CN110016725A - 一种基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法。该方法采用玻璃管制备微流控器件，该器件由圆柱状的内管和方形外管组成，通过内管注入相变材料，通过外管注入可交联纤维溶液，在微流控器件内相变材料在外相纤维溶液的剪切下形成分散的液滴，随后将纤维溶液交联干燥，得到带有节点的功能纤维，节点内填充有相变材料，当温度升高时相变材料吸热，当温度降低时相变材料放热，实现保温功能。通过改变内外相的流速可以调节纤维的直径以及节点的数量大小，该技术制备工艺简单，所制得的纤维可用于保温蓄能，也可以用于降温散热，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，属于微流控技术领域。
背景技术
目前来说，工业上传统的纺丝技术主要包括熔纺、干纺和湿纺。熔纺主要的工艺包括熔融和成丝，需要大型的纺丝熔融装备，并且只能应用于可以熔成粘流态且不发生分解的物质，一般为聚合物，通过内部的高温加热结构使得聚合物熔化为流体，在经过出口挤压冷却成型，并且熔融纺丝成品较为粗糙，对于一些要求较高的场合无法满足。干纺的主要工艺包括了制备溶液和溶剂挥发，把主要的成分溶解在溶剂之中，从微小的通道之中排放出来，并用高温气体烘干，所以一般选取的材料是可溶的材料，溶剂的挥发性很强否则的话就无法制备成功。湿纺主要工艺是制备溶液以及后期的凝固液凝固操作，所以选取的主要成分需要和某种物质反应生生成凝胶或聚合物等物质，这种方法成本比较低。常用纺丝工艺所得纤维结构简单、功能单一、而且成丝工艺较为复杂。
微流控是目前比较热门的一项技术，主要是通过内部的流体层流特征和改变流体的各个成分的含量来制备纤维。微流体纺丝技术因其简易的操作步骤，高效的传质传热以及可控、绿色的反应过程的特点成为高效制备微纤维的新方法，制备的纤维性能可靠、结构良好并且生产过程可控，因此这项技术受到研究者的青睐。微流体纺丝技术为制备功能微纤维提供了一种节能、工艺可控的优良途径，对于进一步拓宽功能纤维在医学、新材料等领域的应用具有积极意义。微流控纺丝主要以溶液纺丝为基础，在液体从喷丝孔出来之前要经过微流控通道，这样就可以通过设计通道实现二相甚至三相的液体，可以制备多种成分同轴纤维。
本发明以微流控技术为基础制备带有节点的纤维，其节点内填充具有保温功能的材料，如液态石蜡、十四醇、氮气等，当温度升高时相变材料吸热，当温度降低时相变材料放热，实现保温功能。通过改变内外相的流速可以调节纤维的直径以及节点的数量大小，该技术制备工艺简单，所制得的纤维可用于保温蓄能，也可以用于降温散热。
发明内容
针对现有纺丝工艺的不足以及纤维功能单一的缺陷，本发明提出基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，该方法简便易行，能够制得带有节点具有特定功能的纤维，并且节点大小均一、位置间距可控，解决了常用纺丝工艺所得纤维结构简单、功能单一、而且成丝工艺较为复杂，污染较大等缺点，该技术将在工业纺丝，服装等领域中具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：
本发明提供基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，包括以下步骤：
(1)选用一种物质或者多种物质的混合溶液作为内相，所述的内相为相变材料。
(2)将表面活性剂溶解在溶剂中得到外相，所述的外相为液态材料，能通过凝胶化反应固化形成纤维；
(3)将(1)中配制的内相和(2)配置的外相通过注射器分别注射到微流控装置的内相入口和外相入口；在微流控装置的内相通道出口处，外相溶液向内剪切内相，内相溶液在两相溶液的表面张力和粘滞力的共同作用下形成微液滴，即为包裹有内相的节点，然后在微流控装置的出口处通入使外相凝胶化的溶液，既得到带有节点的具有保温功能的纤维。
