技術領域

本發明屬于納米材料學領域，涉及一種紡絲裝置，具體來說是一種一鞘雙芯微流體控制噴頭、一種帶有一鞘雙芯微流體控制噴頭的多流體電紡裝置，和利用該裝置進行電紡單步制備一鞘雙芯結構納米纖維的方法。

背景技術：

高壓靜電紡絲技術簡稱電紡是一種自上而下 (top-down) 的納米制造技術，通過外加電場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，在幾十毫秒內被牽伸千萬倍，經溶劑揮發或熔體冷卻在接收端得到納米級纖維。該技術工藝過程簡單、操控方便、選擇材料范圍廣泛、可控性強、并且可以通過噴頭設計制備具有微觀結構特征的納米纖維，被認為是最有可能實現連續納米纖維工業化生產的一種方法，應用該技術制備功能納米纖維具有良好的前景預期。

電紡的最大優勢是可以通過紡絲頭結構的設計和變換，單步有效地制備出相應結構特征的聚合物微納米纖維，這是其它各種“bottom-up”的化學合成方法不可能實現的。最常見的是使用同軸毛細金屬套管為紡絲頭制備芯鞘結構納米纖維 (Moghe AK and Gupta BS. Co-axial electrospinning for nanofiber structures: Preparation and applications. Polym. Rev. 2008;48:353-377.)和應用左右關系結構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.)。但是基于這個概念，還有更多具有復雜結構特征的納米結構產品有待開發。

納米科技發展到今天，單純地減小產品的微納米尺寸以獲得相應納米效用的概念已經逐漸偏出主流。目前更多的注意力都集中在納米器件、復雜微納米結構與相應納米層次的構效關系上。如何有效地制備出結構完整的、具有復雜結構特征的微納米纖維，并且通過纖維的結構特征去設計它們的功能既是納米科技的研究熱點、也是微制造領域和新型微納米產品生產所需解決的關鍵內容。

技術實現要素：

針對現有技術中的上述技術問題，本發明提供了一種一鞘雙芯微流體控制噴頭、紡絲裝置及紡絲方法，所述的這種一鞘雙芯微流體控制噴頭、紡絲裝置及紡絲方法要解決現有技術中制備一鞘雙芯復雜結構特征的納米纖維的工藝復雜的技術問題。

本發明提供了一種一鞘雙芯微流體控制噴頭，包括一個總毛細管、第一彎曲毛細管和第二彎曲毛細管；所述的第一彎曲毛細管的外徑小于所述的總毛細管的內徑，所述的第二彎曲毛細管的外徑小于所述的第一彎曲毛細管的內徑，所述的第一彎曲毛細管設置在所述的總毛細管中，所述的第一彎曲毛細管的彎曲的一端從所述的總毛細管的進口端的側壁上穿出，所述的第一彎曲毛細管的另外一端從所述的總毛細管的出口端的中心穿出；所述的第二彎曲毛細管的直線段設置在所述的第一彎曲毛細管中，所述的第二彎曲毛細管的一端穿出所述的第一彎曲毛細管，所述的第二彎曲毛細管的彎曲部從所述的總毛細管的進口端的側壁上穿出，所述的第二彎曲毛細管的另外一端從所述的第一彎曲毛細管的出口端的穿出；所述的第二彎曲毛細管在所述的第一彎曲毛細管中部分的外側壁緊貼所述的第一彎曲毛細管的內側壁。

進一步的，所述的第一彎曲毛細管的另外一端穿出所述的總毛細管的出口端0.2 mm；所述的第二彎曲毛細管的另外一端穿出所述的第一毛細管的出口端0.2mm。

進一步的，所述的總毛細管的進口端設置有一個接口，所述的接口的外側壁上設置有螺旋形的加強筋，所述的第一彎曲毛細管和第二彎曲毛細管的彎曲部的外側壁上均設置有環形的凸起。

進一步的，所述的總毛細管的長度為70 mm；第一彎曲毛細管的長度為75 mm；第二彎曲毛細管的長度為80 mm；所述的總毛細管、第一彎曲毛細管和第二彎曲毛細管之間采用環氧樹脂膠粘一起并密封。

本發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、第一硅膠軟管、纖維接收板、高壓發生器、第二硅膠軟管，權利要求1所述的一種一鞘雙芯微流體控制噴頭，所述的第一注射器安裝在所述的第一注射泵內，所述的第一注射器和所述的一鞘雙芯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內，所述的第二注射器通過所述的第一硅膠軟管和所述的一鞘雙芯微流體控制噴頭連接，所述的第三注射器安裝在所述的第三注射泵內，所述的第三注射器通過所述的第二硅膠軟管和所述的一鞘雙芯微流體控制噴頭連接，所述的高壓發生器和所述的一鞘雙芯微流體控制噴頭連接，在所述的一鞘雙芯微流體控制噴頭的下端設置有纖維接收板。

