專利名稱：多針v型槽滾筒式靜電紡系統(tǒng)及納米纖維束的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于紡織機械技術領域，涉及一種靜電紡絲系統(tǒng)，具體涉及一種
多針V型槽滾筒式靜電紡系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該系統(tǒng)制備納米纖維束的方法。
背景技術：
納米纖維可用于制備過濾材料、生物傳感器、軍用防護涂層、三維組織 支架、復合材料、藥物釋放、敷料和電子器件等多種材料。靜電紡是制備直 徑為幾十納米到幾十微米的超細纖維的一種簡單方法，具有成本較低、制品 的比表面積較大和適于制備多種類型材料的特點。
靜電紡工藝有多種，如利用特別設計的收集屏、微機械加工而成的噴嘴 以及利用輔助電極穩(wěn)定射流等，可生產(chǎn)出具有復雜結構的纖維。
典型的靜電紡工藝，纖維以隨機取向非織造布氈的形態(tài)沉積在收集屏 上。但在制備光電子器件等方面，通常要求纖維具有良好取向并且高度有序。
纖維增強聚合物復合材料中，纖維的定向排列能夠提高力學性能；有序的纖 維結構也有利于組織工程領域的許多應用。因此，需要改變紡絲工藝，制備 出具有周期性有序結構的制品，擴大靜電紡的應用領域。
目前，已經(jīng)有一些方法用于提高靜電紡纖維的有序程度，Theron [A. Theron, E. Zussman， A. L. Yarin, Nanotechnology 2001, 12, 384.]禾口 Xu [Xu CY, Iani R， Kotaki M and Ramakrishna S, Biomaterials 2004, 25， 877.]等利用旋轉盤作為收集裝置制備了靜電紡取向納米纖維，因為盤的尖銳邊緣和針頭之 間形成的電場力隨著與盤邊緣距離的減小而逐漸增加，所以帶電射流會集中
收集到尖銳邊緣處。盤的轉速也會影響到纖維的收集。Matthews [J. A. Matthews, G. E. Wnek， D. G. Simpson, G. L. Bowlin, Biomacromolecules 2002， 3，232.]等利用旋轉心軸作為收集裝置，通過控制旋轉速度，獲得了沿旋轉方 向定向排列的纖維。Huang [Huang ZM, Zhang YZ， Kotaki M and Ramakrishna S, Compos Sci Technol 2003, 63， 2223.]等利用三角形旋轉框架作為收集裝置， 研究了框架材料對獲得納米纖維的影響，結果顯示，盡管利用鋁制以及木制 框架都能得到定向排列纖維，但是鋁制框架得到的纖維取向度更大。Katta [P. Katta, M. Alessandro, R. D. Ramsier, G. G. Chase, Nano Lett 2004, 4， 2215.]等 利用銅線框制成的旋轉鼓作為收集裝置，隨著鼓的旋轉，收集到定向排列的 纖維。Li [D. Li, Y.Wang, Y. Xia, Nano Lett. 2003, 3， 1167.; D. Li, Y.Wang， Y. Xia, Adv. Mater. 2004, 16， 361.]等利用分開一定間隙的兩片導電電極作為收 集裝置，獲得了定向排列的聚合物以及陶瓷納米纖維。Dabirian [Dabirian, F., Hosseini， Y. and Ravandi, S. A. Hosseini， Journal of the Textile Institute 2007, 98， 237.]等在傳統(tǒng)靜電紡電場體系中，利用一根帶負電的棒控制電場，使靜 電紡纖維改變方向，并收集在旋轉滾筒上，制得了纖維沿單軸取向的加捻紗。 Teo [W.E. Teo， R. Gopal， R. Ramaseshan, K. Fujihara, S. Ramakrishna, Polymer 2007, 48, 3400.]等利用液相渦流對靜電紡纖維進行收集，獲得了連續(xù)納米纖 維紗。Gu [B. K. Gu, M. K. Shin, K. W. Sohn, et, al" Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 263902.]等在傳統(tǒng)的靜電紡體系中引入兩端開口的箱形輔助電極，通過周期 性改變電場，控制射流的運動，制得了具有一定捻度的納米纖維紗。Bazbouz [M. B. Bazbouz, G. K. Stylios, J. Appl. Polym. Sci. 2007, 107， 3023.]等利用分開一定距離且同時接地的平行配置的圓盤作為接收電極，制備了纖維定向排 列的納米纖維束。東華人學的《一種超細靜電紡纖維紗線的連續(xù)制備方法》
