[发明专利]一种有序排列和交叉结构纳米纤维的制备装置

说明书

技术领域：

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种制备可用于纳米电子器件和光学器件的有序排列和交叉结构纳米纤维的低压离心静电纺丝装置。

背景技术：

静电纺丝是一种简便易行、可直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法，其突出的优点是设备和实验成本较低，纤维产率较高，制备出的纤维比表面积较大(纤维直径在几个纳米到几个微米的范围内)，并且适用于许多不同种类的材料，静电纺丝纳米纤维在民用、军事等诸多领域具有广泛的潜在应用。静电纺丝的原理和设备简单，高压电源提供高压，正极接在注射器(纺丝溶液容器)的不锈钢针头上，负极(接地)接在作为收集板的铝箔上。所施加的电压一般在7～30kV之间，针头到收集极的距离(工作距离)一般为8～20cm。实验时，将纺丝溶液装入注射器内，并加上高电压；由于高压电场的作用，纺液在针头处形成“泰勒锥”，当电场力克服表面张力后，“泰勒锥”纺液形成被极化的纤维射流，朝收集板的方向快速移动，在高压电场中，纤维射流被拉伸细化或发生劈裂，同时溶剂快速挥发，在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维。

现有的静电纺丝得到的纳米纤维是以无纺布形式存在的，纤维排列十分凌乱，这给一些实际应用带来了不小的困难。近年来，很多科研人员致力于改进传统静电纺丝装置以制备有序排列结构的纳米纤维；圆筒(滚筒)收集、狭缝收集、辅助外电场或磁场收集、框架收集等不同方法和技术被陆续提出和报道，如，中国专利申请的“静电纺丝装置”(申请号：200720067712.0)和“静电纺丝仪”(申请号：200610125960.6)采用了圆筒收集，是目前比较常用的制备有序排列纳米纤维的收集方法；Tan等(Chinese Physics Letters，2008，25(8)，3067-3070)采用狭缝式收集和台阶式收集得到了有序排列的电纺纤维；Yang等(Advanced Materials，2007，19，3702-3706)则公开了一种磁场静电纺丝技术来使纳米纤维有序排列。然而，已报道的这些方法共同缺点是纤维的有序度不够高，或者是实验条件比较苛刻，其所施加的工作电压比较高。

目前，离心技术在实验中也经常被用到，例如，spin-coating就是利用离心力来制备均匀薄膜的一种技术(或设备)，目前已被实验室广泛使用；还有一种比较常见的离心设备就是在生物、医药、化学等领域广泛应用的离心机，其工作原理就是利用离心力将溶液中的某些成分分离出来；中国专利申请的“熔体和溶液离心纺丝制备非织造物的装置”(申请号：200710306660.2)就是利用离心力来制备聚合物纤维，其制备的纤维直径比较大且分布范围较广，直径一般在10m以上。据检索，目前将静电纺丝技术与离心纺丝技术结合起来的技术方法和设备尚未见成熟之报道，寻求一种低压离心静电纺丝技术，采用电压较低，能制备有序排列和交叉结构的纳米纤维，并进而制备纳米电子器件和光学器件的技术方法和设备装置具有重要的科学意义和广泛的应用前景。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计制备一种采用低压离心静电纺丝技术实现制备有序排列和交叉结构纳米纤维的装置。

为了实现上述发明目的，本发明设计的制备有序排列微纳米纤维的低压离心静电纺丝装置主体结构包括纺丝溶液容器(注射器)、经过加工的中空不锈钢针、绝缘旋转盘、金属杆、绝缘支撑体、旋转轴、转速可控的旋转电机、转速控制面板、高压电源或电压控制面板、环形金属收集极、接地、装置电源插头和金属导线；先将带有经过加工的中空不锈钢针的纺丝溶液容器(注射器)固定在绝缘旋转盘上侧，转速可控的旋转电机的旋转轴通过绝缘支撑体与绝缘旋转盘连在一起并带动其旋转，为了便于将经过加工的中空不锈钢针连接高压电源的正极，在绝缘旋转盘的圆心处固定一根与旋转轴共轴的金属杆，将金属杆用金属导线与经过加工的中空不锈钢针相连通；电机的转速控制面板和高压电源或电压控制面板集成到一起；转速控制面板和高压电源或电压控制面板均有各自的电源开关和调节旋钮，以控制实验参数；高压电源的正极与金属杆相连，负极与环形金属收集极相连并与接地相连接。