專利名稱:制造纖維制品的電吹技術及其在透明質酸上的應用的制作方法
技術領域:
本案涉及一種電紡絲和電吹相結合制造納米纖維絲的技術、其在透明質酸上的應用以及由此獲得的納米纖維材料。
背景技術:
電紡絲是一種常用的制備聚合物超細纖維技術。當外電場加在導電流體(例如帶電的聚合物亞濃溶液或者帶電的聚合物熔體)上時,會形成一種錐形的懸掛液滴,其表面張力和電場作用相平衡。當外電場作用力足以克服流體的表面張力時,電紡絲就發(fā)生了,此時液滴變得不穩(wěn)定,小股濺射流從粒子表面噴出。濺射流到達接地接受板,形成互聯的亞微米纖維網,形成的非織納米纖維膜具有很高的比表面積。
Zeleny1首先發(fā)明了電紡絲技術,Formhals2對其申請了專利。濺射流的形成與電場強度、流體粘度以及溶液中聚合物分子量相關,人們對此做了大量研究,最為重要的是Taylor等人在電驅濺射流上所做的工作,它奠定了電紡絲的基礎3。電紡絲技術可以廣泛應用在許多領域,包括生物膜(固定化酶和催化體系的基質)、傷口包扎材料、人造血管、煙霧過濾器以及在惡劣天氣下和戰(zhàn)場環(huán)境中使用的布膜4-26。
制造電紡絲織物的主要技術障礙是制備速度,換而言之,就是尺寸過小的纖維使得電紡絲加工效率很低。例如,一種聚合物熔體從直徑為700μm的噴絲口噴出,最后形成直徑為250nm的細絲,拉伸比大約是3×106,單個噴絲口的常規(guī)擠出量大約是16mg/min(1g/hr),最后細絲的形成速度大約是136m/s。與此對應,高速熔體紡絲的最快速度為10,000m/min或167m/sec。因此,普通電紡絲的噴絲口率約低于商業(yè)高速熔體紡絲過程產量的1000倍。
電紡絲織物批量生產的另一個主要技術問題是電紡絲過程中噴絲口的裝配。高速熔體紡絲采用的簡單多口排列方式不再適用于電紡絲,因為鄰近噴絲口形成的電場會互相干擾,所以采用這種方式進行批量生產是不切實際的。
一種新近發(fā)展的、獨特的多噴口電紡絲es.JetTM技術,可用于生產直徑為幾十納米的纖維無紡膜,相關的專利申請27-29已有三項,另有數篇論文被發(fā)表30-34。
透明質酸(HA)是一種締合聚合物,有如下的結構 HA有一個酸性基團和一個葡萄糖胺鏈節(jié)。由于這個弱酸基團的存在,可以把透明質酸看作聚電解質,即它的電荷密度取決于離解度,離解度會受到以下但不局限于以下因素的影響●pH值●離子強度●共離子和反離子性質●影響以上三個因素的溶劑性質用物理或化學的方法可以改變離解度,例如●通過物理方法,例如,超聲、剪切、微波等。
●通過化學方法,如液體中絡合物的形成,例如聚氧乙烯因與水可以形成氫鍵而溶于水。
發(fā)明內容
由此,本發(fā)明的目的在于一種提供綜合了電紡絲和熔體吹膜優(yōu)點的、加工聚合物溶液的方法,這種方法放寬了這兩種方法單獨操作的要求條件。
本發(fā)明的目的進一步在于提供一種高效加工透明質酸納米纖維的方法。
本發(fā)明的目的進一步在于獲取透明質酸的納米纖維膜。
本發(fā)明的目的進一步在于提供一種加工聚合物溶液的方法,這種方法可以擴大操作范圍以接近單獨電紡絲的操作范圍,并且可以大大提高產率。
本發(fā)明的上述和其它目的可以通過發(fā)明一種電吹纖維方法來實現,這種方法包括強制聚合物流體沿某一方向通過噴絲口到達與噴絲口相向的收集器上,同時沿同一方向通過一個圍繞噴絲口并與之同心排列的出流孔鼓氣;在噴絲口和收集器之間產生靜電差;收集纖維;將該法應用于多種聚合物、更多的是透明質酸納米纖維電吹以及獲取透明質酸納米纖維制品的手段。
附圖的簡要說明對照正文的詳細描述并參閱附圖,有助于對本發(fā)明的理解,并且很容易獲得對本發(fā)明及其優(yōu)點的全面評價。
圖1本發(fā)明所用電吹噴絲口的具體設計示意圖。
圖2本發(fā)明實施的、用于規(guī)模生產的、流體配分/噴絲口線狀配置系統(tǒng)示意圖。
圖3用于本發(fā)明的恒壓溶液線性配分系統(tǒng)示意圖。
圖4可用于本發(fā)明、生產規(guī)?;亩鄧娊z口系統(tǒng)詳細示意圖。
圖5電吹噴絲口示意圖,并標出實例中氣溫測定的位置。
圖6(a)~(c)電吹纖維的顯微照片,顯示氣流溫度對HA膜形態(tài)的影響,HA溶液濃度為2.5%(w/v),氣流速率為1.981m3/hr(標尺為2μm)。(a)39℃;(b)47℃;(c)57℃。
圖7溫度對2.5%HA溶液粘度的影響。
圖8氣流溫度對HA納米纖維直徑的影響,HA電紡溶液濃度為2.5%,氣流速率是1.98m3/hr。
