技術領域

本發明材料學領域，涉及一種聚合物超細顆粒的制備裝置和方法，具體來說是一種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧方法及裝置。

背景技術：

高壓靜電噴霧技術是一種自上而下(top-down)的微納米制造技術，該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，被霧化后的液體由于巨大的表面積，溶劑迅速揮發，聚合物溶質被干燥成細小的微納米顆粒。該技術工藝過程簡單、操控方便、選擇聚合物材料范圍廣泛、可控性強、能夠實現連續工業化生產，應用該技術制備功能微納米顆粒具有良好的前景。

但是到目前為止，幾乎所有文獻報道的電噴工藝都是在大氣環境下進行的。

技術實現要素：

針對現有技術中的上述技術問題，本發明提供了一種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧方法及裝置，所述的這種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧方法及裝置要解決現有技術中的普通高壓靜電噴霧技術制備的聚合物顆粒質量低下、聚合物顆粒太大、形狀扁平、表面皺紋多、大小分布不均勻、衛星顆粒多的技術問題。

本發明提供了一種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧方法，其特征在于包括如下步驟：

1)采用聚合物稀釋溶液為芯部工作流體；

2)采用易揮發且與芯部流體具有相容性的單一溶劑或混合溶劑為外鞘環流工作流體；

3)控制步驟1和步驟2）的流體進入一個同軸噴頭，所述的同軸噴頭通過導線與高壓靜電場連接，在高壓靜電的作用下，同軸噴頭電噴產生微納米顆粒，微納米顆粒采用鋁箔包裹紙板接收。

本發明提供了實現上述方法的一種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧裝置，包括高壓發生器、第一軸流泵、第二軸流泵、同軸噴頭、接收板、高彈性硅膠軟管，所述的第一軸流泵和一個第一注射器連接，所述的第一注射器通過所述的高彈性硅膠軟管和所述的同軸噴頭連接，所述的第二軸流泵和一個第二注射器連接，所述的第二注射器和所述的同軸噴頭連接，所述的高壓發生器和所述的同軸噴頭連接，所述的同軸噴頭下端設置有一個接收板。

所述的第一注射器中含有芯部工作流體，所述的芯部工作流體為聚合物稀溶液，具體為乙基纖維素粉末的無水乙醇溶液、或者聚乙烯吡咯烷酮K10粉末的無水乙醇溶液。

所述的第二注射器中含有外鞘環流工作流體，所述的外鞘環流工作流體是指與芯部流體具有相容性的單一溶劑或混合溶劑，具體為丙酮和乙醇的體積比為50%:50%的混合溶劑。

本發明采用聚合物稀溶液為芯液軸流注射泵中的工作流體，采用易揮發且與芯部流體相容性好的單一溶劑或混合溶劑為外鞘環流工作流體。采用同軸噴頭引導雙流體進入高壓靜電場，高壓靜電場通過導線以鱷魚鉗的方法與噴頭直接相連，芯鞘流量通過兩臺軸流泵分別控制，采用鋁箔包裹紙板接收電噴產生微納米顆粒。

由于在高壓靜電噴霧的快速干燥過程中，表面溶劑極其容易揮發，常常導致霧化液滴表面的預先過早干燥，阻止接受的顆粒內部溶劑的完全揮發。這些不能及時揮發的溶劑的隨后揮發和大氣壓的共同作用，導致這些傳統電噴顆粒質量低下，聚合物顆粒大、形狀扁平、表面皺紋多、大小分布不均勻、衛星顆粒多等缺陷。對于該問題的解決，目前還未發現直接相關的針對性研究報道。本發明通過在電噴過程中增加一個易揮發且與芯部流體具有相容性的單一溶劑或混合溶劑為外鞘環流工作流體，能夠有效阻止霧化液滴表面的預先過早干燥，從而引導液滴內部溶劑在電噴過程中及時地、均勻地揮發完全，制備出高質量聚合物納米顆粒。

本發明的一種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧裝置，可以制備出直徑小、尺寸分布均勻、形狀圓整而且表面光滑的高質量聚合物納米顆粒，適合于工業擴大化生產。

本發明和已有技術相比，其技術進步是顯著的。本發明制備工藝簡單，適合于工業化生產；本發明能夠有效調控高壓靜電噴霧干燥過程中芯部目標流體的干燥行為、實現內外流體相對均勻地同步干燥；本發明所制得的聚合物納米顆粒尺寸小而均勻、形狀圓整而表面光滑、沒有或很少衛星顆粒。

附圖說明

圖1是溶劑環流同軸靜電噴霧工藝裝置圖。1-高壓發生器；2-芯液軸流注射泵；3-鞘液軸流注射泵；4-同軸噴頭；5-接收板；6-高彈性硅膠軟管。

圖2 是通過普通電噴霧工藝從質量濃度為10%的乙基纖維素溶液中制備的顆粒。

圖3是通過普通電噴霧工藝從質量濃度為10%的乙基纖維素溶液中制備的顆粒的尺寸大小分布圖。

圖4 是以質量濃度為10%的乙基纖維素溶液為芯液，以二氯甲烷純溶劑為鞘液，實施溶劑環流同軸靜電噴霧工藝過程觀察。

圖5 是以質量濃度為10%的乙基纖維素溶液為芯液，以二氯甲烷純溶劑為鞘液，采用本方法的劑環流同軸靜電噴霧工藝所制備的高質量顆粒。

圖6 是通過溶劑環流同軸靜電噴霧工藝為從10%的乙基纖維素溶液中制備的顆粒的尺寸大小分布圖。

圖7是通過普通電噴霧工藝從質量濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液中制備的顆粒。

圖8 是通過普通電噴霧工藝從質量濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液中制備的顆粒的尺寸大小分布圖。