本發明還提供了利用上述的電紡絲裝置制備一鞘雙芯結構納米纖維的方法，在第一注射器內加入第一種外鞘紡絲液體，第二注射器內加入第二種的內芯紡絲液體，第三注射器內加入第三種的內芯紡絲液體，通過高壓靜電場作用，即可制備出一鞘雙芯結構納米纖維。

進一步的，上述的制備一鞘雙芯結構納米纖維的方法，于包括如下步驟：

1)一個配制紡絲液的步驟：

i.第一紡絲液為質量百分比濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液；

ii.第二紡絲液為質量百分比濃度為13%的Eudragit E100的乙醇溶液；

iii.第三紡絲液為質量百分比濃度為13%的Eudragit L100的乙醇溶液；

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注射器中，然后開啟第一注射泵、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2ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量均為0.2 ml/h，開啟高壓發生器，調整纖維板接受距離為15 cm，將電壓升為15kV進行電紡，即得聚乙烯吡咯烷酮包裹Eudragit E100、Eudragit L100的一鞘雙芯結構納米纖維。

本發明在多次試驗的基礎上，遵循高壓電場下流體的行為特征和基本的自然規律，摸索出一種一鞘雙芯微流體控制噴頭，應用該噴頭組裝電紡裝置、實施電紡工藝，可以單步有效地制備出結構完整、尺寸均一的一鞘雙芯納米纖維，為新型結構納米功能材料的設計、制備以及大規模生產和應用提供可能。

本發明的紡絲原理是：微流體噴頭的一鞘雙芯結構為制備相應結構納米材料提供一個宏觀模版，在高壓靜電場下，完整的圓形外鞘總毛細管，有利于外鞘流體的均勻充電和全部流體在外鞘流體帶領下的均勻拉伸。另一方面，噴頭雙芯結構的設置有利于內芯兩股流體在電場內的拉伸過程中保持大面積的接觸，有效防止兩股流體的分裂。上述原理共同作用，確保高壓靜電場下，從宏觀模版到微觀結構納米纖維的準確“復制”。

本發明和已有技術相比，其技術進步是顯著的。本發明的紡絲方法應用簡單、操作方便、易于控制，在高壓電場下可以單步有效地制備出一鞘雙芯結構納米纖維，并且可以通過增多紡絲頭數量進行大規模放大生產。

附圖說明

圖1是本發明的一種一鞘雙芯微流體控制噴頭的整體外形示意圖，1-總毛細管、2-彎曲毛細管、3-彎曲毛細管、4-接口、5-環氧樹脂、6-環形凸起。

圖2是本發明的一種一鞘雙芯微流體控制噴頭的出口拍攝圖。

圖3是本發明的帶有一鞘雙芯微流體電噴頭的多射流電紡裝置的結構示意圖，7-高壓發生器、8-第一注射泵、9-第二注射泵、10-第三注射泵、11-一鞘雙芯微流體電噴頭、12-纖維接收板、13-第一高彈性硅膠軟管、14-第一注射器、15-第二注射器、16-第三注射器、17-第二高彈性硅膠軟管。

圖4是應用一鞘雙芯微流體電噴頭電紡裝置制備一鞘雙芯結構納米纖維的復合泰勒錐。

圖5是應用實施例所得一鞘雙芯結構納米纖維掃描電子顯微鏡電鏡圖；

圖6是應用實施例所得一鞘雙芯結構納米纖維透射電子顯微鏡電鏡圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

一種一鞘雙芯微流體控制噴頭，其結構示意圖如圖1所示，包括一個總毛細管1、第一彎曲毛細管2和第二彎曲毛細管3；所述的第一彎曲毛細管2的外徑小于所述的總毛細管1的內徑，所述的第二彎曲毛細管3的外徑小于所述的第一彎曲毛細管2的內徑，所述的第一彎曲毛細管2設置在所述的總毛細管1中，所述的第一彎曲毛細管2的彎曲的一端從所述的總毛細管1的進口端的側壁上穿出，所述的第一彎曲毛細管2的另外一端從所述的總毛細管1的出口端的中心穿出；所述的第二彎曲毛細管3的直線段設置在所述的第一彎曲毛細管2中，所述的第二彎曲毛細管3的一端穿出所述的第一彎曲毛細管2，所述的第二彎曲毛細管3的彎曲部從所述的總毛細管1的進口端的側壁上穿出，所述的第二彎曲毛細管3的另外一端從所述的第一彎曲毛細管2的出口端的穿出；所述的第二彎曲毛細管3的在所述的第一彎曲毛細管2中的中部分的外側壁緊貼所述的第一彎曲毛細管2的內側壁。

