一種圖案化納米纖維的制備方法

專利名稱：一種圖案化納米纖維的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種采用靜電紡絲技術制備圖案化納米纖維的工藝 方法，屬于靜電紡絲技術領域中無紡納米纖維布加工技術。
背景技術：
一維納米纖維是近年來研究的熱點之一，其表面積可達10 20 m7g,是普通纖維產品的好幾倍，由于其具有很大的比表面積和較強 的表面活性等特點，納米纖維紡織品也隨之具備了吸附性好、過濾能 力強、阻隔保溫等性能優異的突出特點，十分適用于制造吸附材料和 過濾材料；此外還可開發制成具有抗菌、抗輻射、阻燃和屏蔽等多種 功效的功能性纖維。近20年來，對一維納米纖維加工技術的發展，相 關的技術研究人員投入了極大的熱情和精力；傳統的納米纖維加工方 法大致有直接熔噴法、海島型復合紡絲法、分子噴絲板法、納米材料 和聚合物的復合紡絲法等許多種，可制得直徑在幾十至幾百納米之間 的一維纖維。靜電紡絲法技術工藝在近十幾年來取得較大進展，是目 前制備納米纖維最重要的熱門技術之一，也是先進國家和地區重點開 發的科技攻關項目。與傳統方法相比，靜電紡絲技術不但對纖維線密 度提高有了進一步的發展，而且具有獨特的易操作性和廣泛的適用 性，可以制備有機高分子、無機化合物、醫藥生物、復合材料等多種 納米纖維，為納米纖維制造領域注入了新的動力。
靜電紡絲技術方法是使高分子溶液或熔體帶電，并將其置于噴絲 口與接收屏之間的高壓電場中，當靜電吸引力克服高分子溶液或熔體 的表面張力時，溶液成為一股帶電的噴射流，并在電場中運動，因拉 伸或劈裂而細化，同時，因溶液中溶劑的蒸發冷卻而固化，成為直徑 很小的纖維狀物質，最后集聚在金屬接收屏上，成為無序納米纖維的 無紡布。目前，采用靜電紡絲技術制備各種納米纖維已有不少文獻報 道，例如，青島大學最近制備了ZrOCl2/PVA (率氧化鋯/聚乙烯醇)
3復合納米纖維，以及采用狹縫收集和臺階收集的靜電紡絲方法制備了 相對有序排列的納米纖維，但采用該技術制備圖案化納米纖維還是一 個新興的領域，目前鮮見報道。在靜電紡絲過程中，接收板對納米纖 維聚集形態起著至關重要的作用，通過改變接收板的形狀、運動狀態、 材料性質，可以得到各種聚集形態的納米纖維，包括制備圖案化的納 米纖維。圖案化納米纖維在理化性質方面與無序納米纖維基本相同， 但其特殊的聚集規律對研究論證納米纖維在靜電場中的運動具有重 要的研究價值，其圖案化的形貌和結構在某些領域具有潛在應用價
值。從目前己發表的文獻來看，Xia等人采用了簡單圖案化的電極制 備納米纖維；Chang等人報道了用金屬網格導電模板制備圖案化的納 米纖維。但歸結起來，目前采用不同形狀結構(矩形、菱形網格；六 邊形、矩形圖案化的金屬片)的、導電的模板(金屬網格、圖案化金 屬片)和絕緣的模板(尼龍網格)來制備圖案化納米纖維自支撐薄膜， 并對其微觀形貌和形成機理進行分析的技術尚未見有報道。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺點，設計一種利用高 壓直流電源將紡絲溶液噴吸成納米纖維的技術方案，特別是可以制備 成帶有多種幾何圖案紡絲布的工藝方法。
為了實現上述目的，本發明的靜電紡絲裝置包括高壓靜電發生 器、帶噴頭的紡絲溶液容器和纖維收集裝置三個部分；高壓靜電發生 器或高壓直流電源的正極接入紡絲溶液容器的噴頭上，使紡絲溶液帶 正電，其負極接入纖維收集裝置；其工藝步驟包括靜電紡絲溶液的配 制、圖案化金屬片的選取和電紡成絲；無電壓施加時，在紡絲溶液容 器的噴頭頂端的紡絲液滴形成為凸形的半球狀；當在噴頭和纖維收集 裝置之間施加5 30千伏電壓時，半球狀紡絲液滴成為錐形，在電場 作用下從錐形中噴出形成射流；帶電射流在電場中加速、拉伸、劈裂， 直徑逐漸減小；使形成的纖維直徑從幾個微米到幾個納米之間變化， 控制紡絲溶液的流體粘度和施加的電壓條件，可以得到納米級纖維。
