CN108193291A - 收集模板及静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电纺丝收集模板及静电纺丝装置。该静电纺丝收集模板能够导电，并且具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间；所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，所述起伏高度hi为0.01～10mm。本发明的收集模板可以容易地获得具有花纹图案的纳米纤维网，并且含三维无序排列的纳米纤维结构。

Description

收集模板及静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及一种收集模板及静电纺丝装置，尤其是一种静电纺丝收集模板及静电纺丝装置。
背景技术
静电纺丝技术可以获得直径分布从几个纳米到几个微米的各种超细纤维，在近30年的时间里得到蓬勃发展。当带电的聚合物液滴受到电场力的作用在纺丝喷嘴(或者其他形式的纺丝喷头)处形成泰勒锥且电荷密度足够高的时候，同种电荷之间的静电排斥力会克服聚合物液体的表面张力使聚合物液体分裂成若干射流；这些射流在高压电场力的作用下不断拉升，形成纳米或者亚微米级纤维，并以无序状排列在收集装置上。因此，传统的静电纺丝能够获得无规取向纤维构成的无纺布，但无法获得有序排列的纳米纤维集合体。
现有的静电纺丝装置已经可以制造膜厚均一、质量均一、二维无序排列的纳米纤维的堆积物(参见CN102652189A)。采用绝缘接收模板静电纺可以制备图案化、二维无序排列的纳米纤维膜(参见CN102691176A)。此外，采用模板电纺可以制备柔性拉胀材料(参见CN106894164A)。首先制备具有图案或凹凸结构的收集模板；采用高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过静电力牵引纺丝并收集在收集模板上；将收集到的柔性拉胀材料从收集模板上剥离；将柔性拉胀材料进行后处理，以提高柔性拉胀材料的力学性能或赋予其功能。采用静电纺丝技术还可以获得三维曲折纳米纤维复合窗纱(参见CN106048901A)。现有技术所采用的收集模板至多具有两个平面，所得纳米纤维网中的纳米纤维是三维有序排列的，且底点平面形成的纳米纤维簇与顶点平面形成的纳米纤维簇没有形成有效过渡结构，从而制约了纳米纤维网性能的提高。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种静电纺丝收集模板，其可以使两个纳米纤维簇之间形成有效过渡结构。本发明进一步的目的在于提供一种静电纺丝收集模板，其形成的纳米纤维网的花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述收集模板的静电纺丝装置。本发明采用如下技术方案实现上述目的。
本发明提供一种静电纺丝收集模板，所述收集模板能够导电，并且具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间；所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，所述起伏高度hi为0.01～10mm。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，满足如下条件之一：
(1)所述顶点平面在所述收集模板的投影落入所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积；或
(2)所述顶点平面在所述收集模板的投影落在所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域外。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，所述次顶点平面包括第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h1的1.1～10倍。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，所述顶点平面在所述收集模板的投影落入所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1～100倍。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，所述次顶点平面包括由上至下依次设置的第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第一次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1.5～20倍，所述第二次顶点平面的面积为所述第一顶点平面的面积的1.5～20倍。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，所述顶点平面在所述收集模板的投影落在所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域外，且所述次顶点平面在所述收集模板的投影均匀分布在所述收集模板上。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，所述收集模板的长度为0.01～100m、宽度为0.01～10m、厚度为0.01～500mm、且电导率为1×105～1×1010S/m。