進一步的，所述的第二彎曲毛細管3和所述的第一彎曲毛細管2的連接處密封設置。

進一步的，所述的第一彎曲毛細管2的另外一端穿出所述的總毛細管1的出口端0.2 mm；所述的第二彎曲毛細管3的另外一端穿出所述的第一彎曲毛細管2的出口端0.2mm，其出口的正面和側面拍照圖樣如圖2所示。

總毛細管1長度70 mm，在其進口端設置有一個接口4，用以直接連接注射器，所述的接口4的外側壁上設置有螺旋形的加強筋；所述的接口4的內徑從外向內依次遞減；第一彎曲毛細管2長度75 mm；第二彎曲毛細管3長度80 mm；總毛細管1、第一彎曲毛細管2和第二彎曲毛細管3之間采用環氧樹脂5膠粘一起并密封。第一彎曲毛細管2和第二彎曲毛細管3的彎曲部的外側壁上均設置有環形的凸起6，用以連接高彈性硅膠軟管。

實施例2

一種應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，包括高壓發生器7、第一注射泵8、第二注射泵9、第三注射泵10、一鞘雙芯微流體電噴頭11、纖維接收板12、第一高彈性硅膠軟管13、第一注射器14、第二注射器15、第三注射器16、第二高彈性硅膠軟管13。

應用帶有一鞘雙芯微流體控制噴頭的電紡裝置對三股流體實施電紡，其具體步驟如下：第一注射器14安裝在第一注射泵8內，在注射器中14加入第一種外鞘紡絲液體，第一注射器14直接連接一鞘雙芯微流體控制噴頭11的接口。第二注射器15安裝在第二注射泵6內，在第二注射器15中加入第二種的內芯紡絲液體，紡絲液體通過第一高彈性硅膠軟管13導入一鞘雙芯微流體控制噴頭11的第一彎曲毛細管2中。第三注射器16安裝在第三注射泵10內，在第三注射器16中加入第三種的內芯紡絲液體，紡絲液體通過第二高彈性硅膠軟管17導入一鞘雙芯微流體控制噴頭11的第二彎曲毛細管3中。高壓發生器7和一鞘雙芯微流體控制噴頭11直接連接，在噴頭11下端設置有一個纖維接收板12，接受平板12為鋁箔包裹的硬紙板，該接受板接地。

應用實施例1

利用實施例2所述的一種應用該噴頭組裝的高壓靜電紡絲裝置實施電紡，以制備一鞘雙芯結構納米纖維，步驟如下：

1、紡絲液的配制

第一紡絲液，質量百分比濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)乙醇溶液，其配制方法如下：即將8g的PVP加入到92g的乙醇中，攪拌均勻即得質量百分比濃度為8%的PVP乙醇溶液；

第二紡絲液，質量百分比濃度為13%的Eudragit E100 的乙醇溶液，其配制方法如下：即將13 g的Eudragit E100加入到78g的乙醇中，攪拌均勻即得質量百分比濃度為13%的Eudragit E100溶液；

第三紡絲液，質量百分比濃度為13%的Eudragit L100 的乙醇溶液，其配制方法如下：即將13 g的Eudragit L100加入到78g的乙醇中，攪拌均勻即得質量百分比濃度為13%的Eudragit L100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注射器中，按實施例2進行連接，然后開啟第一注射泵8、第二注射泵9和第三注射泵10；

3、控制第一注射器14的鞘液流量為2 ml/h，控制第二注射器15和第三注射器16的芯液流量均為0.2 ml/h開啟高壓發生器7，調整纖維板12接受距離為15 cm，將電壓升為15kV進行電紡，制備過程中產生的一鞘雙芯復合結構泰勒錐如圖4所示。

應用實施例2

采用場掃描電鏡對應用實施例1所制備的一鞘雙芯結構納米纖維進行表面噴金后觀察，結果如圖5所示。所制備的一鞘雙芯結構納米纖維收集均勻并呈現良好的線性狀態，直徑為 670 ± 120 nm。采用高分辨透射電子顯微鏡對所制備一鞘雙芯結構納米纖維進行觀察，結果如圖6所示，納米纖維的一鞘雙芯結構清晰。

以上所述僅是本發明的實施方式的舉例，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。