本發明實現時，先按重量百分比選取靜電紡絲溶液的原料為乙酸鋅7wt%，酒精31 wt%，去離子水26wt%， PVP 36wt%;先將乙酸鋅溶 解于去離子水中，在攪拌條件下將乙酸鋅溶液和酒精緩慢滴加到PVP 溶液中，于室溫下攪拌2小時，制得均勻透明的乙酸鋅/PVP前驅體靜 電紡絲溶液；再將配好的靜電紡絲溶液裝于帶噴頭的紡絲溶液容器 中，并使噴頭處形成半球形溶液珠；金屬噴頭接直流電源正極，將纖 維收集裝置放在噴頭正下方并連接直流電源負極，打開電源，迅速升 壓至20 kV，計時60秒后降壓，帶電射流從噴頭噴出，在經歷拉伸、 旋轉鞭動、劈裂過程后，產成無固定取向的纖維層，最后以無序排列 的無紡布形式沉積在纖維收集裝置；然后關閉電源，取出纖維收集裝 置上的紡絲膜即可；纖維收集裝置選用普通金屬片或在平整鋁箔上面 蒙一層尼龍網格，固定在木板上替代纖維收集裝置。
本發明的纖維收集裝置包括金屬片模板、尼龍網格模板和金屬網 格模板，模板面上制有幾何圖案，纖維收集裝置為導電體或絕緣體。
本發明的結果顯示，纖維收集裝置對電紡纖維圖案形態結構的形 成影響很大，通過改變纖維收集裝置的形狀、材料、圖案結構，可以 制備不同形貌結構的圖案化納米纖維薄膜，其纖維的聚集可以調控， 與現有技術相比，其工藝原理可靠，工藝過程簡單，紡絲質量易控， 圖案化清晰，可以靈活選擇紡絲圖案，提高紡絲布的使用效果。
具體實施例方式
下面通過實施例做進一步說明。
實施例
本實施例的靜電紡絲裝置包括高壓靜電發生器、帶噴頭的紡絲溶 液容器和纖維收集裝置三個部分；高壓靜電發生器或高壓直流電源的 正極接入紡絲溶液容器的噴頭上，使紡絲溶液帶正電，其負極接入纖 維收集裝置；其工藝步驟包括靜電紡絲溶液的配制、圖案化金屬片的 選取和電紡成絲；無電壓施加時，在紡絲溶液容器的噴頭頂端的紡絲 液滴形成為凸形的半球狀；當在噴頭和纖維收集裝置之間施加5 30 千伏電壓時，半球狀紡絲液滴將成為錐形，在強電場作用下進而從錐 形中噴出，形成射流；帶電射流在電場中加速、拉伸、劈裂，直徑減
5小；使形成的纖維直徑從幾個微米到幾個納米之間變化，控制紡絲溶 液的流體粘度和施加的電壓條件，可以得到納米級纖維。本實施例所 用的紡絲材料包括聚乙烯吡咯烷酮(簡稱PVP)、去離子水、酒精(無 水乙醇)和乙酸鋅；所用設備包括磁力加熱攪拌機、靜電紡絲設 備、40千伏高壓直流電源、圖案化金屬片、鋁箔、尼龍網、針管、鐵 架臺、電子天平和光學顯微鏡；實施的技術參數為直流高電壓為5
30kV;針頭與接收板距離為17 cm;電紡溶液質量百分比濃度為乙酸 鋅7wt%，酒精31 wt%，去離子水26wt%， PVP 36wt%;電紡時間為60 秒。
本實施例選取靜電紡絲溶液的原料時，按重量百分比為乙酸鋅 7wt%，酒精31 wt%，去離子水26wt。/。， PVP 36wt%;先將乙酸鋅溶解 于去離子水中，在攪拌下將乙酸鋅溶液和酒精緩慢滴加到PVP溶液中， 于室溫下攪拌2小時，制得均勻透明的乙酸鋅/PVP前驅體靜電紡絲溶 液；將配好的靜電紡絲溶液裝于帶噴頭的紡絲溶液容器中，并使噴頭 處形成半球形溶液珠；金屬噴頭接直流電源正極，將纖維收集裝置的 金屬片放在噴頭正下方并連接直流電源負極，打開電源，迅速升壓至 20 kV，計時60秒后降壓，然后關閉電源，取出紡絲膜；或在平整鋁 箔上面蒙一層尼龍網格，固定在木板上替代纖維收集裝置，同樣方法 制備紡絲膜；分別得到無序排列的納米纖維無紡布。在強靜電場的作 用下，帶電紡絲溶液射流從噴頭噴出，在經歷拉伸、旋轉鞭動、劈裂 等過程后，產成的纖維沒有固定的取向，最后以無序排列的無紡布形 式沉積在纖維收集裝置。
本實施例采用的纖維收集裝置為圖案化金屬片時可制備圖案化 納米纖維薄膜，在金屬片上制有很多規律排列的孔洞，改變靜電場的 分布，電力線會避開金屬片上的孔洞，向沒有孔洞的金屬部分集中； 在靜電場力作用下的納米纖維，將會避開金屬孔洞，向金屬格子運動 并沉積在上面，形成和金屬片收集板圖案一致的圖案化納米纖維薄 膜。纖維薄膜從帶圖案孔洞的纖維收集裝置金屬片上揭下來，形成自 支撐的圖案化的薄膜，即圖案化納米纖維布狀物。
