技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種同芯并列異鞘微流體控制噴頭、一種帶有同芯并列異鞘微流體控制噴頭的多流體電紡裝置，和利用該裝置進(jìn)行電紡單步制備同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維的方法。

背景技術(shù)：

高壓靜電紡絲技術(shù)（簡(jiǎn)稱電紡）是一種自上而下 (top-down) 的納米制造技術(shù)，通過(guò)外加電場(chǎng)力克服噴頭尖端液滴的液體表面張力和粘彈力而形成射流，在靜電斥力、庫(kù)侖力和表面張力共同作用下，被霧化后的液體射流被高頻彎曲、拉延、分裂，在幾十毫秒內(nèi)被牽伸千萬(wàn)倍，經(jīng)溶劑揮發(fā)或熔體冷卻在接收端得到納米級(jí)纖維。該技術(shù)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、操控方便、選擇材料范圍廣泛、可控性強(qiáng)、并且可以通過(guò)噴頭設(shè)計(jì)制備具有微觀結(jié)構(gòu)特征的納米纖維，被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)納米纖維工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法，應(yīng)用該技術(shù)制備功能納米纖維具有良好的前景預(yù)期。

電紡的最大優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)紡絲頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和變換，單步有效地制備出相應(yīng)結(jié)構(gòu)特征的聚合物微納米纖維，這是其它各種“bottom-up”的化學(xué)合成方法不可能實(shí)現(xiàn)的。最常見(jiàn)的是使用同軸毛細(xì)金屬套管為紡絲頭制備芯鞘結(jié)構(gòu)納米纖維 (Moghe AK and Gupta BS. Co-axial electrospinning for nanofiber structures: Preparation and applications. Polym. Rev. 2008;48:353-377.)和應(yīng)用左右關(guān)系結(jié)構(gòu)紡絲頭制備并列納米纖維 (Walther A and Müller AHE. Janus particles: synthesis, self-assembly, physical properties, and applications. Chem. Rev. 2013;113:5194-5261.)。但是基于這個(gè)概念，還有更多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)品有待開(kāi)發(fā)。

納米科技發(fā)展到今天，單純地減小產(chǎn)品的微納米尺寸以獲得相應(yīng)納米效用的概念已經(jīng)逐漸偏出主流。目前更多的注意力都集中在納米器件、復(fù)雜微納米結(jié)構(gòu)與相應(yīng)納米層次的構(gòu)效關(guān)系上。如何有效地制備出結(jié)構(gòu)完整的、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的微納米纖維，并且通過(guò)纖維的結(jié)構(gòu)特征去設(shè)計(jì)它們的功能既是納米科技的研究熱點(diǎn)、也是微制造領(lǐng)域和新型微納米產(chǎn)品生產(chǎn)所需解決的關(guān)鍵內(nèi)容。

本發(fā)明在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，遵循高壓電場(chǎng)下流體的行為特征和基本的自然規(guī)律，摸索出一種同芯并列異鞘微流體控制噴頭，應(yīng)用該噴頭組裝電紡裝置、實(shí)施電紡工藝，可以單步有效地制備出結(jié)構(gòu)完整、尺寸均一的同芯并列異鞘納米纖維，為新型結(jié)構(gòu)納米功能材料的設(shè)計(jì)、制備以及大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種同芯并列異鞘微流體控制噴頭、紡絲裝置及紡絲方法，所述的這種同芯并列異鞘微流體控制噴頭、紡絲裝置及紡絲方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中制備同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維的工藝復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種同芯并列異鞘微流體控制噴頭，包括一根總毛細(xì)管、第一彎曲毛細(xì)管和第二彎曲毛細(xì)管，所述的總毛細(xì)管出口處的截面為橢圓形；所述的第一彎曲毛細(xì)管包括一個(gè)第一直線段和第一彎折部，所述的第一直線段設(shè)置在所述的總毛細(xì)管中并緊靠總毛細(xì)管的內(nèi)側(cè)壁，第一彎曲毛細(xì)管的出口端伸出所述的總毛細(xì)管的出口端，第一彎曲毛細(xì)管的第一彎折部從總毛細(xì)管的一個(gè)側(cè)面穿出；所述的第二彎曲毛細(xì)管包括一個(gè)第二直線段和第二彎折部，所述的第二彎曲毛細(xì)管的第二直線段設(shè)置在總毛細(xì)管內(nèi)部并穿入第一毛細(xì)管的直線段中，從第一毛細(xì)管的出口端伸出，所述的第二彎曲毛細(xì)管的外側(cè)壁緊貼第一毛細(xì)管的靠近總毛細(xì)管中間部分的內(nèi)側(cè)壁，所述的第二彎曲毛細(xì)管的第二彎折部從總毛細(xì)管的另外一個(gè)側(cè)面穿出。

