CN117144494A - 感应电极辅助多针头液喷纺丝装置、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了感应电极辅助多针头液喷纺丝装置、方法及应用，涉及多针头液喷纺丝技术领域；该装置包括空压机、液喷模头、注射器、点胶针头；空压机通过气管与液喷模头连接；点胶针头设有至少两个，注射器通过特氟龙管与点胶针头对应连接；还包括金属空心圆柱筒、高压静电发生器、金属接收极板；金属空心圆柱筒通过导线与高压静电发生器连接，金属接收极板通过导线与大地相连，点胶针头均通过导线与大地相连。本发明中通过各高聚物射流都带有同种电荷，使得各高聚物射流间由于同性相斥的原因不会产生传统多射流液喷纳米纤维间相互缠结的现象。本发明的点胶针头间距可达1.5‑2mm，极小的针头间距可有效的提高植针密度从而提升纳米纤维的产量。
Description
技术领域
本发明属于多针头液喷纺丝技术领域，尤其涉及感应电极辅助多针头液喷纺丝装置、方法及应用。
背景技术
纳米纤维是指直径小于1000纳米的纤维，因其具有超高长径比和超大比表面积等优良特性而被广泛地应用于药物控释、组织工程、创伤修复、过滤、个人防护、传感器、催化剂、储能材料等众多领域。纳米纤维的宏量制备技术随即成为科研热点之一。
目前常见的纳米纤维宏量制备技术有静电纺丝、液喷纺丝和离心纺丝等。静电纺丝纳米纤维宏量制备技术分为多针头制备技术和无针头制备技术两种。①对于多针头制备技术，在专利(CN101586288B)中公开了一种阵列多喷头静电纺丝设备，是将多个针头按照一定规则进行阵列排布后实施多射流静电纺丝的制备方法。该方法虽能有效提升纳米纤维产量但各针头之间会产生电场干涉。这种干涉不仅影响纳米纤维品质也注定了各针头间距不能太小，从而制约了纳米纤维产量的提升。②对于无针头制备技术，其利用各种手段使高聚物溶液液面产生多个泰勒锥，每个泰勒锥处形成一个射流，从而实现多射流静电纺丝。该方法存在溶液浓度不稳定、电极易累积聚合物、电极电场不均匀等缺点。
对于离心纺丝纳米纤维宏量制备技术，在专利(CN110295403B)中公开了离心纺装置，该装置虽然能够提升纳米纤维的产量，但利用离心力作用形成的纳米纤维存在直径较粗、直径分布较宽的缺点。
对于液喷纺丝纳米纤维宏量制备技术，在专利(CN103882535B)中公开了溶液喷射纺丝模头，利用气流拉伸高聚物溶液进行多射流纺丝。液喷纺丝技术本身具备产量高的优点，因此多射流液喷纺丝更易实现纳米纤维的高产、批量制备。但多射流液喷纺丝制备的纳米纤维直径大、直径不均匀、纳米纤维间易发生缠结、黏连和并丝现象。这种缺陷极大地影响了纳米纤维的品质。此外，多射流液喷存在因相邻射流相互融合而导致针头间距不能太小的问题。该问题制约了点胶针头的植针密度和纳米纤维产量的提升。
由0维结构的纳米微球和1维结构的纳米纤维组成的纳米微球/纤维膜同样为当今科研焦点。这种材料膜已在纳米发电机、水净化、抗生物污染、电子皮肤、膜蒸馏等领域得到深入研究与广泛应用。在现有纳米微球/纤维膜的制备方法中，按照制备步骤数可将现有纳米微球/纤维膜的制备方法分为两步法和一步法。
对于两步法的制备方法：均是对微/纳米微球、纤维膜先后制备，虽然能够制得纳米微球/纤维膜，但制备过程复杂，不仅浪费时间，而且较长的制备流程更易导致操作偏差的产生，从而造成产品质量波动。
对于一步法的制备方法：中国发明专利(CN106237717B)采用静电纺丝与静电喷雾相结合的方法实现了纳米微球/纤维膜的一步制备。该方法虽然有效地减少了制备步骤，但由于该方法使用的是无针静电纺丝技术，所以存在着纳米纤维直径偏大、纤维直径均匀性差、溶液浓度不稳定、电极易积累聚合物、电极电场不均匀等缺点。