根据本发明的静电纺丝收集模板，优选地，满足如下条件之一：
(1)所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为不规则图形；
(2)所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为规则图形；
(3)所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为规则图形；或
(4)所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为不规则图形。
本发明还提供一种静电纺丝装置，所述静电纺丝装置包括多针静电纺丝单元、静电发生单元和如上所述的静电纺丝收集模板；所述静电发生单元设置为能够向所述多针静电纺丝单元施加电场；所述多针静电纺丝单元中容纳有纺丝液，其设置为能够在所述电场的作用下将所述纺丝液形成纳米纤维；所述静电纺丝收集模板设置为能够接收所述纳米纤维，并形成具有花纹图案的纳米纤维网；
其中，多针静电纺丝单元包括多个针头，每个针头的内径为0.1～1mm，每个针头与所述静电纺丝收集模板的距离为10～100cm；
其中，所述静电纺丝收集模板与所述多个针头满足如下关系之一：
(1)所述多个针头的开口朝下，且所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的下方；
(2)所述多个针头的开口朝上，所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的上方；或
(3)所述多个针头的开口朝向水平方向，所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的开口方向的对面。
根据本发明的静电纺丝装置，优选地，所述多针静电纺丝单元还包括纺丝液供给器以及与纺丝液供给器的出口相连的喷丝头；所述喷丝头选自如下设置之一：
(1)所述喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，喷头主体的底面的中部设置有所述多个针头，喷头主体的底面的外围设置有导电环状物，该导电环状物与所述喷头主体之间设置有绝缘物，并且将其设置为能够将所述多个针头包围；所述多个针头和所述导电环状物均与所述静电发生单元电连接；或者
(2)所述喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，喷头主体的底面的中部设置有多个针头，所述多个针头之间设置有导电的连接物，所述多个针头均与所述静电发生单元电连接。
本发明采用图案化的三维起伏结构的收集模板可以获得有序排列的具有花纹图案的纳米纤维网。本发明在常规凹凸结构的收集板基础上增加次顶点平面，从而使得相邻两个顶点平面上形成的纳米纤维簇之间可以形成有效过渡结构，进而使得提高纳米纤维网的综合性能成为可能。本发明的收集模板的表面呈现三维起伏结构；通过控制起伏结构的程度来控制收集板上不同位置的电场强度。电场强度的不同会导致收集板形成不同程度的纳米纤维簇，且两个纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。
附图说明
图1为本发明的一种收集模板的截面示意图。
图2为图1所示的收集模板的俯视图。
图3为采用图2所示的收集模板形成纳米纤维簇的示意图。
图4为本发明的顶点平面或次顶点平面的各种形状。
图5为本发明的顶点平面和次顶点平面在收集模板上的投影的组合形状。次顶点平面在外，顶点平面在内。
图6为本发明的一种静电纺丝装置的结构示意图。
图7为本发明的另一种静电纺丝装置的结构示意图。
图8a～c为本发明的三种静电纺丝装置的布置方式示意图。a-从上往下静电纺丝；b-从下往上静电纺丝；c-侧面静电纺丝。
图9为实施例6的方法获得的图案化的三维纳米纤维结构。
附图标记说明如下：
101-收集模板；102-顶点平面；103-谷点平面；106-次顶点平面；1061-第一次顶点平面；1062-第二次顶点平面；106i-第i次顶点平面；104-静电发生单元；105-多针静电纺丝单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明的纳米纤维可以包括纳米级和亚微米级的纤维，为了表述方便，统称为纳米纤维。采用本发明的静电纺丝接收模板，可以容易地获得具有花纹图案的三维纳米纤维结构，且花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列。
<静电纺丝收集模板>
本发明的静电纺丝收集模板具有多个三维起伏结构，所述三维起伏结构有序排列在静电纺丝收集模板上，用于形成具有花纹图案的三维纳米纤维结构。对于每个三维起伏结构，它们均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间。传统的收集模板至多包括两个平面，根本没有教导通过增加次顶点平面可以使得相邻两个顶点平面上形成的纳米纤维簇之间可以形成有效过渡结构。本发明增加了次顶点平面，从而使得相邻两个顶点平面上形成的纳米纤维簇之间可以形成有效过渡结构。