圖9(a)~(d)電吹纖維的顯微照片,顯示氣流速率(約57℃)對HA納米纖維形態(tài)的影響,HA電紡溶液濃度為2%(標尺為2μm)。(a)0.991m3/hr(61℃);(b)1.981m3/hr(57℃);(c)2.83m3/hr(55℃);(d)4.245m3/hr(56℃)。
圖10(a)~(d)電吹纖維的顯微照片,顯示氣流速率(約57℃)對HA納米纖維形態(tài)的影響,HA溶液的濃度是2.5%。(a)0.991m3/hr(61℃);(b)1.981m3/hr(57℃);(c)2.83m3/hr(55℃);(d)4.245m3/hr(56℃)。
圖11氣流速率對HA納米纖維直徑的影響,HA溶液濃度為2.5%。
圖12(a)~(d)電吹纖維照片,顯示氣流速率(約57℃)對HA納米纖維形態(tài)的影響,HA溶液濃度是3%。(a)0.991m3/hr(61℃);(b)1.981m3/hr(57℃);(c)2.83m3/hr(55℃);(d)4.245m3/hr(56℃)。
圖13(a)~(e)電吹纖維的顯微照片,顯示HA濃度對HA納米纖維形態(tài)的影響,熱空氣流(57℃)的速率為1.981m3/hr。(a)2%;(b)2.3%;(c)2.5%;(d)2.7%;(e)3%。
圖14不同濃度HA溶液的粘度(57℃)。
圖15HA溶液濃度對HA納米纖維直徑的影響,熱空氣流(57℃)速率為1.981m3/hr。
圖16不同濃度的酸性HA-C溶液(pH1.5)的粘度。
圖17(a)~(d)電吹纖維的顯微照片,顯示溶液(2.5%)進料速率對電吹HA纖維形態(tài)的影響,熱空氣流(61℃)的速率為0.991m3/hr。(a)30μl/min;(b)40μl/min;(c)50μl/min;(d)60μl/min。
圖18(a)~(c)電吹纖維的顯微照片,顯示溶液(2.5%)進料速率對電吹HA纖維形態(tài)的影響,熱空氣流(57℃)速率為1.981m3/hr(標尺為2μm)。(a)20μl/min;、(b)40μl/min;(c)60μl/min。
圖19(a)~(e)電吹纖維的顯微照片,顯示電場對電吹加工的影響,HA溶液濃度為2.5%,熱空氣流(57℃)速率為1.981m3/hr,電壓分別為(a)24kV;(b)25kV;(c)30kV;(d)35kV;(e)40kV。
圖20電場對HA納米纖維平均直徑的影響,HA溶液濃度為2.5%,熱空氣流(57℃)的速率為1.981m3/hr。
發(fā)明的詳細描述本發(fā)明提供一種制備納米纖維和無紡膜的新方法,這種方法可以對不能用傳統(tǒng)方法進行電紡絲或者用傳統(tǒng)方法無法高效電紡絲的聚合物溶液進行紡絲加工,本發(fā)明尤其適用于紡HA納米纖維。由于本方法綜合了電紡絲和熔體吹膜技術,發(fā)明者稱其為“電吹”,以下的這個術語指的就是這種新的加工技術。下面的大部分描述主要針對電吹HA溶液,那些對電紡絲敏感的聚合物溶液或熔體(因含大量電荷而受靜電勢影響)也可以考慮用相同的方法來加工。
如上所述,在電紡絲過程中,牽引力主要受施加靜電場的影響。當噴絲口尖端的靜電場足夠強以致能克服帶電液滴的表面張力時,噴絲口處的帶電液滴就可以被牽引出來。
在本案的電吹加工過程中,電場疊加氣流場降低了加工條件的要求。在熔體吹膜過程中,液滴(無需帶電)由氣流牽引出,本發(fā)明所采用的加工技術只要求氣流場及電場的合力足以克服帶電液滴的表面張力即可,與單獨使用一種方法相比,這種方法中用到的電場強度和氣體流速會大大降低。
與單獨使用電場或高速氣流相比較,電場和氣流場相結合的方法降低了對電場強度和氣流速率的要求。應該指出的是加工過程用到的流體可以是溶液或者是處于熔融態(tài)的固體(即液體),為簡單起見,下述的流體是針對聚合物溶液而言的。同樣,它也適用于聚合物熔體,因為聚合物熔體可視為濃度為100%聚合物溶液。進而言之,溶液或熔體可以是一個多組分體系,因而可以對兩種以上聚合物同時進行電吹加工。
對氣流和電場進行設計以使濺射流能夠快速到達接收器。紡絲拉伸比值取決于多種變量,如流體的電荷密度、流體粘度、氣流速率和靜電場強度,還可在靜電場中采用次級電極來控制濺射流射的流動。必須指出的是,在濺射流流動中可以對加工過程的上述變量進行調節(jié)。例如,靜電荷的加入可以增加流體(溶液或熔體)電荷密度或將中性流體變?yōu)閹щ娏黧w,氣流溫度可以改變流體粘度,牽引力會隨著氣體流速和外加電壓的增加而增加。
