[发明专利]一种无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法

说明书

技术领域

本发明属于同轴静电纺丝领域，特别涉及一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法。

背景技术

静电纺丝技术是目前制造纳米纤维的一种简单可行方法，其设备简单、操作容易、制备成本低，得到了学术界和工业界的广泛关注。采用静电纺丝技术制备的纳米纤维直径较小，具有很高的比表面积及孔隙率，这些优异的特性使纳米纤维在生物医学、过滤防护、能源、催化、传感材料、吸声材料等应用中发挥着重要作用。

传统的静电纺丝技术使用单一的毛细针管作为喷丝头，通常仅能制备单一结构的纳米纤维。为了发挥纳米纤维的潜在应用价值，在传统静电纺丝技术的基础上，通过改进传统静电纺丝装置，将单一的毛细管喷丝口改进为同心轴配置的复合毛细管喷丝头，即由同轴配置的两个毛细管相互嵌套而成。同轴电纺时，将壳层和芯层纺丝溶液分别由两个不同的注射泵进行供液，在高压静电场作用下，能够获得具有功能化的核壳结构纳米纤维。当芯层溶液载入生物、光学等活性物质后，核壳结构纳米纤维将在组织工程、药物缓释、催化等领域具有广阔的潜在应用价值。

目前对于同轴静电纺丝的研究已取得了一定的突破，但该技术仍停留在实验室阶段。传统同轴静电纺丝装置的生产效率较低，是这种技术从实验室走向产业化生产和应用的最大障碍。目前对于静电纺丝纳米纤维规模化制备的研究仅限于制备单一结构的纳米纤维，尚未有用于规模化制备核壳结构纳米纤维的规模化同轴静电纺丝装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高效无针式同轴静电纺丝装置及纺丝方法，该纺丝装置避免了传统同轴静电纺丝技术容易产生的堵塞现象，容易清洗，稳定性好，而且该纺丝装置能够实现核壳纳米纤维的批量化生产，大幅提高生产效率。

本发明的一种高效无针式同轴静电纺丝装置，包括阶梯状无针式喷丝头、供液系统、溶液回收槽、接收装置以及高压静电发生器五部分，所述的阶梯状无针式喷丝头上方设有所述的接收装置，所述的阶梯状无针式喷丝头底部放置有溶液回收槽，所述的阶梯状无针式喷丝头下方设有与高压发生器相连的接线柱；

所述的阶梯状无针式喷丝头中心为一空心处，所述的供液系统的输出端置入所述的阶梯状无针式喷丝头的空心处；所述的阶梯状无针式喷丝头为圆形阶梯状，具有三层结构，从顶层至底层的直径逐渐增大，每层边缘内侧与水平成45°，外侧与水平成60°。

所述的空心处为圆柱形，其轴线与所述的阶梯状无针式喷丝头的中轴线重合，空心处含有内、外两根直径不同的导管，其中内管与外管同轴配置，所述外管直径与圆柱形空心处的直径相同，内管直径为外管直径的1/2，外管顶端高度与所述阶梯状无针式喷丝头顶层边缘相同，内管顶端高度高于所述阶梯状无针式喷丝头顶层边缘3-4mm。

所述的供液系统包括两套供液装置，其中第一供液装置和第二供液装置分别装有芯层和壳层纺丝溶液，且第一供液装置和第二供液装置的输出端分别与所述阶梯状无针式喷丝头中心处内外管相连。

所述的两套供液装置的组成相同，均包括储液容器、绝缘棒、推进器；所述推进器控制纺丝溶液的流速，所述的推进器通过绝缘棒与储液容器相连。

所述的阶梯状无针式喷丝头从顶层至底层的直径依次为65mm、85mm、105mm，每层之间的高度差为10mm，边缘厚度为1mm。

所述的溶液回收槽采用绝缘材质制成，放置于所述的阶梯状无针式喷丝头底部，以便对过量的纺丝液进行回收。

所述的溶液回收槽采用有机玻璃制备。

本发明的一种静电纺丝方法，该方法采用上述的高效无针式同轴静电纺丝装置进行静电纺丝。

上述静电纺丝的具体步骤包括：

将梯状无针式喷丝头上的接线柱连接高压发生器正电极；推进器通过绝缘棒推动水平放置的储液容器，向梯状无针式喷丝头中持续供应壳层和芯层聚合物纺丝溶液，开始静电纺丝，通过收集板收集，形成核壳结构纳米纤维。

本发明中推进器通过绝缘棒推动储液容器向梯状无针式喷丝头中持续供应壳层和芯层聚合物纺丝溶液，壳层溶液覆盖在芯层溶液上面，纺丝溶液从梯状无针式喷丝头的顶层沿梯状无针式喷丝头表面至上而下流入下一层，最终使梯状无针式喷丝头的每一层边缘都覆盖有均匀的壳层和芯层纺丝溶液；当电压达到一定值时，电场力将克服纺丝溶液自身的表面张力而形成许多泰勒锥，在梯状无针式喷丝头每一层边缘处形成大量同轴射流，通过收集板收集，形成核壳结构纳米纤维。