CN110512355A - 制备三维结构纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备三维结构纤维的方法，包括如下步骤：提供一接收机构，接收机构接地，接收机构由导电金属材料制成且呈螺旋状；提供一贮液池及与贮液池连接的通气机构，制备纺丝溶液，将纺丝溶液倒入贮液池中，打开通气机构，使得贮液池内的纺丝溶液的表面产生气泡；提供一与贮液池连接的高压供电机构，打开高压供电机构，使得贮液池与接收机构之间形成电场，气泡在电场的作用下发生电荷转移以形成向上运动的射流并逐层堆集在呈螺旋状的接收机构上以形成三维结构。本发明方法通过设置有呈螺旋状的接收机构且与贮液池之间形成电场，使得纤维在电场的作用下堆集在螺旋状的接收机构上以形成均匀立体三维结构，简单快捷且方便。

Description

制备三维结构纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种制备三维结构纤维的方法，属于静电纺丝技术领域。

背景技术

静电纺丝纳米纤维膜具有高孔隙率、纳米到微米级孔尺寸、高透气性等特点，当前静电纺丝技术已经成为制备纳米纤维的重要技术，在医疗卫生、过滤材料、能源材料方面具有广泛应用。但是传统的单针静电纺丝技术仍具有纺丝速度慢、产量低等缺点。

气泡静电纺丝装置是一种新型的制备纳米纤维的纺丝装置，这种装置经过加入气体改变液面的表面张力，装置内部为可导电的的锥形铜管，外部为不导电的聚合物。液面是覆盖与锥形铜管顶端。在高压静电的作用下，溶液内部气泡由中间向外部扩散至喷丝头边缘受电场力拉伸形成泰勒锥，当电压施加到一定的程度时，形成无数泰勒锥，纤维的产量比单针静电纺产量较高，但此装置纺丝时产生的射流角度较大，难以控制。

研究发现，传统的纳米纤维收集装置大多为平板收集或者滚筒收集，纤维大多呈平铺型无序二维堆集结构，其结构较大地限制了纤维膜的应用，如应用于生物支架、组织工程、太阳能电池等材料时，三维立体结构的纤维膜较二维纤维膜具有较大的应用优势与应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备三维结构纤维的方法，通过设置有呈螺旋状的接收机构且与贮液池之间形成电场，使得纤维在电场的作用下从螺旋状的接收机构的最外侧向最里侧逐层跃进，最终堆积形成具有较为立体的纤维膜。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种制备三维结构纤维的方法，包括如下步骤：

提供一接收机构，所述接收机构接地，所述接收机构由导电金属材料制成且呈螺旋状；

提供一贮液池及与所述贮液池连接的通气机构，制备纺丝溶液，将纺丝溶液倒入所述贮液池中，打开所述通气机构，使得所述贮液池内的纺丝溶液的表面产生气泡；

提供一与所述贮液池连接的高压供电机构，打开所述高压供电机构，使得所述贮液池与所述接收机构之间形成电场，所述气泡在电场的作用下发生电荷转移以形成向上运动的射流并逐层堆集在呈螺旋状的接收机构上以形成三维结构。进一步地，于所述接收机构的高度方向上，呈螺旋状的所述接收机构的直径自下而上逐渐递减。

进一步地，所述“逐层堆集在呈螺旋状的接收机构上以形成三维结构”具体为：

所述通气机构伸入至所述贮液池内且位于所述贮液池的中心处，打开所述通气机构使得纺丝溶液表面产生气泡，所述气泡自所述贮液池的中心形成并逐渐向所述贮液池的两边扩散，且在电场力的作用下，所述贮液池中间的气泡较于所述贮液池边缘的气泡形成的射流速度快且数量多，使得纤维自所述接收机构的顶层向下逐层堆集，直至所述射流逐层堆集成具有较为立体的纤维膜。

进一步地，所述方法还包括：

提供一电机，所述电机与所述接收机构连接，所述电机旋转带动所述接收机构旋转，堆集在所述接收机构上的纤维在离心力及电场力的作用下形成均匀且蓬松的纤维膜。

进一步地，所述接收机构为金属弹簧，所述金属弹簧具有若干个连接的金属圈，每相邻两个所述金属圈的直径差范围为5-30cm。

进一步地，所述高压供电机构提供的电压范围为30KV-60KV。

本发明的有益效果在于：通过将贮液池与通气机构连接且在贮液池的一侧设置有接收机构，该接收机构呈螺旋状的金属弹簧，于金属弹簧的高度方向上，其自下而上直径逐层递减且每层金属弹簧皆与喷丝头之间形成电场；通气机构向贮液池中通入气体以在纺丝液表面形成气泡，贮液池的中间气泡的数量大于贮液池边缘的气泡数量，在电场的作用下，贮液池中间的气泡形成的射流速度较快且数量多，堆积于金属弹簧的顶层，贮液池边缘的气泡形成的射流速度慢且数量少，逐渐向金属弹簧的下层扩散；