还可采用多针头液喷纺丝技术对纳米微球/纤维膜进行一步法制备，液喷纺丝具有产量高，溶液浓度稳定等优势，但该方法同样存在上述纳米纤维直径大、直径均匀性差、相邻射流易互相融合而导致针头间距不能太小等缺点。专利(CN109023554B)提出了一种新型液喷纺丝装置及方法，该专利在传统液喷装置的基础上引入了圆柱电极，电场的加入使射流更易细化。该专利中的方法在保证高产量的同时在一定程度上改善了传统液喷纳米纤维直径大、直径不均匀的缺点。但该专利中的方法在减小纳米纤维直径和直径不均匀性方面仍有待进一步提升，且未考虑用于多针头液喷纺丝技术。
综上，已有的纳米纤维宏量制备技术都有一定的不足。因此非常有必要研发一种新型纳米纤维宏量制备技术，且还可应用于纳米微球/纤维膜的一步制备中，提高纳米微球/纤维膜的品质和产量。
发明内容
本发明的目的在于提供感应电极辅助多针头液喷纺丝装置、方法及应用，以解决上述背景技术中提出的现有技术中多针头静电纺丝制备技术针头间距过大，无针头静电纺丝制备技术存在溶液浓度不稳定、电极易累积聚合物、电极电场不均匀等缺点，离心纺丝纳米纤维宏量制备技术所制备的纳米纤维存在直径较粗、直径分布较宽的缺点，及液喷纺丝纳米纤维宏量制备技术具有纳米纤维直径大、直径不均匀、针头间距大、纳米纤维间易发生缠结、黏连和并丝现象等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，包括空压机、液喷模头、注射器、点胶针头；所述空压机通过气管与液喷模头连接；
所述点胶针头设有至少两个，且点胶针头的间距可达1.5～2mm；所述注射器内装载有高聚物溶液，所述注射器安装于注射泵上；所述注射器通过特氟龙管与点胶针头对应连接；所述点胶针头均安装于液喷模头上；
还包括金属空心圆柱筒、高压静电发生器、金属接收极板；
所述金属空心圆柱筒位于点胶针头远离液喷模头的一侧，所述金属空心圆柱筒通过导线与高压静电发生器连接，所述金属接收极板通过导线与大地相连，所述点胶针头均通过导线与大地相连。
优选地，所述点胶针头针尖正对液喷模头的气流出口，且点胶针头针尖距离液喷模头的气流出口均为等距。
优选地，所述点胶针头呈水平排列。
优选地，所述注射器设有至少一个，所述注射器装载至少一种高聚物溶液。可以通过注射器装载不同的溶液，用于纺制多组分非织造布。
优选地，所述特氟龙管采用多通道特氟龙管、单通道特氟龙管中一种或两种。所述多通道特氟龙管为一进二出或者一进多出的产品结构。一个注射器可以通过多通道特氟龙管连接多个点胶针头，也可以两个注射器通过一条特氟龙管连接到一个同轴针头从而制备皮芯结构纤维，同样可以将多个注射器均通过单通道特氟龙管与点胶针头一一对应连接。
优选地，所述注射泵采用多通道注射泵，所述多通道注射泵设有至少一个，所述多通道注射泵保持同一控制速度或不同控制速度。注射泵的注射控制速度可以不一样，以制备不同粗细纤维共存的非织造布。
采用上述装置进行的感应电极辅助多针头液喷纺丝方法，包括如下步骤：
S1、称取高聚物颗粒或粉末至溶剂中进行搅拌，静置，制备高聚物溶液；
S2、抽取高聚物溶液进行装载；
S3、设置参数，启动装置；
S4、高压气流牵拉高聚物溶液形成高聚物纺丝射流，每个点胶针头针尖处形成一个高聚物纺丝射流；高聚物纺丝射流在高压气流的牵拉作用下飞越金属空心圆柱筒的内部空腔；
S5、金属空心圆柱筒附近形成高压静电场，点胶针头和金属接收极板均接地形成零电位；高聚物纺丝射流在射流内部带上与高压静电发生器输出电性相反的同种电荷，高聚物射流破裂形成纳米纤维，且各点胶针头形成的高聚物纺丝射流同性相斥；
S6、纳米纤维穿过金属空心圆柱筒沉积在金属接收极板上。
采用上述装置进行的制备纳米微球/纤维膜的方法，包括如下步骤：
S1、称取高聚物颗粒或粉末至溶剂中进行搅拌，静置，制备高聚物溶液A；
