本發(fā)明屬于納米纖維制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法。

背景技術(shù)：

靜電紡絲技術(shù)是由Formhals在1934年一系列專利中首次提出。該技術(shù)能夠快速、低成本獲得高比表面積納米纖維，近幾十年來得到了廣泛應(yīng)用。然而，在早期研究中，人們發(fā)現(xiàn)靜電紡絲射流的高速鞭動(dòng)和分裂過程難以控制，得到的納米纖維材料都是雜亂無章的，這樣就限制了納米纖維的應(yīng)用。例如在組織支架、電子器件、光學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域，都需要使用有定向排列的納米纖維。

為制備定向的納米纖維，目前研究人員已開發(fā)出平行板電極法、斜坡收集法、滾筒法、飛輪法等多種纖維收集方法。文獻(xiàn)Park S H,Yang D Y.Fabrication of aligned electrospun nanofibers by inclined gap method[J].Journal of applied polymer science,2011,120(3):1800-1807.報(bào)道了一種在絕緣基質(zhì)上放置兩塊金質(zhì)平行板電極作為接收裝置獲得定向納米纖維的方法，定向纖維可在單一平面內(nèi)沉積。在平行板電極法的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)Li D,Wang Y,Xia Y.Electrospinning nanofibers as uniaxially aligned arrays and layer‐by‐layer stacked films[J].Advanced Materials,2004,16(4):361-366.報(bào)道了一種斜坡收集法，將兩塊極板中的一塊水平放置，在水平極板的下方放置一塊垂直極板，在兩塊極板之間形成斜坡，定向纖維懸置在斜坡平面內(nèi)，方便了纖維的收集。然而斜坡收集法和平行板電極法一般只能獲得單一平面內(nèi)分布的定向納米纖維，紡絲和收集效率低。為解決定向納米纖維的大面積制備難題，文獻(xiàn)Yang D,Lu B,Zhao Y,et al.Fabrication of aligned fibrous arrays by magnetic electrospinning[J].Advanced materials,2007,19(21):3702-3706.在紡絲接收板上增加兩塊平行磁鐵，強(qiáng)化了含磁性粒子納米纖維的定向排列，擴(kuò)展了纖維的定向排列空間，然而該方法只適用于磁性納米纖維的定向收集。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，發(fā)明了一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法。該方法中采用一塊與固定接收板相互平行的輔助極板，對(duì)紡絲液噴射流的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，使納米纖維在接收板與輔助極板之間形成空間定向排列，具有纖維定向性好、紡絲效率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法，其特征是，該方法中采用一塊與固定接收板相互平行的輔助極板，對(duì)紡絲液噴射流的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，使納米纖維在固定接收板與輔助極板之間形成空間定向排列；方法首先安裝靜電紡絲裝置，配制紡絲液，由微量泵將紡絲液經(jīng)過送液管勻速地推進(jìn)到噴絲頭，在噴絲頭出口處納米纖維被拉出；并在制備納米纖維過程中，每隔固定時(shí)間，將收集板轉(zhuǎn)換不同的角度，就得到不同交叉定向納米纖維編織角度的纖維陣列；方法的具體步驟如下：

第一步，安裝靜電紡絲裝置

首先將固定接收板12固定到絕緣底板13上，然后將輔助極板4通過支架7與立柱8相連接，立柱8垂直固定到絕緣底板13上，支架7沿著立柱8軸向上下運(yùn)動(dòng)以調(diào)整輔助極板4與固定接收板12之間的距離，輔助極板4下表面與固定接收板12上表面相互平行；調(diào)整時(shí)要保證輔助極板4沿著其下表面法線方向的投影完全包含在固定接收板12上表面內(nèi)；輔助極板4下表面與固定接收板12上表面的距離為30～200mm；二者距離確定后，通過緊固螺栓9鎖定支架7與立柱8的相對(duì)位置；

