CN110029402B - 一种微流控纺丝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流控纺丝装置及方法，所述装置包括：导气微管；设置在所述导气微管内部的导液微管和纤维收集管；所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的部分气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管；所述导液微管的进口与液体注射器相连，所述导气微管的进口与空气泵相连。从所述导液微管的出液管口挤出纤维溶液，进入所述纤维收集管的部分气体形成所述纤维溶液的鞘气，纤维溶液在所述鞘气的剪切作用下，溶剂挥发，溶质固化，从而在纤维收集管中形成纤维。本发明提供的微流控纺丝装置生产的纤维直径更小，力学性能更优。

Description

一种微流控纺丝装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流控纺丝装置及方法。

背景技术

高强纤维材料广泛应用于航空航天、武器装备等军事领域和汽车制造等民用领域，其中以凯夫拉、钢丝、碳纤维最为典型。虽然这些材料具有较高的杨氏模量和力学强度，但是其密度高、延展性差、韧性低、无生物相容性、不可降解，无法满足人们对材料的更高要求。生物纤维具有低密度、高力学强度、高韧性、优异的延展性、可降解和生物相容等优点，有望成为新一代轻质高强纤维材料，已是世界各国激烈竞争的焦点。

微流控技术通过控制溶液种类、粘度、流速等参数，能够实现可控制备形状、尺寸均一的微纳米液滴及连续纤维。微流控纺丝技术通过将蛋白溶解于溶剂中，从微管出口将蛋白溶液挤出，进行纺丝。但传统微流控纺丝只能制备简单的纤维结构，且得到的蛋白纤维力学性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微流控纺丝装置及方法，采用本发明的微流控纺丝装置生产的纤维直径更小、力学性能更优。

本发明提供了一种微流控纺丝装置，包括：

导气微管；

设置在所述导气微管内部的导液微管和纤维收集管；

所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管；

所述导液微管的进口与液体注射器相连，所述导气微管的进口与空气泵相连。

优选的，所述导气微管、导液微管和纤维收集管同轴放置。

优选的，所述导液微管的出液管口为锥形。

优选的，所述纤维收集管的进口的尺寸不小于所述导液微管的出液管口的尺寸。

优选的，所述纤维收集管的进口的管径为400μm；

所述导液微管的出液管口的管径为200μm。

优选的，所述导液微管的进口通过聚乙烯管与液体注射器的液体出口相连，所述导气微管的进口通过橡胶管与空气泵的气体出口相连。

优选的，还包括注射泵和空气阀；

所述注射泵与液体注射器相连，用于控制液体注射器的进给速度；

在所述导气微管与空气泵之间设置有空气阀，用于控制导气微管进口处的气体流速。

优选的，所述纤维收集管上设置有气体出口，用于排出进入所述纤维收集管的鞘层气体。

本发明还提供了一种在上文所述微流控纺丝装置上进行微流控纺丝的方法，包括以下步骤：

通过液体注射器将蛋白溶液通入导液微管，控制所述液体注射器的进给速度为0.5～2mL/h；

通过空气泵将鞘层气体通入导气微管，控制导气微管进口处的气体流速为1～50mL/min；所述鞘层气体为不与蛋白溶液发生反应的气体；

从所述导液微管挤出的液体在鞘层气体的作用下形成纤维，在纤维收集管中收集纤维。

本发明提供了一种微流控纺丝装置，包括：导气微管；设置在所述导气微管内部的导液微管和纤维收集管；所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管；所述导液微管的进口与液体注射器相连，所述导气微管的进口与空气泵相连。从所述导液微管的出液管口挤出纤维溶液进入所述纤维收集管，导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管形成所述纤维溶液的鞘气，纤维溶液在所述鞘气的剪切作用下，溶剂挥发，溶质固化，从而在纤维收集管中形成纤维，在所述鞘气的聚焦作用下，可以进一步提升所述溶液的连续射流的稳定性。同时，鞘气的预拉伸作用可以使得所制备的纤维具有更好的内部取向，提升制备的纤维的力学性能。因而，本发明提供的微流控纺丝装置生产的纤维直径更小，力学性能更优。

实验结果表明，本发明制备的纤维的直径为50μm～1mm。胶原蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为300～400MPa，牛血清蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为250～300MPa。

附图说明

图1为本发明的一个实施例提供的微流控纺丝装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种微流控纺丝装置，包括：

