專利名稱：一種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于微納米纖維制備技術領域，涉及ー種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，用于制備有序排列、交叉結構和扭曲結構的微納米纖維，作為納米光電器件、光學器件和可拉伸柔性器件的材料。
背景技術：
目前，靜電紡絲技術是ー種廣受關注、可直接從聚合物及復合材料溶液或熔體制備連續纖維的方法，具有設備簡單、成本低、纖維產率高、適用范圍廣等優點，在氣體和生物傳感器、過濾與分離、紡織工程、藥物緩釋、電池電極材料等諸多領域具有廣泛的應用前景。靜電紡絲的原理是高壓電源提供高電壓，在紡絲噴頭和收集板之間建立ー個強靜電場，一般情況下，電源正極接在紡絲噴頭上，負極接在收集板上(接地)，工作電壓一般為10-30千伏，紡絲距離一般為8-20厘米。由于高壓靜電場的作用，紡絲溶液被極化帶電，從紡絲噴頭 射出，然后被電場カ拉伸細化或發生劈裂形成微納米尺度的纖維，最后沉積在收集板上。纖維的直徑與實驗條件密切相關，一般在幾十納米到幾個微米之間。傳統靜電紡絲裝置制備的纖維一般是無序排列的，這限制了靜電紡絲纖維在某些領域的應用。近年來，國內外很多科研人員致カ于改進傳統靜電紡絲技術以制備有序排列結構的微納米纖維。目前，比較常用的靜電紡織技術和設備有旋轉圓筒(圓盤)收集、狹縫收集或平行電極收集、輔助外電場或磁場收集、框架收集等。例如，中國專利“靜電紡絲裝置，，(申請號:200720067712. O)和“靜電紡絲儀”(申請號=200610125960. 6)采用的是圓筒收集方法；中國專利(申請號200810102096. 7)提出了ー種平行電極收集裝置制備有序纖維的方法；文獻(Advanced Materials，2007，19，3702-3706)則報道了ー種利用輔助磁場的磁電紡技木。此外，中國專利“一種有序排列和交叉結構納米纖維的制備裝置”(專利號ZL201010184068. I)提出了一種紡絲噴頭旋轉運動的離心靜電紡絲技術；中國專利(申請號201110137420. O)還報道了一種改進的框架收集靜電紡絲技術制備有序排列和絞線結構纖維。但是，以上這些技術方法還存在ー些不足例如，工作電壓較高或者紡絲距離較大，制備的有序排列纖維一般是直線結構的，很少有扭曲結構的。而有序排列的扭曲結構纖維在可拉伸柔性電子器件等方面有應用前景。質點在直線上往復運動，其回復カ與位移成正比，方向相反，稱為簡諧運動；而簡諧運動又可看作是由做等速圓周運動的質點垂直坐標軸方向上投影所做的運動。因此在日常中，圓周運動通過曲軸連桿轉化可以得到往復直線運動，這種直線運動其實是ー種往復的簡諧振動，它在加工車床、車間流水線、汽車發動機及各種振動平臺等機械系統中已經有很廣泛的應用，如常見的直線振動篩被廣泛應用于冶金粉末、化工、肥料、磨料、醫藥、糧食等粉體及中小粒度物料的分級或分選。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提出ー種新型制備多種特殊形貌結構微納米纖維的可行性設備，即紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，該裝置采用較小的紡絲距離和較低的工作電壓即可成功制備有序排列的直線結構微納米纖維、交叉結構纖維以及有序排列的扭曲結構纖維。