電紡絲過程中濺射流只穿過其周圍的空氣,與之相比,電吹過程中氣體與帶電濺射流的充分接觸可以提高熱傳導效率。因此,對于溶液流體,氣體溫度、氣體流速以及氣體流速分布可以影響和控制溶劑的揮發(fā)速度;對于熔融流體,上述因素則影響和控制熔融流體的冷卻速度。在后種情況下,這種控制與相變的快速淬火過程相關,進而影響到半晶聚合物中的非晶相、中間相和結晶相的相對含量。值得注意的是,液氣界面處存在摩擦力。氣體溫度可以在液氮溫度到數百度高熱氣體溫度的范圍內變化,具體合適的溫度范圍取決于所期望的溶劑揮發(fā)速度,也就是取決于溶劑的沸點。對于聚合物熔體來說,氣體的流速可以達到聲速,如同熔體吹膜那樣。具體合適的氣流速率取決于粘度和所期望的紡絲拉伸比,特定的氣流分布是為了穩(wěn)定濺射流,應該與熔體吹膜中的作用相似。
在氣流和流體濺射流的界面出現液體表面的剪切現象。無論高于纏結濃度的聚合物溶液還是聚合物熔體都是粘彈性液體,因此這一剪切力會影響到濺射流的內部結構,這種剪切效應在流體內部的傳輸需要時間并且依賴于剪切力的大小。與氣流產生的剪切力相比較,正如電紡絲過程所述那樣,外電場引起的濺射流伸展來自于電荷的流動,并且不會產生表皮-內核效應。氣流場和靜電勢相結合也可以改變氣-液界面的剪切效應。
由此可見,當加工流體是溶液時,本發(fā)明所用的電吹技術提供了將熱量和溶劑排除出加工區(qū)的有效方法。
本發(fā)明所用靜電場和氣流場相結合的技術主要具有以下優(yōu)點1.擴展了電紡絲或熔體吹膜的流體種類,放寬了流體的粘度、表面張力、聚合物濃度,分子量及分子量分布的要求。
2.在氣流速率、溫度及氣體種類(不限于空氣)中附加變量,進而控制溶劑的揮發(fā)速率、流體濺射流和氣流之間的熱量與物質傳遞。
3.邊界條件的擴展使得產率得到了提高。例如,更快的流體流速可以應用于紡絲過程中,這是在電紡絲過程中無法實現的。在電紡絲中,流體流速超過一定值時將會出現大的液滴,最終由于重力作用而掉下。在氣流存在時,邊界條件完全改變,更快的流體流速可以用于電吹紡絲。
4.兩種驅動力之間的平衡(靜電場和氣流場)可以通過大幅增加氣流流速(比實例應用的流速大10~20倍)和流體的電荷密度(通過加入電荷)而進一步得到擴展。當然實際上氣流的大小受聲速的限制。
對于聚合物熔體或溶液的電吹紡絲,要求聚合物溶液粘度、表面張力、聚合物分子量和溶液濃度在一定范圍內(對于溶液而言),這些參數主要可以通過本發(fā)明在以下的實驗條件范圍內得到控制1.HA(分子量約3百萬)濃度為0.5~8%,適宜濃度為1~5%,最佳濃度為2~3%(wt%)。
2.HA溶液的供料速率為5~150μl/min,適宜值為10~80μl/min,最佳值為30~50μl/min。
3.空氣流的溫度為0~200℃,適宜溫度為25~120℃,最佳溫度為40~90℃。
4.空氣流的速率為0~8.5m3/hr,適宜值為0.28~7.08m3/hr,最佳值為0.85~4.25m3/hr。
5.電場的電壓為1~55kV,適宜值為15~50kV,最佳值為30~45kV。
以下因素在電吹過程中也很重要。
●在電噴絲頭處纏結的聚合物分子會部分解纏,因而鏈纏結行為可能最小化。聚合物的纏結會明顯增加表觀分子尺寸,相應導致粘度的大幅增加。流變學是評價纏結行為的最好方法。
●聚合物溶液應該有足夠高的濃度保證當濺射流到達收集板(地面)時溶劑可以完全除去(或蒸發(fā)),這意味著我們需要用一些方法來達到以下目的(a)優(yōu)化聚合物的分子量及其分布以使c/c*值滿足解纏結的要求,其中c為溶液濃度,c*是纏結濃度,c/c*為約化交纏濃度;(b)使用更易于揮發(fā)的混合溶劑;(c)提供有效地除去濺射流中混合溶劑的方法。
傳統(tǒng)電紡絲過程需要仔細考慮大量的加工參數(如電場強度、電極結構、噴絲頭直徑和溶液的流體速率)和控制HA溶液物理性質(如溶液粘度和表面張力)的分子參數,而HA溶液的電紡絲會因為以下HA溶液的特殊物理性質而變得異常困難HA溶液有很高的粘度這使得準備高濃度的溶液很困難。
HA溶液有很高的表面張力。
因此制備高濃度的HA溶液非常困難,當HA分子量很高時尤其如此。HA被認為是一種高度纏結的聚電解質,由此具有很高的溶液粘度,因此HA溶液的電紡絲意味著需要采取適當措施以減少纏結從而降低溶液粘度;降低表面能。
雖然有很多嘗試希望可以擴大聚合物溶液電紡絲的操作范圍,但結果并不理想。
本發(fā)明是基于氣流拉力和靜電勢相結合而研發(fā)出的,由此解決粘度/表面張力的難題和聚合物溶液濃度相對較低的問題。溫度可控的氣流體系能夠以預期速率揮發(fā)溶劑并穩(wěn)定濺噴射流,因此本發(fā)明的電吹工藝可以消除傳統(tǒng)電紡絲和熔體紡絲工藝對粘度、表面張力、聚合物濃度和溶劑性質等的種種限制,氣流速率、氣體溫度和氣流形狀現在成為納米纖維形成的調控參數。需要指出的是,此處術語“氣體”為合適的氣態(tài)物質,包括但不限于空氣、氮氣、活性氣體、惰性氣體以及上述氣體的混合氣體,首選氣體是空氣和氮氣。