导气微管；

设置在所述导气微管内部的导液微管和纤维收集管；

所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管；

所述导液微管的进口与液体注射器相连，所述导气微管的进口与空气泵相连。

结构参见图1，图1为本发明的一个实施例提供的微流控纺丝装置的结构示意图。其中，1为导液微管，2为导气微管，3为纤维收集管，4为空气泵，5为空气阀，6为液体注射器，7为注射泵。在本发明的某些实施例中，所述导液微管1、导气微管2和纤维收集管3可以通过固定在载玻片上，构成微流控芯片。具体的可以为：将纤维收集管3平放在载玻片上，用AB胶将纤维收集管的管体粘结在载玻片上。其他内层的管按照上述要求进行设置。

本发明提供的微流控纺丝装置包括导气微管2。所述导气微管用于输送鞘层气体。导气微管2中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管形成所述纤维溶液的鞘气，纤维溶液在所述鞘气的剪切作用下，溶剂挥发，溶质固化，从而在纤维收集管中形成纤维，在所述鞘气的聚焦作用下，可以进一步提升所述溶液的连续射流的稳定性。同时，鞘气的预拉伸作用可以使得所制备的纤维具有更好的内部取向，提升制备的纤维的力学性能。

在本发明的实施例中，所述导气微管2中的全部气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管形成所述纤维溶液的鞘气。

本发明对所述导气微管2的形状并无特殊的限制，可以为方形或圆柱形等。在本发明的某些实施例中，所述导气微管2为方形玻璃微管。在本发明的某些实施例中，所述方形玻璃微管的管长为4cm，方形玻璃微管的截面为正方形，正方形的内边长为1.05mm，外边长1.5mm。

所述微流控纺丝装置还包括空气泵4。所述导气微管2的进口与空气泵4相连。在本发明的实施例中，所述导气微管的进口通过橡胶管与空气泵的气体出口相连。

在本发明的实施例中，所述微流控纺丝装置还包括空气阀5。所述空气阀5设置在所述导气微管与空气泵之间，用于控制导气微管进口处的气体流速。本发明对所述空气阀的种类并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的空气阀即可。本发明对所述空气泵的种类并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的空气泵即可。

本发明提供的微流控纺丝装置包括导液微管1。所述导液微管1设置在所述导气微管2内部。所述导液微管1用于通入形成纤维的溶液。在本发明的实施例中，所述导液微管1为圆柱形玻璃微管。在本发明的某些实施例中，所述导液微管的管径为0.96mm。在本发明的某些实施例中，所述导液微管的出液管口设置为锥形。具体的，所述锥形的锥尖方向为出液方向。在某些实施例中，所述导液微管的出液管口的管径为200μm。

本发明中，所述导液微管的出液管口位于所述导气微管内部。所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管。

所述微流控纺丝装置还包括液体注射器6。所述导液微管1的进口与液体注射器6相连。在本发明的实施例中，所述导液微管的进口通过聚乙烯管与液体注射器的出口相连。

在本发明的实施例中，所述微流控纺丝装置还包括注射泵7。所述注射泵7与液体注射器6相连，用于推进液体注射器6，进而控制液体注射器6的进给速度。具体的，所述液体注射器夹持在所述注射泵上，通过注射泵推进液体注射器，进而将纤维溶液注射到导液微管中。本发明对所述液体注射器6的种类并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的适用于注射泵的注射器即可。在本发明的某些实施例中，所述液体注射器的螺口针筒的尺寸为3mL、5mL或10mL。本发明对所述注射泵的种类也无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的能够适用于液体注射器的注射泵即可。在本发明的某些实施例中，所述注射泵为LongerPump LSP01-1A微量注射泵。

本发明提供的微流控纺丝装置还包括纤维收集管3。所述纤维收集管3设置在所述导气微管2内部。所述纤维收集管用于收集形成的纤维。在本发明的实施例中，所述纤维收集管3为圆柱形玻璃微管。在本发明的某些实施例中，所述纤维收集管的管径为1.0mm。在本发明的某些实施例中，所述纤维收集管的进口设置为锥形。具体的，所述锥形的锥尖处为进口。在某些实施例中，所述纤维收集管的进口的管径为400μm。

在本发明的实施例中，所述纤维收集管的进口的尺寸不小于所述导液微管的出液管口的尺寸。在本发明的某些实施例中，所述纤维收集管的进口的管径小于所述导液微管的出液管口的尺寸。

