静电微流控纺丝装置
技术领域
本实用新型涉及一种新型静电微流控纺丝装置，具体来说提供了一种既可以静电纺丝又可以微流体纺丝的装置。
背景技术
纳米纤维目前别广泛应用于组织工程，柔性穿戴以及超级电容器等领域。然而，目前的主流纺丝技术，如静电纺丝，熔融纺丝，以及离心纺丝等纺丝工艺，随着技术需求的发展，也暴露出一些局限性。如静电纺丝，由于其可纺聚合物广，所纺的纤维直径最小，被广泛应用。然而，静电纺丝只能将导电聚合物溶液或熔体在强电场中喷射纺丝，对于一些近乎绝缘的或者粘度较大的聚合物溶液而言，很难采用静电纺丝的方式将它们制备成纳米纤维。此外，通过静电纺丝方式制备的纳米纤维其排列往往是无序的。因此，开发出一种能制备出有序排列的超细直径的纳米纤维成了亟待解决的问题。
微流体纺丝技术由于其易操作、安全、多样化等特征，同时能制备出有序纤维阵列而广受关注。但由于微流体纺丝技术起步较晚，仍存在一些技术上的限制，其所纺织出的丝通常都在几个微米的范围之内，因此要纺织出有序排列的超细直径的纳米纤维还需将其与传统的纺丝技术相结合。本发明选择将微流体纺丝技术和静电纺丝技术相结合，开发出一种既可以制备超细纳米纤维又能制备有序排列的纳米纤维膜的新型纺丝工艺流程。
发明内容
本实用新型的目的是为了改进现有技术存在的问题与不足，提供了一种静电微流控纺丝装置，将传统的静电纺丝与微流体纺丝相结合，发明出一种既包含静电纺丝的所有功能又可以制备出有序阵列的纤维装置。通过将静电和微流控相结合，制备出有序的纳米纤维阵列。主要解决了传统的静电纺丝方法难以制备有序的纤维阵列，同时，扩大了纤维的应用领域。
本实用新型是通过以下技术方案实现的:
静电微流控纺丝装置，其特征在于由高压直流电源、微量注射泵、控制面板、移动滑台、移动滑台电机、喷丝针头、工作台、筒式接收器、接收器电机、排风装置、照明装置和腔体组成；移动滑台、移动滑台电机、工作台、筒式接收器、接收器电机均内置于腔体内部；其中高压直流电源安装在腔体的顶部，利用导线与喷丝针头相连接；微量注射泵通过金属隔板内置于腔体的一侧顶部，控制面板镶嵌于腔体的一侧表面，通过线路与微量注射泵、移动滑台电机、接收器电机、排风装置和照明装置相连接；移动滑台电机固定于移动滑台的上方，并置于工作台的上方，通过移动滑台电机控制移动滑台左右往复运动；在工作台的下方设有筒式接收器，其一端与工作台相连，接收器电机固定在接收器另一端，通过线路与接收器相连带动接收器旋转；在腔体内部另一侧的角上安装有排风装置，可以及时出去纺丝过程中的溶剂；照明装置内置于腔体另一侧，以便观察。
本实用新型还提供了一种利用上述的静电微流控装置制备多功能纳米纤维膜的纺丝工艺，其具体步骤如下:用溶剂将聚合物溶解成一定质量分数的纺丝溶液并装入到微量注射泵装置中的注射器中，使喷丝针头靠近筒式接收器并固定；通过控制面板设置好高压直流源的电压大小、微量注射泵、移动滑台电机和接收器电机的速率；当聚合物液滴接触接收器时，通过牵引力的作用将纤维缠绕在接收器上；启动移动滑台电机和接收器电机，接收器电机带动筒式接收器旋转收丝，移动滑台电机通过丝杆带动移动滑台移动，使接收器上的丝等距偏移，形成有序的纤维阵列；通过移动滑台带动筒式接收器往复运动，使纳米纤维层层叠加，形成纳米纤维膜。
优选所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、热塑性聚氨酯(tPU)、尼龙66、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚己内酯(PCL)；所述的溶剂为水、氯仿、N，N-二甲基甲酰胺或甲酸。
优选纺丝液的质量分数范围在15％-25％。
优选所用的喷丝针头的内外径直径分别控制在0.21-0.72mm和0.42-1.08mm 之内。
优选高压直流电源的输出电压大小在10-50KV之间。
优选微量注射泵的流速控制在0.1-2ml/h。