S2、称取高聚物颗粒或粉末至溶剂中进行搅拌，静置，制备高聚物溶液B；
S3、分别抽取高聚物溶液A和高聚物溶液B进行装载；
S4、设置参数，启动装置；
S5、高压气流牵拉高聚物溶液A和高聚物溶液B形成高聚物射流，两股高聚物射流在高压气流的牵拉作用下飞越金属空心圆柱筒的内部空腔；
S6、金属空心圆柱筒附近形成高压静电场，点胶针头和金属接收极板均接地形成零电位；两股高聚物射流在静电感应的作用下在各自射流内部带上与高压静电发生器输出电性相反的同种电荷，高聚物射流破裂形成纳米微球或纳米纤维；
S7、两股高聚物射流穿过金属空心圆柱筒接收在金属接收极板上，形成纳米微球/纤维膜。
优选地，所述S4的具体步骤如下：
S401、将两个装载有高聚物溶液A和高聚物溶液B的注射器分别通过特氟龙管与点胶针头进行连接，即两条特氟龙管的两端分别与一个注射器和一个点胶针头相连；
S402、将两个点胶针头固定在液喷模头上，将两个点胶针头针尖距模头气流出口中心点等距且点胶针头针尖位置处于高压气流有效作用范围内；
S403、依次将两个点胶针头与金属接收极板接地；
S404、选取适当形状(长度、直径等)的金属空心圆柱筒；
S405、打开空压机，并调节其输出气压至适当数值；
S406、若两个注射器装载在两个注射泵上，则开启两个注射泵并分别设置两个注射泵的注射速度；若两个注射器装载在同一个多通道注射泵上，则开启注射泵并设置该单个注射泵的注射速度；
S407、开启高压静电发生器并设置输出电压；
S408、对其他工艺参数(如点胶针头与金属空心圆柱筒的距离、点胶针头与金属接收极板的距离等)进行设置。
优选地，所述S5中高压气流牵拉高聚物溶液A和高聚物溶液B形成高聚物射流，具体步骤如下：
S501、由空压机产生的高压气流通过气管输送至液喷模头一侧入口，经过液喷模头内部通道从液喷模头另一侧出口喷出；
S502、两个注射器内分别装载高聚物溶液A和高聚物溶液B，注射器由注射泵推动向前输出溶液，高聚物溶液A和高聚物溶液B通过特氟龙管输送至两个点胶针头，并从点胶针头针尖处挤出；
S503、两个点胶针头的针尖正对液喷模头的气流出口，从液喷模头喷出的高压气流牵拉高聚物溶液A和高聚物溶液B形成高聚物射流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、本发明中通过各高聚物射流都带有同种电荷，使得各高聚物射流间由于同性相斥的原因不会产生传统多射流液喷纳米纤维或射流间相互缠结的现象。因此可减小点胶针头间距从而提升植针密度和纳米纤维产量。
且本发明中形成射流的初始动力是高速气流，各点胶针头并非直接与高压静电发生器连接，所以各点胶针头所带电荷数量比多针头静电纺丝少很多，从而有效地降低了在多针头静电纺丝过程中所存在的各针头间电场的干涉。因此可减小点胶针头间距从而有效增大点胶针头的排列密度，进而提升纳米纤维的产量。
本发明的点胶针头间距可达1.5-2mm，极小的针头间距可有效的提高植针密度从而提升纳米纤维的产量。
(2)、本发明中通过由于各高聚物射流都带有同种电荷，电荷间的斥力有助于射流自身的劈裂与细化，因此可制备出比传统多射流液喷纺丝更细的纳米纤维。
且同时采用点胶针头接地，点胶针头接地可以使射流中的电荷发生更有效地转移，从而提升射流的感应荷电效果，加剧射流因电荷间斥力造成的破裂，进而制备出更细的纳米纤维。
(3)、本发明中使用有针制备技术，可以有效防止无针技术溶液浓度不稳定、电极累积聚合物等缺点。
(4)、本发明中装置还可用于制备纳米微球/纤维膜，在保证纺丝/喷雾溶液浓度稳定、纤维/微球的直径/尺寸小且均匀、产量高的前提下利用感应电极及气流的作用在简单设备上实现纳米微球/纤维膜的一步制备；实现纳米微球与纳米纤维的同步制备，从而制备出微球/纳米纤维随机分布且相互穿插的三向混合结构膜，这种结构膜在生物医用、过滤、蒸馏等领域中具有更好的使用价值。