所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管。在本发明的某些实施例中，所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的全部气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管。在本发明的某些实施例中，所述导液微管的出液管口与所述纤维收集管的进口相对，且位于同一水平面。在本发明的某些实施例中，所述导液微管的出液管口插入所述纤维收集管的进口内部。在本发明的某些实施例中，所述导液微管的出液管口与所述纤维收集管的进口相对，且所述导液微管的出液管口与所述纤维收集管的进口之间间隔有距离。

在本发明的某些实施例中，所述纤维收集管上设置有气体出口，用于排出进入纤维收集管的鞘层气体。具体到某些实施例中，在所述纤维收集管上远离导液微管的一端的侧壁上设置有气体出口。

在本发明的实施例中，所述导气微管2和导液微管1同轴放置。在本发明的某些实施例中，所述导气微管2、导液微管1和纤维收集管3同轴放置。

本发明还提供了一种在上文所述微流控纺丝装置上进行微流控纺丝的方法，包括以下步骤：

通过液体注射器将蛋白溶液通入导液微管，控制所述液体注射器的进给速度为0.5～2mL/h；

通过空气泵将鞘层气体通入导气微管，控制导气微管进口处的气体流速为1～50mL/min；所述鞘层气体为不与蛋白溶液发生反应的气体；

从所述导液微管挤出的液体在部分鞘层气体的作用下形成纤维，在纤维收集管中收集纤维。

在本发明的实施例中，所述蛋白溶液包括胶原蛋白溶液或牛血清蛋白溶液。所述蛋白溶液的浓度为4～10wt％。在某些实施例中，所述蛋白溶液的浓度为10wt％。

所述液体注射器的进给速度为0.5～2mL/h。在本发明的某些实施例中，所述液体注射器的进给速度为1mL/h。

所述鞘层气体为不与蛋白溶液发生反应的气体。在本发明的实施例中，所述鞘层气体为空气或氮气。导气微管进口处的气体流速为1～50mL/min。在本发明的某些实施例中，所述导气微管进口处的气体流速为10mL/min或50mL/min。

调节导液微管中液体的流速以及导气微管中气体的流速，调控鞘气对通道内液体的剪切力，可以加快溶剂挥发和溶质固化，从而加快形成纤维。在鞘气的聚焦作用下，提升连续射流的稳定性；在鞘气的预拉伸作用下使所制备纤维具有更好的内部取向，提升纤维力学性能。

本发明对上述所采用的原料组分的来源并无特殊的限制，可以为一般市售。

本发明提供了一种微流控纺丝装置，包括：导气微管；设置在所述导气微管内部的导液微管和纤维收集管；所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管；所述导液微管的进口与液体注射器相连，所述导气微管的进口与空气泵相连。从所述导液微管的出液管口挤出纤维溶液进入所述纤维收集管，导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管形成所述纤维溶液的鞘气，纤维溶液在所述鞘气的剪切作用下，溶剂挥发，溶质固化，从而在纤维收集管中形成纤维，在所述鞘气的聚焦作用下，可以进一步提升所述溶液的连续射流的稳定性。同时，鞘气的预拉伸作用可以使得所制备的纤维具有更好的内部取向，提升制备的纤维的力学性能。因而，本发明提供的微流控纺丝装置生产的纤维直径更小，力学性能更优。

实验结果表明，本发明制备的纤维的直径为50μm～1mm。胶原蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为300～400MPa，牛血清蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为250～300MPa。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种微流控纺丝装置及方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例中所用的原料组分均为一般市售。

实施例1

在图1所示的微流控纺丝装置上进行微流控纺丝，具体的：

所述微流控纺丝装置包括：

导气微管2；所述导气微管为方形玻璃微管，所述方形玻璃微管的管长为4cm，方形玻璃微管的截面为正方形，正方形的内边长为1.05mm，外边长1.5mm；

所述导气微管2的进口通过橡胶管与空气泵4的气体出口相连，所述空气阀5设置在所述导气微管与空气泵之间，用于控制导气微管2进口处的气体流速；

设置在所述导气微管2内部的导液微管1，所述导液微管1为圆柱形玻璃微管，所述导液微管的管径为0.96mm，所述导液微管的出液管口的管径为200μm；

所述导液微管1的进口通过聚乙烯管与液体注射器6的出口相连，所述注射泵7与液体注射器6相连，用于控制液体注射器6的进给速度；

设置在所述导气微管2内部的纤维收集管3。所述纤维收集管3为圆柱形玻璃微管，所述纤维收集管的管径为1.0mm，所述纤维收集管的进口的管径为400μm；所述导液微管的出液管口插入所述纤维收集管的进口内部；