在本发明中，由于静电纺丝收集模板的三维起伏结构产生的电场不同，会在其上形成不同的纺丝区域，亦即形成不同的纳米纤维簇。在顶点平面上形成密集纺丝区，从而获得密集纳米纤维簇；在次顶点平面上形成过渡态纺丝区，从而获得过渡态纳米纤维簇(有效过渡结构)；在谷点平面上形成稀疏纺丝区，从而获得稀疏纳米纤维簇。这样将使得各个区域的纳米纤维簇厚度不同，从而形成具有花纹图案的三维纳米结构。两个密集纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。此外，在过渡态纳米纤维簇中，由于受电场强度变化的影响，纳米纤维呈三维无序排列。传统静电纺丝无法获得三维无序排列的纳米网结构，仅可以获得二维无序排列的的纳米纤维网结构。现有的静电纺丝方法无法形成有效过渡结构，且仅能获得三维有序排列的花纹图案。本发明的方法则可以获得有效过渡结构、且两个密集纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。
在本发明中，(1)所述顶点平面在所述收集模板的投影落入所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积；或者(2)所述顶点平面在所述收集模板的投影落在所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域外。这两种设置方式均可以获得有效过渡结构，但设置方式(1)效果更好。所谓落入表示投影A包含在投影B的外轮廓线形成的区域内，二者可以存在共同的边界，但投影A不能超出投影B的外轮廓线形成的区域边界。所谓落在……区域外，表示投影A的外轮廓线与投影B的外轮廓线不相交，且投影A没有落入投影B的外轮廓线形成的区域内。
在本发明中，所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，优选为1～10的自然数。这样更加经济，并且可以保证形成有效过渡结构。起伏高度hi为0.01～10mm；优选地，起伏高度hi为0.01～5mm；更优选地，起伏高度hi为0.01～1mm。这样更加有利于获得有效过渡结构。
在本发明中，收集模板可以采用采用高电导率的材料来形成；或者在绝缘底板上涂覆采用高电导率材料来形成。高电导率材料的实例包括但不限于银、金、铜、铝或其他金属以及它们的合金。本发明的绝缘底板采用绝缘材料制成。绝缘材料的实例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚甲基丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯之共聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺(例如尼龙)、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚苯醚、聚苯硫醚、聚氨基甲酸乙酯或聚苯乙烯；优选为尼龙。
在本发明中，收集模板的长度可以为0.01～100m、优选为0.1～1m；宽度为0.01～10m、优选为0.1～1m；厚度为0.01～500mm、优选为0.1～10mm；电导率为1×105～1×1010S/m、优选为1×106～1×109S/m。将导电面板参数控制在上述范围，有利于获得有序排列的花纹图案。
在本发明中，顶点平面和次顶点平面的形状可以分别独立地选自规则图形或不规则图形，参见图4。规则图形包括但不限于三角形、四边形、六边形、八边形、圆形、椭圆形。根据实际需要，可以采用一种形状，也可以采用多种形状进行组合。四边形包括正方形、长方形、菱形、梯形、平行四边形等。本发明的顶点平面的形状和次顶点平面的形状可以自由组合，从而获得多种花纹图案，参见图5。根据本发明的一个实施方式，所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为不规则图形。根据本发明的另一个实施方式，所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为规则图形。根据本发明的再一个实施方式，所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为规则图形。根据本发明的又一个实施方式，所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为不规则图形。
根据本发明的一个实施方式，所述顶点平面在所述收集模板的投影落入所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积。次顶点平面的数量可以为一个、两个或三个以上。在某些实施方案中，静电纺丝收集模板具有多个有序排列的多个三维起伏结构，且均三维起伏结构均具有顶点平面、谷点平面、第一次顶点平面、第二次顶点平面；还可以具有第i次顶点平面(i≥3)。第一次顶点平面、第二次顶点平面、第i次顶点平面由上至下依次设置在谷点平面与顶点平面之间。顶点平面在收集模板上的投影落入第一次顶点平面在收集模板上的投影的外轮廓线形成的区域内；第一次顶点平面在收集模板上的投影落入第二次顶点平面在收集模板上的投影形成内……第i-1次顶点平面在收集模板上的投影落入第i次顶点平面在收集模板上的投影范围内，依此类推。这样更加有利于获得有效过渡结构。顶点平面与谷点平面之间距离为h；第一次顶点平面、第二次顶点平面……第i次顶点平面的起伏高度(亦即，与顶点平面102的距离)分别为h1、h2……hi。顶点平面、谷点平面、第一次顶点平面、第二次顶点平面……第i次顶点平面与静电纺丝单元的针尖之间距离分别为d、d+h、d+h1、d+h2……d+hi；所产生的电场依次为U/d、U/(d+h)、U/(d+h1)、U/(d+h2)……U/(d+hi)。如前所述，由于静电纺丝收集模板的三维起伏结构产生的电场不同，会在其上形成不同的纺丝区域，亦即形成不同的纳米纤维簇。
