專利名稱：旋碟紡絲法及紡絲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從聚合物溶液直接制備無(wú)紡布的一種方法，特別是從可生物降解高分子溶液直接制備可生物降解無(wú)紡布的方法。
本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)該方法的紡絲裝置。
另一方面，近年來對(duì)超細(xì)纖維無(wú)紡布的需求卻與日俱增，特別是具有特殊性能和功能的高分子品種，以及不能或不宜熔體紡絲的高分子品種，例如生物降解高分子。它們的超細(xì)纖維無(wú)紡布和氈是優(yōu)異的組織工程支架材料，它們的需要量不大，規(guī)格變化多，原料價(jià)格很高，用常規(guī)的兩步法和熔紡工藝成本很高，用電紡絲工藝生產(chǎn)效率又太低。因而迫切需要一種適合于多品種多規(guī)格小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)成本較低的無(wú)紡布制備方法。
本發(fā)明的目的還在于提供一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法的紡絲裝置。
本發(fā)明提供的旋碟紡絲法的要點(diǎn)是(a)配制待紡絲聚合物溶液。其中聚合物為可生物降解的高分子，溶劑沸點(diǎn)為30-300℃，優(yōu)選50-150℃；聚合物溶液的濃度為1-30％，優(yōu)選2-15％，最佳5-10％。
(b)將聚合物溶液輸送給高速旋轉(zhuǎn)的旋碟，借助于離心力的作用，聚合物溶液在向四周飛行的過程中，裂變成纖維并被高度拉伸，溶劑揮發(fā)，最后收集到超細(xì)纖維的無(wú)紡布。其中旋碟的旋轉(zhuǎn)速度為1000-20000rpm，優(yōu)選3000-15000rpm，最佳5000-10000rpm。
(c)進(jìn)行無(wú)紡布的后處理，增強(qiáng)纖維間的粘合，脫除殘留溶劑。
本發(fā)明提供的用于實(shí)現(xiàn)上述方法的紡絲裝置，其核心是固接在轉(zhuǎn)動(dòng)軸端部的旋碟，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端與動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連，旋碟上方設(shè)有盛裝聚合物溶液的容器，旋碟下方設(shè)有盤狀的纖維接收器；旋碟在動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)；容器中的聚合物溶液以均勻速度輸送到旋碟的上表面；在離心力作用下，聚合物溶液向四周飛行，裂變成纖維并被高度拉伸，同時(shí)聚合物溶液中的溶劑揮發(fā)，制成的超細(xì)纖維無(wú)紡布收集到纖維接收器中。
其中該裝置中的旋碟直徑為20-200mm，優(yōu)選40-60mm；旋碟的表面形狀為平面、圓錐面或曲面，也可以是圓周分布的噴嘴結(jié)構(gòu)。
纖維接收器相對(duì)于旋碟的位置，可以相對(duì)固定，也可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2是四種典型的旋碟結(jié)構(gòu)，其中a、b、c、d分別顯示旋碟上表面的形狀為平面、園錐面、曲面和圓周分布的噴嘴結(jié)構(gòu)。
圖3-6分別是實(shí)施例1-4所制備的無(wú)紡布的電子顯微照片，詳見各實(shí)施例。
本裝置的核心是一個(gè)高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的園碟，因而旋碟本身和相關(guān)機(jī)構(gòu)的軸對(duì)稱性要求很高。軸向偏心容易造成機(jī)械和人身安全事故。它的動(dòng)力，可以是變速電機(jī)，也可以是壓縮空氣，只要能提供足夠的功率，并且轉(zhuǎn)動(dòng)速度可調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定即可。在目前的技術(shù)條件下，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的對(duì)稱性設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)和調(diào)整，以及動(dòng)力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工和運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)和顯示，都不難實(shí)現(xiàn)。這些旋碟的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也可設(shè)在旋碟的上方，便于旋碟和接收器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