為了實現上述目的，本發明的主體結構包括調速器、有機玻璃板、直流無刷電機、曲軸連桿、直線運動桿、支架、注射器針管、不銹鋼針頭、高壓直流電源、鋁箔收集極和底座；尖端磨平后的中空不銹鋼針頭固定于醫用的注射器針管上，不銹鋼針頭與高壓直流電源的正極相連，高壓直流電源的負極與表面貼有鋁箔的鋁箔收集極相連，鋁箔收集極固定于裝置的底座上；注射器針管固定于直線運動桿(長度為20厘米)的一端，直線運動桿貫穿于兩個并列的固定于底座上的支架上，直線運動桿能夠在支架上做簡諧直線運動，直線運動桿的另一端通過曲軸連桿與固定于直流無刷電機的有機玻璃板(長度為5. 7厘米)相連，調速器用于控制直流無刷電機的轉速，直流無刷電 機的轉速由調速器上的刻度讀出，直流無刷電機與調速器均固定于底座上，構成紡絲用的注射器針管的往復直線運動部分；收集纖維時將玻璃片放在不銹鋼針頭作直線運動所經過路程的中點處，根據簡諧運動的特點，在靠近中點的地方不銹鋼針頭運動速度最快，且加速度最小，利于紡絲纖維的收集。本發明用于有序排列直線結構纖維的制備時，先在紡絲用注射器針管中加入前驅體溶液，調節不銹鋼針頭與鋁箔收集極之間的距離為1-2厘米，在鋁箔收集極上放上載玻片，拿一張干凈、干燥的紙覆蓋在載玻片上；接通高壓直流電源，調節電壓為I. 7-2. 5千伏，給紡絲針管塞子稍加壓力，使溶液在重力以及塞子的壓カ下緩慢流出，靜止的針頭開始紡絲；待紡絲穩定后，接通直流無刷電機的電源，調節調速器的旋鈕，使其轉速為200rpm左右，當中點附近的不銹鋼針頭往復直線運動速度與不銹鋼針頭紡絲速度相當吋，電紡纖維以有序方式沉積在鋁箔收集極上；撤去蓋在載玻片上的紙，開始載玻片上纖維樣品的收集，同時開始計時，約15秒后，先關閉高壓直流電源，再關閉電機電源，此時載玻片上會得到有序直線排列電紡纖維。本發明用于交叉結構纖維的制備將襯底放在鋁箔收集極上來收集紡絲纖維，并且在第一次紡絲完成后將其水平旋轉九十度(或其它角度)再進行紡絲，最終將得到十字交叉或其他夾角交叉的方形纖維網格陣列；若選擇合適的材料，例如，第一層為η型的有機或無機半導體納米纖維，第二層為P型的有機或無機半導體纖維，這樣在襯底上就組裝成納米級別的P-η結陣列，在納米電子器件方面會有很大的應用前景。本發明用于有序排列扭曲結構纖維的制備在紡絲距離不變的情況下如果增大工作電壓，會使紡絲溶液極化帶上更多電荷，帶電射流在紡絲過程中受到的電場カ會更大，電紡纖維到達收集板時的運動速度會増加；當高速運動的纖維撞到收集板上靜止下來時，撞擊的反沖カ會使尚未完全固化的直線型纖維形成扭曲結構；紡液射流上所帶電荷量增大會増加射流的彎曲或鞭動不穩定性，導致扭曲結構纖維的形成；根據以上分析，在制備有序排列直線結構纖維過程中，若將工作電壓從I. 7-2. 5千伏提高到3. 0-4. O千伏，在收集板上得到有序排列的扭曲結構的纖維；扭曲結構纖維在制備可拉伸柔性電子器件方面具有廣泛的應用前景。本發明與現有技術相比具有功能多、紡織分布集中和有序性號、紡織距離小、成品率高和工作電壓低等優點；用于制備有序直線結構、交叉結構和有序扭曲結構三種形貌結構的纖維；在電場力作用下，紡絲纖維集中分布在針尖移動方向上(寬約5-10毫米)，纖維有序排列程度高；在小的紡絲距離下工作，從而減小纖維下落過程中環境不穩定對纖維有序度的影響；由于所制備纖維只分布在ー個狹小空間內，降低了纖維散落在其他地方的幾率，有序纖維成品率得以提高；由于紡絲距離較小，工作電壓可降低到4千伏以內，提高了實驗的安全性。圖I為本發明裝置的結構原理示意圖。圖2為本發明制備的有序排列直線結構PVP纖維的掃描電鏡SM照片。圖3為本發明制備的交叉結構PVP纖維的光學顯微鏡照片。圖4為本發明制備的有序排列扭曲結構PVP纖維的SEM照片。
