CN109295511B - 可拆卸同轴喷头、电纺装置及芯鞘纳米纤维的制备方法 - Google Patents

可拆卸同轴喷头、电纺装置及芯鞘纳米纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了可拆卸同轴喷头、电纺装置及芯鞘纳米纤维的制备方法。所述的可拆卸同轴喷头，包括绝缘聚合物管、芯液导引金属毛细管以及鞘液注入针，芯液导引金属毛细管的前部采用同轴的方式设于绝缘聚合物管内，绝缘聚合物管的后端与芯液导引金属毛细管采用可拆卸的方式连接，鞘液注入针的一端与绝缘聚合物管连通。本发明具有一系列优势，如：1)实施同轴电纺的操作方便、过程顺利；2)喷头在电纺后容易清洗；3)喷头设计符合电流体相互作用的基本原理、起到高效节能效果；4)喷头的轴心精确，能制备出高质量芯鞘纳米纤维。本发明在结构完整高质量芯鞘纳米纤维的制备上具有工艺简单，单步可行、节能高效的优势。

Description

可拆卸同轴喷头、电纺装置及芯鞘纳米纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可拆卸并高效节能同轴喷头及相关电纺装置和芯鞘纳米纤维制备方法，属于纳米结构材料制备技术领域。
背景技术
高压静电纺丝技术(简称电纺)是一种自上而下(top-down)的纳米制造技术，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，被雾化后的液体射流被高频弯曲、拉延、分裂，在几十毫秒内被牵伸千万倍，经溶剂挥发或熔体冷却在接收端得到纳米级纤维。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料范围广泛、可控性强。随着该技术的发展，目前越来越多的注意力集中到如何通过喷头的合理设计制备具有复杂微观结构特征的纳米纤维上，其中尤其是芯鞘结构纳米纤维。
电纺技术的基本理论涉及高压静电与流体的相互作用所导致的一系列流体力学、电动学、聚合物流变学等内容。在同轴电纺工艺的实施中，其核心关键是如何将高压静电有效导入到流体中并给两股流体在进入高压电场的时候提供一个合理的同轴出口“模板”。然而在过去的接近20年时间里，同轴高压静电纺丝技术在实施过程中一直存在两个不合理的因素。其一是同轴喷头全部由金属毛细管组成，这个全金属组成的毛细管虽然有利于高压静电经过金属毛细管壁传递到工作流体中，但是同时导致大量的高压静电能向环境发散而产生巨大的能源浪费。其二是，这些金属毛细管固定在一起形成的整体不仅仅容易导致喷头堵塞，而且电纺实施完成后、清洗过程非常麻烦。
发明内容
本发明的目的是提供一种可拆卸并高效节能同轴喷头及相关电纺装置和芯鞘纳米纤维制备方法，可以克服现有技术存在的喷头易堵塞、制备过程耗能、喷头不易清洗等不足，而且所生产的芯鞘纳米纤维质量高。
为了达到上述目的，本发明提供了一种可拆卸同轴喷头，其特征在于，包括绝缘聚合物管、芯液导引金属毛细管以及鞘液注入针，芯液导引金属毛细管的前部采用同轴的方式设于绝缘聚合物管内，绝缘聚合物管的后端与芯液导引金属毛细管采用可拆卸的方式连接，芯液导引金属毛细管的后端采用可拆卸的方式与注射器凹头连接，鞘液注入针的一端与绝缘聚合物管连通，鞘液注入针的另一端与连接管连接，芯液导引金属毛细管的一部分裸露，用于与高压电源连接。
进一步地，所述的连接管为硅胶管。
进一步地，所述的绝缘聚合物管的后端通过环氧树脂粘结剂实现与芯液导引金属毛细管的可拆卸连接。
进一步地，所述的芯液导引金属毛细管的后端通过环氧树脂粘结剂实现与注射器凹头的可拆卸连接。
进一步地，所述的绝缘聚合物为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。聚合物能够形成管材，且易于加工切割成型。
本发明还提供了一种电纺装置，其特征在于，包括上述的可拆卸同轴喷头，还包括两套流体注射泵、一个高压电源和一个纤维接收板，所述的两套流体注射泵分别装有芯液注射器和鞘液注射器，芯液注射器与注射器凹头连接以将芯液导入芯液导引金属毛细管内，鞘液注射器与连接管连接以将鞘液导入绝缘聚合物管与芯液导引金属毛细管之间的空间中。
本发明还提供了一种制备芯鞘纳米纤维的方法，其特征在于，采用上述的电纺装置，具体步骤包括：将高压电源与芯液导引金属毛细管连接，进行同轴静电纺丝，利用纤维接收板接收芯鞘纳米纤维。
本发明提供了一种可拆卸并高效节能同轴喷头，喷头外表面的大部分为绝缘聚合物、喷头外表面的小部分为芯部金属毛细管、喷头容易拆卸并重新组装。以该喷头为关键器件能搭建一种新型同轴电纺装置，为高质量芯鞘纳米纤维的制备提供一种方法。相应的芯鞘纤维制备方法具有同轴电纺操作方便、喷头在电纺后容易清洗、过程高效节能、所制备芯鞘纳米纤维质量高等优点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明彻底改变通过传统固定金属同轴喷头实施同轴电纺工艺制备芯鞘纳米纤维的方法。首先，本发明将绝缘聚合物套管和金属毛细管结合使用，制备可拆卸的同轴喷头。其次，本发明以该喷头为关键器件搭建同轴电纺装置。最后，本发明应用新装置，开发芯鞘纳米纤维制备的新方法。所发明同轴喷头在同轴电纺的实施应用中，可拆卸清洗。由于喷头外部聚合物的绝缘作用，电纺过程中，电能能够有效传递到纺丝液上，以防向环境散失。而且，聚合物与纺丝液的相互作用小，使得纺丝拉伸相比于全金属喷头更容易进行。