圖9 是以質量濃度為質量濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液為芯液，以丙酮和乙醇的體積比為50%:50%的混合溶劑為鞘液，采用本方法的劑環流同軸靜電噴霧工藝所制備的高質量顆粒。

圖10 是通過溶劑環流同軸靜電噴霧工藝為從8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液中制備的顆粒的尺寸大小分布圖。

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 溶劑環流同軸高壓靜電噴霧裝置

如圖1，本發明的一種溶劑環流同軸高壓靜電噴霧裝置，包括高壓發生器1；第一軸流泵2、第二軸流泵3、同軸噴頭4、接收板5、高彈性硅膠軟管6組成，所述的第一軸流泵2和一個第一注射器7連接，所述第一注射器7通過所述的高彈性硅膠軟管6和所述的同軸噴頭4連接，所述的第二軸流泵3和一個第二注射器8連接，所述第二注射器8和所述的同軸噴頭4連接，所述的高壓發生器1和所述的同軸噴頭4連接，所述的同軸噴頭4下端設置有一個接收板5。

上述的高壓發生器1；第一軸流泵2、第二軸流泵3、同軸噴頭4、接收板5、高彈性硅膠軟管6、第一注射器7、第二注射器8都可以通過市場購買獲得。

所述的第一注射器7中的芯液通過高彈性硅膠管6，通過第一軸流泵輸入到同軸噴頭4中。所述的第二注射器8中的鞘液通過第二軸流泵輸入到同軸噴頭4中。

所述的高壓發生器1與同軸噴頭4之間通過導線以鱷魚鉗的方式相連。

芯鞘流量比通過兩臺軸流注射泵控制調控。采用鋁箔包裹的紙板接收高壓靜電噴霧所制備的超細微粒，接收板接地。

實施例2

通過普通電噴霧工藝利用質量濃度為10%的乙基纖維素溶液制備顆粒

將10.0 g 的乙基纖維素粉末在常溫下溶解于90.0g 無水乙醇中，然后在搖床中振搖成均勻透明電噴霧工作流體。在高壓同軸靜電噴霧裝置中，關閉鞘液泵，采用10毫升注射器將上述溶液固定在第一軸流泵2上，開啟第一軸流泵2，流速為1.0mL/h。當有液滴均勻從噴頭口滴出的時候，啟動高壓靜電發生器。在施加電壓為15 kV，接受距離為20 cm的工作狀況下，所制備的乙基纖維素顆粒如圖2所示。這些顆粒表面凸凹不平，大小不均一，還有較多的衛星顆粒出現。對顆粒直徑進行統計，結果如圖3所示，平均直徑為2.14 ± 0.83 μm。

實施例3

通過溶劑環流同軸高壓靜電噴霧裝置利用質量濃度為10%的乙基纖維素溶液制備顆粒

在上述實施例2的工況下，啟動第二軸流泵3，調控第二注射器8中的外鞘環流工作流體（即丙酮和乙醇的體積比為50%:50%的混合溶劑）的流量為0.2 mL/h，其它條件不變（芯液流量1.0mL/h，施加電壓15kV，接受距離20cm）通過放大拍攝，結果如圖4所示，整個溶劑環流高壓靜電噴霧過程均勻穩定。所制備的乙基纖維素顆粒如圖5所示。這些顆粒圓整、大小均勻、顆粒表面光滑，衛星顆粒很少。對顆粒直徑進行統計，結果如圖6所示，平均直徑為0.75 ± 0.16 μm。相比于上述實施例2的乙基纖維素顆粒，采用溶劑環流工藝制備的顆粒直徑只有三分之一左右，顆粒直徑分布集中，反映顆粒大小均勻度高。

實施例4

通過普通電噴霧裝置將質量濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液制備顆粒

將8.0 g 的聚乙烯吡咯烷酮K10粉末在常溫下溶解于92.0g 無水乙醇中，然后在搖床中振搖成均勻透明電噴霧工作流體。在高壓同軸靜電噴霧裝置中，關閉第二軸流泵3，采用10毫升注射器將上述溶液固定在第一軸流泵2上，開啟第一軸流泵2，流速為2.0 mL/h。當有液滴均勻從噴頭口滴出的時候，啟動高壓靜電發生器。在施加電壓為12 kV，接受距離為20 cm的工作狀況下，所制備的聚乙烯吡咯烷酮顆粒如圖7所示。這些顆粒不圓整、大小不均一、表面不光滑，衛星顆粒很多。對顆粒直徑進行統計，結果如圖8所示，平均直徑為1.71 ± 0.78 μm。

實施例5

通過溶劑環流同軸靜電噴霧裝置將質量濃度為8%的聚乙烯吡咯烷酮K10溶液制備顆粒

在上述實施例4的工況下，啟動第二軸流泵3，調控第二注射器8中的外鞘環流工作流體（即丙酮和乙醇的體積比為50%:50%的混合溶劑）的流量為0.5 mL/h，其它條件不變（芯液流量2.0mL/h，施加電壓12kV，接受距離20cm，整個溶劑環流高壓靜電噴霧過程均勻穩定。所制備的聚乙烯吡咯烷酮顆粒如圖9所示。這些顆粒圓整、大小均一、表面光滑、幾乎沒有衛星顆粒。對顆粒直徑進行統計，結果如圖10所示，平均直徑為0.71 ± 0.13 μm。相比于上述實施例4的聚乙烯吡咯烷酮顆粒，采用溶劑環流工藝制備的顆粒直徑只有二分之一還不到，顆粒直徑分布集中，反映顆粒大小均勻度高。