對于不同分子量的其它聚合物而言,濃度可能是不相同的。如在DMF中,聚丙烯腈(PAN)適宜濃度為2~14wt%(飽和濃度),聚氨酯為1~5wt%,乙交酯丙交酯共聚物為10~40wt%。其它參數(如電場、溶液供料速率等)范圍都與濃度密切相關,然而大體與前文所述范圍一致。
本發(fā)明不僅適用于HA,同樣適用于其它一系列的聚合物,包括那些能夠制備出適宜電紡絲的含電荷的或經改性而帶有足夠電荷的溶液或熔體的聚合物。這些適用于本發(fā)明的聚合物有但不限于聚烷氧化物、聚(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯系列聚合物及其共聚物、乙烯基聚合物及其共聚物、含氟聚合物、聚酯、聚氨酯、聚烯烴、聚酰胺、聚芳香酰胺及天然聚合物;更為適用的聚合物包括聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸2-羥乙酯、聚苯乙烯、聚醚酰亞胺、聚碳酸酯、聚己內酯、聚氯乙烯、聚乙交酯、聚丙交酯、聚對二噁酮、乙烯-乙烯醇共聚物、聚丙烯酸、聚醋乙酸乙烯酯、聚芘甲醇、聚乙烯基苯酚、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚苯胺、聚(3,4-多乙烯基二氧噻吩)、聚丙烯、聚乙烯、丁基橡膠、聚氯丁二烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、聚氨酯、聚氨酯脲、聚酰胺酸、聚酯(包括但不限于聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、對苯二甲酸乙二醇酯-鄰苯二甲酸乙二醇酯的共聚物)、聚酰胺(包括但不限于尼龍-6、尼龍-66或尼龍-46等)、聚芳酰胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚苯并咪唑、聚茂鐵二甲基硅烷、淀粉,纖維素乙酸酯、膠原蛋白、纖維蛋白原、家蠶和蓖麻蠶絲的蠶絲蛋白、彈性蛋白-仿生縮氨酸聚合物和酶-脂肪酶。這些聚合物可以單獨使用,也可以使用它們的共聚物、共混物以及含納米填充物的混和物(包括但不限于單壁和多壁碳納米管、碳納米纖維、層狀硅酸鹽、或聚(寡聚硅倍半氧化物))。
制備本發(fā)明所需的聚合物溶液可以使用任何溶劑,只需溶劑在加工過程中可以揮發(fā)即可。適用的溶劑包括但不限于水、Earle’s緩沖液、氯仿、二氯甲烷、丙酮、1,1,2-三氯乙烷、二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)、乙醇、2-丙醇、二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮、乙酸、甲酸、六氟2-丙醇(HFIP)、六氟丙酮、1-甲基-2-吡咯烷酮、低分子量聚乙二醇(PEG)、低分子量氟化石蠟以及以上物質的混合物。
在透明質酸電吹工藝中需要考慮如下重要因素1.吹出的熱空氣在電吹工藝中起著決定性的作用,它能擴展被紡成納米纖維無紡膜的液體范圍,這些液體可具有不同粘度、不同表面張力、不同分子量和分子量分布。
2.高分子量的透明質酸更易于形成纖維,而且能減少珠狀物產生。
3.透明質酸溶液電吹紡絲取決于氣流的溫度、氣流吹出速率、透明質酸的濃度、溶液的給料速率和電場強度。
4.電紡透明質酸纖維的尺寸可以通過改變氣流溫度、氣流吹出速率和透明質酸的濃度來控制。
5.在透明質酸的電吹過程中,當兩極板的距離為9.5cm時電場強度可以從40kV減小到25kV,這使適于規(guī)模生產的透明質酸多噴頭電吹工藝成為可能。
6.不同分子量透明質酸的共混和加入有機溶劑入都可以改善透明質酸的加工性能。
電吹工藝本發(fā)明提出一種新的電吹技術以提高每個噴絲頭的紡絲效率,氣吹系統(tǒng)包括兩個部分氣吹裝置和加熱系統(tǒng)(圖1)。通過一個速率可調控的鼓風器直接控制氣流速率,而氣體的溫度則由加熱控件來控制,此外氣吹系統(tǒng)中因氣流速率不同而造成的氣體局部溫差可以通過噴絲頭的氣體溫度來實現監(jiān)控。氣體流孔環(huán)繞著噴絲頭,并嚴格地與噴絲頭同心排列,氣流則由氣體流孔噴出。本發(fā)明所用的“嚴格同心排列”這一術語不排除在氣體流孔中會存在間隙,但是氣流孔環(huán)繞噴絲頭的方式可以保證噴出的氣流不僅僅存在于形成纖維的一側,這一術語意味著氣流孔至少要圍繞噴絲頭的75%,更為理想的是90%。
