CN110331451A - 用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法，包括：提供纺丝装置，包括喷射组件、与喷射组件连接的高压电源及设置在喷射组件一侧的接收组件，接收组件包括绝缘部及至少两个自绝缘部表面向外突伸形成、平行且间隔分布的突伸部，每个突伸部上设置有通电电极，接收组件还包括用以将每个通电电极电连接的连接部；将聚合物溶解于有机溶剂中以制备静电纺丝溶液，并将其装入喷射组件；打开高压电源以进行静电纺丝，接收组件与喷射组件之间形成电势场，静电纺丝溶液在电势场作用下被拉伸以形成纤维并继续在电势场的作用下被牵引至接收组件，然后通电电极的作用力下转动以形成垂直于通电电极的有序排列的纤维，步骤简单且操作方便。

Description

用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法，属于静电纺丝技术领域。
背景技术
静电纺丝是可纺溶液在静电吸引力的作用下，克服溶液表面张力，从纺丝头形成的“Taylor”锥体的尖端拉出成为一股带电的喷射流，并在电场中运动。喷射流随着溶剂的挥发而固化形成微纳米的纤维状物质，最终聚集在导电的接收屏上形成纤维膜。
在静电纺丝的过程中,通常在导电的平板接收屏上得到的是无规取向的微纳米纤维。但是在生物医学、光学、电学、机械制造等领域的应用中，时常需要微纳米纤维具有良好的规则性和取向性，因而定向排列的静电纺丝聚合物纤维一直是一个研究热点。然而定向排列的微纳米纤维的制备相对比较困难，主要是通过添加附加电场或者改变接收装置等方式对纤维施加机械力或电场力来实现，如转抽法和平行电极法。
然而，单独使用平行电极法时，由于受到接收装置中两个平行电极间距离的限制，一般制备的定向排列纤维长度不超过5毫米。而单独使用转抽法时，由于对纺丝过程控制效果不明显，一般制备的有序纤维难以获得理想的取向效果。同时，利用常规的静电纺丝方法制备有序微纳米纤维时，通常制备的纤维是直接粘附在接收装置表面，常常由于喷射流溶剂的挥发不完全等问题，使纤维很难从接收板上取下，对后续微纳米纤维的研究和应用带来限制。
就目前而言，现有的制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法中，还未能制备出同时满足取向效果好、产量大、长度长的定向排列的微纳米纤维。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够获得取向效果好、且纤维长度长的用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法，所述方法包括如下步骤：
提供纺丝装置，所述纺丝装置包括用以制备纤维的喷射组件、与所述喷射组件连接的高压电源及设置在所述喷射组件一侧用以接收纤维的接收组件，所述接收组件包括绝缘部及至少两个自所述绝缘部表面向外突伸形成、平行且间隔分布的突伸部，每个所述突伸部上设置有通电电极，所述接收组件还包括用以将每个所述通电电极电连接的连接部；
将聚合物溶解于有机溶剂中以制备静电纺丝溶液，并将制备所得的静电纺丝溶液装入所述喷射组件；
打开高压电源以进行静电纺丝，所述接收组件与喷射组件之间形成电势场，所述静电纺丝溶液在电势场作用下被拉伸以形成纤维并继续在电势场的作用下被牵引至所述接收组件，然后通电电极的作用力下转动以形成垂直于所述通电电极的有序排列的纤维。
进一步地，所述绝缘部及突伸部为长条状，所述绝缘部与所述突伸部交替阵列平行设置，所述突伸部的高度为0.3～2cm。
进一步地，所述绝缘部及突伸部的材料为硬纸板或绝缘塑料。
进一步地，所述突伸部的宽度范围为0.5～1.5cm，相邻两个所述突伸部之间的距离范围为1～3cm。
进一步地，所述通电电极及连接部的材料为钛板、铝箔、镍箔及导电胶带中的任一种。
进一步地，所述高压电源的电压范围为10～20kV。
进一步地，所述接收组件与喷射组件之间的距离范围为15～20cm。
进一步地，在静电纺丝过程中，环境温度范围为20～30℃，纺丝时间范围为15min～4h。
进一步地，所述静电纺丝溶液为丝素蛋白溶液。
进一步地，所述接收组件设置在所述喷射组件的正下方。
本发明的有益效果在于：通过在纺丝装置中设置有接收组件，该接收组件包括绝缘部及至少两个自绝缘部表面向外突伸形成、平行且间隔分布的突伸部，每个突伸部上设置有通电电极及用以将每个所述通电电极电连接的连接部，使得接收组件与喷射组件之间形成有用以牵引纤维的电势场，且纤维在每两个相邻的通电电极之间迅速转动，以获得有序度高、长度较长的有序纤维；
由于突伸部自绝缘部表面突伸形成，使得接收组件获得的有序纤维不与绝缘部直接接触，能在保证纤维膜微观结构不受破坏的前提下，从接收组件上轻易取出。
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为本发明采用的静电纺丝装置的结构示意图。
图2为本发明采用的接收组件的结构示意图。
图3为实施例1的制备的有序纤维的光学图像示意图。
图4为实施例1的制备的有序纤维的另一光学图像示意图。
图5为实施例2的制备的有序纤维的光学图像示意图.