本发明方法制备工艺简单，制备出的芯鞘纳米纤维形貌好、芯鞘结构清晰、纤维表面光滑，有效克服了现有技术存在的喷头易堵塞、制备过程耗能、喷头不易清洗等不足、所生产的芯鞘纳米纤维质量差等弊端。
本发明具有一系列优势，如：1)实施同轴电纺的操作方便、过程顺利；2)喷头在电纺后容易清洗；3)喷头设计符合电流体相互作用的基本原理、起到高效节能效果；4)喷头的轴心精确，能制备出高质量芯鞘纳米纤维。本发明在结构完整高质量芯鞘纳米纤维的制备上具有工艺简单，单步可行、节能高效的优势。
附图说明
图1可拆卸并高效节能同轴喷头：1-绝缘聚合物管、2-芯液导引金属毛细管、3-鞘液注入针、4-高弹性硅胶管、5-注射器凹头、6-环氧树脂粘结剂；
图2同轴高压静电纺丝过程图；
图3一小滴纺丝鞘液在聚合物表面和金属表面的铺展情况对比；
图4采用本发明同轴纺丝头制备纳米纤维的透射电子显微镜观察图(200,000×)。
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：可拆卸并高效节能同轴喷头的制备
如图1所示，一种可拆卸同轴喷头，包括绝缘聚合物管1、芯液导引金属毛细管3、鞘液注入针3，高弹性硅胶管4、注射器凹头5和环氧树脂粘结剂6。芯液导引金属毛细管2的前部采用同轴的方式设于绝缘聚合物管1内，绝缘聚合物管1的后端与芯液导引金属毛细管2通过环氧树脂粘结剂6实现可拆卸连接。芯液导引金属毛细管2的后端与注射器凹头5通过环氧树脂粘结剂6实现可拆卸连接，鞘液注入针3的一端与绝缘聚合物管1连通，鞘液注入针3的另一端与高弹性硅胶管4连接，芯液导引金属毛细管2的一部分裸露，用于与高压电源连接。
所述的可拆卸同轴喷头可以通过如下材料简单方便搭建而成：
将芯液导引金属毛细管3插入连接注射器凹头5中并采用环氧树脂粘结剂6粘牢固定。
在上述单针喷头基础上组装可拆卸的外鞘液导引部分。具体为：在单针头的中部采用环氧树脂粘结剂6形成一个具有锥形坡度的环氧树脂“疙瘩”，然后将绝缘聚合物管1直接套装固定在环氧树脂形成的锥坡上，使得芯液导引金属毛细管3的前端出口略微凸出绝缘聚合物管1的出口平面。
固定在高弹性硅胶管4中的鞘液注射针3在同轴电纺实施时可以直接插入到绝缘聚合物管1中。绝缘聚合物管可采用聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等各种常见聚合物管材，本实施例中采用聚丙烯。
实施例2：电纺装置的搭建
以可拆卸并高效节能同轴喷头为关键器件搭建同轴电纺装置，该装置由两台轴流注射泵(KDS100，美国
Figure BDA0001811569270000041
公司)、一个纤维接收平板(铝箔包裹纸板形成)，一个高压电源(ZGF2000型，上海苏特电器有限公司)，和实施例1中的可拆卸同轴喷头共同搭建而成。两套流体注射泵分别装有芯液注射器和鞘液注射器。
装有芯液的芯液注射器直接连接可拆卸同轴喷头的注射器凹头连接以将芯液导入芯液导引金属毛细管内，装有鞘液的鞘液注射器直接连接可拆卸同轴喷头的高弹性硅胶管4以将鞘液导入绝缘聚合物管与芯液导引金属毛细管之间的空间中，高压电源通过其输出端的鳄鱼夹连接可拆卸同轴喷头的芯液导引金属毛细管2中裸露的一截金属小段。
实施例3：同轴高压静电纺丝过程
将14.0g聚丙烯腈(PAN)粉末在常温下分散于100毫升N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，然后在50℃恒温摇床中振摇过夜，调配出黄色半透明纺丝液，作为同轴电纺芯液。将7.0g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末在常温下分散于100毫升体积比为50:50的乙醇和丙酮的混合溶剂中，搅拌调配出透明溶液，作为同轴电纺鞘液。
实施同轴电纺工艺，利用纤维接收板接收芯鞘纳米纤维，具体工艺条件参数如下：芯液流速为0.5mL/h；鞘液流速为1.5mL/h；接收板离喷丝口距离为15cm；电压为5.0kV。
通过数码相机进行9倍的放大拍摄，电纺过程如图2所示，由图可知，电纺处理的两股流体一起经历一个完整而典型的电场拉伸过程，即复合泰勒锥的形成、直射射流的喷出，和随后的高频拉伸和弯曲的纳米纤维细化过程。
实施例4：不同的同轴高压静电纺丝过程节能情况
当采用本发明的电纺装置实施同轴电纺，制备实施例3中的PVP包裹PAN纳米纤维时，施加电压为5kV，即可稳定地制备出芯鞘纳米纤维，此时电流为0.003mA。
当采用普通的金属同轴喷头实施电纺时候，施加电压为7.7kV，电流为0.06mA。
二者对比可见采用本发明的喷头和同轴电纺方法，能够有效地将高压静电能传递到工作流体上，防止电能通过金属喷头向环境周边发散，极大地节省了能量、获得高效制备效果。
实施例5：喷头与电纺流体的相互作用
将一滴外鞘纺丝液通过滴管滴加到组成喷头的绝缘聚合物管材料聚丙烯的膜片上，同时滴加一滴到制备普通金属喷头的不锈钢钢板上，结果如图3所示。很明显在不锈钢板上液滴展开的直径比在聚合物膜片上大。这反映纺丝液与金属具有更好的相容性，因此在电纺过程中，它们之间的相互作用将更大，这显然不利于高压静电场力对纺丝流体的拉伸作用，阻碍电纺过程的产生和发展。即聚合物外管更有利于同轴电纺的实施。
实施例6：观察应用所搭建同轴静电纺丝装置制备的高质量芯鞘纳米纤维
采用场发射透射电子显微镜对实施例3所制备芯鞘纳米纤维进行观察，在观察倍数放大到100，000倍条件下，所观察结果如图4所示。所制备芯鞘纳米纤维内外结构清晰可辨、纤维形貌线性笔直、纤维表面光滑，整体上芯鞘纳米纤维质量高。

