專利名稱：一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置及方法。
背景技術(shù)：
靜電紡絲是一種目前比較流行的制備納米纖維的簡(jiǎn)單方法，以其具備設(shè)備簡(jiǎn)單、 原料來(lái)源廣泛、工藝過(guò)程不破壞材料本體等特點(diǎn)，受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。靜電紡納米纖維憑借其產(chǎn)品細(xì)度細(xì)、孔隙率高、表面積大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于過(guò)濾材料、傳感器、組織工程、藥物緩釋等領(lǐng)域。靜電紡絲是將聚合物溶液或熔體帶上幾千乃至上萬(wàn)伏的高壓靜電，帶電液滴在電場(chǎng)力的作用下形成泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，電場(chǎng)力可在泰勒錐錐尖克服溶液表面張力形成噴射細(xì)流。帶電的聚合物射流在電場(chǎng)力、粘滯阻力、表面張力等作用下被拉伸細(xì)化，同時(shí)帶電射流在電場(chǎng)中由于存在表面電荷而發(fā)生彎曲。細(xì)流在噴射過(guò)程中溶劑蒸發(fā)或固化， 最終落在接收裝置上，形成類似無(wú)紡布的納米纖維氈。到目前為止，大多數(shù)靜電紡納米纖維是以無(wú)紡布的形式收集到的，納米纖維的排列雜亂無(wú)章，從而限制了其應(yīng)用范圍。然而根據(jù)傳統(tǒng)的纖維和紡織工業(yè)知識(shí)我們知道，連續(xù)的單根納米纖維和沿軸向取向的納米纖維束將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用。但是，利用靜電紡制得取向排列的納米纖維束或單根的納米纖維都是非常困難的。因?yàn)樵陟o電紡過(guò)程中，聚合物射流的運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜的、三維的“鞭動(dòng)”，而非直線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此國(guó)內(nèi)外許多研究者都在努力研究制得取向納米纖維的方法。有些學(xué)者基于針頭式噴頭，并采用高速旋轉(zhuǎn)的金屬滾筒或具有鋒利邊緣的圓形轉(zhuǎn)盤或框架作為收集裝置，收集到的納米纖維的取向度雖有所提高，但產(chǎn)量卻非常低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置及方法，改變目前靜電紡絲工藝中取向納米纖維的取向度不高，且產(chǎn)量低的現(xiàn)狀。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，包括絕緣材料板、外側(cè)金屬圓環(huán)、內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)、交流電壓輸出裝置、 絕緣薄膜基體、泰勒錐噴頭，所述的絕緣材料板下表面固定有外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)；所述的外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)的中軸線重合，并位于同一平面內(nèi)；所述的外側(cè)金屬圓環(huán)與交流電壓輸出裝置相連，所述的內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)與接地線相連；所述的絕緣薄膜基體置于外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)正下方，并覆蓋在所述的外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)下；所述的泰勒錐噴頭為敞開式圓盤，其中軸線與外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)的中軸線重合，且位于外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)正下方；所述的泰勒錐噴頭上設(shè)有接線柱， 所述的接線柱與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極相連。所述的內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)半徑為0. 1 10cm，所述的外側(cè)金屬圓環(huán)半徑比內(nèi)側(cè)金屬圓
3環(huán)半徑大0. 5 2cm。所述的絕緣薄膜基體為聚酯(PET)膜狀基體，厚度為50 1000 μ m。所述的泰勒錐噴頭采用銅質(zhì)材料制成。所述的外側(cè)金屬圓環(huán)與泰勒錐噴頭之間的垂直距離為20 50cm。一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集方法，包括下列步驟(1)通過(guò)外接的自動(dòng)輸液裝置向泰勒錐噴頭中注入紡絲溶液，將泰勒錐噴頭上的接線柱與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極相連；(2)將外側(cè)金屬圓環(huán)與交流電壓輸出裝置相連，將內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)與接地線相連，并將絕緣薄膜基體置于外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)正下方，并覆蓋在所述的外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)下；(3)打開高壓靜電發(fā)生裝置和交流電壓輸出裝置；(4)泰勒錐噴頭中的紡絲溶液在電場(chǎng)力的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，溶劑揮發(fā)；同時(shí)利用外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)之間產(chǎn)生的交流電場(chǎng)，使生成的納米纖維產(chǎn)生取向，并且收集在絕緣薄膜基體上位于外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)之間的圓環(huán)狀區(qū)域內(nèi)；所收集到的取向納米纖維氈呈現(xiàn)圓環(huán)狀，其外徑等于外側(cè)金屬圓環(huán)的半徑，其內(nèi)徑等于內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)的半徑。所述的紡絲溶液為聚乙烯醇溶液，濃度為8% 12%。所述的高壓靜電發(fā)生裝置的電壓值設(shè)置為45kV ；所述的交流電壓輸出裝置(8)的場(chǎng)強(qiáng)設(shè)置為0. 33kV/mm，頻率設(shè)置為500Hz。有益效果本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，制得的納米纖維取向度和產(chǎn)量都比較高，并可實(shí)現(xiàn)靜電紡取向納米纖維的連續(xù)生產(chǎn)。另外，本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)合理且簡(jiǎn)潔，生產(chǎn)制造成本低，方法簡(jiǎn)單易操作，實(shí)用性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置俯視圖；圖3為一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置立體簡(jiǎn)易示意圖；圖4為利用本發(fā)明所述的裝置及方法收集到的納米纖維氈的局部光學(xué)顯微鏡照片；1.泰勒錐噴頭2.接線柱3.絕緣薄膜基體4.外側(cè)金屬圓環(huán)5.內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)6.絕緣材料板7.高壓正電極8.交流電壓輸出裝置9.接地線