旋碟紡絲的原料是聚合物溶液。原則上講，任何可溶性聚合物，都可以旋碟紡絲。為了保證纖維制品有足夠的機(jī)械力學(xué)性能，要求聚合物有適當(dāng)?shù)姆肿恿糠秶?。在選定聚合物后，要選擇適合的溶劑。要求溶劑的溶解能力強(qiáng)，無(wú)毒或低毒，揮發(fā)性好，沸點(diǎn)在30-200℃，優(yōu)選50-150℃。
每種聚合物溶液，一般有一個(gè)可紡的濃度或粘度范圍，濃度過高，即使旋轉(zhuǎn)速度很快，溶液也分散不開，不能成絲，或者得到的纖維直徑很粗，不能滿足使用要求。濃度過低，溶液也不能成絲，而是霧化成粉末。這是應(yīng)該避免的。本發(fā)明中聚合物溶液的濃度為1-30％，優(yōu)選2-15％，最佳5-10％。
紡絲溶液經(jīng)計(jì)量機(jī)構(gòu)送到旋碟表面以后，在離心力作用下，首先鋪展成薄膜。離開旋轉(zhuǎn)軸心越遠(yuǎn)，離心力越大，飛行速度越快。離開旋碟邊緣時(shí)，達(dá)到最大的速度，然后變成自由落體。試驗(yàn)表明，只要溶液的濃度和旋轉(zhuǎn)速度選擇得當(dāng)，溶液飛離旋碟邊緣后，就裂變成纖維形狀。在離心力作用下，纖維被高度拉伸，因而得到的纖維直徑在微米和亞微米范圍，具有較好的力學(xué)強(qiáng)度。本發(fā)明中旋碟的旋轉(zhuǎn)速度在1000-20000rpm范圍，優(yōu)選3000-15000rpm，最佳5000-10000rpm。
在纖維形成、飛行和拉伸的過程中，纖維中的溶劑同步揮發(fā)，最后收集到的纖維中含有一定量的溶劑，使纖維之間有足夠的粘合能力，形成無(wú)紡布。溶劑含量又不太高，以免發(fā)生纖維的融合和凝結(jié)。所以，溶劑揮發(fā)速度和揮發(fā)程度的控制，是本方法的另一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，本發(fā)明中選擇的溶劑沸點(diǎn)為30-300℃，優(yōu)選50-150℃。其次是旋碟附近環(huán)境氣體的流動(dòng)狀況和溫度，空氣流通好，溫度高，利于溶劑揮發(fā)；再其次是旋碟的形狀和尺寸，它們決定纖維的直徑，決定纖維飛行的速度和軌跡，因而也影響溶劑的揮發(fā)。本發(fā)明中旋碟的直徑一般在20-200mm，優(yōu)選40-60mm；它的上表面形狀，可以是水平平面，也可以是園錐面和曲面。使用園錐面和曲面可以使溶液膜向斜上方飛行，增加在空間停留的時(shí)間和長(zhǎng)度，便于溶劑揮發(fā)。還可以采用圓周分布的噴嘴結(jié)構(gòu)，確保形成纖維形狀，提高纖維直徑的均一性。
旋碟的旋轉(zhuǎn)速度很快，因而一般用輕質(zhì)材料制成，例如鋁合金。要求旋碟表面與紡絲溶液之間有足夠的粘滯力，以便充分發(fā)揮高速旋轉(zhuǎn)帶來的加速作用。因而必要時(shí)，可在旋碟表面涂一層聚合物，增加粘滯力，又不被溶劑溶解掉。
由于從旋碟飛出的纖維，基本處在旋碟的切線方向，因而落在靜止接收器上的纖維具有明顯的方向性，并且厚薄不均(中間厚，四周薄)，有時(shí)不能滿足應(yīng)用的要求。為了使所制得無(wú)紡布有較好的各向同性和均勻性，接收器和旋碟之間應(yīng)當(dāng)可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。相應(yīng)地，旋碟的動(dòng)力機(jī)構(gòu)安裝在旋碟的上方，便于旋碟和接收器之間的相對(duì)移動(dòng)。
考慮安全和防護(hù)的需要，在設(shè)計(jì)和制造旋碟紡絲的設(shè)備時(shí)，還要采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施，如安全外罩、通風(fēng)、溶劑分離和回收等。這是紡絲和化工行業(yè)技術(shù)人員常識(shí)范圍內(nèi)的事項(xiàng)，這里不再贅述。
原則上講，任何可溶性聚合物，都可以旋碟紡絲?？紤]旋碟紡絲的優(yōu)點(diǎn)和局限性，它特別適合于可生物降解聚合物無(wú)紡布的制備。生物降解的組織工程支架材料要求有適當(dāng)?shù)纳锝到馑俣?、恰?dāng)?shù)目讖酱笮　⑤^高的孔隙率、比表面積和機(jī)械強(qiáng)度。與海綿體形式相比，超細(xì)纖維無(wú)紡布(氈)具有降解速度快，孔徑大，孔隙率高和機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)。用旋碟紡絲法制備無(wú)紡布，比海綿體制備的生產(chǎn)效率高、成本低。有些組織工程，如脊髓和神經(jīng)的修復(fù)和再生，要求支架材料中的孔穴具有方向性，海綿體則無(wú)能為力，只有超細(xì)纖維氈才能充當(dāng)。