進(jìn)一步的，所述的第二彎曲毛細(xì)管的第二直線段和第一毛細(xì)管的直線段的連接處密封設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述的第一彎曲毛細(xì)管的出口端伸出所述的總毛細(xì)管的出口0.2mm，所述的第二彎曲毛細(xì)管的出口端伸出所述的第一彎曲毛細(xì)管的出口0.2mm。

進(jìn)一步的，所述的總毛細(xì)管的長(zhǎng)度為70 mm，所述的總毛細(xì)管的進(jìn)口端設(shè)置有一個(gè)接口，所述的接口的外側(cè)壁上設(shè)置有螺旋形的加強(qiáng)筋，所述的第一彎曲毛細(xì)管的長(zhǎng)度為60 mm；所述的第二彎曲毛細(xì)管的長(zhǎng)度為65 mm；所述的總毛細(xì)管接口、第一彎曲毛細(xì)管、第二彎曲毛細(xì)管與總毛細(xì)管連接處采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘密封。

進(jìn)一步的，所述的第一彎曲毛細(xì)管和第二彎曲毛細(xì)管的彎折部的尾端的外側(cè)壁上均設(shè)置有環(huán)形的凸起。

本發(fā)明還提供了一種高壓靜電紡絲裝置，包括第一注射泵、第一注射器、第二注射泵、第二注射器、第三注射泵、第三注射器、纖維接收板、高壓發(fā)生器和上述的同芯并列異鞘微流體控制噴頭，所述的第一注射器安裝在所述的第一注射泵中，所述的第一注射器和所述的微流體控制噴頭連接，所述的第二注射器安裝在所述的第二注射泵中，所述的第二注射器通過(guò)一根第一硅膠軟管連接所述的微流體控制噴頭，所述的第三注射器安裝在所述的第三注射泵中，所述的第三注射器通過(guò)一根第二硅膠軟管連接所述的微流體控制噴頭，所述的高壓發(fā)生器和所述的微流體控制噴頭通過(guò)導(dǎo)線連接，所述的微流體控制噴頭的下端設(shè)置有纖維接收板。

本發(fā)明還提供了利用上述的電紡裝置制備同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維的方法，在第一注射器內(nèi)加入第一種排列中間的紡絲液體，第二注射器內(nèi)加入第二種一邊的紡絲液體，第三注射器內(nèi)加入第三種另一邊的紡絲液體，通過(guò)高壓靜電場(chǎng)作用，即可單步有效地制備出同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維。

進(jìn)一步的，上述的制備同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維的方法，包括如下步驟：

1)一個(gè)配制紡絲液的步驟，第一紡絲液為Eudragit E100 和磷鎢酸組成的乙醇溶液，在所述的乙醇溶液中，Eudragit E100的質(zhì)量百分比濃度為13% ，磷鎢酸的質(zhì)量百分比濃度為1%；第二紡絲液為Eudragit L100和磷鎢酸組成的乙醇溶液，在所述的乙醇溶液中，Eudragit L100的質(zhì)量百分比濃度為13% ，磷鎢酸的質(zhì)量百分比濃度為0.5%；第三紡絲液為質(zhì)量百分比濃度為13%的Eudragit L100乙醇溶液；

2)將步驟1）所得的第一、第二和第三紡絲液分別加入到相應(yīng)注射器中，然后開(kāi)啟第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵；

3)控制第一注射器的鞘液流量為0.8 ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量分別為1.0和0.5 ml/h開(kāi)啟高壓發(fā)生器，調(diào)整纖維板接受距離，將電壓升為14kV進(jìn)行電紡，即得多級(jí)并列結(jié)構(gòu)納米纖維。