在某些实施方案中，所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积。所述次顶点平面的面积可以为所述顶点平面的面积的1～100倍，优选为1.5～50倍，更优选为3～15倍。这样有利于获得有效过渡结构，过渡结构中的纳米纤维可以呈三维无序排列。
在某些实施方案中，所述次顶点平面可以包括由上至下依次设置的第一次顶点平面和第二次顶点平面。所述第一次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1.5～20倍，优选为2～15倍。所述第二次顶点平面的面积为所述第一顶点平面的面积的1.5～20倍，优选为2～15倍。本发明的次顶点平面还可以包括第i次顶点平面(i≥3)。所述第i次顶点平面的面积为所述第i-1顶点平面的面积的1.5～20倍，优选为2～15倍。这样更有利于获得有效过渡结构，过渡结构中的纳米纤维可以呈三维无序排列。
在某些实施方案中，所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h1的1.1～10倍，优选为1.3～8倍，优选为1.5～6倍。本发明的次顶点平面还可以包括第i次顶点平面(i≥3)。所述第i次顶点平面的起伏高度hi为所述第i-1次顶点平面的起伏高度hi-1的1.1～10倍，优选为1.3～8倍，优选为1.5～6倍。这样对于形成呈三维无序排列的纳米纤维过渡结构是有利的。
根据本发明的另一个实施方式，所述顶点平面在所述收集模板的投影落在所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线范围外。优选地，所述次顶点平面在收集模板上的投影均匀分布在收集模板上。在某些实施方案中，静电纺丝收集模板具有多个有序排列的三维起伏结构，且这些三维起伏结构具有顶点平面、谷点平面、第一次顶点平面、第二次顶点平面……第i次顶点平面(i≥3)。第一次顶点平面、第二次顶点平面……第i次顶点平面(i≥3)在收集模板上的投影独立地分布在收集模板上，例如均匀分布在所述收集模板上。优选地，所述顶点平面在所述收集模板的投影落在第一次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线范围外；第一顶点平面在所述收集模板的投影落在第二次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线范围外……第i-1顶点平面在所述收集模板的投影落在第i次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线范围外。顶点平面与谷点平面之间距离为h；第一次顶点平面、第二次顶点平面……第i次顶点平面的起伏高度(亦即，与顶点平面的距离)分别为h1、h2……hi。顶点平面、谷点平面、第一次顶点平面、第二次顶点平面……第i次顶点平面与静电纺丝单元的针尖之间距离分别为d、d+h、d+h1、d+h2……d+hi；所产生的电场依次为U/d、U/(d+h)、U/(d+h1)、U/(d+h2)……U/(d+hi)。如前所述，由于静电纺丝收集模板的三维起伏结构产生的电场不同，会在其上形成不同的纺丝区域，亦即形成不同的纳米纤维簇。
在某些实施方案中，所述次顶点平面可以包括第一次顶点平面和第二次顶点平面。所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h1的1.1～10倍，优选为1.3～8倍，优选为1.5～6倍。本发明的次顶点平面还可以包括第i次顶点平面(i≥3)。所述第i次顶点平面的起伏高度hi为所述第i-1次顶点平面的起伏高度hi-1的1.1～10倍，优选为1.3～8倍，优选为1.5～6倍。这样对于形成呈三维无序排列的纳米纤维过渡结构是有利的。
<静电纺丝装置>
本发明的静电纺丝装置包括静电纺丝单元、静电发生单元和静电纺丝收集模板。静电纺丝收集模板的结构如前所述，这里不再赘述。静电发生单元设置为能够向多针静电纺丝单元施加电场；多针静电纺丝单元中容纳有纺丝液，其设置为在所述电场的作用下将所述纺丝液形成纳米纤维；静电纺丝收集模板设置为能够接收纳米纤维，并形成具有花纹图案的纳米纤维网。
在某些实施方案中，多针静电纺丝单元还包括纺丝液供给器以及喷丝头。喷丝头与纺丝液供给器的出口相连。喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，用于容纳来自纺丝液供给器的纺丝液。可以采用液压供液系统或者机械液压供液系统将纺丝液供给器的纺丝液供给至所述纺丝液腔；也可以采用氮气钢瓶、减压阀和稳流阀等组成的系统将纺丝液供给器的纺丝液供给至所述纺丝液腔。纺丝液供给器的实例包括储液罐等。