附图说明
图1为本发明中的感应电极辅助多针头液喷纺丝装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中利用本发明与多射流液喷技术依据表1制备的纳米纤维形貌对比图，其中：(a)多射流液喷技术，(b)本发明技术；
图3为本发明实施例1中利用本发明与多射流液喷技术依据表1制备纳米纤维过程中的射流形态对比图，其中：(a)多射流液喷技术，(b)本发明技术；
图4为本发明实施例2中利用本发明与多射流液喷技术依据表2制备的纳米纤维形貌对比图，其中：(a)多射流液喷技术，(b)本发明技术；
图5为本发明实施例3中利用本发明与多射流液喷技术依据表3制备的纳米纤维形貌对比图，其中：(a)多射流液喷技术，(b)本发明技术；
图6为本发明实施例4中制备纳米微球/纤维膜的装置的结构示意图；
图7为本发明实施例4中所制备的纳米微球/纤维膜与现有技术所制备的纳米纤维的形貌对比图，其中：(a)专利CN109023554B中纳米纤维，(b)本发明中纳米微球/纤维膜。
图中：1、空压机；2、液喷模头；3、注射泵；4、注射器；5、特氟龙管；6、点胶针头；7、金属空心圆柱筒；8、高压静电发生器；9、金属接收极板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1：
参阅图1，感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，包括空压机1、液喷模头2、注射泵3、注射器4、特氟龙管5、点胶针头6、金属空心圆柱筒7、高压静电发生器8、金属接收极板9。装置结构示意图如图1所示。
本实施例中，空压机1通过自带气管与液喷模头2相连。注射器4内装载一定量的高聚物溶液，注射泵3采用多通道注射泵，若干个注射器4由多通道注射泵控制并按照一定的注射速度向外输出高聚物溶液，每个注射器4出口处连接一条特氟龙管5，每条特氟龙管5另一端与一个点胶针头6相连。点胶针头6固定在液喷模头2的夹板上。金属空心圆柱筒7通过导线与高压静电发生器8相连。点胶针头6、金属接收极板9分别通过导线与大地相连。
感应电极辅助多针头液喷纺丝装置的制备过程如下：
多个注射器4中都装入用于纺丝的高聚物溶液。多通道注射泵以一定的注射速度挤出高聚物溶液。在多通道注射泵的推动作用下，高聚物溶液经过特氟龙管5到达点胶针头6并从点胶针头6针尖处挤出。多个点胶针头6针尖正对液喷模头2出口并呈水平排列，每个针尖都处于液喷模头2右侧出口气流的有效作用范围内。
空压机1输出的高压气体经气管输送至液喷模头2，并从液喷模头2右侧出口喷出形成用于拉伸高聚物溶液的高速气流。在从液喷模头2喷出的高速气流的拉伸作用下，高聚物溶液在点胶针头6针尖处形成高聚物射流。每个点胶针头6处形成一个射流。多射流在气流的拉伸牵引作用下飞越金属空心圆柱筒7的空腔。当高压静电发生器8工作时便在金属空心圆柱筒7附近形成高压静电场。当高聚物多射流进入该高压静电场后，便会由于静电感应作用而带上同种电荷。最终到达金属接收极板9并制得纳米纤维非织造布。
基于上述装置，感应电极辅助多针头液喷纺丝方法，步骤如下：
1.在95克去离子水中加入5克MW＝106的聚氧化乙烯粉末，用搅拌器将溶液搅拌24小时后静置10小时，便制备出浓度为5％的聚氧化乙烯溶液。
2.取15个注射器4分别抽取上述制得的聚氧化乙烯溶液，每个注射器4出口连接一条特氟龙管5，在特氟龙管5另一端连接点胶针头6。将15个注射器4安装在两个多通道注射泵上，设置多通道注射泵的注射速度为0.4ml/h。
3.将点胶针头6固定在液喷模头2夹板上，使15个点胶针头6针尖呈水平排列，且都处于液喷模头2出口气流有效作用范围内，并调节点胶针头6间距至1.5～2mm。