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，包括絕緣材料板6、外側(cè)金屬圓環(huán)4、內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5、交流電壓輸出裝置8、絕緣薄膜基體3、泰勒錐噴頭1，所述的絕緣材料板6下表面固定有外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5 ； 所述的外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5的中軸線重合，并位于同一平面內(nèi)；所述的外側(cè)金屬圓環(huán)4與交流電壓輸出裝置8相連，所述的內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5與接地線9相連；所述的絕緣薄膜基體3置于外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5正下方，并覆蓋在所述的外側(cè)金屬圓環(huán) 4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5下；所述的泰勒錐噴頭1為敞開式圓盤，其中軸線與外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5的中軸線重合，且位于外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5正下方；所述的泰勒錐噴頭1上設(shè)有接線柱2，所述的接線柱2與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極7相連。所述的內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5半徑為0. 1 10cm，所述的外側(cè)金屬圓環(huán)4半徑比內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5半徑大0. 5 2cm。所述的絕緣薄膜基體3為聚酯(PET)膜狀基體，厚度為50 1000 μ m。所述的泰勒錐噴頭1采用銅質(zhì)材料制成。所述的外側(cè)金屬圓環(huán)4與泰勒錐噴頭1之間的垂直距離為20 50cm。一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集方法，包括下列步驟(1)通過(guò)外接的自動(dòng)輸液裝置向泰勒錐噴頭1中注入紡絲溶液，將泰勒錐噴頭1上的接線柱2與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極7相連；(2)將外側(cè)金屬圓環(huán)4與交流電壓輸出裝置8相連，將內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5與接地線9 相連，并將絕緣薄膜基體3置于外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5正下方，并覆蓋在所述的外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5下；(3)打開高壓靜電發(fā)生裝置和交流電壓輸出裝置8 ；(4)泰勒錐噴頭1中的紡絲溶液在電場(chǎng)力的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，溶劑揮發(fā)；同時(shí)利用外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5之間產(chǎn)生的交流電場(chǎng)，使生成的納米纖維產(chǎn)生取向，并且收集在絕緣薄膜基體3上位于外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5之間的圓環(huán)狀區(qū)域內(nèi)；所收集到的取向納米纖維氈呈現(xiàn)圓環(huán)狀，其外徑等于外側(cè)金屬圓環(huán)4的半徑，其內(nèi)徑等于內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5的半徑。所述的紡絲溶液為聚乙烯醇溶液，濃度為8% 12%。所述的高壓靜電發(fā)生裝置的電壓值設(shè)置為45kV;所述的交流電壓輸出裝置8的場(chǎng)強(qiáng)設(shè)置為0. 33kV/mm，頻率設(shè)置為500Hz。本發(fā)明所用的泰勒錐噴頭1為敞開式圓盤，避免了針頭結(jié)構(gòu)裝置堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，無(wú)需頻繁更換和清洗噴頭，大大提高了生產(chǎn)效率，并且使用后容易清洗。泰勒錐噴頭1 采用銅質(zhì)材料制成，由于銅的導(dǎo)電性能好，減少了能量損失；另一方面，根據(jù)電場(chǎng)的基本知識(shí)可知，泰勒錐噴頭1的內(nèi)壁頂端邊緣處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，更容易克服紡絲溶液的表面張力形成射流，增加了取向納米纖維的產(chǎn)量。下面以采用聚乙烯醇(PVA)溶液進(jìn)行紡絲的實(shí)例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。通過(guò)外接的自動(dòng)輸液裝置將濃度為10%的聚乙烯醇(PVA)溶液注入泰勒錐噴頭1中，將泰勒錐噴頭 1上的接線柱2與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極7相連；設(shè)置外側(cè)金屬圓環(huán)4與泰勒錐噴頭1之間的垂直距離為25cm ；將外側(cè)金屬圓環(huán)4與交流電壓輸出裝置8相連，將內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5與接地線9相連，選用厚度為IOOym的聚酯(PET)膜狀基體作為絕緣薄膜基
5體3，并將其置于外側(cè)金屬圓環(huán)4下方，且覆蓋外側(cè)金屬圓環(huán)4和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)5之間的圓環(huán)狀區(qū)域；打開高壓靜電發(fā)生裝置，設(shè)置電壓值為45kV ；打開交流電壓輸出裝置8，設(shè)置場(chǎng)強(qiáng)為0. 33kV/mm，頻率為500Hz ；如圖4所示，制備出的取向納米纖維的直徑約為460nm(納米纖維氈的局部光學(xué)顯微鏡照片，放大倍數(shù)1000倍，平均直徑約為460nm)。