优选的，所述纤维可以实现保温储能或者降温散热的功能，步骤(1)所述的内相为液态石蜡或十四醇，其中，液态石蜡固液相变温度范围为-20～-40℃；液态石蜡气液相变温度范围为40～60℃；十四醇相变温度为38℃。
优选的，步骤(2)中所述外相溶液为海藻酸钠、聚乙二醇6000以及质聚乙烯醇的混合溶液A；
或者所述外相溶液为蚕丝蛋白、聚乙二醇6000以及质聚乙烯醇的混合溶液B。
优选的，所述的混合溶液A的组成为：质量分数为2.7wt％的海藻酸钠，质量分数为4.6wt％的聚乙二醇6000，质量分数为4.6wt％的聚乙烯醇，溶剂为水。
优选的，所述的混合溶液B的组成为：质量分数为4.6wt％的蚕丝蛋白，质量分数为4.6wt％的聚乙二醇6000，质量分数为4.6wt％的聚乙烯醇，溶剂为水。
优选的，在步骤(3)中，所述的使外相凝胶化的溶液为氯化钙水溶液，其浓度范围为3～30wt％。
优选的，所述管微流控装置为玻璃毛细管微流控装置，制备过程如下：
(1)准备玻璃管：准备两根圆形玻璃毛细管，一根方形玻璃毛细管,超声清洗上述玻璃毛细管并干燥；
(2)拉伸玻璃毛细管：使用拉伸仪将圆形玻璃毛细管一端处理成尖锥状；
(3)处理毛细管：通过砂纸摩擦圆形玻璃毛细管尖锥一端，使端口平整，并使得其中一根玻璃毛细管尖端内径d1范围为50～350μm，该玻璃毛细管未拉伸打磨的一端为内相入口，经过拉伸打磨的一端为内相出口；另外一根圆形玻璃毛细管的尖端内径d2范围为100～400μm，并且d2大于d1，该玻璃毛细管未经过拉伸打磨的一端为微流控器件的出口；
(4)制备器件：将两根处理过的圆形玻璃毛细管的尖锥一端靠近，使得两尖端的距离范围为50～500μm，将两根圆玻璃管置入方形玻璃毛细管中，使得尖端部分处于方型玻璃管的中部，靠近内相入口一端的外方管与圆管之间的间隙即为外相入口，并将远离内相入口一端的外方管与内圆管之间的间隙用密封胶密封，然后再用胶水将上述所有玻璃毛细管固定在玻璃片上。
本发明的另一目的是获得所述方法制备得到的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，相比于传统纤维功能简单的缺点，所得的纤维具有保温储能和降温散热的功能，是对传统纤维的一个突破相而且该方法可以通过调节流速大小精确控制纤维的质量、节点数目和间距，进而实现对保温和降温效果的有效控制。
(2)本发明提供基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，具有简易的操作步骤，高效的传热，以及可控、绿色的反应过程的特点，可以成为高效制备微纤维的新方法，通过该方法得到的纤维性能可靠、结构良好并且生产过程可控。
(3)本发明提供的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，该方法所用的材料无污染，具有良好的生物相容性。
(4)本发明提供的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，该方法所包裹的内相为相变材料，在温度不变的情况下，通过改变物质状态能提吸收或释放大量的潜热，形成一个宽的温度平台，具有十分广泛的应用。
微流体纺丝技术为制备功能微纤维提供了一种节能、工艺可控的优良途径，对于进一步拓宽功能纤维在医学、新材料等领域的应用具有积极意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
图1为微流控技术纺丝以及收集系统示意图，1.外相注射泵，2.内相注射泵，3.玻璃毛细管微流控装置，4.纤维收集装置；
图2为玻璃毛细管微流控装置中示意图；
图3为内相材料为液态相变材料石蜡油的纤维示意图；
图4为内相材料为固态相变材料十四醇的纤维示意图。
实施例1：制备内相为液体相变材料液态石蜡的相变纤维
参照附图2，采用本发明的方法制备悬浮微液滴，具体步骤如下：
