CN108315828A - 一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌、尤其是聚乳酸纤维形貌的方法 - Google Patents

一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌、尤其是聚乳酸纤维形貌的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，包括以下步骤：选取在一定温度范围内不发生分解、碳化，具有流变性的高分子聚合物；将高分子聚合物干燥后置于金属针筒中，加热至一定温度，使高分子聚合物由固态转变为液态；调节纺丝电压和纺丝距离，进行纺丝。上述所述高分子聚合物在高温下粘流态温区宽。本发明的方法能够实现通过熔体静电纺丝技术对高分子形貌的控制，使得生产具有独特的、微纳米级别空间结构的高分子纤维薄膜成为可能，并通过此方法制备得到了不同直径的聚乳酸纤维、珠串结构的聚乳酸纤维及聚乳酸微纳米球。该方法丰富了熔体静电纺丝技术在过滤、生物医学、电池隔膜等领域的应用。

Description

一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌、尤 其是聚乳酸纤维形貌的方法
技术领域
本发明涉及一种基于溶体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，还涉及一种基于熔体静电纺丝技术控制聚乳酸纤维形貌的方法。
背景技术
静电纺丝技术作为一种能够生产纳米级别纤维的技术在相关学术研究领域受到广泛的研究，由于一维纳米纤维具有孔隙率高、比表面积大、较大的长度/ 直径比，以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，在纳米电子器件、空气过滤、传感器以及生物医学等诸多领域有着广阔的应用前景。相比较于其他纳米纤维生产工艺(如拉伸法，自组装法，相分离法等)，静电纺丝技术有着其独特的优势，静电纺丝技术除了可以较为方便的控制纤维直径的大小，同时具有加工设备简单、原料来源广泛、纺丝工艺可控等诸多优点，受到国内外广泛研究与报道，其制备微纳米纤维的直径可从几个纳米到几个微米之间。但传统的静电纺丝技术具有有毒溶剂使用量大的缺点，使得静电纺丝装置在工业化生产中存在由于有毒溶剂挥发造成的环境污染问题。
与传统静电纺丝技术相比，熔体静电纺丝没有上述问题，使得其在工业化生产领域拥有巨大的发展潜力。相比较于传统静电纺丝技术能够较为容易的实现纤维形貌的控制，熔体静电纺丝技术在微纳米纤维形貌的控制上就不那么容易。
在熔体静电纺丝技术中所制备的纤维形貌受到多种因素影响，包括可调技术参数：纺丝距离、电压、熔融温度等，还包括所选取的材料本身的一些性质，比如材料种类、分子量大小、熔融温区的大小等。但是目前尚没有一种基于溶体静电纺丝技术实现制备聚乳酸纤维、珠串状纤维、球形颗粒的方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述熔体静电纺丝技术不易控制微纳米纤维形貌的问题，提供了一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维、尤其是聚乳酸纤维形貌的方法。在熔体静电纺丝技术控制纤维形貌方面，目前的工作与研究并不多，在熔体静电纺丝技术下通过控制纤维形貌来实现独特的微纳米尺度空间结构的搭建以及这种空间结构在过滤，生物医学等领域的相关应用也极为有限。针对上述所述的情况，本发明初步实现溶体静电纺丝技术对聚乳酸纤维形貌的控制，为进一步探究其力学、热学等性能以及在过滤、生物工程等领域的应用奠定基础。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，包括以下步骤：
(1)选取在一定温度范围内不发生分解、碳化，在高温下具有流变性的高分子聚合物；
(2)将高分子聚合物干燥后置于金属针筒中，加热金属针筒使高分子聚合物在高温下由固态转变为熔融液体形态；
(3)调节纺丝电压和纺丝距离，进行纺丝。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，所述高分子聚合物在高温下粘流态温区宽。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，所述步骤(2)中，控制该高分子聚合物由固态转变为粘流态，然后转变为熔融液体形态。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，所述步骤(3)中，将金属针筒的针头上连接高压电源正极，接收极板连接高压电源负极，调节针头与接收极板至一定的距离，打开高压电源开关，调节高压电源电压，进行纺丝。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，所述纺丝距离为0-20cm。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，所述纺丝电压为0-30kV。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，通过控制加热温度改变高分子聚合物粘性大小制备得到珠串结构的高分子聚合物纤维。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，通过控制高分子聚合物的温度从而制备得到高分子聚合物微纳米球。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，所述高分子聚合物为聚乳酸。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，加热温度为190-260℃。
如上所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，纺丝电压为15-25kV，纺丝距离为5-10cm。