在組成和分子量不同的透明質酸(HA)粘溶液的電吹研究中(HA是一種典型的由于粘度過大而不適于電紡的溶液),我們對以下幾項操作條件進行料研究,測試了氣流流量為1.981m3/hr時氣體溫度(39、47和50℃)以及氣體流量(0.991、1.981和2.83m3/hr)的影響,噴絲頭附近氣流(或在容器中)的平均速率是根據氣流的體積和噴絲頭附近氣流的截面估算的。當氣體流量是1.70m3/hr時,平均氣體速率大約是12.5m/sec,也就是說比普遍應用于熔體吹膜法中的速率小約20倍。很顯然,提高氣流速率可以增加液滴所受的拉力。通過對實驗參數的進一步優(yōu)化能夠使每個噴絲頭的生產效率提高一個數量級并且實現低故障或無故障操作,從成本效益的角度上更有利于規(guī)模生產。
恒壓線性液體分布系統(tǒng)本發(fā)明還設計了一套簡單、精確且易于操作的能夠保持流體線性配分的系統(tǒng),該配分系統(tǒng)的簡圖如圖2所示。在一定壓力下液體被周期性地抽吸,通過水平指示器可以實現對容器中溶液量的控制。通過一個反饋回路,電子氣體壓力測量器(控制器)可以被自動調節(jié),因而在溶液容器內的空氣(或者惰性的N2)壓力可以被維持在一個恒定的范圍內。恒定壓力的數值可以根據溶液的粘度、噴絲頭出口的尺寸和氣流速率來調節(jié)。采用這種配分方法的原因之一是減少流體配分系統(tǒng)變量的數目。
大規(guī)模生產設備的建造此外,本發(fā)明還設計了一種大型多噴絲頭電紡設備。這種多噴頭電紡設備的生產效率大約是傳統(tǒng)單噴絲頭電紡設備的450倍(電吹設計使每個噴嘴的生產效率提高了5倍,最佳設計是噴絲板由6行、每行15個噴絲頭呈線性排列組成)。但是,這種大型多噴頭電紡設備也需要精確的、易于維護和低成本大規(guī)模的流體配分系統(tǒng)和電極的清潔系統(tǒng),以實現在電紡過程中的連續(xù)操作。多電極組裝如圖2所示,每一個線性排列中有數量為10到20個電極,最好是15個電極,這些電極使用同一個壓力源和控制系統(tǒng)。多組排列的噴絲頭以同一標準的組件格式進行裝配,這種統(tǒng)一的流體配分和電極線性排列的裝置設計簡圖如圖3所示。圖4為大型多噴絲頭電紡設備的簡單示意圖。通過大型傳送帶將成膜所用的基材送進系統(tǒng),聚合物溶液以極小的壓降配分到多噴絲頭線性排列系統(tǒng)中。該流體線性配分系統(tǒng)安裝在兩根固定于一副精密軌道上的絕緣柱之間,這樣可使該系統(tǒng)沿著傳送帶的方向前后移動。精密軌道可安裝在一個可左右移動的系統(tǒng)中,這樣流體線性配分系統(tǒng)可沿著傳送帶的方向垂直運動,從而保證電紡薄膜厚度的均一分布。加熱元件可以用來控制溶劑的揮發(fā)速率從而提高整個設備的生產效率,傳送帶可以將基材送入不同裝置或輥加工裝置以制備復合薄膜。在同一個轉送帶上可依次配置多套這樣的系統(tǒng)以提高生產效率。
具體實施例方式
實施例簡要描述過該項發(fā)明之后,通過一些特定的參考實例來對其作進一步的了解。本文提供的實例僅僅是為了描述說明,而非是限定的工藝條件,除非另有說明。
如無特殊說明,以下即為透明質酸(HA)電吹工藝條件。
1.質酸(HA)濃度2.5%(w/v),HA-C在酸性水溶液中(MW3.5×106)2.溶液的給料速率40μl/min3.電場電壓40kV4.電極間距9.5cm表1 HA樣品的數據
通過超聲處理制備不同分子量的透明質酸(HA)樣品1.制備1.0%(w/v)的HA-C溶液50ml。
2.利用超聲均質儀在50%的振幅下超聲溶液,時間分別為5分鐘、10分鐘和15分鐘。
3.超聲后的HA-C溶液置于培養(yǎng)皿中加蓋在室溫下干燥一夜。
4.超聲后的溶液溶解在一種溶劑中,制備HA超聲溶液(HA-5,-10,-15)。
實驗中的氣吹系統(tǒng)包括兩個部分氣吹裝置和加熱裝置。氣流速率直接通過氣吹速率控制器控制,氣體溫度通過氣吹系統(tǒng)中的加熱元件控制。另外通過監(jiān)測氣吹系統(tǒng)中由于氣流速率不同而造成的不同區(qū)域的空氣溫差來調整噴絲頭部分的氣體溫度。
在一定的加熱電壓和氣流速率范圍內,吹出氣體在三個不同區(qū)域內的溫度校準見表2。
表2 不同加熱電壓和氣吹流速下的氣體溫度變化 如圖5所示,測量了三個不同區(qū)域的溫度,分別是氣體管出口(A)、噴絲頭(B)和噴絲頭出口(C)。在這三點中,C點的溫度幾乎與溶液溫度相同,這樣C點的溫度(表2中的底紋部分)就可以看作氣吹溫度。