在某些实施方案中，本发明的喷头主体的底面的中部设置有所述多个针头；喷头主体的底面的外围设置有导电环状物。导电环状物能够将所述多个针头包围。所谓的外围表示在底面的中部以外的区域。导电环状物与喷头主体之间设置有绝缘物，从而避免二者电连接。多个针头和导电环状物均与静电发生单元电连接。这样的设置可以在小范围内接收纳米纤维网，提高生产效率。
在某些实施方案中，本发明的喷头主体的底面的中部设置有多个针头，所述多个针头之间设置有导电的连接物，所述多个针头均与所述静电发生单元电连接。导电的连接物的实例包括但不限于金属线等。
在本发明中，针头的数量并没有特别限制，例如10个以上，再如100个以上。针头的中心设置有喷丝孔，其可以为有锥度的锥孔。每个针头的内径可以为0.1～1mm；优选为0.15～0.8mm；更优选为0.2～0.5mm。每个针头与所述静电纺丝收集模板的距离为10～100cm；优选为15～80cm；优选为15～55cm。
根据针尖和收集模板的相对位置，本发明的静电纺丝可以采用从上往下纺丝工艺、从下往上纺丝工艺或者侧面纺丝工艺。例如，所述多个针头的开口朝下，且所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的下方。又如，所述多个针头的开口朝上，所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的上方。再如，所述多个针头的开口朝向水平方向，所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的开口的对面。在该情况下，所述多个针头的开口朝向所述静电纺丝收集模板。本发明所谓的“水平方向”并不限制其为绝对水平，可以具有一定角度(例如±30°，又如±5°)的倾斜。
下面描述本发明的静电纺丝装置的操作方法。静电发生单元向静电纺丝单元的针头施加电场，静电纺丝单元的纺丝液腔中的纺丝液从多个针头喷出，并在该电场的作用下形成纳米纤维。静电纺丝收集模板接收所述纳米纤维，形成若干纳米纤维簇，进而获得三维纳米纤维结构。纳米纤维结构的具体结构取决于静电纺丝收集模板的具体结构。当静电纺丝收集模板具有有序排列的花纹图案时，三维纳米纤维结构也形成相应的花纹图案。
本发明的纺丝液可以由聚合物和溶剂形成。在纺丝液中，聚合物浓度可以为2～20wt％，优选为3～15wt％。将聚合物浓度控制在上述范围，有利于获得花纹图案。
本发明的聚合物的实例包括但不限于聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氧化乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸间苯二酯、聚间苯二甲酸对苯二酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚丙烯腈、聚丙烯腈-异丁烯酸酯共聚物、聚碳酸脂、聚酯碳酸酯、聚酰胺、芳族聚酰胺、聚酰亚胺、聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、胶原、聚羟基丁酸、聚醋酸乙烯酯或多肽等。可以使用上述一种聚合物，也可以使用上述多种聚合物形成的混合物。作为优选，所述聚合物为聚苯乙烯或聚丙烯腈。
本发明的溶剂的实例包括但不限于N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、六氟异丙醇、四甘醇、三甘醇、二苯甲醇、1,3-二氧环戊烷、1,4-二恶烷、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、甲基正己基酮、甲基正丙基酮、二异丙基酮、二异丁基酮、丙酮、六氟丙酮、苯酚、甲酸、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丙酯、氯甲烷、氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、邻氯甲苯、对氯甲苯、三氯甲烷、四氯化碳、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、三氯乙烷、二氯丙烷、二溴乙烷、二溴丙烷、溴甲烷、溴乙烷、溴丙烷、醋酸、苯、甲苯、己烷、环己烷、环己酮、环戊烷、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙腈、四氢呋喃、吡啶或水等；优选为N,N-二甲基甲酰胺或水。可以使用上述一种溶剂，也可以使用上述多种溶剂形成的混合物。
根据本发明的一个实施方式，纺丝液为聚苯乙烯浓度为2～20wt％、优选为3～15wt％、更优选为3～10wt％的N,N-二甲基甲酰胺溶液。
本发明的静电纺丝装置可以采用如下工艺参数：进液速率为0.1～2.0mL/h、优选为0.5～1mL/h；纺丝电压为10～50kV、优选为20～40kV。纺丝时间可以为5～60min，优选为10～25min。纺丝环境温度为10～90℃、优选为15～60℃；纺丝环境湿度为20％～80％、优选为30％～70％。采用上述纺丝参数，有利于获得清晰的花纹图案。
以下实施例的三维纳米结构采用FEI XL30Sirion扫描电镜(SEM)测试，工作电压为5kV。样品在测试之前经过喷金处理。
实施例1-静电纺丝的收集模板