Claims (5)

1.一种可拆卸同轴喷头，其特征在于，包括绝缘聚合物管、芯液导引金属毛细管以及鞘液注入针，芯液导引金属毛细管的前部采用同轴的方式设于绝缘聚合物管内，绝缘聚合物管的后端与芯液导引金属毛细管采用可拆卸的方式连接，芯液导引金属毛细管的后端采用可拆卸的方式与注射器凹头连接，鞘液注入针的一端与绝缘聚合物管连通，鞘液注入针的另一端与连接管连接，芯液导引金属毛细管的一部分裸露，用于与高压电源连接；所述的绝缘聚合物管的后端通过环氧树脂粘结剂实现与芯液导引金属毛细管的可拆卸连接；所述的芯液导引金属毛细管的后端通过环氧树脂粘结剂实现与注射器凹头的可拆卸连接；在单针喷头上组装可拆卸的外鞘液导引部分，具体为：在单针喷头的中部采用环氧树脂粘结剂形成一个具有锥形坡度的环氧树脂疙瘩，然后将绝缘聚合物管直接套装固定在环氧树脂粘结剂形成的具有锥形坡度的环氧树脂疙瘩上，使得芯液导引金属毛细管的前端出口凸出绝缘聚合物管的出口平面。
2.如权利要求1所述的可拆卸同轴喷头，其特征在于，所述的连接管为硅胶管。
3.如权利要求1所述的可拆卸同轴喷头，其特征在于，所述的绝缘聚合物为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。
4.一种电纺装置，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的可拆卸同轴喷头，还包括两套流体注射泵、一个高压电源和一个纤维接收板，所述的两套流体注射泵分别装有芯液注射器和鞘液注射器，芯液注射器与注射器凹头连接以将芯液导入芯液导引金属毛细管内，鞘液注射器与连接管连接以将鞘液导入绝缘聚合物管与芯液导引金属毛细管之间的空间中。
5.一种制备芯鞘纳米纤维的方法，其特征在于，采用权利要求4所述的电纺装置，具体步骤包括：将高压电源与芯液导引金属毛细管连接，进行同轴静电纺丝，利用纤维接收板接收芯鞘纳米纤维。
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