(中請?zhí)?00710044034.0，
公開日2008.01.16，公開號CN101104970)，利
用接地針尖誘導靜電紡纖維并集束，將集^纖維束通過加捻裝置加捻，并將 加捻后的紗線巻繞到筒管上，獲得了具有一定捻度的納米纖維紗。但這些方 法，存在納米纖維的產(chǎn)量較低，納米纖維不能進行較好集束以及定向排列程 度差的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種V型槽滾筒式靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，可提高 納米纖維的產(chǎn)率，并可對納米纖維進行較好的集束。
本發(fā)明的另一目的是提供利用上述系統(tǒng)制備納米纖維束的方法。
本發(fā)明所采用的技術方案是， 一種多針v型槽滾筒式靜電紡系統(tǒng)，包括 外圓周表面為依次連接的多個v型槽構成的滾筒，滾筒固定于滾筒軸上，并
可由滾筒軸帶動轉動，滾筒和滾筒軸由支架支撐，滾筒的上方并排設置有多
個注射器，每個注射器的出口與滾筒的一個v型槽底部相對應，每個注射器
的出口處安裝有金屬針頭，所有的金屬針頭通過導線串聯(lián)，并與直流高壓發(fā) 送器的正極相連接，直流高壓發(fā)送器的負極與滾筒接地。
本發(fā)明的特征還在于，
金屬針頭的內(nèi)徑為0.5mm 2mm。
滾筒與金屬針頭之間的接收距離為100mm 200mm。 滾筒的每個V型槽的夾角為50° 70。。
本發(fā)明的另一技術方案是， 一種利用上述系統(tǒng)制備納米纖維束的方法，該方法按以下步驟進行
步驟l:將聚合物溶解于溶劑，制得濃度為10wtn/。 16wt。/。的紡絲溶液；
步驟2:采用上述多針V型槽滾筒式靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 括外圓周表面為依次連接的多個V型槽構成的滾筒，滾筒固定于滾筒軸上， 并可由滾筒軸帶動轉動，滾筒和滾筒軸由支架支撐，滾筒的上方并排設置有 多個注射器，每個注射器的出口與滾筒的一個V型槽底部相對應，每個注射 器的出口處安裝有金屬針頭，所有的金屬針頭通過導線串聯(lián)，并與直流高壓 發(fā)送器的正極相連接，直流高壓發(fā)送器的負極與滾筒接地，
將步驟1制得的紡絲溶液注入上述系統(tǒng)的各個注射器內(nèi)，開啟直流高壓 發(fā)生器和滾筒軸，滾筒軸帶動滾筒轉動，注射器內(nèi)的紡絲溶液，在靜電場的 作用下，通過注射器出口處安裝的金屬針頭噴射到對應的V型槽的底部，形 成靜電紡射流，該靜電紡射流受多種不穩(wěn)定性因素作用而呈現(xiàn)螺旋狀運動狀 態(tài)，在高速旋轉的滾筒的牽引下靜電紡射流由螺旋狀變?yōu)轫樦?，并連續(xù)沉積 到滾筒外圓周表面V型槽的底部，控制靜電紡過程中的工作參數(shù)，即得到纖
維定向排列的、排列角為60。 90。的納米纖維束。
其中步驟1中，使用的聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一種。
其中步驟1中，使用的溶劑為二甲基甲酰胺或蒸餾水。
其中步驟2中，控制各參數(shù)為環(huán)境溫度為室溫、相對濕度為40% 70 %、電壓為15kV 40kV、滾筒的巻繞速度為200r/min 500r/min。
本發(fā)明的有益效果是可以一次性制備纖維較好定向排列的多條納米纖 維束，提高了生產(chǎn)效率。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)一種實施例的結構示意圖。
圖中，l.滾筒軸支架，2.滾筒，3.絕緣涂層，4.金屬針頭，5.注射器，6.