图1为本发明的一种静电纺丝的收集模板的截面示意图，图2为其俯视图。图1和图2仅仅示例性地说明四方连续的部分图案。收集模板101具有有序排列的三维起伏结构，每个三维起伏结构均具有谷点平面103和顶点平面102；在每个顶点平面102与谷点平面103之间均设置有次顶点平面106。顶点平面102在收集模板101上的投影落入次顶点平面106在收集模板101上的投影的外轮廓线形成的区域内。
由于收集模板101的三维起伏结构产生的电场不同，从而形成不同的纳米纤维簇。如图3所示，在顶点平面102上形成密集纺丝区，从而获得密集纳米纤维簇；在次顶点平面106上形成过渡态纺丝区，从而获得过渡态纳米纤维簇(有效过渡结构)；在谷点平面103上形成稀疏纺丝区，从而获得稀疏纳米纤维簇。这样将使得各个区域的纳米纤维簇厚度不同，从而形成具有花纹图案的三维纳米结构。两个密集纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。此外，在过渡态纳米纤维簇中，由于受电场强度变化的影响，纳米纤维呈三维无序排列。
实施例2-静电纺丝的收集模板
除了次顶点平面106在收集模板101上的投影是独立的(顶点平面102在收集模板101上的投影落在次顶点平面106在收集模板101上的投影的外轮廓线形成的区域外)，且均匀分布在收集模板101上之外，其他条件与实施例1相同。由于顶点平面102、次顶点平面106与针头的距离不同，导致电场强度不同。在顶点平面102上形成密集纺丝区，从而获得密集纳米纤维簇；在次顶点平面106上形成过渡态纺丝区，从而获得过渡态纳米纤维簇(有效过渡结构)；在谷点平面103上形成稀疏纺丝区，从而获得稀疏纳米纤维簇。
实施例3-静电纺丝的收集模板及纺丝装置
图6给出了本发明的一种具有静电纺丝收集模板的静电纺丝装置。该静电纺丝装置包括多针静电纺丝单元105、静电发生单元104和收集模板101。静电发生单元104向多针静电纺丝单元105施加电场，多针静电纺丝单元105中的纺丝液在该电场的作用下形成纳米纤维；收集模板101接收所述纳米纤维，形成若干纳米纤维簇，进而获得三维纳米纤维结构。
多针静电纺丝单元105包括纺丝液供给器以及喷丝头；喷丝头与纺丝液供给器的出口相连。喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，采用液压供液系统将纺丝液供给器的纺丝液供给至所述纺丝液腔。喷头主体的底面的中部设置有多个针头；喷头主体的底面的外围设置有导电环状物。导电环状物能够将所述多个针头包围。导电环状物与喷头主体之间设置有绝缘物。多个针头和导电环状物均与静电发生单元电连接。多个针头的开口朝下，且收集模板101设置在多个针头的下方。
收集模板101具有有序排列的三维起伏结构，每个三维起伏结构均具有顶点平面102、谷点平面103、第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062。第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062均设置在谷点平面103与顶点平面102之间。顶点平面102在收集模板上的投影A落入第一次顶点平面1061在收集模板101上的投影B1的外轮廓线形成的区域内；第一次顶点平面1061在收集模板上的投影B1落入第二次顶点平面1062在收集模板上的投影B2的外轮廓线形成的区域内。顶点平面102与谷点平面103之间距离为h；第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062的起伏高度(亦即，与顶点平面102的距离)分别为h1、h2。如顶点平面102、谷点平面103、第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062与静电纺丝单元的针尖之间距离分别为d、d+h、d+h1、d+h2；所产生的电场依次为U/d、U/(d+h)、U/(d+h1)、U/(d+h2)。由于收集模板101的三维起伏结构产生的电场不同，会在其上形成不同的纺丝区域，亦即形成不同的纳米纤维簇。
实施例4-静电纺丝收集模板及纺丝装置
图7给出了本发明的另一种具有静电纺丝收集模板的静电纺丝装置。该静电纺丝装置包括多针静电纺丝单元105、静电发生单元104和收集模板101。静电发生单元104向多针静电纺丝单元105施加电场，多针静电纺丝单元105中的纺丝液在该电场的作用下形成纳米纤维；收集模板101接收所述纳米纤维，形成若干纳米纤维簇，进而获得三维纳米纤维结构。
多针静电纺丝单元105包括纺丝液供给器以及喷丝头；喷丝头与纺丝液供给器的出口相连。喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，采用液压供液系统将纺丝液供给器的纺丝液供给至所述纺丝液腔。喷头主体的底面的中部设置有多个针头；喷头主体的底面的外围设置有导电环状物。导电环状物能够将所述多个针头包围。导电环状物与喷头主体之间设置有绝缘物。多个针头和导电环状物均与静电发生单元电连接。多个针头的开口朝下，且收集模板101设置在所述多个针头的下方。
