一种批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法与流程

本发明属于同轴静电纺丝领域，具体是涉及一种批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，特别是涉及一种朝上喷的批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法。

背景技术：

通过静电纺丝技术制备的纳米纤维无纺布材料由于其具有超高的比表面积、高孔隙率和优异的机械性能等优良特性，目前已经在生物医学、过滤、催化、能源等众多领域显示出非常重要的应用价值，皮芯结构纳米纤维与传统单一结构的纳米纤维相比在可控药物缓释、组织工程、纳米传感器、催化等众多领域具有更大的优势，其商用价值和市场潜力巨大，受到了学术界和工业界的广泛关注。

传统的单针头同轴静电纺丝技术是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。同轴静电纺时，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，能够制备具有功能化的皮芯复合结构纳米纤维。然而采用该技术时制备皮芯复合结构纳米纤维的产量较低，无法实现皮芯复合结构纳米纤维的批量化生产。

目前对于同轴静电纺丝批量化制备皮芯复合结构纳米纤维的研究已经取得了一定的突破，但仍存在着一定的问题。如覃小红等（专利号：zl201310586614.8）利用一种阶梯状无针式喷丝头实现了皮芯结构纳米纤维的批量制备，然而其纺丝液面为敞开式，存在纺丝过程中纺丝液面溶剂易挥发的问题；吴会会等（专利号：zl201410037884.8）采用一种朝上纺丝的平板自由液面同轴静电纺丝方法，通过芯针数目的增加及芯液的变换可批量化制备结构更加均匀的多功能复合纤维，然而其芯针数量的增加会产生电场干扰的问题，且同样存在纺丝过程中纺丝液面溶剂易挥发的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，其利用双层纺丝液面在高压静电场作用下产生不稳定波动的原理，实现皮芯复合结构纳米纤维的批量生产。该纺丝方法避免了传统同轴静电纺丝技术在纺丝过程中容易产生的堵塞的现象，并且避免了纺丝过程中纺丝液面溶剂易挥发的问题，能够大幅提高皮芯复合结构纳米纤维的生产效率。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，包括以下步骤：

（1）通过壳层纺丝液和芯层纺丝液在喷丝头上方形成上、下两层覆盖的复合层纺丝液；

（2）在高压静电场作用下，形成大量的皮芯结构泰勒锥；

（3）经拉伸固化后在接收板上形成皮芯复合结构纳米纤维。

所述的静电纺丝方法在静电纺丝设备中进行，所述的静电纺丝设备包括位于喷丝头基座上方的条状喷丝头，所述条状喷丝头连接有高压静电发生器，所述喷丝头基座的两侧分别为芯层储液池和溶液回收池，所述芯层储液池的一侧为壳层储液池，所述条状喷丝头的上方设有接收板，所述接收板接地。

所述条状喷丝头的横截面为三角形、半圆形或者刀锋形，条状喷丝头的纵向为直线型或者曲线型，宽度为1-4mm。

所述喷丝头基座的横截面为长方形，喷丝头基座的纵向为与所述条状喷丝头相对应的直线型或者曲线型，宽度为4-8mm。

所述储液池纺丝液出口处为宽度1-5mm的狭缝；所述芯层纺丝液置于芯层储液池，所述芯层储液池出口处狭缝高于喷丝头上方1-5mm；所述壳层纺丝液置于壳层储液池，所述壳层储液池出口处狭缝高于芯层储液池1-5mm；所述的溶液回收池进口处为宽度5-10mm的狭缝，与储液池相对，置于喷丝头基座的另一侧；所述纺丝方向为朝上，所述接收板位于条状喷丝头上方的100-500mm。

纺丝过程中，首先由所述的芯层储液池中的芯层纺丝液通过其储液池出口处狭缝后，溢过条状喷丝头，至溶液回收池，然后由所述的壳层储液池中的壳层纺丝液通过其储液池出口处狭缝后，覆盖在已经从储液池出口处狭缝溢出的芯层纺丝液上，与芯层纺丝液呈上下覆盖状一起溢过条状喷丝头至溶液回收池。

所述的高压静电压输出范围为10-100kv。

所述条状喷丝头为金属材料；所述芯层储液池和壳层储液池均为绝缘材料；所述溶液回收池为绝缘材料；所述喷丝头基座为绝缘材料；所述接收板为金属材料。

本发明批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法具有如下有益效果：

1、本发明的静电纺丝方法极大地提高了皮芯复合结构纳米纤维的生产效率；

2、本发明的静电纺丝装置可以避免传统同轴静电纺丝针头结构装置易堵塞的现象，且容易清洗，稳定性好；

3、本发明的静电纺丝装置可以避免其它同轴静电纺丝技术中存在的纺丝过程中纺丝液面溶剂易挥发的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为横截面为三角形、纵向为直线型的条状喷丝头结构示意图；

