技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種多級偏心套管的微流體控制噴頭、一種帶有多級偏心套管的微流體控制噴頭的多流體電紡裝置，和利用該裝置進(jìn)行電紡單步制備多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維的方法。

背景技術(shù)：

高壓靜電紡絲技術(shù)（簡稱電紡）是一種自上而下 (top-down) 的納米制造技術(shù)，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(nèi)被牽伸千萬倍，經(jīng)溶劑揮發(fā)或熔體冷卻在接收端得到納米級纖維。該技術(shù)工藝過程簡單、操控方便、選擇材料范圍廣泛、可控性強(qiáng)、并且可以通過噴頭設(shè)計制備具有微觀結(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)勢是可以通過紡絲頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計和變換，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)合成方法不可能實現(xiàn)的。最常見的是使用同軸毛細(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，并且通過纖維的結(jié)構(gòu)特征去設(shè)計它們的功能既是納米科技的研究熱點、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)明在多次試驗的基礎(chǔ)上，遵循高壓電場下流體的行為特征和基本的自然規(guī)律，摸索出一種多級偏心套管的微流體控制噴頭，應(yīng)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(jié)構(gòu)完整、尺寸均一的多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維，為新型結(jié)構(gòu)納米功能材料的設(shè)計、制備以及大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多級偏心套管的微流體控制噴頭、紡絲裝置及紡絲方法，所述的這種多級偏心套管的微流體控制噴頭、紡絲裝置及紡絲方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中制備多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維的工藝復(fù)雜的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種多級偏心套管的微流體控制噴頭，一種多級偏心套管的微流體控制噴頭，其特征在于：包括一個總毛細(xì)管、一個第一彎曲毛細(xì)管和一個第二彎曲毛細(xì)管；所述的總毛細(xì)管出口端的截面為橢圓型；所述的第一彎曲毛細(xì)管包括一個第一直線段和一個第一彎折部，所述的第一直線段設(shè)置在所述的總毛細(xì)管中，所述的第一直線段的外側(cè)壁緊貼所述的總毛細(xì)管的內(nèi)側(cè)壁，第一彎曲毛細(xì)管的彎折部從總毛細(xì)管的一個側(cè)面穿出，所述的第一彎曲毛細(xì)管的出口端伸出總毛細(xì)管的出口端；所述的第二彎曲毛細(xì)管包括一個第二直線段和一個第二彎折部，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，所述的第二彎折部從所述的總毛細(xì)管的另外一個側(cè)面穿出，所述的第二直線段的外側(cè)壁緊貼所述的第一直線段靠近總毛細(xì)管一側(cè)的內(nèi)側(cè)壁。

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0.2 mm，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0.2 mm。

進(jìn)一步的，所述的總毛細(xì)管的長度為70 mm，所述的總毛細(xì)管的進(jìn)口端設(shè)置有一個接口，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)管的長度為60 mm；所述的第二彎曲毛細(xì)管的長度為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)生器和權(quán)利要求1所述的多級偏心套管的微流體控制噴頭，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一根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第二根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多級偏心套管的結(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，通過高壓靜電場作用，即可單步有效地制備出多級偏心套管的結(jié)構(gòu)納米纖維。

進(jìn)一步的，上述的制備多級偏心套管的結(jié)構(gòu)納米纖維的方法，包括如下步驟：

1）一個配制紡絲液的步驟，第一紡絲液為質(zhì)量百分比濃度為13%Eudragit L100和0.2%磷鎢酸的乙醇溶液；第二紡絲液為質(zhì)量百分比濃度為13%Eudragit E100 和1%磷鎢酸的乙醇懸浮液；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1.5 ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量分別為0.3和0.5 ml/h開啟高壓發(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，即得多級偏心套管的結(jié)構(gòu)納米纖維。

本發(fā)明的原理是：多級偏心套管的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)納米材料提供一個宏觀模版，在高壓靜電場下，通過高壓靜電場與流體的相互作用，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，噴頭出口多級偏心套管的流體在高壓電場下組成一個橢圓型完整曲線閉合結(jié)構(gòu)，這個閉合結(jié)構(gòu)一方面有利于高壓電場對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，確保高壓靜電場下，從宏觀模版到微觀三級排列結(jié)構(gòu)特征納米纖維的準(zhǔn)確“復(fù)制”。