為研究氣吹溫度對整個電吹工藝過程的影響,在1.981m3/hr氣流量下分別采用了三種不同的氣吹溫度(39,47和50℃)。同時,在50V加熱電壓下采用了三種不同的氣流量(0.991,1.782(1.981)和2.83m3/hr)來研究氣流量對于電吹工藝過程的影響。當氣流量為4.245m3/hr時,由于氣流溫度相對過低,所以采用的加熱電壓是60V而不是50V,用以調整溫度。在噴絲頭附近流出氣體(或在容器中)的平均速率是根據流出氣體的體積和在噴絲頭附近的氣體出口截面積來估算的。當氣流量是1.70m3/hr時,平均氣體速率大約是12.5m/sec,也就是說要比普遍應用于熔體吹膜法的速率小20倍。很明顯,可以通過提高氣體流速來增加對溶液的拉力,但是目前的工作更集中在氣流和電場的平衡上。
結果和討論隨著氣流溫度的增加,電吹工藝的結果也隨之得到改善,如圖6所示。當溫度達到57℃時,噴射過程得以穩(wěn)定,從而得到了優(yōu)良的納米纖維。
通??梢酝ㄟ^調控和加快溶劑揮發(fā)的速率來克服高濃度溶液電紡的困難。如圖7所示,當溫度從25℃升高到57℃時,溶液粘度可以降低三倍(從618到192Pa·s at 1s-1),電場強度足以使噴絲頭的液滴形成噴射流。而且當水汽壓力從3.17kPa(25℃)提高到17.32kPa(57℃)后,更利于溶劑的快速蒸發(fā)和纖維的形成。因此,可以說這種電吹工藝另外提供了改變溶液粘度和溶劑蒸發(fā)速率的方法。
為研究氣吹溫度對電紡所得HA納米纖維尺寸大小的影響,將50根不同纖維的平均直徑定義為直徑值。在空氣溫度為37℃時,纖維直徑變化無規(guī)律可言,然而當空氣溫度提高后,纖維直徑平均值隨之增加(見圖8)。在較高溫度下纖維直徑的增加可能是由于溶液干燥速率的增加而引起的,通常干燥速率隨溫度上升而增加,使溶液濃度變化得更快,并使纖維尺寸增加。
●氣流速率的影響除了氣吹溫度以外,氣流速率是影響電吹工藝的又一因素,因為它密切關系到粘度和干燥速率。因此在不同氣體流速下,采用了三種不同濃度(2、2.5和3wt%)的透明質酸(HA)溶液進行電吹,以研究它對透明質酸(HA)膜形成的影響。SEM結果見圖9、10和12。
無論對于何種濃度的溶液來講,當氣流量被提高到1.981m3/hr后電吹性能都得到改善,進一步提高氣流量后電吹性能開始下降,這表明在其它加工參數保持不變得條件下,成功的電吹操作存在一個氣流量的最佳值。通常來講,氣流量對于電吹工藝有正反兩方面的作用提高溶劑蒸發(fā)速率和增加溶液粘度。在本實驗中,直到1.981m3/hr時增加干燥速率的作用都是占主導作用的。然而,當氣體流量大于1.981m3/hr后快速干燥而導致粘度增加占主導的影響地位,導致成膜質量下降。
相比氣吹溫度的兩個正面作用,提高溶劑蒸發(fā)速率和降低溶液粘度,氣流量對于電吹過程的影響相對弱一些,這是因為改變氣流量同時具有正反兩方面的作用。
為闡述氣流量對電紡透明質酸(HA)納米纖維尺寸的影響,將濃度為2.5%的透明質酸(HA)溶液進行電紡,測量所得納米纖維的尺寸(見圖11),2.5%的濃度是目前透明質酸(HA)溶液電吹工藝最合適的濃度。當氣體流量提高到2.83m3/hr后,纖維的直徑開始下降,在目前采用的氣流量范圍內進一步提高氣流量,我們沒有觀察到更進一步的纖維尺寸變化。
因為透明質酸(HA)溶液具有高粘度,難以得到透明質酸(HA)的濃溶液,所以氣流量的增加能提高溶劑的蒸發(fā)速率,進而使透明質酸(HA)聚合物分子鏈在電吹過程中得以伸展。隨著溶劑的揮發(fā),處于高濃度的纏結聚合物鏈會在從噴絲頭到達接收器的過程中被拉伸。但是,隨著溶劑的高速揮發(fā)和溶液濃度的增加,拉伸過程會很快結束,分子鏈不會被進一步拉伸,也就是說對應著紡絲拉伸速率的降低,纖維直徑增大。由此可見,氣流速率和溫度在控制纖維形成過程中起到多重作用,從而通過調節(jié)這些電吹過程的參數來控制膜質量。一般認為在氣體流量達到2.83m3/hr之前分子鏈的伸長因素仍占主要地位。
●HA濃度的影響在酸性條件下制備不同濃度的HA溶液,然后在57℃、1.981m3/hr的熱空氣流中進行電吹紡絲,從而優(yōu)化HA電吹紡絲的其它加工參數。下面實驗結果用來說明HA濃度對電吹HA膜形貌的影響。
如圖13所示,HA溶液的濃度在2.5%到2.7%(w/v)之間表現出很好的電吹加工性能,表明此時為HA電吹的最佳溶劑濃度和溶液粘度。
與高粘度溶液傳統(tǒng)電紡絲類似,電場力可能難以克服流體的粘度/表面張力,導致不能形成穩(wěn)定的濺射流。另一方面,低粘度溶液中聚合物鏈不能夠充分的纏結。因此,鼓風和電場力相結合可增大聚合物溶液用于電紡絲的邊界條件,包括粘度、表面張力、溶液濃度及分子量范圍。這個新技術同時施加氣流和外電場的兩種拉力,HA的電吹為之提供了有力的實證。
