CN113403697A - 一种可编程仿蛛丝纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程仿蛛丝纤维及其制备方法，利用压电微流控平台，通过对压电信号进行自定义编辑，进而控制射流的形貌，利用紫外光将射流模板固化以保持形貌，从而得到间距与节高均可编程的仿蛛丝纤维；本发明制备的仿蛛丝纤维是基于双水相低界面张力制备的，利用低界面张力的两相流体界面对外界扰动非常敏感的特性，通过引入压电扰动，产生与信号相对应的扰动射流。扰动射流的波长和波高分别可以由压电频率和电压主动控制，因此仿蛛丝纤维的纺锤节间距和节高可精准控制。并且可以通过调节压电微流控平台的内外相流量来调节仿蛛丝纤维的直径与产率。总之，该方法不仅操作简单易行，而且所制备的仿蛛丝纤维的微观结构特征可精确控制。

Description

一种可编程仿蛛丝纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种可编程仿蛛丝纤维及其制备方法。

背景技术

自然进化赋予生物奇特的结构来控制定向液体动力学以求生存。蜘蛛丝是自然界中控制液滴行为最重要的结构之一，代表了一种具有周期性纺锤结的新兴材料。由于其几何结构和可润湿梯度特性，它们可以实现水的冷凝和收集。然而，制造这种微米级纺锤结纤维材料仍然具有很大的挑战性。常用的方法有：提拉涂层瑞利不稳定性技术，同轴静电纺丝技术等。然而，上述手段均存在着可控性较差的固有性缺陷，因此，亟需开发新的制备技术。微流控技术可以在微观尺度下将不同的流体按照特定的方式整合于一个体系内，并对其流动模式可精准操控。利用微流控技术，可以使用微流体技术连续制造各种尺寸和形态可控的微纤维。并且通过结合微流控纺丝技术与乳化技术，可以很容易地大规模制备具有均匀纺锤结微纤维。然而，目前利用微流控制备的同一批次的纺锤节微纤维通常具有相同的节距及节高，这大大限制其进一步应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种可编程仿蛛丝纤维及其制备方法，本发明通过开发压电微流控平台，通过引入压电振动使两相界面产生形变形成波浪射流，固化得到具有纺锤节的仿蛛丝纤维。所得纤维的形貌由压电信号控制，由于压电信号可自定义编辑，因此可按需生成各种形貌的仿蛛丝纤维。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种可编程仿蛛丝纤维的制备方法，包括如下步骤：

1)搭建压电微流动平台：在微流控芯片上游加入压电扰动装置，通过薄膜将振动信号传递至内相流体中；

2)形成稳定射流：选择一种可光固化水相聚合物溶液作为内相，选择纯水作为外相，由于芯片中的两水相流体具有低界面张力，且流体处于低雷诺数条件下，因此在通道中可以形成稳定的层流；

3)引入外部扰动：利用外部压电叠堆，将扰动引入至步骤2)中的内相，通过编辑压电信号，使其按需调节内相流体流速，在射流表面形成与压电信号对应的波浪形貌；

4)固化波浪射流制备具有纺锤节的仿蛛丝纤维：使用紫外光照射步骤3)中形成的波浪射流，使其发生聚合反应，在下游能够得到类似形貌的纺锤节纤维，通过调整内外相的流量比、压电信号的频率及幅值，精确调节纺锤节纤维的直径以及纺锤结构的尺寸。

进一步的，步骤1)中，所述微流控芯片由玻璃毛细管、载玻片、点样针头和速干胶组装而成，其中，玻璃毛细管由外相毛细管和内相毛细管同轴嵌套组装而成。

所述外相毛细管管径为500～1600μm，所述内相毛细管管径为40～400μm，通过改变内外相流速或内外相毛细管管径，使内相射流和波浪纤维的直径可调。

步骤2)中，采用压电陶瓷提供外部扰动，压电陶瓷在外部信号下按需挤压内相流体，对其流速进行调制，由于双水相系统中的界面张力极低，因此对外部扰动非常敏感，从而在下游射流形成相应的波浪形貌步骤1)中，内相可光固化聚合物中加入光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮HMPP的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA，外相使用去离子水。