优选筒式接收器的旋转速率控制在200-600rpm，移动滑台滑动速率控制在 500-10000μm/s。
本发明所纺的纤维直径在50nm-1μm之间。
有益效果：
相比于微流体纺丝而言，本实用新型制得的纳米纤维直径更小，而相比传统的静电纺丝，本发明能制备有序的纳米纤维阵列，稳定性好。另外，在整个制备过程中加入了排风装置，提高了安全性，能将纺丝过程中挥发出来的溶剂及时除去，减少对人体的伤害。
附图说明
图1是制备有序纳米纤维膜的示意流程图：其中1-高压直流电源、2-微量注射泵、3-控制面板、4-移动滑台、5-移动滑台电机、6-喷丝针头、7-工作台、8-筒式接收器、9-接收器电机、10-排风装置、11-照明装置、12-腔体。
具体实施方式
以下通过具体实施例，进一步阐述本发明，但本实用新型并不仅仅限定于这些实施例。
实施例1
一种静电微流控相结合的纺丝装置，其结构装置图如图1所示：由高压直流电源1、微量注射泵2、控制面板3、移动滑台4、移动滑台电机5、喷丝针头6、工作台7、筒式接收器8、接收器电机9、排风装置10、照明装置11、腔体12 组成。其中接收器电机9与筒式接收器8通过螺杆连接带动接收器旋转，在筒式接收器8的上方有喷丝针头6，喷丝针头6通过微量泵前管与微量注射泵2相连。微量注射泵的正下方是控制面板3，控制面板3内部线路与微量注射泵2、移动滑台电机5、接收器电机9、排风装置10和照明装置11相连接。移动滑台电机 5与移动滑台4通过丝杆连接，接收器电机9和筒式接收器8均固定在工作台7 上。移动滑台电机5旋转通过丝杆可以带动移动滑台4和筒式接收器8左右往复运动，可使纳米纤维层层叠加，形成纳米纤维膜。
实施例2
首先，我们将聚合物颗粒聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于水中，配置成质量分数为15％的纺丝溶液，微量注射泵2的流速设为0.1ml/h，高压直流电源1的电压大小调为50KV，移动滑台电机速率设置在10000μm/s，筒式旋转接收器的旋转速率设置在600rpm。纺丝溶液通过微量注射泵流出经过喷丝针头6，(喷丝针头的内外径分别为0.21mm，0.42mm)，形成液体细流后迅速固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在筒式接收器8上。最后，通过控制面板3启动移动滑台电机5和接收器电机9，接收器电机9带动筒式接收器8旋转收丝，移动滑台电机5通过丝杆带动移动滑台4移动，使接收器上的是等距偏移，形成有序的纳米纤维阵列。同时，通过移动滑台和接收器的往复运动，可使丝层层叠加，形成纳米纤维膜。所纺的纤维直径在50nm-200nm之间，且制得的纤维膜能够长时间保存。
实施例3
首先，我们将聚合物颗粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于氯仿中，配置成质量分数为18％的纺丝溶液，微量注射泵2的流速设为0.5ml/h，高压直流电源1的电压大小调为40KV，移动滑台电机速率设置在8000μm/s，筒式旋转接收器的旋转速率设置在500rpm。纺丝溶液通过微量注射泵流出经过喷丝针头6，喷( 丝针头的内外径分别为0.32mm，0.64mm)，形成液体细流后迅速固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在筒式接收器8上。最后，通过控制面板3启动移动滑台电机5和接收器电机9，接收器电机9带动筒式接收器8旋转收丝，移动滑台电机5通过丝杆带动移动滑台4移动，使接收器上的是等距偏移，形成有序的纳米纤维阵列。同时，通过移动滑台和接收器的往复运动，可使丝层层叠加，形成纳米纤维膜。所纺的纤维直径在200nm-400nm之间，且制得的纤维膜能够长时间保存。
实施例4
