CN106757414A - 一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法，采用聚合物稀释溶液为芯部工作流体；采用易挥发、与芯部工作流体具有相容性的单一溶剂或混合溶剂为外鞘环流工作流体；控制上述的流体进入一个同轴喷头，同轴喷头通过导线与高压静电场连接，在高压静电的作用下，同轴喷头电喷产生微纳米颗粒。本发明还提供了实现上述方法的装置，包括高压发生器、第一轴流泵、第二轴流泵、同轴喷头、接收板、高弹性硅胶软管。本发明能够解决电喷聚合物颗粒太大、形状扁平、大小分布不均、卫星颗粒多等缺陷，制备出直径小、尺寸分布均匀、形状圆整而且表面光滑的高质量聚合物纳米颗粒，适合于工业扩大化生产。

Description

一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法及装置

技术领域

本发明材料学领域，涉及一种聚合物超细颗粒的制备装置和方法，具体来说是一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法及装置。

背景技术

高压静电喷雾技术是一种自上而下(top-down)的微纳米制造技术，该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，被雾化后的液体由于巨大的表面积，溶剂迅速挥发，聚合物溶质被干燥成细小的微纳米颗粒。该技术工艺过程简单、操控方便、选择聚合物材料范围广泛、可控性强、能够实现连续工业化生产，应用该技术制备功能微纳米颗粒具有良好的前景。

但是到目前为止，几乎所有文献报道的电喷工艺都是在大气环境下进行的。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法及装置，所述的这种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法及装置要解决现有技术中的普通高压静电喷雾技术制备的聚合物颗粒质量低下、聚合物颗粒太大、形状扁平、表面皱纹多、大小分布不均匀、卫星颗粒多的技术问题。

本发明提供了一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用聚合物稀释溶液为芯部工作流体；

2)采用易挥发且与芯部流体具有相容性的单一溶剂或混合溶剂为外鞘环流工作流体；

3)控制步骤1和步骤2）的流体进入一个同轴喷头，所述的同轴喷头通过导线与高压静电场连接，在高压静电的作用下，同轴喷头电喷产生微纳米颗粒，微纳米颗粒采用铝箔包裹纸板接收。

本发明提供了实现上述方法的一种溶剂环流同轴高压静电喷雾装置，包括高压发生器、第一轴流泵、第二轴流泵、同轴喷头、接收板、高弹性硅胶软管，所述的第一轴流泵和一个第一注射器连接，所述的第一注射器通过所述的高弹性硅胶软管和所述的同轴喷头连接，所述的第二轴流泵和一个第二注射器连接，所述的第二注射器和所述的同轴喷头连接，所述的高压发生器和所述的同轴喷头连接，所述的同轴喷头下端设置有一个接收板。

所述的第一注射器中含有芯部工作流体，所述的芯部工作流体为聚合物稀溶液，具体为乙基纤维素粉末的无水乙醇溶液、或者聚乙烯吡咯烷酮K10粉末的无水乙醇溶液。

所述的第二注射器中含有外鞘环流工作流体，所述的外鞘环流工作流体是指与芯部流体具有相容性的单一溶剂或混合溶剂，具体为丙酮和乙醇的体积比为50%:50%的混合溶剂。

本发明采用聚合物稀溶液为芯液轴流注射泵中的工作流体，采用易挥发且与芯部流体相容性好的单一溶剂或混合溶剂为外鞘环流工作流体。采用同轴喷头引导双流体进入高压静电场，高压静电场通过导线以鳄鱼钳的方法与喷头直接相连，芯鞘流量通过两台轴流泵分别控制，采用铝箔包裹纸板接收电喷产生微纳米颗粒。

由于在高压静电喷雾的快速干燥过程中，表面溶剂极其容易挥发，常常导致雾化液滴表面的预先过早干燥，阻止接受的颗粒内部溶剂的完全挥发。这些不能及时挥发的溶剂的随后挥发和大气压的共同作用，导致这些传统电喷颗粒质量低下，聚合物颗粒大、形状扁平、表面皱纹多、大小分布不均匀、卫星颗粒多等缺陷。对于该问题的解决，目前还未发现直接相关的针对性研究报道。本发明通过在电喷过程中增加一个易挥发且与芯部流体具有相容性的单一溶剂或混合溶剂为外鞘环流工作流体，能够有效阻止雾化液滴表面的预先过早干燥，从而引导液滴内部溶剂在电喷过程中及时地、均匀地挥发完全，制备出高质量聚合物纳米颗粒。

