分完全包覆，进而导致许多溶液从针头四周射出，无法得到稳定的同轴喷射流。
因此，解决上述问题，需要设计一种精准、易操作的同轴静电纺丝喷头，能够制备核-芯结构、中空结构及多级结构的纤维材料提供技术的支撑，进而拓宽纳米纤维的应用领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种空芯静电纺丝喷头，由内针管和外针管和空心管组成。其特征在于：内径ϕ a的内针管的内部同轴安装有外径是ϕb的空心管，在内针管的呈H4高尖锥形的内针管头，空心管的空心管开口边与内针管头壁密闭焊接；在距离内针管头底边H3尺寸的地方，加工有一个反相均液环，在距离反相均液环H2尺寸的地方，加工有一个中间均液环，在距离中间均液环H1尺寸的地方，加工有一个上均液环。均液环的设计在于将上述出口的溶液很好地均匀涂覆在内针管圆周壁上，避免出现线流而导致各种溶液混合不均匀。在距离上均液环上方h尺寸的地方，加工有垂直内针管轴向，横向贯通内针管内径的2个对称的针口一；在距离上均液环下方h尺寸的地方，加工有垂直内针管轴向，横向贯通内针管内径的，方向与针口一十字排布的2个的针口二。所开针口不损坏和影响内部的空心管的完整，即，加工好针口后的内针管才安装空心管。相互十字对称排布的贯通口设计，避免溶液在一个方向上堆积，易于溶液铺展。内针管的横向贯通口的设计，改变了原同轴喷头内外针管开口都一致，容易导致各个组分来不及相互混匀或内外包覆不好的问题。设计在于避免了原同轴静电纺丝喷头的内外喷头针管，在纺丝过程中，由于内外针头管间距、长度等参数设置不好，而造成的其内针管与外针管不同组分溶液的混合不均的难题。从针口一上部平齐线开始的内针管表面，一直到内针管头底边的表面，均加工有与内针管溶液相浸润的内针管处理表面；上均液环和中间均液环的表面，都加工有与内针管里流动的溶液相浸润的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构。设计有利于内针管的液体环形均匀后向下引流。反相均液环的表面，加工有与外针管）里流动的溶液相浸润的、与内针管里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构。内针管头的表面加工有内针管头处理表面，内针管头处理表面与外针管里流动的溶液相浸润的、与内针管里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构。这一设计阻滞减缓和均匀流体的流动力，使纤维拉伸时全靠电场力。这是本发明其中一个创新点，目的在于将内针管流出的溶液快速地铺满内针管表面，为外针管的另外一种溶液下一步均匀包覆内针管流出的溶液，或均匀混合内针管出口流出的溶液做准备。同时，在反相均液环处，因外针管溶液容易涂覆，所以能够更好地被外针管的溶液包覆或混合。所述空心管是在内针管加工好针口一和针口二后，才安装，外针管是同轴套在内针管之外。
上述技术方案中，所述针口一的开口直径ϕ上与针口二的开口直径ϕ下，之间尺寸关系是ϕ上= 1.5ϕ下 。设计目的是为了保证内针管的针口一与针口二的溶液，在计算的合理管径和流速下，上下两层出口的溶液，能够迅速汇合，均匀铺展在内针管表面。所述针口一的下边到上均液环的距离h=3ϕ上，针口二的上下边到上均液环和中间均液环的距离h=3ϕ上；所述反相均液环、中间均液环和上均液环的厚度h1一致，h1= ϕ上。设计目的同样是为了保证内针管的针口一与针口二的溶液，能够均匀铺展在内针管表面，同时与被辅助管流出的溶液均匀包覆；或者，与辅助管流出的溶液均匀混合做准备。
上述技术方案中，所述中间均液环与反相均液环之间的距离H2 ≥2（ϕ上+ ϕ下），反相均液环到内针管头底边的距离H3 =2（H1+ H2），内针管头的高H4 =3 ϕ上。距离限定了实验最优参数的选择，目的是保证外针管流出的溶液和内针管流出的另外一种溶液，有足够的流程混合或包覆。在高压静电拉伸时，保证已经是一体的。
上述技术方案中，所述外针管的内径半径与内针管的外壁半径之差L0 ≥5ϕ上；反相均液环半径与内针管的外壁半径之差L3 =0.5 ϕ上~ 4ϕ上；中间均液环外沿半径与内针管的外壁半径之差L2 = 0.5 ϕ下~ 2ϕ下；上均液环外沿半径与内针管的外壁半径之差L1 =0.5ϕ上~ 2ϕ上；所述内针管伸出外针管的平口端的距离h0 = 2L0 ~5L0。此设计，使得外针管和内针管的溶液能够均匀混合，在相同参数设置下其流速与内针管的溶液的流速基本相同，简化了操作的参数设定，统一设置参数即可。内针管的内径ϕ a与空心管外径ϕ b的数量关系是ϕ a≥3ϕ b，保证内针管的液体运输能力。