能夠加工成組織工程支架的可生物降解聚合物，包括水溶性的聚合物，如殼聚糖、透明植酸、海藻酸鈉、改性纖維素和淀粉等；油溶性的聚合物，如聚乳酸(PLA)、聚ε-己內(nèi)酯(PCL)，以及丙交酯與乙交酯、丙交酯與ε-己內(nèi)酯、ε-己內(nèi)酯與乙交酯的無(wú)規(guī)或嵌段共聚物，還有丙交酯與乙二醇、乙交酯與乙二醇、ε-己內(nèi)酯與乙二醇的嵌段共聚物等。
通過以下的實(shí)施例，人們可以更好的了解本發(fā)明的內(nèi)容和特點(diǎn)，但本發(fā)明所適用的聚合物和溶劑品種，紡絲溶液的組成和紡絲條件，不限于實(shí)施例所給的范圍。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，可以按照本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施過程中進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)造。
實(shí)施例1.將丙交酯和乙交酯的無(wú)規(guī)共聚物PLGA(其中質(zhì)量組成丙交酯80％，乙交酯20％，粘均分子量為5.5萬(wàn))7g溶于30mL氯仿中，超聲振蕩使之充分溶解。紡絲前將溶液轉(zhuǎn)移到50mL注射器中，配18號(hào)針頭備用。紡絲裝置的旋碟上表面是水平平面(見圖2a)，直徑40mm，旋碟速度在0-12000rpm范圍可調(diào)，并可顯示。先將旋碟的轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)到5000rpm，然后手壓注射器活塞，將溶液擠出，連續(xù)降落到旋碟中心。纖維接收器是黑色圓形紙片，直徑大約50cm，高度比旋碟大約低10cm，靜止不動(dòng)。園片外圍放一個(gè)高度約30cm的金屬卷成的園筒。注射器擠出速度以擠出溶液絲條連續(xù)為準(zhǔn)，大約5mL/min。根據(jù)對(duì)無(wú)紡布厚度的要求決定紡絲時(shí)間，中途可短時(shí)間停車，但再啟動(dòng)時(shí)須先啟動(dòng)旋碟并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后再送料。
所得纖維的掃描電子顯微鏡照片見圖3。
實(shí)施例2.將左旋聚乳酸PLLA(粘均分子量為15.3萬(wàn))1.5g溶于20mL氯仿及10mL丙酮的混合溶劑中，超聲振蕩使之充分溶解。紡絲前將溶液轉(zhuǎn)移到50mL注射器中，配18號(hào)針頭備用。使用于實(shí)施例1同樣的紡絲設(shè)備，旋碟為圓錐面旋碟(見圖2b)，旋碟直徑40mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為8000rpm。所得纖維的掃描電子顯微鏡照片見圖4。
實(shí)施例3.紡絲溶液和紡絲設(shè)備與實(shí)施例1相同，旋碟為曲面旋碟(見圖2c)，旋碟直徑40mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度6000rpm。所得纖維的掃描電子顯微鏡照片見圖5，兩幅照片的取樣部位不同實(shí)施例4.紡絲溶液和紡絲設(shè)備與實(shí)施例1相同，旋碟為帶有園周均勻分布的6個(gè)噴絲口(直徑1mm)的旋碟(見圖2d)，旋碟直徑40mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度6000rpm。所得纖維的掃描電子顯微鏡照片見圖6。
上述各實(shí)施例中給出的旋碟可以是由設(shè)在下方的動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，也可以由設(shè)在上方的動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)在旋碟上方時(shí)的結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見圖2a、b、c、d，其中標(biāo)號(hào)4即為動(dòng)力機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸。
權(quán)利要求