所述导气微管2、导液微管1和纤维收集管3同轴放置。

通过液体注射器将浓度为10wt％的胶原蛋白溶液(或牛血清蛋白溶液)通入导液微管1，控制所述液体注射器6的进给速度为1mL/h；通过空气泵将氮气通入导气微管，控制导气微管进口处的气体流速为10mL/min；从所述导液微管1排出的胶原蛋白溶液(或牛血清蛋白溶液)经过氮气的作用下，溶剂挥发，溶质固化，从而形成纤维，在纤维收集管的末端收集纤维。

经检测，本实施例制备的纤维的直径为50μm。胶原蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为300MPa，牛血清蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为250MPa。

实施例2

所述微流控纺丝装置包括：

导气微管2；所述导气微管为方形玻璃微管，所述方形玻璃微管的管长为4cm，方形玻璃微管的截面为正方形，正方形的内边长为1.05mm，外边长1.5mm；

所述导气微管2的进口通过橡胶管与空气泵4的气体出口相连，所述空气阀5设置在所述导气微管与空气泵之间，用于控制导气微管2进口处的气体流速；

设置在所述导气微管2内部的导液微管1，所述导液微管1为圆柱形玻璃微管，所述导液微管的管径为0.96mm，所述导液微管的出液管口的管径为200μm；

所述导液微管1的进口通过聚乙烯管与液体注射器6的出口相连，所述注射泵7与液体注射器6相连，用于控制液体注射器6的进给速度；

设置在所述导气微管2内部的纤维收集管3。所述纤维收集管3为圆柱形玻璃微管，所述纤维收集管的管径为1.0mm，所述纤维收集管的进口的管径为400μm；所述导液微管的出液管口与所述纤维收集管的进口相对，且位于同一水平面；

所述导气微管2、导液微管1和纤维收集管3同轴放置。

通过液体注射器将浓度为10wt％的胶原蛋白溶液(或牛血清蛋白溶液)通入导液微管1，控制所述液体注射器6的进给速度为1mL/h；通过空气泵将氮气通入导气微管，控制导气微管进口处的气体流速为10mL/min；从所述导液微管1排出的胶原蛋白溶液(或牛血清蛋白溶液)经过氮气的作用下，溶剂挥发，溶质固化，从而形成纤维，在纤维收集管的末端收集纤维。

经检测，本实施例制备的纤维的直径为50μm。胶原蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为300MPa，牛血清蛋白溶液形成的纤维的断裂强度为250MPa。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种微流控纺丝装置，包括：

导气微管；

设置在所述导气微管内部的导液微管和纤维收集管；

所述导液微管的出液管口挤出的纤维溶液和所述导气微管中的气体经由所述纤维收集管的进口进入所述纤维收集管；

所述导液微管的进口与液体注射器相连，所述导气微管的进口与空气泵相连；

所述纤维收集管上设置有气体出口，用于排出进入所述纤维收集管的鞘层气体。

2.根据权利要求1所述的微流控纺丝装置，其特征在于，所述导气微管、导液微管和纤维收集管同轴放置。

3.根据权利要求1所述的微流控纺丝装置，其特征在于，所述导液微管的出液管口为锥形。

4.根据权利要求1所述的微流控纺丝装置，其特征在于，所述纤维收集管的进口的尺寸不小于所述导液微管的出液管口的尺寸。

5.根据权利要求1所述的微流控纺丝装置，其特征在于，所述纤维收集管的进口的管径为400μm；

所述导液微管的出液管口的管径为200μm。

6.根据权利要求1所述的微流控纺丝装置，其特征在于，所述导液微管的进口通过聚乙烯管与液体注射器的液体出口相连，所述导气微管的进口通过橡胶管与空气泵的气体出口相连。

7.根据权利要求1所述的微流控纺丝装置，其特征在于，还包括注射泵和空气阀；

所述注射泵与液体注射器相连，用于控制液体注射器的进给速度；

在所述导气微管与空气泵之间设置有空气阀，用于控制导气微管进口处的气体流速。

8.一种在权利要求1所述微流控纺丝装置上进行微流控纺丝的方法，包括以下步骤：

通过液体注射器将蛋白溶液通入导液微管，控制所述液体注射器的进给速度为0.5～2mL/h；

通过空气泵将鞘层气体通入导气微管，控制导气微管进口处的气体流速为1～50mL/min；所述鞘层气体为不与蛋白溶液发生反应的气体；

从所述导液微管挤出的液体在鞘层气体的作用下形成纤维，在纤维收集管中收集纤维。

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