首先，我们将聚合物颗粒热塑性聚氨酯(tPU)溶于N，N-二甲基甲酰胺中，配置成质量分数为20％的纺丝溶液，微量注射泵2的流速设为1ml/h，高压直流电源1的电压大小调为30KV，移动滑台电机速率设置在5000μm/s，筒式旋转接收器的旋转速率设置在400rpm。纺丝溶液通过微量注射泵流出经过喷丝针头 6，(喷丝针头的内外径分别为0.4mm，0.8mm)，形成液体细流后迅速固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在筒式接收器8上。最后，通过控制面板3 启动移动滑台电机5和接收器电机9，接收器电机9带动筒式接收器8旋转收丝，移动滑台电机5通过丝杆带动移动滑台4移动，使接收器上的是等距偏移，形成有序的纳米纤维阵列。同时，通过移动滑台和接收器的往复运动，可使丝层层叠加，形成纳米纤维膜。所纺的纤维直径在400nm-600nm之间，且制得的纤维膜能够长时间保存。
实施例5
首先，我们将聚合物尼龙66溶于甲酸中，配置成质量分数为22％的纺丝溶液，微量注射泵2的流速设为1.5ml/h，高压直流电源1的电压大小调为20KV，移动滑台电机速率设置在1000μm/s，筒式旋转接收器的旋转速率设置在300rpm。纺丝溶液通过微量注射泵流出经过喷丝针头6，(喷丝针头的内外径分别为 0.52mm，0.94mm)，形成液体细流后迅速固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在筒式接收器8上。最后，通过控制面板3启动移动滑台电机5和接收器电机8，接收器电机9带动筒式接收器8旋转收丝，移动滑台电机5通过丝杆带动移动滑台4移动，使接收器上的是等距偏移，形成有序的纳米纤维阵列。同时，通过移动滑台和接收器的往复运动，可使丝层层叠加，形成纳米纤维膜。所纺的纤维直径在600nm-800nm之间，且制得的纤维膜能够长时间保存。
实施例6
首先，我们将聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)溶于N,N-二甲基甲酰胺中，配置成质量分数为25％的纺丝溶液，微量注射泵2的流速设为2ml/h，高压直流电源 1的电压大小调为10KV，移动滑台电机速率设置在500μm/s，筒式旋转接收器的旋转速率设置在200rpm。纺丝溶液通过微量注射泵流出经过喷丝针头6，(喷丝针头的内外径分别为0.72mm，1.08mm)，形成液体细流后迅速固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在筒式接收器8上。最后，通过控制面板3启动移动滑台电机5和接收器电机9，接收器电机9带动筒式接收器8旋转收丝，移动滑台电机5通过丝杆带动移动滑台4移动，使接收器上的是等距偏移，形成有序的纳米纤维阵列。同时，通过移动滑台和接收器的往复运动，可使丝层层叠加，形成纳米纤维膜。所纺的纤维直径在800nm-1μm之间，且制得的纤维膜能够长时间保存。
实施例7
首先，我们将聚合物聚己内酯(PCL)溶于甲酸中，配置成质量分数为16％的纺丝溶液，微量注射泵2的流速设为0.3ml/h，高压直流电源1的电压大小调为45KV，移动滑台电机速率设置在9000μm/s，筒式旋转接收器的旋转速率设置在500rpm。纺丝溶液通过微量注射泵流出经过喷丝针头6，(喷丝针头的内外径分别为0.21mm，0.42mm)，形成液体细流后迅速固化成纤维，通过牵引力的作用将纤维缠绕在筒式接收器8上。最后，通过控制面板3启动移动滑台电机5 和接收器电机9，接收器电机9带动筒式接收器8旋转收丝，移动滑台电机5通过丝杆带动移动滑台4移动，使接收器上的是等距偏移，形成有序的纳米纤维阵列。同时，通过移动滑台和接收器的往复运动，可使丝层层叠加，形成纳米纤维膜。所纺的纤维直径在100nm-300nm之间，且制得的纤维膜能够长时间保存。