本发明的一种溶剂环流同轴高压静电喷雾装置，可以制备出直径小、尺寸分布均匀、形状圆整而且表面光滑的高质量聚合物纳米颗粒，适合于工业扩大化生产。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明制备工艺简单，适合于工业化生产；本发明能够有效调控高压静电喷雾干燥过程中芯部目标流体的干燥行为、实现内外流体相对均匀地同步干燥；本发明所制得的聚合物纳米颗粒尺寸小而均匀、形状圆整而表面光滑、没有或很少卫星颗粒。

附图说明

图1是溶剂环流同轴静电喷雾工艺装置图。1-高压发生器；2-芯液轴流注射泵；3-鞘液轴流注射泵；4-同轴喷头；5-接收板；6-高弹性硅胶软管。

图2 是通过普通电喷雾工艺从质量浓度为10%的乙基纤维素溶液中制备的颗粒。

图3是通过普通电喷雾工艺从质量浓度为10%的乙基纤维素溶液中制备的颗粒的尺寸大小分布图。

图4 是以质量浓度为10%的乙基纤维素溶液为芯液，以二氯甲烷纯溶剂为鞘液，实施溶剂环流同轴静电喷雾工艺过程观察。

图5 是以质量浓度为10%的乙基纤维素溶液为芯液，以二氯甲烷纯溶剂为鞘液，采用本方法的剂环流同轴静电喷雾工艺所制备的高质量颗粒。

图6 是通过溶剂环流同轴静电喷雾工艺为从10%的乙基纤维素溶液中制备的颗粒的尺寸大小分布图。

图7是通过普通电喷雾工艺从质量浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液中制备的颗粒。

图8 是通过普通电喷雾工艺从质量浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液中制备的颗粒的尺寸大小分布图。

图9 是以质量浓度为质量浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液为芯液，以丙酮和乙醇的体积比为50%:50%的混合溶剂为鞘液，采用本方法的剂环流同轴静电喷雾工艺所制备的高质量颗粒。

图10 是通过溶剂环流同轴静电喷雾工艺为从8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液中制备的颗粒的尺寸大小分布图。

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 溶剂环流同轴高压静电喷雾装置

如图1，本发明的一种溶剂环流同轴高压静电喷雾装置，包括高压发生器1；第一轴流泵2、第二轴流泵3、同轴喷头4、接收板5、高弹性硅胶软管6组成，所述的第一轴流泵2和一个第一注射器7连接，所述第一注射器7通过所述的高弹性硅胶软管6和所述的同轴喷头4连接，所述的第二轴流泵3和一个第二注射器8连接，所述第二注射器8和所述的同轴喷头4连接，所述的高压发生器1和所述的同轴喷头4连接，所述的同轴喷头4下端设置有一个接收板5。

上述的高压发生器1；第一轴流泵2、第二轴流泵3、同轴喷头4、接收板5、高弹性硅胶软管6、第一注射器7、第二注射器8都可以通过市场购买获得。

所述的第一注射器7中的芯液通过高弹性硅胶管6，通过第一轴流泵输入到同轴喷头4中。所述的第二注射器8中的鞘液通过第二轴流泵输入到同轴喷头4中。

所述的高压发生器1与同轴喷头4之间通过导线以鳄鱼钳的方式相连。

芯鞘流量比通过两台轴流注射泵控制调控。采用铝箔包裹的纸板接收高压静电喷雾所制备的超细微粒，接收板接地。

实施例2

通过普通电喷雾工艺利用质量浓度为10%的乙基纤维素溶液制备颗粒

将10.0 g 的乙基纤维素粉末在常温下溶解于90.0g 无水乙醇中，然后在摇床中振摇成均匀透明电喷雾工作流体。在高压同轴静电喷雾装置中，关闭鞘液泵，采用10毫升注射器将上述溶液固定在第一轴流泵2上，开启第一轴流泵2，流速为1.0mL/h。当有液滴均匀从喷头口滴出的时候，启动高压静电发生器。在施加电压为15 kV，接受距离为20 cm的工作状况下，所制备的乙基纤维素颗粒如图2所示。这些颗粒表面凸凹不平，大小不均一，还有较多的卫星颗粒出现。对颗粒直径进行统计，结果如图3所示，平均直径为2.14 ± 0.83 μm。