處于電紡絲最佳濃度范圍(2.5~2.7%)的HA溶液粘度在100~1000Pa·s之間變化,如圖14所示。如上所述,用于形成纖維的HA-C溶液粘度為30~300Pa·s,另外還發(fā)現用于生產納米纖維的、添加DMF的HA-5溶液的粘度范圍應該是2~20Pa·s。由此可見,該技術能夠成功地在100~1000Pa·s粘度范圍內電吹HA溶液的事實證明將氣流和電場力相結合的重要性。需要指出的是,僅僅從本發(fā)明中的這個特定的例子,即可展示了這種新技術的潛力。在熔體紡絲中需要很高的氣流速率,在本發(fā)明中我們試圖以流體的性質為出發(fā)點使得兩種拉力處于某種平衡,并且將氣體溫度作為一個新的加工參數引入來控制電吹過程。
隨溶液濃度增加,電紡絲HA纖維的直徑從57nm增加到83nm,見圖15。通常,在高濃度條件下少量溶劑會在一定時間內除去,因此在電吹過程中更高的揮發(fā)速率會減小拉伸比,導致更大的纖維直徑。
●溶液給料速率的影響電吹加工中的溶液給料速率是影響電吹工藝的另一個因素,包括生產效率。使用2.5%的HA溶液,在不同的溶液給料速率和氣流量下進行電吹,以說明前者對工藝的影響。
在非最佳的條件下(氣流溫度61℃,氣流量0.991m3/hr)對HA進行電紡絲,當給料速率小于50μl/min時HA溶液表現出相對好的纖維成型能力(圖17)。在更高的給料速率下濺射流變得特別不穩(wěn)定,導致在電吹過程中液滴從噴絲頭掉落。
在最佳的條件下(氣流溫度57℃,氣流量1.981m3/hr)對HA進行電紡絲,當給料速率小于60μl/min時形成的纖維顯示出較好的形貌(圖18),給料速率接近60μl/min時濺射流突然變得不穩(wěn)定。依據這些的初步測試結果并考慮到濺射流的穩(wěn)定性和生產效率,把40μl/min作為首選的給料速率是合理的。
●電場的影響外電場是影響電吹工藝的重要因素。HA的電紡絲要求使用高電壓來獲得足夠大的拉力以使在噴絲頭將液滴拉成濺射流,但是在使用鼓氣系統(tǒng)后外電場強度的要求大大降低。
在不同的電場強度下電吹2.5%的HA溶液來研究外加電場的影響。如圖19所示,當外電場電壓達到24kV時才可以克服溶液的表面張力而形成濺噴射流。濺射流在25kV時開始穩(wěn)定,一致到電壓超過40kV。
纖維直徑的測量結果表明電場強度在電吹過程中沒有顯著影響纖維的直徑,見圖20。
顯然,依于以上描述進一步改進和修改本發(fā)明是可能的。因此,在本發(fā)明權力要求范圍外(見下),本發(fā)明還可能會以不同于此處所描述的方式予以應用。
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權利要求
1.一種電吹紡絲方法包括迫使聚合物流體通過一個噴絲頭,沿某一方向到達正對于噴絲頭的收集器,與此同時通過與所述噴絲頭同心排列的小孔噴出氣體,并使該氣流沿上述方向吹入;靜電勢也是在所述噴絲頭和收集器之間沿該方向產生,并且在該方向上收集纖維。
2.根據權利要求1所述的方法,其中所述的收集過程是通過在上述噴絲頭和收集器之間對聚合物流體施加剪切和拉伸力來實現,在此過程中聚合物流體得到拉伸,并以亞微米的纖維沉積在收集器上。
3.根據權利要求1所述的方法,其中所述的聚合物流體是聚合物熔體。
4.根據權利要求1所述的方法,其中所述的聚合物流體是含聚合物的溶液,包含聚合物和溶劑。
5.根據權利要求4所述的方法,其中所述的含聚合物的溶液是由兩種或兩種以上聚合物以及一種或多種溶劑組成的混合物。
6.根據權利要求1所述的方法,其中所述的聚合物流體包括聚合物懸浮液,它包含一種聚合物和一種溶劑,顯然包含懸浮顆粒。
7.根據權利要求6所述的方法,其中所述的聚合物懸浮液是由兩種或兩種以上聚合物以及一種或多種溶劑組成的混合物,顯然它包含懸浮顆粒。
8.根據權利要求1所述的方法,其中所述的靜電差是在所述噴絲頭和收集器之間加載靜電場而產生的。
9.根據權利要求1所述的方法,其中所述的靜電差是向二級電極和所述收集器施加靜電場而產生的。
10.根據權利要求1所述的方法,其中所述的氣體選自空氣、氮氣、活性氣體、惰性氣體和它們的混合物。
11.根據權利要求10所述的方法,其中所述的氣體是空氣。
12.根據權利要求1所述的方法,其中所述的氣體是加熱過的。
13.根據權利要求1所述的方法,其中所述的氣體是冷卻過的。
14.根據權利要求13所述的方法,其中所述的氣體冷卻溫度范圍是-50~350℃。
15.根據權利要求1所述的方法,其中所述的聚合物流體由下述一類或多類聚合物組成,它們?yōu)橥该髻|酸、聚環(huán)氧乙烷、聚(甲基)丙烯酯、苯乙烯的聚合物和共聚物、乙烯基聚合物和共聚物、氟聚合物、聚酯、聚氨酯、聚烯烴、聚酰胺、芳香族聚酰胺、天然聚合物和共聚物以及它們的混合物。