上述技术条件设计，是本发明能够依据不同的实验，制备不同的复合静电纺丝纤维。如果，外针管的溶液和内针管的溶液均是一样的亲水或疏水，能够使用本发明。两者溶液挥发速率相似，能够容易形成混合复合纤维，如两者溶液挥发速率有差别，能够容易形成核-壳层状结构的复合纤维。如果外针管的溶液是亲水，另一个内针管的溶液是疏水，本发明也能够用。或者，内针管的溶液是亲水，外针管的溶液是疏水，本发明也能够用。也能够容易形成核-壳层状结构的复合纤维。
本发明设计的同轴静电纺丝喷头与现有的常规同轴静电纺丝相比，本发明有下列有益效果。
（1）因为在高压静电纺丝前几种原料溶液已经混合为一体，在操作参数的设定过程中，能够依照单针管喷头进行操作，只需在本发明喷头的封闭尖头处形成复合泰勒锥，继而从泰勒锥体拉伸出由壳层包覆核层的同轴壳-芯复合结构的纤维。操作工艺简单。
（2）同时，能够实现两种以上不同组分的溶液的混合静电纺丝，为加工核-壳结构、中空结构、多孔结构的功能化纤维材料提供很大的便利。
（3）本发明能够广泛应用于药物缓释、组织工程以及药物载体等领域。
附图说明
图1为本发明的内针管结构主视示意图。
图2为本发明的内针管结构尺寸标注示意图。
图3为本发明的装配结构主视示意图。
图4为本发明的装配结构仰视示意图。
其中：1.内针管头；2.内针管；3.反相均液环；4.中间均液环；5.上均液环；6.针口一；7.空心管；8.内针管处理表面；9.针口二；10. 内针管头处理表面；11.空心管开口；12.外针管。
具体实施方式
下面结合附图1至附图4，以及具体实施例进一步对本发明加以说明。
具体实施例一
本发明的一种空芯静电纺丝喷头，由内针管2和外针管12和空心管7组成。从针口一6上部平齐线开始的内针管2表面，一直到内针管头1底边的表面，均加工有与内针管溶液相浸润的内针管处理表面8；上均液环5和中间均液环4的表面，都加工有与内针管2里流动的溶液相浸润的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构。反相均液环3的表面，加工有与外针管12里流动的溶液相浸润的、与内针管2里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构。内针管头1的表面加工有内针管头处理表面10，内针管头处理表面10与外针管12里流动的溶液相浸润的、与内针管2里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构。
内针管2内径ϕ a = 3mm，空心管7外径ϕ a =1mm，空心管7内径ϕ =0.45mm。针口一6的开口直径ϕ上=0.90mm，针口二9的开口直径ϕ下= 0.6mm。针口一6的下边到上均液环5的距离h=2.7mm，针口二9的上下边到上均液环5和中间均液环4的距离h=2.7mm。反相均液环3、中间均液环4和上均液环5的厚度h1一致，h1=0.9mm。
上均液环5与中间均液环4之间的距离H1 =6mm，中间均液环4与反相均液环3之间的距离H2=6mm，反相均液环3到内针管头1底边的距离H3 =24mm，内针管头11的高H4 =2.7mm。
外针管12的内径半径与内针管2的外壁半径只差L0 =0.90mm；反相均液环3半径与内针管2的外壁半径之差L3 =0.90mm；中间均液环4外沿半径与内针管2的外壁半径之差L2 =0.45mm；上均液环5外沿半径与内针管2的外壁半径之差L1 =0.45mm；内针管2伸出外针管12的平口端的距离h0 = 2.7mm。
具体实施例二
本发明的一种空芯静电纺丝喷头，由内针管2和外针管12和空心管7组成。从针口一6上部平齐线开始的内针管2表面，一直到内针管头1底边的表面，均加工有与内针管溶液相浸润的内针管处理表面8；上均液环5和中间均液环4的表面，都加工有与内针管2里流动的溶液相浸润的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构。反相均液环3的表面，加工有与外针管12里流动的溶液相浸润的、与内针管2里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构。内针管头1的表面加工有内针管头处理表面10，内针管头处理表面10与外针管12里流动的溶液相浸润的、与内针管2里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构。