噴絲頭11垂直穿過輔助極板4的幾何中心孔，噴絲頭11和輔助極板4之間用絕緣環(huán)10進(jìn)行電氣隔離；噴絲頭11通過送液管5與微量泵6連接；調(diào)整噴絲頭11出絲口和輔助極板4下表面的距離為輔助極板4下表面與固定接收板12上表面距離的1/10～3/4；電源1的正極通過正極導(dǎo)線3連接噴絲針頭11，電源1接地端通過接地導(dǎo)線2分別連接輔助極板4和固定接收板12；

第二步制備定向納米纖維

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)溫度為15～40℃，濕度為20～60％RH；輔助極板4下表面與固定接收板12上表面的距離為30～200mm；電源1的正極為噴絲頭11，內(nèi)徑為0.05～2mm，電源1提供1～100KV的電壓；配制紡絲液，將該溶液放置在微量泵6內(nèi)；微量泵6將溶液經(jīng)過送液管5勻速地推進(jìn)到噴絲頭11處，推進(jìn)速度為0.1～30ul/min，在噴絲頭11出口處納米纖維被拉出；被拉出的納米纖維在輔助極板4和固定接收板12之間沿著電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)，一部分納米纖維沿著電場(chǎng)線落到輔助極板4上，呈現(xiàn)雜亂納米纖維膜狀態(tài)，還有一部分納米纖維沿著電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)到固定接收板12上，也呈現(xiàn)雜亂納米纖維膜形態(tài)，其余納米纖維頭部受到輔助極板4電場(chǎng)力的作用，尾部受到固定接收板12電場(chǎng)力的作用，懸置在兩塊極板之間；懸置的定向納米纖維首先出現(xiàn)在輔助極板4邊緣，邊緣排列滿后，后續(xù)懸置纖維在靜電力作用下保持彼此平行，并且沿著極板逐層排列，逐漸靠近噴絲頭11，從而獲得空間排列定向納米纖維陣列；

第三步得到不同交叉定向納米纖維編織角度的纖維陣列

利用外加的收集板收集懸置的納米纖維(14)，在收集過程中每隔固定時(shí)間，將收集板轉(zhuǎn)換不同的角度，在收集板上得到不同交叉定向納米纖維編織角度的纖維陣列。

本發(fā)明的顯著效果是：應(yīng)用本發(fā)明提供的一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法進(jìn)行定向納米纖維的制備，具有纖維定向性好、長度可調(diào)、可獲得空間定向排列纖維陣列等優(yōu)點(diǎn)，提高了定向納米纖維紡絲效率和紡絲質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制備定向纖維的靜電紡絲裝置的示意圖，其中：1-電源，2-接地導(dǎo)線，3-正極導(dǎo)線，4-輔助極板，5-送液管，6-微量泵，7-支架，8-立柱，9-緊固螺栓，10-絕緣環(huán)，11-噴絲頭，12-固定接收板，13-絕緣底板，14-納米纖維。

圖2是輔助極板和固定接收板之間定向納米纖維分布示意圖，圖3是輔助極板和固定接收板之間電場(chǎng)分布的仿真結(jié)果，其中，4-輔助極板，11-噴絲頭，12-固定接收板，14-納米纖維。

圖4是使用本發(fā)明獲得的空間定向分布聚乙烯醇納米纖維的照片，圖5是使用本發(fā)明獲得的單軸定向聚乙烯醇纖維陣列的掃描電鏡照片，圖6是使用本發(fā)明獲得的90°交叉定向聚乙烯醇納米纖維陣列的掃描電鏡照片，圖7是使用本發(fā)明獲得的的45°交叉定向聚乙烯醇納米纖維陣列的掃描電鏡照片，圖8是使用本發(fā)明在輔助極板表面上收集的雜亂聚乙烯醇納米纖維膜狀態(tài)掃描電鏡照片，圖9是使用本發(fā)明在固定接收板上收集的雜亂聚乙烯醇納米纖維膜狀態(tài)掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施。