權(quán)利要求
1.一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，包括絕緣材料板(6)、外側(cè)金屬圓環(huán)⑷、內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)、交流電壓輸出裝置⑶、絕緣薄膜基體(3)、泰勒錐噴頭⑴， 其特征在于所述的絕緣材料板(6)下表面固定有外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)； 所述的外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)的中軸線重合，并位于同一平面內(nèi)；所述的外側(cè)金屬圓環(huán)⑷與交流電壓輸出裝置⑶相連，所述的內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)與接地線(9)相連；所述的絕緣薄膜基體(3)置于外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)正下方，并覆蓋在所述的外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)( 下；所述的泰勒錐噴頭(1)為敞開式圓盤，其中軸線與外側(cè)金屬圓環(huán)⑷和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)的中軸線重合，且位于外側(cè)金屬圓環(huán)⑷ 和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)正下方；所述的泰勒錐噴頭(1)上設(shè)有接線柱O)，所述的接線柱(2) 與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極(7)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，其特征在于所述的內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)半徑為0. 1 10cm，所述的外側(cè)金屬圓環(huán)(4)半徑比內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)半徑大0. 5 2cm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，其特征在于所述的絕緣薄膜基體C3)為聚酯(PET)膜狀基體，厚度為50 1000 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，其特征在于所述的泰勒錐噴頭(1)采用銅質(zhì)材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，其特征在于所述的外側(cè)金屬圓環(huán)(4)與泰勒錐噴頭(1)之間的垂直距離為20 50cm。
6.一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集方法，使用如權(quán)利要求1所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置，其特征在于，包括下列步驟(1)通過(guò)外接的自動(dòng)輸液裝置向泰勒錐噴頭(1)中注入紡絲溶液，將泰勒錐噴頭(1)上的接線柱O)與外接的高壓靜電發(fā)生裝置的高壓正電極(7)相連；(2)將外側(cè)金屬圓環(huán)⑷與交流電壓輸出裝置⑶相連，將內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)與接地線 (9)相連，并將絕緣薄膜基體(3)置于外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)正下方，并覆蓋在所述的外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)( 下；(3)打開高壓靜電發(fā)生裝置和交流電壓輸出裝置(8)；(4)泰勒錐噴頭(1)中的紡絲溶液在電場(chǎng)力的作用下形成泰勒錐，向上抽出射流，溶劑揮發(fā)；同時(shí)利用外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)( 之間產(chǎn)生的交流電場(chǎng)，使生成的納米纖維產(chǎn)生取向，并且收集在絕緣薄膜基體C3)上位于外側(cè)金屬圓環(huán)(4)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5) 之間的圓環(huán)狀區(qū)域內(nèi)；所收集到的取向納米纖維氈呈現(xiàn)圓環(huán)狀，其外徑等于外側(cè)金屬圓環(huán) ⑷的半徑，其內(nèi)徑等于內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)(5)的半徑。
7.如權(quán)利要求6所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集方法，其特征在于所述的紡絲溶液為聚乙烯醇溶液，濃度為8% 12%。
8.如權(quán)利要求6所述的一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集方法，其特征在于所述的高壓靜電發(fā)生裝置的電壓值設(shè)置為45kV ；所述的交流電壓輸出裝置(8)的場(chǎng)強(qiáng)設(shè)置為0. 33kV/mm，頻率設(shè)置為500Hz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種泰勒錐噴頭靜電紡絲取向納米纖維的收集裝置及方法，裝置包括絕緣材料板、外側(cè)金屬圓環(huán)、內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)、交流電壓輸出裝置、絕緣薄膜基體、泰勒錐噴頭，所述的絕緣材料板下表面固定中軸線相互重合的外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)；泰勒錐噴頭位于外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)正下方。方法如下向泰勒錐噴頭中注入紡絲溶液，將接線柱與高壓正電極相連；將外側(cè)金屬圓環(huán)與交流電壓輸出裝置相連，將內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)與接地線相連，將絕緣薄膜基體置于外側(cè)金屬圓環(huán)和內(nèi)側(cè)金屬圓環(huán)下方；打開高壓靜電發(fā)生裝置和交流電壓輸出裝置。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，制得的納米纖維取向度和產(chǎn)量都比較高，并可實(shí)現(xiàn)靜電紡取向納米纖維的連續(xù)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)D01D5/00GK102433596SQ20111044784
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者吳韶華, 李敏喧, 覃小紅 申請(qǐng)人:東華大學(xué)