图3为横截面为三角形、纵向为曲线型的条状喷丝头结构示意图；

图4为横截面为半圆形、纵向为直线型的条状喷丝头结构示意图；

图5为横截面为半圆形、纵向为曲线型的条状喷丝头结构示意图；

其中，1为壳层储液池、2为芯层储液池、3为溶液回收池、4为喷丝头基座、5为条状喷丝头、6为高压静电发生器、7为接收板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-5所示，本发明批量制备皮芯复合结构纳米纤维的静电纺丝方法，利用壳层纺丝液及芯层纺丝液在条状喷丝头5上方形成上、下两层覆盖的复合层纺丝液，在高压静电场作用下形成大量的皮芯结构泰勒锥，经拉伸固化后在接收板上形成皮芯复合结构纳米纤维。

本发明中的条状喷丝头5置于喷丝头基座4上方，条状喷丝头5横截面可以为三角形、半圆形或刀锋形，条状喷丝头5纵向为直线型或者曲线型，其宽度为1-4mm。喷丝头基座4横截面为长方形，喷丝头基座4纵向与条状喷丝头5相对应为直线型或者曲线型，其宽度为4-8mm。储液池纺丝液出口处为宽度1-5mm的狭缝，芯层纺丝液置于芯层储液池2，芯层储液池2出口处狭缝高于条状喷丝头5上方1-5mm；壳层纺丝液置于壳层储液池1，壳层储液池1出口处狭缝高于芯层储液池1-5mm。溶液回收池3进口处为宽度5-10mm的狭缝，与储液池相对，置于喷丝头基座4的另一侧。纺丝方向为朝上，即接收板7位于条状喷丝头5的正上方100-500mm。

本发明在纺丝过程中首先由芯层储液池2中的芯层纺丝液通过其储液池出口处狭缝溢过条状喷丝头5至溶液回收池3，然后由壳层储液池1中的壳层纺丝液通过其储液池出口处狭缝覆盖在已经从储液池出口处狭缝溢出的芯层纺丝液上，与芯层纺丝液呈上下覆盖状一起溢过条状喷丝头5至溶液回收池3。

本发明中皮芯复合结构纳米纤维中壳层纤维与芯层纤维比例可以通过壳层纺丝液及芯层纺丝液从各自储液池出口处狭缝的溢出量及溢出速率，以及纺丝液的粘度、导电性进行调节，在纺丝过程中芯层纺丝液宜采用比所述壳层纺丝液密度相对较大、导电率相对较大的纺丝液。

本发明中的

本发明中的静电纺丝装置包括条状喷丝头5、喷丝头基座4、壳层储液池1、芯层储液池2、溶液回收池3、接收板7以及高压静电发生器6。其中，条状喷丝头5为金属材料，喷丝头基座4为绝缘材料，壳层储液池1和芯层储液池2为绝缘材料，溶液回收池3为绝缘材料，接收板7为金属材料。条状喷丝头5与高压静电发生器6正极相连，高压静电压输出范围为10-100kv，接收板7接地。

本实施例中，芯层溶液选用质量浓度为10%的聚丙烯腈（pan）溶液，壳层溶液采用14%的聚氨酯（pu）溶液，芯层纺丝液首先从芯层储液池2出口处狭缝以一定的流速溢出越过条状喷丝头5上沿，然后进入溶液回收池3；接着壳层纺丝液从壳层储液池1出口处狭缝以一定的流速溢出后覆盖在芯层纺丝液上，与芯层纺丝液呈上下覆盖状一起越过条状喷丝头5上沿后进入溶液回收池3；当条状喷丝头5上沿形成稳定的上下层纺丝液覆盖时，高压静电发生器6开始施加一定的电压，使条状喷丝头5上沿的上下复合层纺丝液在高压静电场作用下形成不稳定波动，由纺丝液面上形成的多个皮芯复合结构泰勒锥产生皮芯复合结构射流，经拉伸干燥后形成皮芯复合结构纳米纤维。

本发明可以提高制备皮芯复合结构纳米纤维的产量，实现皮芯复合结构纳米纤维的连续化、规模化制备，且使用的静电纺丝装置结构简单、操作方便，在纺丝过程中可以消除纺丝液面溶剂挥发的问题，实现皮芯复合结构纳米纤维的批量制备。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。