1.一種旋碟紡絲法，從聚合物溶液直接制備無(wú)紡布，主要包括下列步驟(a)配制待紡絲聚合物溶液；(b)將聚合物溶液輸送給旋轉(zhuǎn)的旋碟，借助于離心力的作用，聚合物溶液在向四周飛行的過程中，裂變成纖維并被高度拉伸，溶劑揮發(fā)，最后收集到超細(xì)纖維的無(wú)紡布；(c)進(jìn)行無(wú)紡布的后處理，增強(qiáng)纖維間的粘合，脫除殘留溶劑；上述步驟a中配制聚合物溶液的溶劑沸點(diǎn)為30-300℃；聚合物溶液的濃度為1-30％；上述步驟b中圓碟的旋轉(zhuǎn)速度為1000-20000rpm。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物溶液中的聚合物為可生物降解的高分子。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物溶液中的溶劑沸點(diǎn)為50-150℃。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物溶液的濃度為5-10％。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋碟的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為5000-10000rpm。
6.一種用于權(quán)利要求1所述方法的紡絲裝置，其核心是固接在轉(zhuǎn)動(dòng)軸端部的旋碟，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端與動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連，旋碟上方設(shè)有盛裝聚合物溶液的容器，旋碟下方設(shè)有盤狀的纖維接收器；旋碟在動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)；容器中的聚合物溶液以均勻速度輸送到旋碟的上表面；在離心力作用下，聚合物溶液向四周飛行，裂變成纖維并被高度拉伸，同時(shí)聚合物溶液中的溶劑揮發(fā)，制成的超細(xì)纖維無(wú)紡布收集到纖維接收器中。
7.如權(quán)利要求6所述的紡絲裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸和動(dòng)力機(jī)構(gòu)在旋碟的上方。
8.如權(quán)利要求6所述的紡絲裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸和動(dòng)力機(jī)構(gòu)在旋碟的下方。
9.如權(quán)利要求6所述的紡絲裝置，其特征在于，所述旋碟的直徑為20-200mm。
10.如權(quán)利要求6或9所述的紡絲裝置，其特征在于，所述旋碟的直徑為40-100mm。
11.如權(quán)利要求6所述的紡絲裝置，其特征在于，所述旋碟的表面形狀為平面、圓錐面或曲面。
12.如權(quán)利要求6或11所述的紡絲裝置，其特征在于，所述旋碟為圓周分布的噴嘴結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求6所述的紡絲裝置，其特征在于，所述纖維接收器相對(duì)于旋碟的位置，可以相對(duì)固定，也可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
一種旋碟紡絲法，將聚合物溶液以穩(wěn)定流速輸送給快速旋轉(zhuǎn)著的圓碟，由于離心力的作用，高分子溶液向四周飛行，裂變成纖維并被高度拉伸，溶劑揮發(fā)，最后收集到超細(xì)纖維的無(wú)紡布。一種紡絲裝置，其核心是固接在轉(zhuǎn)動(dòng)軸端部的旋碟，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端與動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連，旋碟上方設(shè)有盛裝聚合物溶液的容器，旋碟下方設(shè)有盤狀的纖維接收器；旋碟在動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)；容器中的聚合物溶液以均勻速度輸送到旋碟的上表面，實(shí)現(xiàn)旋碟紡絲。與現(xiàn)有制備無(wú)紡布的工藝相比，本方法工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、纖維直徑小、強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率相對(duì)較高，特別適用于制備小批量多品種的超細(xì)纖維無(wú)紡布和纖維氈，尤其是組織工程和藥物釋放的載體。
文檔編號(hào)D04H3/02GK1472373SQ0312140
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者邊新超, 楊立新, 景遐斌, 陳學(xué)思, 徐效義 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所