6本實施例采用金屬網格作為纖維收集裝置時，收集效果和使用金 屬片不同，單位面積上金屬網格導電面積小于金屬薄片導電面積，且 金屬網格中金屬絲不在同一平面上，其對纖維的影響力不同于薄片， 因而形成的纖維膜趨向于脈絡形態；另外，由于聚乙烯枇咯烷酮PVP 具有優良的溶解性，金屬網格收集的脈絡形態纖維膜遇到水汽后會敏 感地收縮，形成圓形漏洞；金屬網格與絕緣物體結合收集電紡纖維可 形成四角星結構。
本實施例采用尼龍網格作為纖維收集器時，除了使用導電的圖案 化金屬片模板，也可采用絕緣的尼龍網格作為模板，即將尼龍網格固 定在接地的鋁箔上面，用來收集電紡纖維；由于尼龍網格是絕緣的， 網絡格子影響靜電場的分布，例如，有尼龍格子的地方會減小電場強 度，"排斥"掉部分電場線，與前面圖案化金屬片收集的結果恰好相 反，大部分電紡纖維都避開絕緣的尼龍格子，聚集在空格中心部位， 形成結核，小部分纖維橫跨在尼龍格子上，連接起各個纖維結核團； 隨著電紡時間的增加或靠近尼龍格子模板中心處，空格中心部位電紡 纖維聚集的密度在增加，纖維以結核為中心，向周圍尼龍格子呈放射 狀分布；此外，纖維薄膜非常容易的從尼龍格子上揭下來，形成自支 撐的圖案化納米纖維薄膜。
本實施例利用導電模板和絕緣模板都可以制備圖案化的電紡纖 維薄膜，其機理都是利用收集裝置改變了空間中靜電場的分布，從而 改變電紡過程中纖維所受的電場力和運動軌跡，最終達到纖維收集裝 置上納米纖維圖案化分布的效果。對于導電的圖案化金屬片，電力線 向沒有孔洞部位的金屬格子集中；而對于固定在鋁箔上面的尼龍網 格，電力線會避開絕緣的尼龍格子，向尼龍網格的孔洞部位集中，這 就造成導電模板和絕緣模板收集的電紡纖維的圖案不同，即纖維聚集 的方式不同。
權利要求
1、一種圖案化納米纖維的制備方法，其特征在于先按重量百分比選取靜電紡絲溶液的原料為乙酸鋅7wt％，酒精31wt％，去離子水26wt％，PVP 36wt％；將乙酸鋅溶解于去離子水中，在攪拌條件下將乙酸鋅溶液和酒精緩慢滴加到PVP溶液中，于室溫下攪拌2小時，制得均勻透明的乙酸鋅/PVP前驅體靜電紡絲溶液；再將配好的靜電紡絲溶液裝于帶噴頭的紡絲溶液容器中，并使噴頭處形成半球形溶液珠；金屬噴頭接直流電源正極，將纖維收集裝置放在噴頭正下方并連接直流電源負極，打開電源升壓至20kV，計時60秒后降壓，帶電射流從噴頭噴出，經拉伸、旋轉鞭動、劈裂過程后成無固定取向的纖維層，以無序排列的無紡布形式沉積在纖維收集裝置；然后關閉電源，取出纖維收集裝置上的紡絲膜即可。
2、 根據權利要求1所述的圖案化納米纖維的制備方法，其特征 在于纖維收集裝置包括金屬片模板、尼龍網格模板和金屬網格模板， 模板面上制有幾何圖案，纖維收集裝置為導電體或絕緣體。
全文摘要
本發明涉及一種采用靜電紡絲技術制備圖案化納米纖維的工藝方法，將乙酸鋅溶解于去離子水中，在攪拌條件下將乙酸鋅溶液和酒精緩慢滴加到PVP溶液中，于室溫下攪拌2小時，制得均勻透明的乙酸鋅/PVP前驅體靜電紡絲溶液裝于帶噴頭的紡絲溶液容器中，并使噴頭處形成半球形溶液珠；金屬噴頭接電源正極，將纖維收集裝置放在噴頭正下方并連接電源負極，打開電源，升壓至20kV，計時60秒后降壓，帶電射流從噴頭噴出成無固定取向的纖維層沉積在纖維收集裝置；其工藝原理可靠，工藝過程簡單，紡絲質量易控，圖案化清晰，可以靈活選擇紡絲圖案，提高紡絲布的使用效果。
文檔編號D04H3/02GK101463532SQ20091001377
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月14日 優先權日2009年1月14日
發明者劉抗抗, 珂 曹, 李蒙蒙, 龍云澤 申請人:青島大學