本发明能够实现制备得到聚乳酸纤维、珠串状纤维、微纳米球的原理如下：聚乳酸材料在170～180℃的高温加热融化，此时聚乳酸熔体粘度较大在高压静电场中没法有效拉丝成形，当温度上升到190～230℃时可以通过控制纺丝距离和电压可以实现对纤维粗细的控制，当温度达到230℃以上时，此时聚乳酸熔体粘度降低到自身内在粘滞力没办法抵消外加电场带来的牵引力，此时射流不能稳定进行从而产生珠串状纤维；当温度到达250℃以上时，此时射流发生完全断裂，过程类似静电喷雾，从而形成聚乳酸微纳米球。
本发明的有益效果为：
(1)熔体静电纺丝技术制备形貌可控微纳米级纤维和溶液静电纺丝技术相比，没有有毒溶剂的使用带来的溶剂挥发和环境污染等问题；在此基础上实现了聚乳酸纤维形貌的控制，能够产生直径大小可控的聚乳酸纤维、珠串状纤维和微纳米球。
(2)熔体静电纺丝技术生产形貌可控的微纳米纤维使得具有可构造独特微纳米结构的材料的大规模生产成为可能，为其在其他领域的使用奠定了基础。
附图说明
图1为实施例1所得的聚乳酸微纳米纤维的扫描电镜图。
图2为实施例2所得的聚乳酸珠串状微纳米纤维的扫描电镜图。
图3为实施例3所得的聚乳酸微纳米球的扫描电镜图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明公开了一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，包括以下步骤：
(1)选取在一定温度范围内不发生分解、碳化，具有流变性的高分子聚合物；
(2)将高分子聚合物干燥后置于金属针筒中，加热至一定温度，使高分子聚合物由固态转变为熔融液体形态；
(3)调节纺丝电压和纺丝距离，进行纺丝。
上述所述高分子聚合物在高温下粘流态温区宽。
所述步骤(2)中，控制该高分子聚合物由固态转变为粘流态，然后转变为熔融液体形态。所述步骤(3)中，所述纺丝距离为0-20cm，所述纺丝电压为 0-30kV。
通过控制纺丝电压、纺丝距离，可以制备得到不同纤维直径的高分子聚合物纤维。
通过控制加热温度改变高分子聚合物粘性大小，能够制备得到珠串结构的高分子聚合物纤维。
通过控制高分子聚合物的温度，能够制备得到微纳米球颗粒的高分子聚合物纤维。
实施例1
一种基于熔体静电纺丝技术控制聚乳酸纤维形貌的方法，包括以下步骤：
(1)称取100g聚乳酸置于干燥箱中进行干燥处理，温度设置在50℃，干燥处理10h；
(2)将步骤(1)干燥后的聚乳酸置于不锈钢针筒中，打开加热线圈，设置温度为220℃，使聚乳酸由固态转变为熔融液体形态；
(3)在不锈钢针筒的针头和接收极之间加上15kV的高压静电，控制针头到接收极的直线距离为5cm，进行纺丝，即制得聚乳酸微纳米纤维。
图1是本实施例制得的聚乳酸微纳米纤维的扫描电镜图，如图1所示，聚乳酸纤维直径在40-50μm之间，纤维表面光滑，没有明显褶皱，可见纤维质量较好。通过控制相关参数，例如电压、距离等，最终可以实现纤维直径和外貌的控制。
实施例2
一种基于熔体静电纺丝技术控制聚乳酸纤维形貌的方法，包括以下步骤：
(1)称取100g聚乳酸置于干燥箱中进行干燥处理，温度设置在50℃，干燥处理10h；
(2)将步骤(1)干燥后的聚乳酸置于不锈钢针筒中，打开加热线圈，设置温度为230℃，使聚乳酸由固态转变为熔融液体形态；
(3)在不锈钢针筒的针头和接收极之间加上15kV的高压静电，控制针头到接收极的直线距离为5cm，即制得具有珠串结构的聚乳酸微纳米纤维。
图2为本实施例制得的珠串结构的聚乳酸微纳米纤维的扫描电镜图，从图中可以明显观察到大量具有珠串结构的聚乳酸微纳米纤维，纤维平均直径为 18μm，纤维表面光滑，直径分布均匀。珠串呈纺锤状，大小相对均匀，表面光滑，同时还存在少许球状颗粒。通过更加精确的条件控制可以实现珠串状纤维的大量制备。
实施例3
一种基于熔体静电纺丝技术控制聚乳酸纤维形貌的方法，包括以下步骤：
(1)称取100g聚乳酸置于干燥箱中进行干燥处理，温度设置在50℃，干燥处理10h；
(2)将步骤(1)干燥后的聚乳酸置于不锈钢针筒中，打开加热线圈，设置温度为250℃，使聚乳酸由固态转变为熔融液体形态；
(3)在不锈钢针筒的针头和接收极之间加上15kV的高压静电，控制针头到接收极的直线距离为10cm，即制得聚乳酸微纳米球。
图3为本实施例制得的聚乳酸微纳米球的扫描电镜图，从图中可以观察到大量的聚乳酸球形的颗粒，球形颗粒数量众多，平均直径12μm，大小均匀，表面光滑，同时存在少许聚乳酸纤维。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵在盖本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取在一定温度范围内不发生分解、碳化，具有流变性的高分子聚合物；
(2)将高分子聚合物干燥后置于金属针筒中，加热至一定温度，使高分子聚合物由固态转变为熔融液体形态；
(3)调节纺丝电压和纺丝距离，进行纺丝。
2.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，所述高分子聚合物在高温下粘流态温区宽。
3.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制该高分子聚合物由固态转变为粘流态，然后转变为熔融液体形态。
4.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，所述纺丝距离为0-20cm。
5.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，所述纺丝电压为0-30kV。
6.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，通过控制加热温度改变高分子聚合物粘性大小制备得到珠串结构的高分子聚合物纤维。
7.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，通过控制高分子聚合物的加热温度从而制备得到高分子聚合物微纳米球。
8.如权利要求1所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，所述高分子聚合物为聚乳酸。
9.如权利要求8所述的一种基于熔体静电纺丝技术控制高分子聚合物纤维形貌的方法，其特征在于，纺丝电压为15-25kV，纺丝距离为5-10cm。
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