实施例3

通过溶剂环流同轴高压静电喷雾装置利用质量浓度为10%的乙基纤维素溶液制备颗粒

在上述实施例2的工况下，启动第二轴流泵3，调控第二注射器8中的外鞘环流工作流体（即丙酮和乙醇的体积比为50%:50%的混合溶剂）的流量为0.2 mL/h，其它条件不变（芯液流量1.0mL/h，施加电压15kV，接受距离20cm）通过放大拍摄，结果如图4所示，整个溶剂环流高压静电喷雾过程均匀稳定。所制备的乙基纤维素颗粒如图5所示。这些颗粒圆整、大小均匀、颗粒表面光滑，卫星颗粒很少。对颗粒直径进行统计，结果如图6所示，平均直径为0.75 ±0.16 μm。相比于上述实施例2的乙基纤维素颗粒，采用溶剂环流工艺制备的颗粒直径只有三分之一左右，颗粒直径分布集中，反映颗粒大小均匀度高。

实施例4

通过普通电喷雾装置将质量浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液制备颗粒

将8.0 g 的聚乙烯吡咯烷酮K10粉末在常温下溶解于92.0g 无水乙醇中，然后在摇床中振摇成均匀透明电喷雾工作流体。在高压同轴静电喷雾装置中，关闭第二轴流泵3，采用10毫升注射器将上述溶液固定在第一轴流泵2上，开启第一轴流泵2，流速为2.0 mL/h。当有液滴均匀从喷头口滴出的时候，启动高压静电发生器。在施加电压为12 kV，接受距离为20cm的工作状况下，所制备的聚乙烯吡咯烷酮颗粒如图7所示。这些颗粒不圆整、大小不均一、表面不光滑，卫星颗粒很多。对颗粒直径进行统计，结果如图8所示，平均直径为1.71 ±0.78 μm。

实施例5

通过溶剂环流同轴静电喷雾装置将质量浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液制备颗粒

在上述实施例4的工况下，启动第二轴流泵3，调控第二注射器8中的外鞘环流工作流体（即丙酮和乙醇的体积比为50%:50%的混合溶剂）的流量为0.5 mL/h，其它条件不变（芯液流量2.0mL/h，施加电压12kV，接受距离20cm，整个溶剂环流高压静电喷雾过程均匀稳定。所制备的聚乙烯吡咯烷酮颗粒如图9所示。这些颗粒圆整、大小均一、表面光滑、几乎没有卫星颗粒。对颗粒直径进行统计，结果如图10所示，平均直径为0.71 ± 0.13 μm。相比于上述实施例4的聚乙烯吡咯烷酮颗粒，采用溶剂环流工艺制备的颗粒直径只有二分之一还不到，颗粒直径分布集中，反映颗粒大小均匀度高。

Claims (2)

1.一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法，其特征在于包括如下步骤：

1）采用聚合物稀释溶液为芯部工作流体；

2）采用易挥发且与芯部流体具有相容性的单一溶剂或混合溶剂为外鞘环流工作流体；

3）控制步骤1和步骤2）的流体进入一个同轴喷头，所述的同轴喷头通过导线与高压静电场连接，在高压静电的作用下，同轴喷头电喷产生微纳米颗粒，微纳米颗粒采用铝箔包裹纸接收板接收。

2.实现权利要求1所述方法的一种溶剂环流同轴高压静电喷雾装置，其特征在于：包括高压发生器、第一轴流泵、第二轴流泵、同轴喷头、接收板、高弹性硅胶软管，所述的第一轴流泵和一个第一注射器连接，所述的第一注射器通过所述的高弹性硅胶软管和所述的同轴喷头连接，所述的第二轴流泵和一个第二注射器连接，所述的第二注射器和所述的同轴喷头连接，所述的高压发生器和所述的同轴喷头连接，所述的同轴喷头下端设置有一个铝箔包裹纸接收板。