步骤2)中，所述外部信号为周期波或不具有周期结构的自定义信号波。

作为优选的方案，步骤2)中，所述外部信号为正弦波、方波或锯齿波。

步骤3)中，利用紫外光将具有波浪形貌的射流固化，能够连续制备波浪纤维。

本发明还保护采用所述的制备方法制备得到的可编程仿蛛丝纤维。

本发明提出了一种可编程仿蛛丝纤维的制备方法，基于射流对外界扰动快速响应的特性，本发明通过对压电信号进行自定义编辑，可灵活按需控制仿蛛丝纤维的多个特征尺寸，对于可编程纤维的快速连续可控制备具有重要的意义。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)相对于传统仿蛛丝纤维制备方法，本发明的制备方法通过利用微流控芯片形成波浪射流，进而固化形成具有仿蛛丝结构的纤维，制备工艺简单、可控，操作条件要求低；

2)本发明依托压电微流控技术，采用微流控芯片进行仿蛛丝纤维制备，无需额外流体辅助形成纺锤结构，工艺简单可控；纤维的直径可通过内外相流速比以及外相毛细管管径进行调节，操作方便；除此之外，纺锤节的间距及节高可通过压电信号的频率及幅值精准控制。

附图说明

图1为本发明用于制备波浪纤维的制备工艺流程图。

图2为图1中施加外部扰动示意图。

图3为图1中不同压电信号及对应的纺锤节仿蛛丝纤维示意图。

具体实施方式

以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

下述实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明均为常规方法，所用的试剂、方法和设备，如无特殊说明均为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

一种可编程仿蛛丝纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)搭建压电微流动平台：在微流控芯片上游加入压电扰动装置，通过薄膜将振动信号传递至内相流体中。

(2)形成稳定射流：选择一种可光固化水相聚合物溶液作为内相，选择纯水作为外相相，由于芯片中的两相流体具有很低的界面张力，且流体处于低雷诺数条件下，因此在通道中可以形成稳定的层流；

(3)引入外部扰动：利用外部压电叠堆，将扰动引入至步骤(2)中的内相，通过编辑压电信号，使其按需调节内相流体流速，在射流表面可形成与压电信号对应的波浪形貌。

(4)固化波浪射流制备仿蛛丝纤维：使用紫外光照射步骤(3)中形成的波浪射流，使其发生聚合反应，在下游可得到类似形貌的仿蛛丝纤维，通过调整内外相的流量比、以及压电信号的频率及幅值，可以精确调节仿蛛丝纤维的直径以及纺锤结构的尺寸。

步骤(1)中，所述微流控芯片由玻璃毛细管、载玻片、点样针头和速干胶组装而成，其中，内相毛细管和外相毛细管成同轴嵌套结构。所述压电扰动装置，主要由压电叠堆和薄膜组成，压电叠堆在压电信号下可按需挤压内相流体，对其流速进行调制，如图1所示。进一步地，所述外相毛细管管径为500～1600μm，所述内相毛细管管径为40～400μm，通过改变内外相流速或内外相毛细管管径，所述内相射流和仿蛛丝纤维的直径可调。

步骤(2)中，内相为加入光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水溶液，外相使用去离子水。其中，PEGDA的体积分数为5～30％，光引发剂HMPP的体积分数为0.5～4％。

步骤(3)中，采用压电陶瓷提供外部扰动，压电陶瓷在外部信号下可按需挤压内相流体，如图2所示。

步骤(4)中，利用紫外光将具有波浪形貌的射流固化，可连续制备可编程仿蛛丝纤维纤维。

实施例2

一种可编程仿蛛丝纤维制备流程，如图1所示，包括以下步骤：

(1)配制内外相溶液：

1.1)内相溶液：由HMPP/PEGDA的水溶液组成；PEGDA的体积分数为5～30％的PEGDA水溶液；

1.2)外相溶液：去离子水。

(2)组装微流控芯片：利用微电极拉制仪拉制玻璃毛细管，内相玻璃毛细管管径为40～400μm，外相玻璃毛细管管径500～1600μm，微流控芯片由内外相玻璃毛细管、载玻片、点样针头和速干胶组装而成，其中内相毛细管和外相玻璃毛细管保持同轴结构。