收集模板101上设置有序排列的三维起伏结构，三维起伏结构均具有顶点平面102、谷点平面103、第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062……第i次顶点平面106i(i≥3)。顶点平面102、第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062……第i次顶点平面106i(i≥3)在收集模板上的投影A、B1、B2……Bi都独立地、均匀地分布在收集模板101上，投影A、B1、B2……Bi不重叠。顶点平面102与谷点平面103之间距离为h；第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062……第i次顶点平面106i的起伏高度(亦即，与顶点平面102的距离)分别为h1、h2……hi。顶点平面102、谷点平面103、第一次顶点平面1061、第二次顶点平面1062……第i次顶点平面106i与静电纺丝单元的针尖之间距离分别为d、d+h、d+h1、d+h2……d+hi；所产生的电场依次为U/d、U/(d+h)、U/(d+h1)、U/(d+h2)……U/(d+hi)。由于收集模板101的三维起伏结构产生的电场不同，会在其上形成不同的纺丝区域，亦即形成不同的纳米纤维簇。
实施例5-静电纺丝装置
该静电纺丝装置包括多针静电纺丝单元105、静电发生单元104和收集模板101。静电发生单元104向多针静电纺丝单元105施加电场，多针静电纺丝单元105中的纺丝液在该电场的作用下形成纳米纤维；收集模板101接收所述纳米纤维，形成若干纳米纤维簇，进而获得三维纳米纤维结构。多针静电纺丝单元105包括纺丝液供给器以及喷丝头；喷丝头与纺丝液供给器的出口相连。喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，采用液压供液系统将纺丝液供给器的纺丝液供给至所述纺丝液腔。喷头主体的底面的中部设置有多个针头，所述多个针头之间设置有导电的金属线，所述多个针头均与所述静电发生单元电连接。收集模板101的结构与实施例1相同。
实施例6-静电纺丝方法
准备一块长度为30cm、宽度为30cm、且厚度为0.2mm的铝箔作为收集模板，其电导率为3.77×107S/m。将该铝箔采用一种具有图案化的三维起伏结构的花纹辊进行滚压，获得具有图案化排布的三维起伏结构的收集模板101，如图1和图2所示。收集模板101上具有有序排列的三维起伏结构，每个三维起伏结构均具有顶点平面102、谷点平面103和次顶点平面106；顶点平面102在收集模板101的投影落入次顶点平面106在收集模板101的投影的外轮廓线形成的区域内。次顶点平面106与顶点平面102之间的距离为起伏高度h1(0.5mm)，顶点平面102与谷点平面之间的距离h为1mm。次顶点平面的面积为顶点平面的面积的6倍。次顶点平面为规则图形，顶点平面为不规则图形。
采用实施例5的静电纺丝装置，以5wt％聚苯乙烯的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液为纺丝液，从上往下进行静电纺丝。纺丝工艺参数如下：每个针头的内径均为0.4mm，进液速率为0.5mL/h，纺丝电压为30kV，纺丝距离为30cm，纺丝时间为10分钟。
将收集模板101取下，得到具有花纹图案的三维纳米纤维结构，参见图9。在顶点平面102上形成密集纺丝区，从获得密集纳米纤维簇；在次顶点平面106上形成过渡态纺丝区，从而获得过渡态纳米纤维簇(有效过渡结构)；在谷点平面103上形成稀疏纺丝区，从而获得稀疏纳米纤维簇。两个密集纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。在过渡态纳米纤维簇中，纳米纤维呈三维无序排列。
实施例7-静电纺丝方法
准备一块长度为30cm、宽度为30cm、且厚度为0.2mm的铝箔作为收集模板，其电导率为3.77×107S/m。将该铝箔采用另一种具有图案化的三维起伏结构的花纹辊进行滚压，获得具有图案化排布的三维起伏结构的收集模板101，如图6所示。收集模板101上具有规则排列的三维起伏结构，每个三维起伏结构均具有顶点平面102、谷点平面103和在每个顶点平面102与谷点平面之间均形成的第一次顶点平面1061和第二次顶点平面1062。顶点平面102在收集模板101上的投影A落入第一次顶点平面1061在收集模板101上的投影B1的外轮廓线形成的区域内；第一顶点平面1061在收集模板101上的投影B1落入第二次顶点平面1062在收集模板101上的投影B2的外轮廓线形成的区域内。第一次顶点平面1061与顶点平面102之间的距离为起伏高度h1(0.5mm)，第二次顶点平面1062与顶点平面102之间的距离为起伏高度h1(0.8mm)，顶点平面102与谷点平面之间的距离h为1.8mm。第一次顶点平面的面积为顶点平面的面积的5倍；第二次顶点平面的面积为第一次顶点平面的面积的5倍。第一次顶点平面和第二次顶点平面均为规则图形，顶点平面为不规则图形。
采用实施例3的静电纺丝装置，以5wt％聚苯乙烯的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液为纺丝液，从上往下进行静电纺丝。纺丝工艺参数如下：每个针头的内径均为0.4mm，进液速率为0.5mL/h，纺丝电压为30kV，纺丝距离为30cm，纺丝时间为10分钟。