图6为实施例1制备的有序纤维的扫描电子显微镜照片。
图7为实施例1制备的有序纤维的另一扫描电子显微镜照片。
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至图2，本发明的一种用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法所采用的纺丝装置包括用以制备纤维的喷射组件、与所述喷射组件连接的高压电源4及设置在所述喷射组件一侧用以接收纤维的接收组件5，在本发明中，所述高压电源4的电压范围为10～20kV。诚然，所述高压电源4的电压范围也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。
所述接收组件5包括绝缘部52及至少两个自所述绝缘部52表面向外突伸形成、平行且间隔分布的突伸部53。每个所述突伸部53上设置有通电电极51，所述接收组件5还包括用以将每个所述通电电极51电连接的连接部54。所述通电电极51与所述突伸部53等宽等长设置，所述通电电极51及连接部54的材料为钛板、铝箔、镍箔及导电胶带中的任一种。诚然，所述通电电极51及连接部54也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。在本发明中，所述通电电极51及连接部54的制作材料一致，诚然，两者材料也可不同，根据实际情况而定。
为了能够得到更为有序的纤维，所述接收组件5设置在所述喷射组件的正下方。所述接收组件5与喷射组件之间的距离范围为15～20cm。诚然，所述接收组件5与喷射组件之间的距离范围也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。在本发明中，所述喷射组件为注射器1、针头2及用以推动所述注射器1的推进泵4，所述推进泵4用于自动推进注射器1，以使注射器1从针头2射流出纺丝。所述针头2设置在所述注射器1靠近所述接收组件5的一侧。诚然，所述喷射组件也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。其中，针头2带正电，通电电极51带负点。
所述绝缘部52及突伸部53的材料为硬纸板或绝缘塑料，亦或是其他绝缘材料。在本发明中，所述绝缘部52及突伸部53为一体设置，即通过绝缘材料折叠而成。诚然，所述绝缘部52及突伸部53也可分体设置，根据实际情况而定。所述绝缘部52及突伸部53为长条状，所述绝缘部52与所述突伸部53交替阵列平行设置，所述突伸部53的高度为0.3～2cm。诚然，所述绝缘部52及突伸部53也可为其他形状，所述突伸部53的高度也可为其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。所述突伸部53的宽度范围为0.5～1.5cm，相邻两个所述突伸部53之间的距离范围为1～3cm，在此不做具体限定，根据实际情况而定。图中箭头a表示绝缘部52的宽度，箭头b表示突伸部53及通电电极51的宽度，箭头c表示通电电极51的高度。
所述方法包括如下步骤：
将聚合物溶解于有机溶剂中以制备静电纺丝溶液，并将制备所得的静电纺丝溶液装入所述喷射组件。在本发明中，所述静电纺丝溶液为丝素蛋白溶液。诚然，所述静电纺丝溶液也可为其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
打开高压电源4以进行静电纺丝，在静电纺丝过程中，环境温度范围为20～30℃，纺丝时间范围为15min～4h。所述接收组件5与喷射组件之间形成电势场，所述静电纺丝溶液在电势场作用下被拉伸以形成纤维并继续在电势场的作用下被牵引至所述接收组件5，然后通电电极51的作用力下转动以形成垂直于所述通电电极51的有序排列的纤维。最终，在每两个相邻通电电极51之间、绝缘部52上方得到阵列排布的有序纤维。通过调控绝缘部52宽度，即每两个相邻通电电极51之间的间距，就可以控制有序纤维的长度，从而获得较长的有序纤维。
本发明的用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法所采用的纺丝装置可以用于制备有序的纳米和微米纤维，比如：100nm、200nm、500nm或者1μm等，本发明对所制备的有序纤维的直径不作限定。下面以几个具体实施例对本发明方法进行具体阐述。
实施例1
静电纺丝溶液的配制：蚕茧经脱胶、溶解、透析、冷冻干燥后得到丝素蛋白粉末。将适量丝素蛋白粉末溶解在甲酸溶液中，得到12wt％再生丝素溶液，在室温下搅拌24小时，得到静电纺丝溶液。
静电纺丝制备有序纤维：将静电纺丝溶液放入上述静电纺丝装置的注射器1中，进行静电纺丝。采用接收组件5接收有序纤维，其中接收组件5中通电电极51宽度为0.8cm，绝缘部52宽度为1cm，通电电极51比绝缘部52高出1cm。静电纺丝时，温度为25℃，纺丝距离为18cm，电压为10kV，纺丝时间为3h。
此实施例中，在接收组件上接收到的有序纤维的光学照片如图3至图4所示。从图中可以看到，有序纤维膜阵列排布，产量高，纤维长度为1cm，并且纤维垂直于平行电极，排列有序。本实施例制备的有序纤维的扫描电子显微镜照片如图6及图7所示，纤维排列有序，取向效果好，纤维直径均匀。
实施例2