通过将接收机构与电机连接，电机旋转带动接收机构旋转，形成的纳米纤维逐层堆集在接收机构上且在离心率的作用下以形成均匀立体的三维结构的纳米纤维膜，操作简单且方便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为应用本发明方法的装置的结构示意图。

图2为本发明的制备三维结构纤维的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1，应用本发明的制备三维结构纤维的方法的装置包括用于盛放纺丝液的贮液池2、通过导气管与所述贮液池2连接以使得纺丝液表面形成气泡的通气机构10、与所述贮液池2连接的高压供电机构4、设置在所述贮液池2一侧且接地以与所述喷丝头之间形成电场的接收机构3，所述贮液池内设置有锥形部11，所述锥形部11上方盛放有纺丝液，所述导气管伸入至所述贮液池2内与所述锥形部11的中心连接以给纺丝液注入气体使得液面产生气泡。所述锥形部11与所述接收机构3的制作材料为导电金属。在本实施例中，所述锥形部11与接收机构3的材料皆为导电金属，所述导电金属为铜。诚然，在其他实施例中，所述导电金属也可为铁等其他导电金属，根据实际情况而定，在此不做具体限定。所述锥形部11与接收机构3的导电金属可以设置相同，也可不同设置，根据实际情况而定。

所述贮液池2与所述高压供电机构4的正极连接，所述高压供电机构提供的电压范围为30KV-60KV，以使得气泡破裂形成射流。所述气泡纺丝装置还包括设置在所述接收机构3远离所述贮液池2一侧的电机9，所述电机9旋转以带动所述接收机构3旋转。所述电机9通过连接件8与所述接收机构3连接，所述连接件8的材料为绝缘材料，以防止电机9对纺丝过程产生影响。

所述气泡纺丝装置还包括防溢液机构5，所述防溢液机构5具有自其表面向内凹陷的凹槽，所述贮液池2设置在所述防溢液机构5内。所述防溢液机构5的高度小于所述贮液池2的高度，凹槽的直径大于所述贮液池2的直径，以防止贮液池2中的液体流至地面，从而造成浪费。

所述气泡纺丝装置还包括用以给所述贮液池2提供纺丝液的恒流供液机构1，所述恒流供液机构1通过导液管6与所述贮液池2连接。

在本实施例中，所述接收机构3设置在所述贮液池2的正上方，以使得所述贮液池2中的射流7更好的收集在接收机构3上。所述接收机构3为呈螺旋状的金属弹簧，于所述接收机构3的高度方向上，所述金属弹簧的直径自下而上逐渐减小。所述金属弹簧包括若干个弹簧圈，于所述接收机构3的高度方向上，每两个相邻的弹簧圈之间的直径差相等，所述直径差范围为5-30cm。诚然，该直径差范围也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。每两个相邻的弹簧圈之间的距离相等。螺旋状的金属弹簧相当于施加对个圆环以对纤维的分散进行约束，从而使纤维呈三维立体结构堆集。

请参见图2，本发明的一种制备三维结构纤维的方法，包括如下步骤：

制备纺丝溶液，将纺丝溶液倒入所述贮液池2中，打开所述通气机构10，使得所述贮液池2内的纺丝溶液的表面产生气泡；

打开所述高压供电机构4，使得所述贮液池2与所述接收机构3之间形成电场，所述气泡在电场的作用下发生电荷转移以形成向上运动的射流并逐层堆集在呈螺旋状的接收机构3上以形成三维结构。于所述接收机构3的高度方向上，呈螺旋状的所述接收机构3的直径自下而上逐渐递减。

其中，所述“逐层堆集在呈螺旋状的接收机构上以形成三维结构”具体为：所述通气机构10伸入至所述贮液池2内且位于所述贮液池2的中心处，打开所述通气机构10使得纺丝溶液表面产生气泡，所述气泡自所述贮液池2的中心形成并逐渐向所述贮液池2的两边扩散，且在电场力的作用下，所述贮液池2中间的气泡较于所述贮液池2边缘的气泡形成的射流速度快且数量多，使得纤维自所述接收机构3的顶层向下逐层堆集，直至所述射流逐层堆集成具有较为立体的纤维膜。