紡絲溶液，7.直流高壓發(fā)生器，8.滾筒軸。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明系統(tǒng)一種實施例的結構，如圖1所示。包括外圓周表面為依次連 接的多個V型槽構成的滾筒2，滾筒2固定于滾筒軸8上，并可由滾筒軸8 帶動旋轉，滾筒2和滾筒軸8由滾筒軸支架1支撐。
滾筒2的上方并排設置有多個注射器5，注射器5的出口處安裝有金屬 針頭4，注射器5的數(shù)量與滾筒2的V型槽的數(shù)量相同，并且注射器與V型 槽形成一一對應關系，每個金屬針頭4的出口都與相應的V型槽的底部相對 應，所有金屬針頭4通過銅導線串聯(lián)并與直流高壓發(fā)送器7的正極相連接， V型槽滾筒2接地。
本發(fā)明系統(tǒng)中，
所用金屬針頭4的內(nèi)徑為0.5mm 2mm。
滾筒2的每個V型槽的夾角為50° 70°。
滾筒2與金屬針頭4之間的接收距離為100mm 200mm。
利用上述靜電紡系統(tǒng)制備納米纖維束的方法-
步驟l:將聚合物溶解于溶劑中，制得濃度為10wtc/。 16wtQ/。的均勻穩(wěn)定 的紡絲溶液6;
使用的聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一種。 使用的溶劑為二甲基甲酰胺或蒸餾水。步驟2:采用上述靜電紡系統(tǒng)，將步驟1制得的紡絲溶液6注入上述系 統(tǒng)的各個注射器5內(nèi)，開啟直流高壓發(fā)生器7和滾筒軸8，滾筒軸8帶動滾 筒2—起轉動。同時，在金屬針頭4和滾筒2之間產(chǎn)生靜電場，注射器5內(nèi) 的紡絲溶液6在該靜電場的作用下從金屬針頭4的出口噴出，噴向滾筒2的 V型槽的底部，形成靜電紡射流，處于靜電場中的該靜電紡射流，受曲張、 鞭動以及多級裂分等不穩(wěn)定性因素影響，呈現(xiàn)螺旋狀運動狀態(tài)，其到達滾筒 2的V型槽底部后，在高速旋轉的滾筒2的牽引作用下由螺旋狀而變得順直， 并連續(xù)沉積到V型槽的底部，獲得沿V型槽的底部較好定向排列的、排列 角為60。 90。的納米纖維束。
排列角是纖維軸向與垂直于滾筒軸向方向之間的夾角，該排列角角度越 大，纖維排列角的分布范圍越窄，纖維的定向排列程度越好。通過調(diào)節(jié)靜電 紡系統(tǒng)的電壓、接受距離和溶液流速以及滾筒2的轉速，獲得纖維較好定向 排列的纖維束。
施加于金屬針頭4的電壓為15kV 40kV。
溶液流速為0.1mL/h 0.5mL/h。
滾筒2轉速為200r/min 500r/min。
實施例l:
將聚丙烯腈(PAN) (Mw = 70,000 g/mol)溶解于溶劑N， N-二甲基甲 酰胺(DMF)中，配成濃度為10wf/。的均勻穩(wěn)定的紡絲溶液6。將該紡絲溶 6液分別注入靜電紡系統(tǒng)的各個注射器5內(nèi)，注射器5的出口處安裝有金屬 針頭4，在室溫以及相對濕度為40%的環(huán)境中，幵啟靜電紡系統(tǒng)的直流高壓 發(fā)生器1和滾筒2，在金屬針頭4和滾筒2之間形成靜電紡射流，進行靜電 紡絲，控制電壓為15kV、巻繞速度為200r/min、接收距離為100mm和溶液流速為0.1mL/h。靜電紡射流連續(xù)沉積到滾筒2的V型槽的底部，形成纖維 定向排列的、排列角為60°二80°的納米纖維束。 實施例2:
將聚乙烯醇(PVA) 1788型粉末溶解于70。C蒸餾水，配成濃度為16wte/0 的紡絲溶液6。將該紡絲溶液6分別注入靜電紡納米纖維束系統(tǒng)的各個注射器 5內(nèi)，注射器5的出口處安裝有金屬針頭4，在室溫以及相對濕度為70%的環(huán) 境中，開啟靜電紡系統(tǒng)的直流高壓發(fā)生器1和滾筒2，在金屬針頭4和滾筒2之 間形成靜電紡射流，進行靜電紡絲，控制電壓為40kV、巻繞速度為500r/min、 接收距離為200mm和溶液流速為0.5mL/h，靜電紡射流連續(xù)沉積到滾筒2的V 型槽的底部，形成纖維定向排列的、排列角為70° 90°納米纖維束。
實施例3:
將聚氧化乙烯(PEO) (Mw = 3X105)溶解在60。C蒸餾水中，配成濃 度為13wt。/。的紡絲溶液6。將該紡絲溶液6分別注入靜電紡納米纖維束系統(tǒng)的 各個注射器5內(nèi)，注射器5的出口處安裝有金屬針頭4，在室溫以及相對濕度 為55%的環(huán)境中，開啟靜電紡系統(tǒng)的直流高壓發(fā)生器1和滾筒2，在金屬針頭 4和滾筒2之間形成靜電紡射流，進行靜電紡絲，控制電壓為28kV、巻繞速度 為350r/min、接收距離為150mm和溶液流速為0.3mL/h，靜電紡射流連續(xù)沉積 到滾筒2的V型槽的底部，形成纖維定向排列的、排列角為65。 90。納米纖維 束。
權利要求