(1)微流控装置的制作：将毛细玻璃管清洗干净然后干燥；接着用拉伸仪将玻璃毛细管一端拉出尖锥状；使用砂纸将毛细玻璃管磨到合适的直径；再用胶水将玻璃毛细管和玻璃方管固定在载玻片上；最后将针头用胶水密封固定在玻璃管的入口处。玻璃毛细管微流控器件如附图1所示，有一个内相管和通外相的玻璃方管。
(2)内相和外相的制备：内相选取相变材料液态石蜡；选取外相为ABC溶液，即质量分数为2.7％的海藻酸钠、质量分数为4.6％的聚乙二醇6000(PEG)以及质量分数为4.6％的聚乙烯醇(PVA)的混合溶液。
(3)纤维的制备：将步骤(2)所得的内相通过注射泵注入到毛细玻璃管微流控装置的内相入口；将步骤(2)所得的外相通过注射泵注入到微流控装置的外相入口；内相流速为0.01ml/h，外相流速为0.2ml/h。在内相管出口处，内相溶液在两相的表面张力和粘滞力的共同作用下得到带有节点的纤维，将喷头出口置于质量分数为5％的氯化钙溶中，得到节点材料为液态石蜡的纤维。(如附图3所示)。
(4)保温效能：相变保温材料是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。以上所得纤维直径约为150μm，所得带有液态石蜡节点的长轴a约为800μm，短轴b，c约为400μm，节点之间的距离约为800μm，标准液态石蜡密度为：0.75g/cm3，液态石蜡的相变潜热为：201J/g，可得单个节点的质量为：0.503×10-5g，可得1m纤维所含相变材料在发生相变时，可以吸收或者释放6.31J的热量，相比于常用纤维的保温途径仅仅为降低热传导，实施例所的纤维能够通过自身吸收或散发大量的潜热来保持温度的恒定，效果更稳定。
实施例2：制备内相为固体相变材料十四醇的相变纤维
(1)如实施例1中提到的方法制备玻璃毛细管微流控器件，内相固体相变材料十四醇；选取外相为ABC溶液，即质量分数为2.7％的海藻酸钠、质量分数为4.6％的聚乙二醇6000(PEG)以及质量分数为4.6％的聚乙烯醇(PVA)的混合溶液。
(2)纤维的制备：将步骤(2)所得的内相通过注射泵注入到毛细玻璃管微流控装置的内相入口；将步骤(2)所得的外相通过注射泵注入到微流控装置的外相入口；内相流速为0.01ml/h，外相流速为0.2ml/h。在内相管出口处，内相溶液在两相的表面张力和粘滞力的共同作用下得到带有节点的纤维，将喷头出口置于质量分数为5％的氯化钙溶中，得到带有节点材料为固态十四醇的纤维。(如附图4所示)。
(3)保温效能：相变保温材料是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。以上所得纤维直径约为100μm，所得带有液态石蜡节点的直径为230μm，节点之间的距离约为400μm，十四醇的密度为：0.8346g/cm3，液态石蜡的相变潜热为：151J/g，可得单个节点的质量为：4.029×10-4g，可得1m纤维所含相变材料在发生相变时，可以吸收或者释放1.27J的热量，相比于常用纤维的保温途径仅仅为降低热传导，实施例所的纤维能够通过自身吸收或散发大量的潜热来保持温度的恒定，效果更稳定。
实施例3：以蚕丝蛋白为外相成分之一制备带有节点的纤维
(1)蚕丝蛋白的制备：首先选取一定量的天然蚕茧，将其剪成大约豆粒大小的碎屑，随后配置质量分数为0.5％的Na2CO3溶液，水浴加热，将剪碎的蚕茧碎屑放置在Na2CO3溶液之中，煮沸大约半小时之后，换新的Na2CO3溶液，重复6次左右，就可以得到棉花一样的絮状物，除去丝胶蛋白，因为丝胶蛋白在Na2CO3溶液之中会发生水解，得到的絮状物蚕丝，将溴化锂/乙醇/水按照44:45:11的质量比配置成混合液，脱胶之后得到的絮状物放在混合液之中60℃水浴加热，再经过多次的透析过滤等操作进行提纯，得到丝素蛋白溶液。