本發(fā)明的原理是：同芯并列異鞘微流體控制噴頭的特殊結(jié)構(gòu)特征為制備相應(yīng)結(jié)構(gòu)納米材料提供一個(gè)宏觀模版，在高壓靜電場(chǎng)下，通過(guò)高壓靜電場(chǎng)與流體的相互作用，在幾毫秒之內(nèi)將液體紡絲液拉伸成結(jié)構(gòu)清晰的固體納米纖維。另一方面，噴頭出口同芯并列異鞘流體在高壓電場(chǎng)下組成一個(gè)圓型完整曲線閉合結(jié)構(gòu)，這個(gè)閉合結(jié)構(gòu)一方面有利于高壓電場(chǎng)對(duì)三種流體的均勻同步拉伸，另一方面保持排列的三種流體之間有足夠的接觸面積，有效地防止流體之間的“同性相斥”而引起的分離。上述原理共同作用，確保高壓靜電場(chǎng)下，從宏觀模版到微觀三室互聯(lián)排列結(jié)構(gòu)特征納米纖維的準(zhǔn)確“復(fù)制”。

本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明的同芯并列異鞘高壓靜電紡絲方法應(yīng)用簡(jiǎn)單、操作方便、易于控制，在高壓電場(chǎng)下可以單步有效地制備出同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維，并且可以通過(guò)增多紡絲頭數(shù)量進(jìn)行大規(guī)模放大生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種同芯并列異鞘微流體電噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖，1-總毛細(xì)管、2-第一彎曲毛細(xì)管、3-第二彎曲毛細(xì)管、4-接頭、5-凸環(huán)、6-環(huán)氧樹(shù)脂。

圖2是本發(fā)明的一種同芯并列異鞘微流體電噴頭的出口拍攝圖。

圖3是含有本發(fā)明的同芯并列異鞘微流體電噴頭的多射流電紡裝置的結(jié)構(gòu)示意圖， 7-高壓發(fā)生器、8-第一注射泵、9-第二注射泵、10-第三注射泵、11-同芯并列異鞘微流體電噴頭、12-纖維接收板、13-第一注射器、14-第二注射器、15-第三注射器、16-第一高彈性硅膠軟管；17-第二高彈性硅膠軟管。

圖4是應(yīng)用實(shí)施例所得同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維掃描電子顯微鏡電鏡圖；

圖5是應(yīng)用實(shí)施例所得同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維透射電子顯微鏡電鏡圖。

具體實(shí)施方式

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(shū)所限定的范圍。

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種同芯并列異鞘微流體控制噴頭，包括一個(gè)總毛細(xì)管1、第一彎曲毛細(xì)管2和第二彎曲毛細(xì)管3；所述的總毛細(xì)管1的出口端的截面為橢圓形；所述的第一彎曲毛細(xì)管2包括一個(gè)第一直線段和第一彎折部，所述的第一直線段設(shè)置在所述的總毛細(xì)管1中并緊靠總毛細(xì)管1的內(nèi)側(cè)壁，第一彎曲毛細(xì)管2的出口端伸出總毛細(xì)管1的出口端，第一彎曲毛細(xì)管2的第一彎折部從總毛細(xì)管1的一個(gè)側(cè)面穿出；所述的第二彎曲毛細(xì)管3包括一個(gè)第二直線段和第二彎折部，所述的第二彎曲毛細(xì)管3的第二直線段設(shè)置在總毛細(xì)管1內(nèi)部并穿入第一毛細(xì)管2的直線段中，從第一毛細(xì)管內(nèi)部2延伸到出口端，所述的第二彎曲毛細(xì)管3的外側(cè)壁緊貼第一毛細(xì)管1的靠總毛細(xì)管1中間部分的內(nèi)側(cè)壁，所述的第二彎曲毛細(xì)管3的第二彎折部從總毛細(xì)管1的另外一個(gè)側(cè)面穿出。

進(jìn)一步的，所述的第二彎曲毛細(xì)管3的第二直線段和第一毛細(xì)管2的直線段的連接處密封設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述的第一彎曲毛細(xì)管2的出口端伸出所述的總毛細(xì)管1的出口端0.2 mm，所述的第二彎曲毛細(xì)管3的出口端伸出所述的第一彎曲毛細(xì)管1的出口端0.2 mm。

進(jìn)一步的，所述的總毛細(xì)管1的長(zhǎng)度為70 mm，所述的總毛細(xì)管1的進(jìn)口端設(shè)置有一個(gè)接口4，所述的接口4的外側(cè)壁上設(shè)置有螺旋形的加強(qiáng)筋，所述的第一彎曲毛細(xì)管2的長(zhǎng)度為60 mm；所述的第二彎曲毛細(xì)管3的長(zhǎng)度為65 mm；所述的總毛細(xì)管1、第一彎曲毛細(xì)管2和第二彎曲毛細(xì)管3，以及接口4相連接處均采用環(huán)氧樹(shù)脂6膠粘密封。