具體實施例方式
下面結合附圖
并通過實施例對本發明做進ー步說明。 本實施例的主體結構包括調速器I、有機玻璃板2、直流無刷電機3、曲軸連桿4、直線運動桿5、支架6、注射器針管7、不銹鋼針頭8、高壓直流電源9、鋁箔收集極10和底座11 ;將尖端磨平后的中空不銹鋼針頭8固定于醫用的注射器針管7上，不銹鋼針頭8與高壓直流電源9的正極相連，高壓直流電源9的負極與表面貼有鋁箔的鋁箔收集極10相連，鋁箔收集極固定于裝置的底座11上；注射器針管7固定于直線運動桿5 (長度為20厘米)的一端，直線運動桿5貫穿于兩個并列的固定于底座11上的支架6上，直線運動桿5能夠在支架6上做簡諧直線運動，直線運動桿5的另一端通過曲軸連桿4與固定于直流無刷電機3的有機玻璃板2 (長度為5. 7厘米)相連，調速器I用于控制直流無刷電機3的轉速，直流無刷電機3的轉速由調速器上的刻度讀出，直流無刷電機3與調速器I均固定于底座11上，構成紡絲用的注射器針管7的往復直線運動部分；收集纖維時將玻璃片放在不銹鋼針頭8作直線運動所經過路程的中點處，根據簡諧運動的特點，在靠近中點的地方不銹鋼針頭8運動速度最快，且加速度最小，利于紡絲纖維的收集。本實施例所選的紡絲前驅體溶液為質量百分比為13wt%的聚こ烯吡咯烷酮(PVP)溶液，先稱量I. 3克PVP (分子量1300000)在磁力攪拌下加入到8. 7克無水こ醇中，室溫下磁力攪拌5小吋，然后靜止半小時，即可得均勻透明的13wt % PVP靜電紡絲前軀體溶液。實施例I :有序排列直線結構PVP纖維的制備用一次性吸管抽取I毫升左右PVP前驅體溶液注入紡絲用注射器針管7內，高壓直流電源9正極接不銹鋼針頭8，負極接鋁箔收集極10，調節不銹鋼針頭8與I鋁箔收集極10的距離為I厘米，在收集極上放上載玻片，拿一張干凈、干燥的紙覆蓋在載玻片上，接通將高壓直流電源9，使其開關處于“0N”狀態，調節電壓為I. 8千伏，靜止的針頭開始紡絲；接通直流無刷電機3的電源，旋轉調速器I的旋鈕，使轉速為200rpm，靜止的針頭開始做往復的直線運動，待幾秒鐘轉速穩定后，快速拿開覆蓋于蓋玻片上的紙，并開始計吋，15秒后，關閉高壓直流電源9，使其開關之處于“OFF”狀態，再關閉直流無刷電機3的電源，電紡結束；取載玻片上收集到的樣品，用掃描電鏡SEM觀察，結果如圖2所示，從圖中可以看到紡絲纖維的形貌良好，排列的平行度較高，此條件下紡出的纖維直徑在I. 5-3微米左右，粗細比較均勻。實施例2 :交叉結構PVP纖維的制備先按照實施例I中的步驟制備得到有序排列的PVP纖維，然后將收集到的樣品旋轉90°用同樣的條件和步驟再重復電紡一次，得到交叉結構的PVP纖維，其樣品的光學顯微鏡照片如圖3所示。
實施例3 :有序排列扭曲結構PVP纖維的制備調節實施例I中的電壓為3. 5千伏，其它步驟不變，最后得到有序排列扭曲結構的PVP纖維，其樣品的SEM照片如圖4所示，可 以看出制得的纖維為扭曲結構并且有序排列的，但由于波形纖維在ニ維尺度上的分布，導致纖維之間存在著相互交叉現象。
權利要求