(3)形成稳定射流：

利用注射泵将内外相引入至微流控芯片，设定内外相流速，启动注射泵工作。在微流控通道内，由于芯片中的两相流体具有很低的界面张力，且流体处于低雷诺数条件下，因此在通道中可以形成稳定的细长射流。

(4)引入外部扰动：

在内相流体管之间引入压电叠堆作为外部扰动源。通过上位机(计算机)编辑自定义波形，传输之信号发生器产生对应信号，再经过功率放大器将信号放大，最后连接至压电陶瓷上产生对应波形的振动，压电叠堆通过薄膜将振动信息耦合至内相流体中，内相流体被外部扰动调制导致发生波动，由于双水相界面具有极低的界面张力，在射流表面可形成与扰动对应的波浪形貌。

图3为不同编程信号下所对应的仿蛛丝纤维示意图，其中，增加外界扰动的频率(脉宽)可减小波浪射流的节距，增大扰动振幅可增大波浪射流的波宽。

(5)制备仿蛛丝纤维：

使用紫外光照射上述压电微流控芯片中形成的具有波浪形貌的射流，通过使其发生聚合反应，在下游可得到可编程的仿蛛丝纤维。

上述可编程仿蛛丝纤维的调控主要可通过调节外界扰动的频率(脉宽)与振幅来实现：

控制制备工艺中流量参数不变，通过自定义扰动波形，可以对纤维形貌进行编程设计，得到不同形貌的仿蛛丝纤维，典型结果如图3所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)搭建压电微流动平台：在微流控芯片上游加入压电扰动装置，通过薄膜将振动信号传递至内相流体中；

2)形成稳定射流：选择一种可光固化水相聚合物溶液作为内相，选择纯水作为外相，由于芯片中的两水相流体具有低界面张力，且流体处于低雷诺数条件下，因此在通道中可以形成稳定的层流；

3)引入外部扰动：利用外部压电叠堆，将扰动引入至步骤2)中的内相，通过编辑压电信号，使其按需调节内相流体流速，在射流表面形成与压电信号对应的波浪形貌；

4)固化波浪射流制备具有纺锤节的仿蛛丝纤维：使用紫外光照射步骤3)中形成的波浪射流，使其发生聚合反应，在下游能够得到类似形貌的纺锤节纤维，通过调整内外相的流量比、压电信号的频率及幅值，精确调节纺锤节纤维的直径以及纺锤结构的尺寸。

2.根据权利要求1所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述微流控芯片由玻璃毛细管、载玻片、点样针头和速干胶组装而成，其中，玻璃毛细管由外相毛细管和内相毛细管同轴嵌套组装而成。

3.根据权利要求2所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：所述外相毛细管管径为500～1600μm，所述内相毛细管管径为40～400μm，通过改变内外相流速或内外相毛细管管径，使内相射流和波浪纤维的直径可调。

4.根据权利要求2所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用压电陶瓷提供外部扰动，压电陶瓷在外部信号下按需挤压内相流体，对其流速进行调制，由于双水相系统中的界面张力极低，因此对外部扰动非常敏感，从而在下游射流形成相应的波浪形貌。

5.根据权利要求3所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：步骤1)中，内相可光固化聚合物中加入光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮HMPP的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA，外相使用去离子水。

6.根据权利要求1所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述外部信号为周期波或不具有周期结构的自定义信号波。

7.根据权利要求6所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述外部信号为正弦波、方波或锯齿波。

8.根据权利要求1所述的可编程仿蛛丝纤维的制备方法，其特征在于：步骤3)中，利用紫外光将具有波浪形貌的射流固化，能够连续制备波浪纤维。

9.一种可编程仿蛛丝纤维，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。

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