4.选择长度为10cm、直径为15cm的金属空心圆柱筒7。
5.调节金属空心圆柱筒7位置，使其距点胶针头6为8mm。
6.调节点胶针头6与金属接收极板9的间距，使其达到110cm。
7.分别将点胶针头6和金属接收极板9接地。
8.分别设置空压机1输出气压为0.02MPa、高压静电发生器8输出电压为6.5kV。
9.制备时长设置为8分钟。
10.时间到后取下制得的纳米纤维非织造布。
将本发明中上述实施例1内感应电极辅助多针头液喷纺丝方法所制备的纳米纤维与传统多射流液喷纺丝所制备的纳米纤维在相同制备工艺条件下进行性能比对，二者所制备的纳米纤维性能对比如表1所示。
表1本专利与多射流液喷的制备工艺及纤维性能对比
由表1可知，在相同制备工艺的条件下，相比于多射流液喷而言，本方法可使纤维平均直径降低38.3％、使纤维直径标准差降低65.6％。
由图2可知，相比于多射流液喷(图2(a))而言，本发明中方法(图2(b))可有效消除纳米纤维间的缠结。传统多射流液喷为了减少纳米纤维和和射流的缠结与融合通常使针头间距大于3mm(参见文献“Industrial-Scale Solution Blowing of Soy ProteinNanofibers”)。当间距小于此距离时，射流就会发生融合和缠结，如图3(a)所示。而本方法在同样的针头间距的情况下不会出现射流的融合现象，如图3(b)所示。因此，本方法可以有效的减小针头间距从而提升植针密度，进而提升纳米纤维产量。
实施例2：
与实施例1不同之处在于，感应电极辅助多针头液喷纺丝方法，步骤如下：
1.在95克去离子水中加入5克MW＝106的聚氧化乙烯粉末，用搅拌器将溶液搅拌24小时后静置10小时，便制备出浓度为5％的聚氧化乙烯溶液。
2.取12个注射器4分别抽取上述制得的聚氧化乙烯溶液，每个注射器4出口连接一条特氟龙管5，在特氟龙管5另一端连接点胶针头6。将12个注射器4安装在两个多通道注射泵上，设置多通道注射泵的注射速度为0.4ml/h。
3.将点胶针头6固定在液喷模头2夹板上，使12个点胶针头6针尖呈水平排列，且都处于液喷模头2出口气流有效作用范围内，并调节点胶针头6间距至1.5～2mm。
4.选择长度为10cm、直径为15cm的金属空心圆柱筒7。
5.调节金属空心圆柱筒7位置，使其距点胶针头6为8mm。
6.调节点胶针头6与金属接收极板9的间距，使其达到110cm。
7.分别将点胶针头6和金属接收极板9接地。
8.分别设置空压机1输出气压为0.02MPa、高压静电发生器8输出电压为6.5kV。
9.制备时长设置为10分钟。
10.时间到后取下制得的纳米纤维非织造布。
将本发明中上述实施例2内感应电极辅助多针头液喷纺丝方法所制备的纳米纤维与传统多射流液喷纺丝所制备的纳米纤维在相同制备工艺条件下进行性能比对，二者所制备的纳米纤维性能对比如表2所示。
表2本专利与多射流液喷的制备工艺及纤维性能对比
由表2可知，在相同制备工艺的条件下，相比于多射流液喷而言，本方法可使纤维平均直径降低44.8％、使纤维直径标准差降低72.5％。由图4可知，相比于多射流液喷(图4(a))而言，本发明中方法(图4(b))可有效消除纳米纤维间的缠结。
实施例3：
与实施例1、2不同之处在于，感应电极辅助多针头液喷纺丝方法，步骤如下：
1.在95克去离子水中加入5克MW＝106的聚氧化乙烯粉末，用搅拌器将溶液搅拌24小时后静置10小时，便制备出浓度为5％的聚氧化乙烯溶液。
2.取9个注射器4分别抽取上述制得的聚氧化乙烯溶液，每个注射器4出口连接一条特氟龙管5，在特氟龙管5另一端连接点胶针头6。将9个注射器4安装在两个多通道注射泵上，设置多通道注射泵的注射速度为0.4ml/h。