所述方法还包括：所述电机9旋转带动所述接收机构3旋转，堆集在所述接收机构3上的纤维在离心力及电场力的作用下形成均匀且蓬松的纤维膜。

本发明方法的具体实施过程为：打开恒流供液机构1并控制其供流速度，使得贮液池2中的液面刚到覆盖所述贮液池2的表面且不溢出的临界状态。打开通气装置10，通入气流，该气流的流速正好使气流大于液面表面张力，从而在液面上形成一定大小的气泡。与此同时，打开高压供电机构4，使得贮液池2与接收机构3之间形成电场。通气机构10向贮液池2中通入气体以在纺丝液表面形成气泡，贮液池2的中间气泡的数量大于贮液池2边缘的气泡数量，在电场的作用下，贮液池2中间的气泡形成的射流速度较快且数量多，堆积于金属弹簧3的顶层，贮液池2边缘的气泡形成的射流速度慢且数量少，逐渐向金属弹簧3的下层扩散，金属弹簧3的底层易于收集贮液池2边缘形成的纤维。且在电机9的驱动下，金属圈3随着电机9转动而转动，纤维在离心力及电场的作用下，使纳米纤维逐层堆集形成具有较为立体且均匀蓬松的纤维膜，纤维之间的空隙增加。

综上所述：通过将贮液池2与通气机构10连接且在贮液池2的一侧设置有接收机构，该接收机构3呈螺旋状的金属弹簧，于金属弹簧3的高度方向上，其自下而上直径逐层递减且每层金属弹簧3皆与喷丝头之间形成电场；通气机构10向贮液池2中通入气体以在纺丝液表面形成气泡，贮液池2的中间气泡的数量大于贮液池2边缘的气泡数量，在电场的作用下，贮液池2中间的气泡形成的射流速度较快且数量多，堆积于金属弹簧3的顶层，贮液池2边缘的气泡形成的射流速度慢且数量少，逐渐向金属弹簧3的下层扩散；

通过将接收机构3与电机9连接，电机9旋转带动接收机构3旋转，形成的纳米纤维逐层堆集在接收机构3上且在离心率的作用下以形成均匀立体的三维结构的纳米纤维膜，操作简单且方便。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种制备三维结构纤维的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一接收机构，所述接收机构接地，所述接收机构由导电金属材料制成且呈螺旋状；

提供一贮液池及与所述贮液池连接的通气机构，制备纺丝溶液，将纺丝溶液倒入所述贮液池中，打开所述通气机构，使得所述贮液池内的纺丝溶液的表面产生气泡；

提供一与所述贮液池连接的高压供电机构，打开所述高压供电机构，使得所述贮液池与所述接收机构之间形成电场，所述气泡在电场的作用下发生电荷转移以形成向上运动的射流并逐层堆集在呈螺旋状的接收机构上以形成三维结构。

2.如权利要求1所述的制备三维结构纤维的方法，其特征在于，于所述接收机构的高度方向上，呈螺旋状的所述接收机构的直径自下而上逐渐递减。

3.如权利要求2所述的制备三维结构纤维的方法，其特征在于，所述“逐层堆集在呈螺旋状的接收机构上以形成三维结构”具体为：

所述通气机构伸入至所述贮液池内且位于所述贮液池的中心处，打开所述通气机构使得纺丝溶液表面产生气泡，所述气泡自所述贮液池的中心形成并逐渐向所述贮液池的两边扩散，且在电场力的作用下，所述贮液池中间的气泡较于所述贮液池边缘的气泡形成的射流速度快且数量多，使得纤维自所述接收机构的顶层向下逐层堆集，直至所述射流逐层堆集成具有较为立体的纤维膜。

4.如权利要求3所述的制备三维结构纤维的方法，其特征在于，所述方法还包括：

提供一电机，所述电机与所述接收机构连接，所述电机旋转带动所述接收机构旋转，堆集在所述接收机构上的纤维在离心力及电场力的作用下形成均匀且蓬松的纤维膜。

5.如权利要求2所述的制备三维结构纤维的方法，其特征在于，所述接收机构为金属弹簧，所述金属弹簧具有若干个连接的金属圈，每相邻两个所述金属圈的直径差范围为5-30cm。

6.如权利要求1所述的制备三维结构纤维的方法，其特征在于，所述高压供电机构提供的电压范围为30KV-60KV。