(2)纤维的制备：将制备的丝素蛋白溶液与聚乙二醇、聚乙烯醇配置丝素蛋白复合基溶液，聚乙二醇与聚乙烯醇质量分数均为2.7％，丝素蛋白为4.6％，凝固液选择质量分数为5％的氯化钙溶液，内相选择液体石蜡作为相变材料，将内外相通入微流控器件中，即可得到丝素蛋白相变纤维。

Claims (8)

1.一种基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选用一种物质或者多种物质的混合溶液作为内相，所述的内相为相变材料。
(2)将表面活性剂溶解在溶剂中得到外相，所述的外相为液态材料，能通过凝胶化反应固化形成纤维；
(3)将(1)中配制的内相和(2)配置的外相通过注射器分别注射到微流控装置的内相入口和外相入口；在微流控装置的内相通道出口处，外相溶液向内剪切内相，内相溶液在两相溶液的表面张力和粘滞力的共同作用下形成微液滴，即为包裹有内相的节点，然后在微流控装置的出口处通入使外相凝胶化的溶液，既得到带有节点的具有保温功能的纤维。
2.根据权利要求1所述的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于步骤(1)所述的内相为液态石蜡或十四醇，其中，液态石蜡固液相变温度范围为-20～-40℃；液态石蜡气液相变温度范围为40～60℃；十四醇相变温度为38℃。
3.根据权利要求1所述的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于步骤(2)中所述外相溶液为海藻酸钠、聚乙二醇6000以及质聚乙烯醇的混合溶液A；
或者所述外相溶液为蚕丝蛋白、聚乙二醇6000以及质聚乙烯醇的混合溶液B。
4.根据权利要求3所述的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于所述的混合溶液A的组成为：质量分数为2.7wt％的海藻酸钠，质量分数为4.6wt％的聚乙二醇6000，质量分数为4.6wt％的聚乙烯醇，溶剂为水。
5.根据权利要求3所述的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于所述的混合溶液B的组成为：质量分数为4.6wt％的蚕丝蛋白，质量分数为4.6wt％的聚乙二醇6000，质量分数为4.6wt％的聚乙烯醇，溶剂为水。
6.根据权利要求1所述的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的使外相凝胶化的溶液为氯化钙水溶液，其浓度范围为3～30wt％。
7.根据权利要求1所述的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维的方法，其特征在于，所述管微流控装置为玻璃毛细管微流控装置，制备过程如下：
(1)准备玻璃管：准备两根圆形玻璃毛细管，一根方形玻璃毛细管,超声清洗上述玻璃毛细管并干燥；
(2)拉伸玻璃毛细管：使用拉伸仪将圆形玻璃毛细管一端处理成尖锥状；
(3)处理毛细管：通过砂纸摩擦圆形玻璃毛细管尖锥一端，使端口平整，并使得其中一根玻璃毛细管尖端内径d1范围为50～350μm，该玻璃毛细管未拉伸打磨的一端为内相入口，经过拉伸打磨的一端为内相出口；另外一根圆形玻璃毛细管的尖端内径d2范围为100～400μm，并且d2大于d1，该玻璃毛细管未经过拉伸打磨的一端为微流控器件的出口；
(4)制备器件：将两根处理过的圆形玻璃毛细管的尖锥一端靠近，使得两尖端的距离范围为50～500μm，将两根圆玻璃管置入方形玻璃毛细管中，使得尖端部分处于方型玻璃管的中部，靠近内相入口一端的外方管与圆管之间的间隙即为外相入口，并将远离内相入口一端的外方管与内圆管之间的间隙用密封胶密封，然后再用胶水将上述所有玻璃毛细管固定在玻璃片上。
8.一种如权利要求1所述方法制备得到的基于微流控技术制备具有保温功能的纤维。
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