将收集模板101取下，得到具有花纹图案的三维纳米纤维结构。在顶点平面上102形成密集纺丝区，从获得密集纳米纤维簇；在第一次顶点平面1061和第二次顶点平面1062上分布形成第一过渡态纺丝区和第二过渡态纺丝区，从而获得第一过渡态纳米纤维簇(有效过渡结构)和第二过渡态纳米纤维簇(有效过渡结构)；在谷点平面103上形成稀疏纺丝区，从而获得稀疏纳米纤维簇。两个密集纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。在第一过渡态纳米纤维簇和第二渡态纳米纤维簇中，纳米纤维呈三维无序排列。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种静电纺丝收集模板，其特征在于，所述收集模板能够导电，并且具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间；所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，所述起伏高度hi为0.01～10mm。
2.根据权利要求1所述的静电纺丝收集模板，其特征在于：
(1)所述顶点平面在所述收集模板的投影落入所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积；或
(2)所述顶点平面在所述收集模板的投影落在所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域外。
3.根据权利要求2所述的静电纺丝收集模板，其特征在于，所述次顶点平面包括第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h1的1.1～10倍。
4.根据权利要求2所述的静电纺丝收集模板，其特征在于，所述顶点平面在所述收集模板的投影落入所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1～100倍。
5.根据权利要求4所述的静电纺丝收集模板，其特征在于，所述次顶点平面包括由上至下依次设置的第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第一次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1.5～20倍，所述第二次顶点平面的面积为所述第一顶点平面的面积的1.5～20倍。
6.根据权利要求1所述的静电纺丝收集模板，其特征在于，所述顶点平面在所述收集模板的投影落在所述次顶点平面在所述收集模板的投影的外轮廓线形成的区域外，且所述次顶点平面在所述收集模板的投影均匀分布在所述收集模板上。
7.根据权利要求1～6任一项所述的静电纺丝收集模板，其特征在于，所述收集模板的长度为0.01～100m、宽度为0.01～10m、厚度为0.01～500mm、且电导率为1×105～1×1010S/m。
8.根据权利要求1～6任一项所述的静电纺丝收集模板，其特征在于，满足如下条件之一：
(1)所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为不规则图形；
(2)所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为规则图形；
(3)所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为规则图形；或
(4)所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为不规则图形。
9.一种静电纺丝装置，其特征在于，所述静电纺丝装置包括多针静电纺丝单元、静电发生单元和如权利要求1～8任一项所述的静电纺丝收集模板；所述静电发生单元设置为能够向所述多针静电纺丝单元施加电场；所述多针静电纺丝单元中容纳有纺丝液，其设置为能够在所述电场的作用下将所述纺丝液形成纳米纤维；所述静电纺丝收集模板设置为能够接收所述纳米纤维，并形成具有花纹图案的纳米纤维网；
其中，多针静电纺丝单元包括多个针头，每个针头的内径为0.1～1mm，每个针头与所述静电纺丝收集模板的距离为10～100cm；
其中，所述静电纺丝收集模板与所述多个针头满足如下关系之一：
(1)所述多个针头的开口朝下，且所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的下方；
(2)所述多个针头的开口朝上，所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的上方；或
(3)所述多个针头的开口朝向水平方向，所述静电纺丝收集模板设置在所述多个针头的开口方向的对面。
10.根据权利要求9所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述多针静电纺丝单元还包括纺丝液供给器以及与纺丝液供给器的出口相连的喷丝头；所述喷丝头选自如下设置之一：
(1)所述喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，喷头主体的底面的中部设置有所述多个针头，喷头主体的底面的外围设置有导电环状物，该导电环状物与所述喷头主体之间设置有绝缘物，并且将其设置为能够将所述多个针头包围；所述多个针头和所述导电环状物均与所述静电发生单元电连接；或者
(2)所述喷丝头包括喷头主体，喷头主体的内部形成纺丝液腔，喷头主体的底面的中部设置有多个针头，所述多个针头之间设置有导电的连接物，所述多个针头均与所述静电发生单元电连接。
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