内针管2内径ϕ a =6mm，空心管7外径ϕ a =2mm，空心管7内径ϕ =0.75mm。针口一6的开口直径ϕ上=1.5mm，针口二9的开口直径ϕ下= 1mm。针口一6的下边到上均液环5的距离h=4.5mm，针口二9的上下边到上均液环5和中间均液环4的距离h=4.5mm。反相均液环3、中间均液环4和上均液环5的厚度h1一致，h1=1.5mm。
上均液环5与中间均液环4之间的距离H1 =10mm，中间均液环4与反相均液环3之间的距离H2=5mm，反相均液环3到内针管头1底边的距离H3 =30mm，内针管头1的高H4 =4.5mm。
外针管12的内径半径与内针管2的外壁半径之差L0 =1.5mm；反相均液环3半径与内针管2的外壁半径之差L3 =1.0mm；中间均液环4外沿半径与内针管2的外壁半径之差L2 =0.75 mm；上均液环5外沿半径与内针管2的外壁半径之差L1 =1.0mm；内针管2伸出外针管12的平口端的距离h0 =7.5mm。

Claims (4)

1.一种空芯静电纺丝喷头，由内针管（2）和外针管（12）和空心管（7）组成，其特征在于：内径ϕ a的内针管（2）的内部同轴安装有外径是ϕb的空心管（7），在内针管（2）的呈H4高尖锥形的内针管头（1），空心管（7）的空心管开口（11）边与内针管头（1）壁密闭焊接；在距离内针管头（1）上底边H3尺寸的地方，加工有一个反相均液环（3），在距离反相均液环（3）上方H2尺寸的地方，加工有一个中间均液环（4），在距离中间均液环（4）上方H1尺寸的地方，加工有一个上均液环（5）；在距离上均液环（5）上方h尺寸的地方，加工有2个对称的针口一（6），2个对称的针口一（6）形成横向贯通内针管（2）内径，且垂直内针管（2）轴向的通孔；在距离上均液环（5）下方h尺寸的地方，加工有2个针口二（9），2个针口二（9）形成横向贯通内针管（2）内径，且垂直内针管（2）轴向的通孔；2个针口二（9）的方向与2个针口一（6）的方向呈十字排布；从针口一（6）上部平齐线开始的内针管（2）表面，一直到内针管头（1）底边的表面，均加工有与内针管溶液相浸润的内针管处理表面（8）；上均液环（5）和中间均液环（4）的表面，都加工有与内针管（2）里流动的溶液相浸润的处理表面，并具有向下引流作用的微纳米结构；反相均液环（3）的表面，加工有与外针管（12）里流动的溶液相浸润的、与内针管（2）里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并只具有溶液涂覆的微纳米表面结构，没有向下引流的结构；内针管头（1）的表面加工有内针管头处理表面（10），内针管头处理表面（10）与外针管（12）里流动的溶液相浸润的、与内针管（2）里流动的溶液不相浸润的反相处理表面，并且具有溶液涂覆横向环状引流作用的微纳米表面结构；所述空心管（7）是在内针管（2）加工好针口一（6）和针口二（9）后，才安装，外针管（12）是同轴套在内针管（2）之外。
2.根据权利要求1所述的一种空芯静电纺丝喷头，其特征在于：所述针口一（6）的开口直径ϕ上与针口二（9）的开口直径ϕ下，之间尺寸关系是ϕ上= 1.5ϕ下 ；所述针口一（6）的下边到上均液环（5）的距离h=3ϕ上，针口二（9）的上下边到上均液环（5）和中间均液环（4）的距离h=3 ϕ上；所述反相均液环（3）、中间均液环（4）和上均液环（5）的厚度h1一致，h1= ϕ上。
3.根据权利要求2所述的一种空芯静电纺丝喷头，其特征在于：所述中间均液环（4）与反相均液环（3）之间的距离H2 ≥2（ϕ上+ ϕ下），反相均液环（3）到内针管头（1）底边的距离H3=2（H1+ H2），内针管头（1）的高H4 =3 ϕ上。
4.根据权利要求2所述的一种空芯静电纺丝喷头，其特征在于：所述外针管（12）的内径半径与内针管（2）的外壁半径之差L0 ≥ϕ上；反相均液环（3）半径与内针管（2）的外壁半径之差L3 =0.5 ϕ上~ 4ϕ上；中间均液环（4）外沿半径与内针管（2）的外壁半径之差L2 = 0.5 ϕ下~ 2ϕ下；上均液环（5）外沿半径与内针管（2）的外壁半径之差L1 =0.5 ϕ上~ 2ϕ上；所述内针管（2）伸出外针管（12）的平口端的距离h0 = 2L0 ~5L0；内针管（2）的内径ϕ a与空心管（7）外径ϕ b的数量关系是ϕ a=3ϕ b。
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