本發明屬于納米纖維制備技術領域，涉及一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法。

背景技術：

靜電紡絲技術是由Formhals在1934年一系列專利中首次提出。該技術能夠快速、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用。然而，在早期研究中，人們發現靜電紡絲射流的高速鞭動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用。例如在組織支架、電子器件、光學設備等領域，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.報道了一種在絕緣基質上放置兩塊金質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沉積。在平行板電極法的基礎上，文獻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，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，強化了含磁性粒子納米纖維的定向排列，擴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。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服現有技術缺陷，發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，對紡絲液噴射流的運動方向進行控制，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、操作簡單等優點。

本發明采取的技術方案是：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，對紡絲液噴射流的運動方向進行控制，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過送液管勻速地推進到噴絲頭，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，每隔固定時間，將收集板轉換不同的角度，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軸向上下運動以調整輔助極板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；調整時要保證輔助極板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；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10進行電氣隔離；噴絲頭11通過送液管5與微量泵6連接；調整噴絲頭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的正極通過正極導線3連接噴絲針頭11，電源1接地端通過接地導線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

在實驗過程中，實驗溫度為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；微量泵6將溶液經過送液管5勻速地推進到噴絲頭11處，推進速度為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之間沿著電場線運動，一部分納米纖維沿著電場線落到輔助極板4上，呈現雜亂納米纖維膜狀態，還有一部分納米纖維沿著電場線運動到固定接收板12上，也呈現雜亂納米纖維膜形態，其余納米纖維頭部受到輔助極板4電場力的作用，尾部受到固定接收板12電場力的作用，懸置在兩塊極板之間；懸置的定向納米纖維首先出現在輔助極板4邊緣，邊緣排列滿后，后續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間，將收集板轉換不同的角度，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。

本發明的顯著效果是：應用本發明提供的一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法進行定向納米纖維的制備，具有纖維定向性好、長度可調、可獲得空間定向排列纖維陣列等優點，提高了定向納米纖維紡絲效率和紡絲質量。

附圖說明

圖1是本發明制備定向纖維的靜電紡絲裝置的示意圖，其中：1-電源，2-接地導線，3-正極導線，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，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分布的仿真結果，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掃描電鏡照片，圖9是使用本發明在固定接收板上收集的雜亂聚乙烯醇納米纖維膜狀態掃描電鏡照片。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細說明本發明的實施。

圖1是本發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軸向上下運動以調整輔助極板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；調整時要保證輔助極板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；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10進行電氣隔離；噴絲頭11通過送液管5與微量泵6連接；調整噴絲頭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的正極通過正極導線3連接噴絲針頭11，電源1接地端通過接地導線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

在實驗過程中，實驗溫度是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內徑為0.05mm。

配制紡絲液，實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，微量泵6將溶液經過送液管5勻速地推進到噴絲頭11處，推進速度為0.1ul/min。電源1接地端通過接地導線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分布的仿真結果，圖中表示出一部分聚乙烯醇納米纖維沿著電場線落到輔助極板4上，呈現如附圖8所示的雜亂納米纖維膜狀態，還有一部分納米纖維沿著電場線運動到固定接收板12上，也呈現如附圖9所示的雜亂納米纖維膜形態。其余納米纖維頭部受到輔助極板4電場力的作用，尾部受到固定接收板12電場力的作用，懸置在兩塊極板之間；懸置的定向納米纖維首先出現在輔助極板4邊緣，邊緣排列滿后，后續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。實驗進行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。

本發明一種制備定向納米纖維的靜電紡絲方法，實現了在設定實驗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、收集方便的優點，為大規模制備定向納米纖維提供了新的技術途徑。