3.将点胶针头6固定在液喷模头2夹板上，使9个点胶针头6针尖呈水平排列，且都处于液喷模头2出口气流有效作用范围内，并调节点胶针头6间距至1.5～2mm。
4.选择长度为10cm、直径为15cm的金属空心圆柱筒7。
5.调节金属空心圆柱筒7位置，使其距点胶针头6为8mm。
6.调节点胶针头6与金属接收极板9的间距，使其达到110cm。
7.分别将点胶针头6和金属接收极板9接地。
8.分别设置空压机1输出气压为0.02MPa、高压静电发生器8输出电压为6.5kV。
9.制备时长设置为13分钟。
10.时间到后取下制得的纳米纤维非织造布。
将本发明中上述实施例3内感应电极辅助多针头液喷纺丝方法所制备的纳米纤维与传统多射流液喷纺丝所制备的纳米纤维在相同制备工艺条件下进行性能比对，二者所制备的纳米纤维性能对比如表3所示。
表3本专利与多射流液喷的制备工艺及纤维性能对比
由表3可知，在相同制备工艺的条件下，相比于多射流液喷而言，本方法可使纤维平均直径降低53.1％、使纤维直径标准差降低78.8％。由图5可知，相比于多射流液喷(图5(a))而言，本发明中方法(图5(b))可有效消除纳米纤维间的缠结。
综上，本发明中感应电极辅助多针头液喷纺丝方法相较于现有的纳米纤维的宏量制备技术，具有如下优势：
相比于多射流液喷，本发明中该方法可以有效降低纳米纤维直径与直径标准差(表1、2、3)，同时还可以消除纳米纤维间的缠结(图2、4、5)。还可以利用射流间同性相斥的原理在很大程度上消除了相邻射流的融合从而有效减小针头间距(针头间距可减小至1.5-2mm)，进而提升植针密度和纤维产量(图3)。
相比于多针头静电纺丝，本发明中该方法可以有效减小针头间距。多针头静电纺丝存在针头间电场干扰，从而导致射流互相排斥现象的发生，多针头静电纺丝装置能稳定生产的最小针头间距为100mm(参见文献“Multinozzle high efficiencyelectrospinning with the constraint of sheath gas”)。本发明可以有效的减小针头间距(针头间距可减小至1.5-2mm)，从而提高植针密度，进而提升纳米纤维制备产量。
相比于无针头多射流静电纺丝，该方法不会产生纺丝溶液不稳定、电极易累积聚合物、电极电场不均匀的缺点。
实施例4：
采用实施例1-3中装置进行制备纳米微球/纤维膜。与实施例1-3不同之处在于：
参阅图6，该装置中，两个注射器4内分别装载高聚物溶液A和高聚物溶液B，两个注射器4可以同时装载在同一个多通道注射泵上，也可分别装载在两个注射泵3上。
该装置制备纳米微球/纤维膜的过程如下：
由空压机1产生的高压气流通过气管输送至液喷模头2左侧入口，经过液喷模头2内部通道从液喷模头2右侧出口喷出。注射器4由注射泵3推动向前输出高聚物溶液，两种高聚物溶液通过特氟龙管5输送至两个点胶针头6，并从点胶针头6针尖处挤出。两个点胶针头6的针尖正对液喷模头2的气流出口。从液喷模头2喷出的高速气流牵拉两种高聚物溶液从而形成高聚物射流。两股高聚物射流在气流的牵拉作用下飞越金属空心圆柱筒7的内部空腔，最终在金属接收极板9上得到纳米微球/纤维膜。
金属空心圆柱筒7与高压静电发生器8相连。当高压静电发生器8工作时，便会在金属空心圆柱筒7附近形成高压静电场。当两股射流进入该高压静电场后，就会由于静电感应作用而使各自射流内部带上与高压静电发生器8输出电性相反的同种电荷。射流内同种电荷的斥力会加速射流的破裂，从而形成纳米微球或纳米纤维，并最终接收在金属接收极板9上。原料或浓度的不同使高聚物溶液A和高聚物溶液B最终分别形成纳米微球和纳米纤维。
基于上述装置，制备纳米微球/纤维膜的方法，步骤如下：
1、将1克MW＝4×105的聚氧化乙烯粉末溶解至99克去离子水中，使用搅拌器对溶液进行8小时的搅拌后静置8小时，从而制备出浓度为1％的聚氧化乙烯溶液，将其记为溶液A。
