[发明专利]一种在共轭电纺法下对复合纳米纤维直径精确控制的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种共轭电纺法精确控制复合纳米纤维直径的方法。 

背景技术

纳米纤维作为一种纳米级材料，由于其尺寸较少而具有许多新颖的性质，如高比表面积、很强的活性、低孔隙率、不同纳米层级之间的自由组装等。近几年，静电纺丝法已经被用来制备聚合物纳米纤维，这种方法不仅高效且低廉。它的过程是通过在电场下，控制聚合物纳米纤维的形成和沉积，得到直径从纳米级到微米级的电纺纤维。但是，为了提高其在薄膜产业的应用，特别是提高纳米纤维薄膜的机械强度和结构这两方面，存在许多技术问题需要解决，例如，精确控制纤维尺寸和纳米纤维的取向分布。在纤维取向性方面，改造收集装置和外加附加电场是两种主要得到纤维取向分布的方法。Fennessey和Farrisshowed发现把手机装置由导电平板换成一个高速旋转的滚筒，可以得到取向性很好地纤维分布。Kim等设计了一个由两块导电隔板组成的中间有空隙的的收集装置，结果收集到的纳米纤维沿着空隙的方向形成取向分布。然而，考虑到精确控制纤维尺寸方面，进展十分缓慢。在单针头静电纺丝系统中，由于带电射流在电场力的作用下被拉向收集器，即沿着电场力的方向，加速形成纳米纤维。然而，由于空气阻力和溶剂的蒸发，射流的路径是不稳定和随机的。因此，对电纺过程中纳米纤维直径的精确控制一直以来是限制静电纺丝产业化的重要因素。纳米纤维直径和操作参数之间很难建立精确地数学关系，目前为止只有依靠一些经验公式，例如，Deitzel等提出的经验公式和Baumgarten提出的这里D为纳米纤维平均直径，C和η分别为聚合物溶液的浓度和粘度，且这些经验公式一般用于单针头电纺。当带电射流通过电场加速时，由于空气阻力的影响，使得射流极其不稳定且不可预测，最终造成难以对纳米纤维直径进行精确控制。 

相反的，这些弊端在共轭纺丝中不会出现，带相反电荷的两股射流在复合时电荷互相抵消，然后合并为一条射流，由于其不带电，故不受电场力作用，仅在重力作用下下沉。当其被滚筒捕获到时，其速度由滚筒控制。因此，共轭法静电纺丝提供了一种对纳米纤维直径进行精确控制的模型。Li和Yao发明了一种新型的共轭电纺方法。在这种 方法中，两个带相反极性的注射器面对面的放置，然后分别注入PLLA和n-TCP溶液，进行电纺得到连续的纳米长纱。与传统的单针头装置相比，这种装置有几个特殊的地方，例如，电场强度分布、正反电荷的相互作用、射流轨迹的变化等。从理论上来说，由于从不同针管出来的射流带有相反的电荷，所以两股射流会相互吸引且最终在空中运动过程中合并在一起形成复合纤维。此外，复合纤维由于电荷相互中和和速度相互抵消，变为不带电的、速度为零的射流，所以复合纤维在电场下将转化为简单的依靠重力的运动。这种形式的纳米纤维形成过程类似于工业上聚对苯二甲酯乙二醇酯(PET)通过熔融纺丝形成的纤维。因此，这种共轭电纺提供一种电纺工业化的可行性，例如，首先形成复合的纳米纤维，然后当滚筒在取向收集纳米纤维时，通过改变滚筒转速来控制纤维直径。然而，仅通过滚筒单一参数并不能很精确的控制纤维直径，制得的纳米纤维质量并不稳定。 

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在共轭电纺法下对复合纳米纤维直径精确控制的方法。 

技术方案：本发明提供的一种在共轭电纺法下对复合纳米纤维直径精确控制的方法，包括以下步骤：以聚苯乙烯基磺酸钠(PNaSS)作为阳离子交换单元，以PVA作为阳离子交换单元的基质，配制阳离子纺丝液；以聚4-乙烯基吡啶(P4VP)作为阴离子交换单元，以PVA作为阴离子交换单元的基质，配制阴离子纺丝液；通过精确控制收集器速度以及阳离子和阴离子的纺丝液密度、共混聚合密度、溶液质量密度、注射泵速率、从泰勒锥中喷射出的射流束的个数，从而精确控制复合纳米纤维平均直径。 

作为优选，复合纳米纤维平均直径通过公式(I)精确控制：