静电纺丝溶液的配制：蚕茧经脱胶、溶解、透析、冷冻干燥后得到丝素蛋白粉末。将适量丝素蛋白粉末溶解在甲酸溶液中，得到12wt％再生丝素溶液，在室温下搅拌24小时，得到静电纺丝溶液。
静电纺丝制备有序纤维：将静电纺丝溶液放入上述静电纺丝装置的注射器1中，进行静电纺丝。采用接收组件5接收有序纤维，其中接收组件5中通电电极51宽度为0.5cm，绝缘部52宽度为2cm，通电电极51比绝缘部52高出1cm。静电纺丝时，温度为20℃，纺丝距离为15cm，电压为15kV，纺丝时间为2h。
此实施例中，在接收组件上接收到的有序纤维的光学照片如图5所示。从图中可以看到，有序纤维膜阵列排布，产量高，纤维长度达到2cm，并且纤维垂直于平行电极，有序性较好。
实施例3
静电纺丝溶液的配制：蚕茧经脱胶、溶解、透析、冷冻干燥后得到丝素蛋白粉末。将适量丝素蛋白粉末溶解在甲酸溶液中，得到12wt％再生丝素溶液，在室温下搅拌24小时，得到静电纺丝溶液。
静电纺丝制备有序纤维：将静电纺丝溶液放入上述静电纺丝装置的注射器1中，进行静电纺丝。采用接收组件5接收有序纤维，其中接收组件5中通电电极51宽度为1.5cm，绝缘部52宽度为3cm，通电电极51比绝缘部52高出2cm。静电纺丝时，温度为30℃，纺丝距离为20cm，电压为20kV，纺丝时间为4h。
实施例4
静电纺丝溶液的配制：蚕茧经脱胶、溶解、透析、冷冻干燥后得到丝素蛋白粉末。将适量丝素蛋白粉末溶解在甲酸溶液中，得到12wt％再生丝素溶液，在室温下搅拌24小时，得到静电纺丝溶液。
静电纺丝制备有序纤维：将静电纺丝溶液放入上述静电纺丝装置的注射器1中，进行静电纺丝。采用接收组件5接收有序纤维，其中接收组件5中通电电极51宽度为1cm，绝缘部52宽度为1cm，通电电极51比绝缘部52高出0.3cm。静电纺丝时，温度为22℃，纺丝距离为16cm，电压为12kV，纺丝时间为15min。
综上所述：通过在纺丝装置中设置有接收组件5，该接收组件5包括绝缘部52及至少两个自绝缘部52表面向外突伸形成、平行且间隔分布的突伸部53，每个突伸部53上设置有通电电极51及用以将每个所述通电电极51电连接的连接部54，使得接收组件5与喷射组件之间形成有用以牵引纤维的电势场，且纤维在每两个相邻的通电电极51之间迅速转动，以获得有序度高、长度较长的有序纤维；
由于突伸部53自绝缘部52表面突伸形成并与绝缘部52形成高度差，使得接收组件5获得的有序纤维不与绝缘部52直接接触，能在保证纤维膜微观结构不受破坏的前提下，从接收组件5上轻易取出。
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 (10)

1.一种用于制备定向排列微纳米纤维的静电纺丝方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
提供纺丝装置，所述纺丝装置包括用以制备纤维的喷射组件、与所述喷射组件连接的高压电源及设置在所述喷射组件一侧用以接收纤维的接收组件，所述接收组件包括绝缘部及至少两个自所述绝缘部表面向外突伸形成、平行且间隔分布的突伸部，每个所述突伸部上设置有通电电极，所述接收组件还包括用以将每个所述通电电极电连接的连接部；
将聚合物溶解于有机溶剂中以制备静电纺丝溶液，并将制备所得的静电纺丝溶液装入所述喷射组件；
打开高压电源以进行静电纺丝，所述接收组件与喷射组件之间形成电势场，所述静电纺丝溶液在电势场作用下被拉伸以形成纤维并继续在电势场的作用下被牵引至所述接收组件，然后通电电极的作用力下转动以形成垂直于所述通电电极的有序排列的纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘部及突伸部为长条状，所述绝缘部与所述突伸部交替阵列平行设置，所述突伸部的高度为0.3～2cm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述绝缘部及突伸部的材料为硬纸板或绝缘塑料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述突伸部的宽度范围为0.5～1.5cm，相邻两个所述突伸部之间的距离范围为1～3cm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通电电极及连接部的材料为钛板、铝箔、镍箔及导电胶带中的任一种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压电源的电压范围为10～20kV。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收组件与喷射组件之间的距离范围为15～20cm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在静电纺丝过程中，环境温度范围为20～30℃，纺丝时间范围为15min～4h。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝溶液为丝素蛋白溶液。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收组件设置在所述喷射组件的正下方。
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