圖1是本發(fā)明制備定向纖維的靜電紡絲裝置的示意圖，如圖所示，方法首先安裝靜電紡絲裝置，方法的具體步驟如下：

第一步，安裝靜電紡絲裝置

首先將固定接收板12固定到絕緣底板13上，然后，將輔助極板4通過支架7與立柱8相連接，立柱8垂直固定到絕緣底板13上，支架7沿著立柱8軸向上下運(yùn)動(dòng)以調(diào)整輔助極板4與固定接收板12之間的距離，輔助極板4下表面與固定接收板12上表面相互平行；調(diào)整時(shí)要保證輔助極板4沿著其下表面法線方向的投影完全包含在固定接收板12上表面內(nèi)；輔助極板4下表面與固定接收板12上表面的距離為30mm；二者距離確定后，通過緊固螺栓9鎖定支架7與立柱8的相對(duì)位置；

噴絲頭11垂直穿過輔助極板4的幾何中心孔，噴絲頭11和輔助極板4之間用絕緣環(huán)10進(jìn)行電氣隔離；噴絲頭11通過送液管5與微量泵6連接；調(diào)整噴絲頭11出絲口和輔助極板4下表面的距離為輔助極板4下表面與固定接收板12上表面距離的1/10，為3mm；

電源1的正極通過正極導(dǎo)線3連接噴絲針頭11，電源1接地端通過接地導(dǎo)線2分別連接輔助極板4和固定接收板12；

第二步制備定向納米纖維

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)溫度是15℃，濕度為20％RH。電源1提供1KV的電壓，電源1的正極為噴絲頭11內(nèi)徑為0.05mm。

配制紡絲液，實(shí)施例采用的紡絲液為聚乙烯醇溶液，首先稱取0.7g聚乙烯醇，溶解到10mL去離子水中，得到聚乙烯醇溶液。將聚乙烯醇溶液放置在微量泵6內(nèi)，微量泵6將溶液經(jīng)過送液管5勻速地推進(jìn)到噴絲頭11處，推進(jìn)速度為0.1ul/min。電源1接地端通過接地導(dǎo)線2連接輔助極板4和固定接收板12，在噴絲頭11出口處納米纖維14被拉出。

如圖3是輔助極板和固定接收板之間電場(chǎng)分布的仿真結(jié)果，圖中表示出一部分聚乙烯醇納米纖維沿著電場(chǎng)線落到輔助極板4上，呈現(xiàn)如附圖8所示的雜亂納米纖維膜狀態(tài)，還有一部分納米纖維沿著電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)到固定接收板12上，也呈現(xiàn)如附圖9所示的雜亂納米纖維膜形態(tài)。其余納米纖維頭部受到輔助極板4電場(chǎng)力的作用，尾部受到固定接收板12電場(chǎng)力的作用，懸置在兩塊極板之間；懸置的定向納米纖維首先出現(xiàn)在輔助極板4邊緣，邊緣排列滿后，后續(xù)懸置纖維在靜電力作用下保持彼此平行，并且沿著極板逐層排列，逐漸靠近噴絲頭11，從而獲得如附圖2和4所示的空間排列定向聚乙烯醇納米纖維陣列。

第三步得到不同交叉定向納米纖維編織角度的纖維陣列

利用外加的收集板收集懸置的納米纖維(14)，收集過程中每隔30s，將收集板轉(zhuǎn)換90°，就得到如附圖6所示的90°交叉定向聚乙烯醇納米纖維編織角度的纖維陣列。收集過程中每隔30s，將收集板轉(zhuǎn)換45°，就得到如附圖7所示的45°交叉定向納米纖維編織角度的纖維陣列。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1min后，利用收集板收集懸置的納米纖維，在收集板上獲得如附圖5所示的聚乙烯醇定向納米纖維陣列。

本發(fā)明一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法，實(shí)現(xiàn)了在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下高效率制備出空間定向排列的聚乙烯醇納米纖維。采用本發(fā)明制備定向靜電紡絲納米纖維，具有紡絲效率高、操作簡單、收集方便的優(yōu)點(diǎn)，為大規(guī)模制備定向納米纖維提供了新的技術(shù)途徑。