1. 一種多針V型槽滾筒式靜電紡系統(tǒng)，其特征在于，包括外圓周表面為依次連接的多個V型槽構成的滾筒(2)，滾筒(2)固定于滾筒軸(8)上，并可由滾筒軸(8)帶動轉動，滾筒(2)和滾筒軸(8)由支架(1)支撐，滾筒(2)的上方并排設置有多個注射器(5)，每個注射器(5)的出口與滾筒(2)的一個V型槽底部相對應，每個注射器(5)的出口處安裝有金屬針頭(4)，所有的金屬針頭(4)通過導線串聯(lián)，并與直流高壓發(fā)送器(7)的正極相連接，直流高壓發(fā)送器(7)的負極與滾筒(2)接地。
2. 按照權利要求1所述的V型槽滾筒靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，其特征 在于，所述金屬針頭(4)的內(nèi)徑為0.5mm 2mm。
3. 按照權利要求1所述的V型槽滾筒式靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，其特 征在于，所述滾筒(2)與金屬針頭(4)之間的接收距離為100mm 200mm。
4. 按照權利要求1所述的V型槽滾筒式靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，其特 征在于，所述滾筒(2)的每個V型槽的夾角為50。 70。。
5. —種利用權利要求1所述系統(tǒng)制備納米纖維束的方法，其特征在于， 按以下步驟進行步驟l:將聚合物溶解于溶劑，帝幌濃度為10wt。/。 16wt。/。的紡絲溶液；步驟2:采用上述多針V型槽滾筒式靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括外圓周表面為依次連接的多個V型槽構成的滾筒(2)，滾筒(2)固定于 滾筒軸(8)上，并可由滾筒軸(8)帶動轉動，滾筒(2)和滾筒軸(8)由 支架(1)支撐，滾筒(2)的上方并排設置有多個注射器(5)，每個注射器 (5)的出口與滾筒(2)的一個V型槽底部相對應，每個注射器(5)的出口處安裝有金屬針頭(4)，所有的金屬針頭(4)通過導線串聯(lián)，并與直流 高壓發(fā)送器(7)的正極相連接，直流高壓發(fā)送器(7)的負極與滾筒(2) 接地，將步驟1制得的紡絲溶液注入上述系統(tǒng)的各個注射器(5)內(nèi)，開啟直 流高壓發(fā)生器(7)和滾筒軸(8)，滾筒軸(8)帶動滾筒(2)轉動，注射 器(5)內(nèi)的紡絲溶液，在靜電場的作用下，通過注射器(5)出口處安裝的 金屬針頭(4)噴射到對應的V型槽的底部，形成靜電紡射流，該靜電紡射 流受多種不穩(wěn)定性因素作用而呈現(xiàn)螺旋狀運動狀態(tài)，在高速旋轉的滾筒(2) 的牽引下靜電紡射流由螺旋狀變?yōu)轫樦?，并連續(xù)沉積到滾筒(2)外圓周表 面V型槽的底部，控制靜電紡過程中的工作參數(shù)，即得到纖維定向排列的、 排列角為60。 90。的納米纖維束。
6. 按照權利要求5所述的制備納米纖維束的方法，其特征在于所述步 驟1中，使用的聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一種。
7. 按照權利要求5所述的制備納米纖維束的方法，其特征在于所述步 驟l中，使用的溶劑為二甲基甲酰胺或蒸餾水。
8. 按照權利要求5所述的制備納米纖維束的方法，其特征在于所述步 驟2中，控制各參數(shù)為環(huán)境溫度為室溫、相對濕度為40% 70%、電壓為 15kV 40kV、滾筒(2)的巻繞速度為200r/min 500r/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種V型槽滾筒靜電紡納米纖維束系統(tǒng)，包括外圓周表面為依次連接的多個V型槽構成的滾筒，滾筒固定于滾筒軸上，并可由滾筒軸帶動轉動，滾筒和滾筒軸由支架支撐，滾筒的上方并排設置有多個注射器，每個注射器的出口與滾筒的一個V型槽底部相對應，每個注射器的出口處安裝有金屬針頭，所有的金屬針頭通過導線串聯(lián)，并與直流高壓發(fā)送器的正極相連接，直流高壓發(fā)送器的負極與滾筒接地。利用上述系統(tǒng)，控制電壓15～40kV、卷繞速度200～500r/min、接收距離100～200mm，獲得沿V型槽底部較好定向排列的納米纖維束。本發(fā)明可得的到纖維具有較好定向排列程度的靜電紡納米纖維束，為靜電紡纖維產(chǎn)品提供更廣泛的應用領域。
文檔編號D01D13/02GK101280468SQ20081001826
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權日2008年5月22日
發(fā)明者劉呈坤, 孫垂卿, 孫潤軍, 侃 來, 王耀武 申請人:西安工程大學