2、将7克MW＝106的聚氧化乙烯粉末溶解至93克去离子水中，使用搅拌器对溶液进行24小时的搅拌后静置12小时，从而制备出浓度为7％的聚氧化乙烯溶液，将其记为溶液B。
3、分别用两个注射器4抽取上述溶液A、溶液B两种溶液，并在注射器4出口处连接上特氟龙管5，在特氟龙管5另一端连接点胶针头6，分别将两个注射器4装载在两个注射泵3上，设置装载有溶液A的注射器所在注射泵3的注射速度为1.3ml/h,设置装载有溶液B的注射器所在注射泵3的注射速度为0.5ml/h。
4、将两个点胶针头6固定在液喷模头2上，使两个点胶针头6针尖距液喷模头2气流出口中心点等距且保证两个点胶针头6针尖处于高速气流有效作用范围内。
5、选择长度为4cm、直径为15cm的金属空心圆柱筒7。
6、设置金属空心圆柱筒7的位置，使金属空心圆柱筒7距点胶针头6为1mm。
7、调节点胶针头6与金属接收极板9的间距，使其达到110cm。
8、依次将两个点胶针头6和金属接收极板9接地。
9、设置空压机1输出气压为0.016MPa。
10、设置高压静电发生器8输出电压为7.8kV。
11、使注射泵3、空压机1和高压静电发生器8进入工作状态。
12、制备时长为60分钟。
13、时间到后将制取的纳米微球/纤维膜从金属接收极板9上取下。
将本发明中上述实施例4内制备纳米微球/纤维膜的方法所制备的纳米微球/纤维膜与专利CN109023554B所制备的纳米纤维进行性能比对，二者所制备的纳米纤维性能对比如表4所示。
表4实施例4中本发明与专利CN109023554B制备工艺及纳米纤维性能对比
由表4可看出，在相同制备工艺条件下相比于专利CN109023554B，本专利制备的纳米纤维的平均直径下降了35.7％，直径标准差下降了68.6％。
参见图7，图7为本发明与专利CN109023554B所制备的纳米纤维的形貌对比图，图7中a图为利用专利CN109023554B技术依据表4制备工艺生产的纳米纤维膜的形貌图，图7中b图为本发明技术依据表4制备工艺生产的纳米微球/纤维膜的形貌图。图7中a图仅为纳米纤维，图7中b图具有纳米微球和纤维；本发明实现了纳米微球和纳米纤维的同步制备，所生产出的纳米微球/纤维膜(如图7(b)所示)比专利CN109023554B制备的单一纳米纤维膜(如图7(a)所示)具有更广泛的应用领域和更高的使用价值。
综上，相比于采用两步法的现有技术，本发明可实现纳米微球/纤维膜的一步制备且提升了产量；相比于采用一步法的专利CN106237717B，本发明不会产生纺丝溶液不稳定，电极易累积聚合物等问题；相比于专利CN109023554B，本发明具备以下优点：①纤维更细且直径更均匀；②实现纳米微球和纳米纤维的同步制备。
以上所述，仅用于帮助理解本发明的方法及其核心要义，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的一般技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，包括空压机(1)、液喷模头(2)、注射器(4)、点胶针头(6)；所述空压机(1)通过气管与液喷模头(2)连接，其特征在于：
所述点胶针头(6)设有至少两个，且点胶针头(6)的间距为1.5～2mm；
所述注射器(4)内装载有高聚物溶液，所述注射器(4)安装于注射泵(3)上；所述注射器(4)通过特氟龙管(5)与点胶针头(6)对应连接；所述点胶针头(6)均安装于液喷模头(2)上；
还包括金属空心圆柱筒(7)、高压静电发生器(8)、金属接收极板(9)；
所述金属空心圆柱筒(7)位于点胶针头(6)远离液喷模头(2)的一侧，所述金属空心圆柱筒(7)通过导线与高压静电发生器(8)连接，所述金属接收极板(9)通过导线与大地相连，所述点胶针头(6)均通过导线与大地相连。