進(jìn)一步的，所述的第一彎曲毛細(xì)管2和第二彎曲毛細(xì)管3的彎折部尾端的外側(cè)壁上均設(shè)置有環(huán)形的凸起5，用于連接高彈性硅膠軟管。

實(shí)施例2

一種應(yīng)用該噴頭組裝的高壓靜電紡絲裝置，其組成示意圖如圖3所示， 7-高壓發(fā)生器、8-第一注射泵、9-第二注射泵、10-第三注射泵、11-同芯并列異鞘微流體電噴頭、12-纖維接收板、13-第一注射器、14-第二注射器、15-第三注射器、16-第一高彈性硅膠軟管；17-第二高彈性硅膠軟管。

應(yīng)用帶有同芯并列異鞘微流體控制噴頭的電紡裝置對(duì)三股流體實(shí)施電紡制備，其具體步驟如下：第一注射器13安裝在第一注射泵8內(nèi)，在注射器13中加入第一紡絲液體，注射器13直接連接同芯并列異鞘微流體控制噴頭11的接口端。第二注射器14安裝在第二注射泵9內(nèi)，在注射器9中加入第二紡絲液，紡絲液體通過(guò)第一高彈性硅膠軟管16導(dǎo)入同芯并列異鞘微流體控制噴頭11的彎曲毛細(xì)管2中。第三注射器15安裝在第三注射泵10內(nèi)，在注射器15中加入第三紡絲液體，紡絲液體通過(guò)第二高彈性硅膠軟管17導(dǎo)入同芯并列異鞘微流體控制噴頭11的彎曲毛細(xì)管3中。高壓發(fā)生器7和同芯并列異鞘微流體控制噴頭11通過(guò)導(dǎo)線直接連接，在噴頭11下端設(shè)置有一個(gè)纖維接收板12，接收距離為15cm；接受平板12為鋁箔包裹的硬紙板，該接受板接地。

應(yīng)用實(shí)施例1

利用實(shí)施例2所述的一種應(yīng)用該噴頭組裝的高壓靜電紡絲裝置實(shí)施電紡，以制備同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維，步驟如下：

（1）、紡絲液的配制

第一紡絲液，質(zhì)量百分比濃度為13%Eudragit L100和1%磷鎢酸的乙醇溶液，其配制方法如下：即將13 g的Eudragit E100和1 g的磷鎢酸加入到76 g的乙醇中，攪拌均勻即得質(zhì)量百分比濃度為13%的Eudragit E100和1%磷鎢酸的乙醇溶液；

第二紡絲液，質(zhì)量百分比濃度為13%Eudragit L100和0.5%磷鎢酸的乙醇溶液，其配制方法如下：即將13 g的Eudragit E100和0.5 g的磷鎢酸加入到76.5 g的乙醇中，攪拌均勻即得質(zhì)量百分比濃度為13%的Eudragit E100和0.5%磷鎢酸的乙醇溶液；

第三紡絲液，質(zhì)量百分比濃度為13%的Eudragit L100乙醇溶液，其配制方法如下：即將13 g的Eudragit E100加入到77 g的乙醇中，攪拌均勻即得質(zhì)量百分比濃度為13% Eudragit E100的乙醇溶液；

1)將步驟（1）所得的第一、第二和第三紡絲液分別加入到相應(yīng)注射器中，然后開(kāi)啟第一注射泵、第二注射泵和第三注射泵；

2)控制第一注射器的鞘液流量為0.8 ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量分別為1.0和0.5 ml/h開(kāi)啟高壓發(fā)生器，調(diào)整纖維板接受距離為15 cm，將電壓升為14kV進(jìn)行電紡，即得多級(jí)并列結(jié)構(gòu)納米纖維。

應(yīng)用實(shí)施例2

采用場(chǎng)掃描電鏡對(duì)應(yīng)用實(shí)施例1所制備的同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維進(jìn)行表面噴金后觀察，結(jié)果如圖4所示。所制備的同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維收集均勻并呈現(xiàn)良好的線性狀態(tài)，直徑為 710 ± 110 nm。采用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)所制備同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)納米纖維進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示，納米纖維的左中右同芯并列異鞘結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)清晰，由于重疊關(guān)系，芯部和并列的兩個(gè)鞘部均由兩個(gè)灰度部分組成，芯部與鞘部1重疊部分具有最大灰度，而獨(dú)立的鞘部2具有最低的灰度。

以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式的舉例，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。