1.一種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，其特征在于包括調速器、有機玻璃板、直流無刷電機、曲軸連桿、直線運動桿、支架、注射器針管、不銹鋼針頭、高壓直流電源、鋁箔收集極和底座；尖端磨平后的中空不銹鋼針頭固定于醫用的注射器針管上，不銹鋼針頭與高壓直流電源的正極相連，高壓直流電源的負極與表面貼有鋁箔的鋁箔收集極相連，鋁箔收集極固定于裝置的底座上；注射器針管固定于直線運動桿一端，直線運動桿貫穿于兩個并列的固定于底座上的支架上，直線運動桿能夠在支架上做簡諧直線運動，直線運動桿的另一端通過曲軸連桿與固定于直流無刷電機的有機玻璃板相連，調速器用于控制直流無刷電機的轉速，直流無刷電機的轉速由調速器上的刻度讀出，直流無刷電機與調速器均固定于底座上，構成紡絲用的注射器針管的往復直線運動部分；收集纖維時將玻璃片放在不銹鋼針頭作直線運動所經過路程的中點處，根據簡諧運動的特點，在靠近中點的地方不銹鋼針頭運動速度最快，且加速度最小，利于紡絲纖維的收集。
2.根據權利要求I所述的一種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，其特征在于用于有序排列直線結構纖維的制備時，先在紡絲用注射器針管中加入前驅體溶液，調節不銹鋼針頭與鋁箔收集極之間的距離為1-2厘米，在鋁箔收集極上放上載玻片，拿一張干凈、干燥的紙覆蓋在載玻片上；接通高壓直流電源，調節電壓為I. 7-2. 5千伏，給紡絲針管塞子稍加壓力，使溶液在重力以及塞子的壓力下緩慢流出，靜止的針頭開始紡絲；待紡絲穩定后，接通直流無刷電機的電源，調節調速器的旋鈕，使其轉速為200rpm，當中點附近的不銹鋼針頭往復直線運動速度與不銹鋼針頭紡絲速度相當時，電紡纖維以有序方式沉積在鋁箔收集極上；撤去蓋在載玻片上的紙，開始載玻片上纖維樣品的收集，同時開始計時，15秒后，先關閉高壓直流電源，再關閉電機電源，此時載玻片上會得到有序直線排列電紡纖維。
3.根據權利要求I所述的一種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，其特征在于用于交叉結構纖維的制備將襯底放在鋁箔收集極上來收集紡絲纖維，并且在第一次紡絲完成后將其水平旋轉九十度或其它角度再進行紡絲，最終將得到十字交叉或其他夾角交叉的方形纖維網格陣列；選擇第一層為n型有機或無機半導體納米纖維，第二層為p型有機或無機半導體纖維，在襯底上組裝成納米級別的P_n結陣列。
4.根據權利要求I所述的一種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，其特征在于用于有序排列扭曲結構纖維的制備在紡絲距離不變的情況下增大工作電壓，使紡絲溶液極化帶上電荷，帶電射流在紡絲過程中受到的電場力，電紡纖維到達收集板時的運動速度增加；高速運動的纖維撞到收集板上靜止時，撞擊的反沖力使尚未完全固化的直線型纖維形成扭曲結構；紡絲溶液射流上所帶電荷量增大會增加射流的彎曲或鞭動不穩定性，導致扭曲結構纖維的形成；在制備有序排列直線結構纖維過程中，將工作電壓從I. 7-2. 5千伏提高到3. 0-4. 0千伏，在收集板上得到有序排列的扭曲結構的纖維；扭曲結構纖維用于制備可拉伸柔性電子器件。
全文摘要
本發明屬于微納米纖維制備技術領域，涉及一種紡絲噴頭往復直線運動式靜電紡絲裝置，不銹鋼針頭固定于注射器針管上并與高壓直流電源正極相連，高壓直流電源負極與鋁箔收集極相連，鋁箔收集極固定于裝置的底座上；注射器針管固定于直線運動桿一端，直線運動桿貫穿于兩個并列的支架上，能在支架上做簡諧直線運動，另一端通過曲軸連桿與有機玻璃板相連；具有功能多、紡織分布集中和有序性號、紡織距離小、成品率高和工作電壓低等優點。
文檔編號D01D7/00GK102817089SQ20121002465
公開日2012年12月12日 申請日期2012年2月6日 優先權日2012年2月6日
發明者龍云澤, 劉術亮, 唐成春, 孫彬, 鄭杰, 張紅娣, 李蒙蒙 申請人:青島大學