2.根据权利要求1所述的感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，其特征在于，所述点胶针头(6)针尖正对液喷模头(2)的气流出口，且点胶针头(6)针尖距离液喷模头(2)的气流出口均为等距。
3.根据权利要求2所述的感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，其特征在于，所述点胶针头(6)呈水平排列。
4.根据权利要求1所述的感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，其特征在于，所述注射器(4)设有至少一个，所述注射器(4)装载至少一种高聚物溶液。
5.根据权利要求4所述的感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，其特征在于，所述特氟龙管(5)采用多通道特氟龙管、单通道特氟龙管中一种或两种。
6.根据权利要求4所述的感应电极辅助多针头液喷纺丝装置，其特征在于，所述注射泵(3)采用多通道注射泵，所述多通道注射泵设有至少一个，所述多通道注射泵保持同一控制速度或不同控制速度。
7.采用权利要求1-6任一所述装置进行的感应电极辅助多针头液喷纺丝方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、称取高聚物颗粒或粉末至溶剂中进行搅拌，静置，制备高聚物溶液；
S2、抽取高聚物溶液进行装载；
S3、设置参数，启动装置；
S4、高压气流牵拉高聚物溶液形成高聚物纺丝射流，每个点胶针头(6)针尖处形成一个高聚物纺丝射流；高聚物纺丝射流在高压气流的牵拉作用下飞越金属空心圆柱筒(7)的内部空腔；
S5、金属空心圆柱筒(7)附近形成高压静电场，点胶针头(6)和金属接收极板(9)均接地形成零电位；高聚物纺丝射流在射流内部带上与高压静电发生器(8)输出电性相反的同种电荷，高聚物射流破裂形成纳米纤维，且各点胶针头(6)形成的高聚物纺丝射流同性相斥；
S6、纳米纤维穿过金属空心圆柱筒(7)沉积在金属接收极板(9)上。
8.采用权利要求1-6任一所述装置进行的制备纳米微球/纤维膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、称取高聚物颗粒或粉末至溶剂中进行搅拌，静置，制备高聚物溶液A；
S2、称取高聚物颗粒或粉末至溶剂中进行搅拌，静置，制备高聚物溶液B；
S3、分别抽取高聚物溶液A和高聚物溶液B进行装载；
S4、设置参数，启动装置；
S5、高压气流牵拉高聚物溶液A和高聚物溶液B形成高聚物射流，两股高聚物射流在高压气流的牵拉作用下飞越金属空心圆柱筒(7)的内部空腔；
S6、金属空心圆柱筒(7)附近形成高压静电场，点胶针头(6)和金属接收极板(9)均接地形成零电位；两股高聚物射流在静电感应的作用下在各自射流内部带上与高压静电发生器(8)输出电性相反的同种电荷，高聚物射流破裂形成纳米微球或纳米纤维；
S7、两股高聚物射流穿过金属空心圆柱筒(7)接收在金属接收极板(9)上，形成纳米微球/纤维膜。
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| CN117731445A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 北京阿迈特医疗器械有限公司 | 一种可植入管状假体及其制备方法和装置 |
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