CN101363137A - 一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，包括高压电源、注射器、推动注射器的注射泵和收集装置；其中高压电源连接于注射器针头位置，为正极；收集装置通过接地线接地，为负极；其特征在于：所述收集装置为开放式纤维收集器，它由执行单元和控制单元两部分组成：执行单元为开放式滚筒，由中心转轴及与之平行且两端固定在铝质安装盘圆周上的铜管构成，所述滚筒具有铜质的中心转轴；控制单元包括驱动电机和转速控制器，电机通过联轴器带动滚筒转动，电机用屏蔽罩屏蔽电场干扰，转速控制器控制电机转速，控制转速为800～1000rpm；执行单元和控制单元均由PVP板支撑。生产出的纳米纤维有序性好、膜厚，适用于做生物医学支架材料。

Description

一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及定向排列纳米纤维的电纺技术，是一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置。
背景技术
电纺(Electrospinning)是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的技术，即将直流高压施加于聚合物溶液或溶体与收集装置之间，使聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电。当电场力足够大时，带电的聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中随溶剂蒸发而固化，最终落在收集装置上，形成类似非织造布的纤维毡，其纳米纤维直径一般在几十纳米至几微米之间。
1934年，美国工程师A.Formhals在静电力的作用下，实现了醋酯纤维素(CA)溶液的电纺丝，从而首次申请了静电纺丝方法这一专利(A.Formhals，US patent 1975504，1934)；随后相继也有人研究；20世纪80年代后，尤其是近10年，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术倍受关注，研究较多。20世纪90年初美国阿克伦大学的D.H.Reneker[11]等对静电纺丝进行了大量实验工作和深入的理论研究，开发了制备纳米纤维的新技术——静电纺丝技术。H.Fong等研究了静电纺纳米纤维的形成，详细分析射流的过程变化。当前，静电纺丝已经成为纳米纤维的主要制备方法之一；在国内，目前已有很多高校和研究机构采用静电纺丝法，纺制纳米纤维聚丙烯腈纤维毡，聚己内酯纳米纤维，聚乳酸纳米纤维，等等。
静电纺丝装置主要有四个部分组成：高压电源、溶液储存装置、喷射装置和接收装置。高压电源一般采用最大输出电压为30kV～100kV的直流高压静电发生器来产生高压静电场；溶液储存装置通常使用玻璃注射器或储液管等，其中装有聚合物溶液或熔体，给注射器接上一注射泵以控制溶液喷射速率，有时***一个与高压电源相连的金属电极为使液体带电；喷射装置为0.5～2mm的毛细管或注射器针头；接收装置根据不同要求可以采用不同的形状，可以是金属平板、网格等。喷射装置与接收装置可垂直、水平或成一定角度放置。
纳米纤维聚丙烯腈纤维毡，聚己内酯纳米纤维，聚乳酸纳米纤维等目前广泛在实验室用作细胞支架材料，但由上述装置生产的得到的纳米纤维是无序排列的。然而在接种细胞过程中，细胞顺着纳米纤维丝的方向爬行，并排列有序，因此细胞对这种材料的生物学相应和体内的生物学响应具有较大的差异。如何获得具有一定取向的支架材料是亟待解决的问题。
静电纺丝技术为纳米纤维的定向收集提供了新思路。在静电纺丝技术中，关键性问题之一在于如何实现纳米纤维的定向收集。如果收集装置为一静止平板，得到的纳米纤维必然是无序排列的，而这种无序排列的纳米纤维其应用价值大大降低。如果收集装置高速旋转，则可以有效地解决这个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，使制备出的纳米纤维定向性好，并且成本低。
实现本发明目的而采用的技术方案是这样的：即一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，包括产生10kV～100kV的直流高压的高压电源、注射器、推动注射器的注射泵和收集装置；其中高压电源连接于注射器针头位置，为正极；收集装置通过接地线接地，为负极；其特征在于：所述收集装置为开放式纤维收集器，它由执行单元和控制单元两部分组成：执行单元为开放式滚筒，由铜质中心转轴及与之平行且两端固定在铝质安装盘圆周上的铜管构成；控制单元包括驱动电机和转速控制器，电机通过联轴器带动滚筒转动，电机用屏蔽罩屏蔽电场干扰，转速控制器控制电机转速，控制转速为800～1000rpm；执行单元和控制单元均由PVP板支撑。
本发明采用开放式纤维收集器位于注射器针头的前方；本发明可以生产出连续的定向纳米纤维，这些定向纤维随着圆筒的转动而平行排列。因此，本发明具有以下优点：
(1)生产出的纳米纤维有序性好；
(2)工艺简单，重复性好；
(3)采用开放式滚筒，铜管之间的间距便于使用宽度为大约2厘米的细胞生长用载玻片采集。
(4)生产的纳米纤维膜厚，适用于做生物医学支架材料。
附图说明
图1为本发明制备装置的结构示意图。
图2为本发明制备装置中开放式纤维收集器的结构示意图。
图3为开放式滚筒的侧面图；
图4为本发明制备装置生产出的定向纳米纤维显微图(400倍)；
图5为本发明制备装置生产出的定向纳米纤维扫描电镜图；
图6为本发明制备装置生产出的定向纳米纤维实物图。
图中A.注射器、1.铝质安装盘、2.铜管3.中心转轴、4.高压电源、5、接地线、6.滚动轴承、7.支架、8.连轴器、9.屏蔽罩(防止电机受电场干扰)10.驱动电机、11.控制器、12.PVP板。
具体实施方式
本发明制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置可以通过附图给出的非限定性的实施例进一步说明。
如图1所示，装置包括产生10kV～100kV的直流高压的高压电源4、注射器A、推动注射器的注射泵和收集装置；其中高压电源连接于注射器针头位置，为正极；收集装置通过接地线5接地，为负极；其特征在于：所述收集装置为开放式纤维收集器，它由执行单元和控制单元两部分组成：执行单元为开放式滚筒，由中心转轴及与之平行且两端固定在铝质安装盘1圆周上的铜管2构成，所述滚筒具有铜质的中心转轴3；控制单元包括驱动电机10和转速控制器，电机通过联轴器8带动滚筒转动，电机用屏蔽罩9屏蔽电场干扰，转速控制器控制电机转速，控制转速为800～1000rpm；执行单元和控制单元均由PVP板12支撑。
将30～100kV直流高压施加于聚合物溶液或溶体与收集装置之间，使聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电。在电场力的作用下，注射器A中的聚合物溶液表面产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时，注射器针头的流体半球表面会被拉成锥形，即Taylor锥。进一步增加电场强度，使用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值，即当电场力足够大时，带电射流从Taylor锥尖喷射出来。喷射细流在喷射过程中随溶剂蒸发而固化，最终落在圆筒收集装置上。当滚筒转速与纤维运动速率相等时彼此平行的缠绕在圆筒的表面(参见附图4、5、6)，实现定向收集。直接用载玻片置于两铜管之间，经过剪切使定向排列在滚筒上的纳米纤维粘结在载玻片上，方便细胞种植使用。
下面提供利用前述装置制备定向排列纳米纤维的方法实施例：
1、PLLA(左旋聚乳酸)定向纳米纤维的制备。
把PLLA溶于二氯甲烷中，浓度范围为3-15％(w/v％)。实施时，选用浓度10％(w/v％)，用磁力搅拌器搅拌4小时后灌入注射器中纺丝，纺丝电压范围是10-25kV。
2、PAN(聚丙烯晴)定向纤维的制备。
把PAN以7-15％(w/v％)的浓度溶于二甲基甲酰胺中，实施时选用浓度12％(w/v％)，用磁力搅拌器搅拌12小时后灌入注射器后纺丝，纺丝电压范围是10-35kV。
以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造等所做的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。
在附图给出的实施例中，所述开放式滚筒中铜管2的两端等间距固定在铝质安装盘1圆周上，所述间距为2～3厘米。
所述开放式滚筒的一端与连轴器8连接，另一端通过滚动轴承安装在支架7上，接地线5通过支架7、中心转轴3及安装盘1电连接到铜管上。
所述中心转轴3与支架7之间，中心转轴3与连轴器8之间外露段具有PVP材料包裹绝缘层。