本發(fā)明的多級偏心套管的高壓靜電紡絲方法應(yīng)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多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維，并且可以通過增多紡絲頭數(shù)量進(jìn)行大規(guī)模放大生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種多級偏心套管的微流體電噴頭的結(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)氧樹脂。

圖2是本發(fā)明的一種多級偏心套管的微流體電噴頭的出口拍攝圖。

圖3是含有本發(fā)明的多級偏心套管的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-多級偏心套管的微流體電噴頭、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)用實施例所得多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維掃描電子顯微鏡電鏡圖；

圖5是應(yīng)用實施例所得多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維透射電子顯微鏡電鏡圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(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)人員可以對本發(fā)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(quán)利要求書所限定的范圍。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種多級偏心套管的微流體控制噴頭，包括一個總毛細(xì)管1、一個第一彎曲毛細(xì)管2和一個第二彎曲毛細(xì)管3。

所述的總毛細(xì)管1出口端的截面為橢圓型；所述的第一彎曲毛細(xì)管2包括一個第一直線段和一個第一彎折部，所述的第一直線段設(shè)置在所述的總毛細(xì)管1中，所述的第一直線段的外側(cè)壁緊貼所述的總毛細(xì)管1的內(nèi)側(cè)壁，第一彎曲毛細(xì)管2的彎折部從總毛細(xì)管1的一個側(cè)面穿出，所述的第一彎曲毛細(xì)管2的出口端伸出總毛細(xì)管1的出口端；

所述的第二彎曲毛細(xì)管3包括一個第二直線段和一個第二彎折部，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2的出口端伸出，所述的第二彎折部從所述的總毛細(xì)管1的另外一個側(cè)面穿出，所述的第二直線段的外側(cè)壁緊貼所述的第一直線段靠近總毛細(xì)管1一側(cè)的內(nèi)側(cè)壁。

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的長度為70 mm，所述的總毛細(xì)管1的進(jìn)口端設(shè)置有一個接口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的長度為60 mm；所述的第二彎曲毛細(xì)管3的長度為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相鏈接處均采用環(huán)氧樹脂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。

實施例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-多級偏心套管的微流體電噴頭、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)用帶有多級偏心套管的微流體控制噴頭的電紡裝置對三股流體實施電紡制備，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直接連接多級偏心套管的微流體控制噴頭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，紡絲液體通過第一高彈性硅膠軟管16導(dǎo)入多級偏心套管的微流體控制噴頭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，紡絲液體通過第二高彈性硅膠軟管17導(dǎo)入多級偏心套管的微流體控制噴頭11的彎曲毛細(xì)管3中。高壓發(fā)生器7和多級偏心套管的微流體控制噴頭11通過導(dǎo)線直接連接，在噴頭11下端設(shè)置有一個纖維接收板12，接受距離為15 cm，接受平板12為鋁箔包裹的硬紙板，該接受板接地。

應(yīng)用實施例1

利用實施例2所述的一種應(yīng)用該噴頭組裝的高壓靜電紡絲裝置實施電紡，以制備多級偏心套管的結(jié)構(gòu)納米纖維，步驟如下：

（1）、紡絲液的配制

第一紡絲液，第一紡絲液為質(zhì)量百分比濃度為13%Eudragit L100和0.2%磷鎢酸的乙醇溶液；其配制方法如下：即將13 g的Eudragit E100和0.2 g的磷鎢酸加入到76.8 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0.2%磷鎢酸的乙醇溶液；

第二紡絲液，第一紡絲液為質(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1g 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% Eudragit E100 和1%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；

（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1.5 ml/h，控制第二和第三注射器的芯液流量分別為0.3和0.5 ml/h開啟高壓發(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，即得多級并列結(jié)構(gòu)納米纖維。

應(yīng)用實施例2

采用場掃描電鏡對應(yīng)用實施例1所制備的多級偏心套管的結(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。所制備的多級并列結(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 ± 130 nm。采用高分辨透射電子顯微鏡對所制備多級偏心套管的結(jié)構(gòu)納米纖維進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示，納米纖維的左中右多級并列結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)清晰，中間部分因為含有更多的磷鎢酸而呈現(xiàn)更大的灰度。

以上所述僅是本發(fā)明的實施方式的舉例，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，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。