Claims (4)

1、一种制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，包括产生10kV～100kV的直流高压的高压电源(4)、注射器(A)、推动注射器的注射泵和收集装置；其中高压电源连接于注射器针头位置，为正极；收集装置通过接地线(5)接地，为负极；其特征在于：所述收集装置为开放式纤维收集器，它由执行单元和控制单元两部分组成：执行单元为开放式滚筒，由铜质中心转轴(3)及与之平行且两端固定在铝质安装盘(1)圆周上的铜管(2)构成；控制单元包括驱动电机(10)和转速控制器，电机通过联轴器(8)带动滚筒转动，电机用屏蔽罩(9)屏蔽电场干扰，转速控制器控制电机转速，控制转速为800～1000rpm；执行单元和控制单元均由PVP板(12)支撑。
2、根据权利要求1所述的制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，其特征是：所述开放式滚筒中铜管(2)的两端等间距固定在铝质安装盘(1)圆周上，所述间距为2～3厘米。
3、根据权利要求1所述的制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，其特征是：所述开放式滚筒的一端与连轴器(8)连接，另一端通过滚动轴承安装在支架(7)上，接地线(5)通过支架(7)、中心转轴(3)及安装盘(1)电连接到铜管(2)上。
4、根据权利要求1所述的制备定向排列纳米纤维的静电纺丝装置，其特征是：中心转轴(3)与支架(7)之间，中心转轴与连轴器(8)之间外露段具有PVP材料绝缘包裹层。
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