16.根據權利要求1所述的方法,其中所述的聚合物流體由下述一種或多種聚合物組成,它們是透明質酸、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(甲基丙烯酸2-羥乙基)、聚苯乙烯、聚醚亞胺、聚碳酸酯、聚己內酯、聚氯乙烯、聚乙交酯、聚丙交酯、聚對二惡酮、乙烯乙烯醇共聚物、聚丙烯酸、聚乙酸乙烯酯、聚芘甲醇、聚羥基苯乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚苯胺、聚(3,4-多乙烯基二氧噻吩)、聚丙烯、聚乙烯、丁基橡膠、聚氯丁二烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、聚氨酯、聚氨酯脲、聚酰胺酸、聚酯、聚酰胺、香族聚酰胺、聚(對苯二酰對苯二胺)、聚苯咪唑、聚二茂鐵二甲基硅烷、淀粉、纖維素乙酸酯、膠原質、纖維蛋白原、血清纖維結合蛋白、家蠶和蓖麻蠶的蠶絲蛋白、彈力蛋白擬態(tài)的肽聚合物、酶-脂肪酶、核酸、多糖以及它們的共聚物和混合物。
17.根據權利要求16所述的方法,其中所述的聚合物流體選自透明質酸、透明質酸的共聚物及其混合物。
18.根據權利要求17所述的方法,其中所述的聚合物流體是含透明質酸的溶液,它由一種溶劑和含量為0.01~8wt%的透明質酸、透明質酸共聚物或它們的混合物所組成。
19.根據權利要求18所述的方法,其中所述的溶劑選自水、Earle′s緩沖液、氯仿、二氯甲烷、丙酮、1,1,2-三氯乙烷、二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)、甲醇、乙醇、2-丙醇、二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮、乙酸、甲酸、六氟-2-丙醇(HFIP)、六氟丙酮、1-甲基-2-吡咯烷酮、甘油、低分子量聚乙二醇、低分子量石蠟、低分子量含氟碳氫化合物、低分子量碳氟化合物以及它們的混合物。
20.根據權利要求1所述的方法,其中所述的靜電差為1~100kV。
21.根據權利要求20所述的方法,其中所述的靜電差為15~50kV。
22.根據權利要求21所述的方法,其中所述的靜電差為30~45kV。
23.根據權利要求1所述的方法,其中所述的氣體是以低于聲速的速度吹入的。
24.根據權利要求23所述的方法,其中所述的氣體是以不高于8.5m3/hr的速度吹入的。
25.根據權利要求24所述的方法,其中所述的氣體是以0.28~7.08m3/hr的速度吹入的。
26.根據權利要求25所述的方法,其中所述的氣體是以0.85~4.25m3/hr的速度吹入的。
27.根據權利要求12所述的方法,其中所述的氣體的加熱溫度到不高于350℃。
28.根據權利要求27所述的方法,其中所述的氣體的加熱溫度范圍是25~120℃。
29.根據權利要求28所述的方法,其中所述的氣體的加熱溫度范圍是40~90℃。
30.根據權利要求13所述的方法,其中所述的氣體的冷卻溫度到不低于-100℃。
31.根據權利要求30所述的方法,其中所述的氣體的冷卻溫度范圍是-50~25℃。
32.根據權利要求31所述的方法,其中所述的氣體的冷卻溫度范圍是-20~10℃。
33.根據權利要求1所述的方法,其中所述的聚合物流體的電荷含量可通過注入靜電荷而增加。
34.根據權利要求1所述的方法,其中所述的收集器保持-20~80℃的溫度范圍。
35.根據權利要求4所述的方法,其中所述的氣體是在氣流速率和氣流溫度都足以在纖維到達所述收集器之前使所述溶劑有效揮發(fā)的條件下吹入的。
36.根據權利要求1所述的方法,其中所述的靜電差是由在所述收集器和所述噴絲頭之間施加靜電勢而形成的。
37.透明質酸的納米纖維的直徑為10~1000nm。
38.透明質酸纖維通過權利要求1中的方法生產。
39.生物醫(yī)用材料包括權利要求37所述的透明質酸納米纖維。
40.生物醫(yī)用材料包括權利要求38所述的透明質酸納米纖維。
全文摘要
提供了一種電吹纖維的制備方法,包括如下步驟使高分子在某一方向流過噴絲頭,被正對噴絲頭的接受器接收,同時從排列在噴絲頭周圍與噴絲頭共中心的孔里吹氣,吹氣方向同上述方向一致;在噴絲頭和接受器之間形成靜電場;收集纖維,制備出不同類型的亞微米尺度的纖維,尤其是透明質酸纖維,進而獲得透明質酸的納米纖維。
文檔編號D01D5/26GK1823184SQ200480020219
公開日2006年8月23日 申請日期2004年10月1日 優(yōu)先權日2003年10月1日
發(fā)明者朱鵬年, 蕭守道, 方渡飛, 岡本彰夫, 韓志超 申請人:中國科學院化學研究所, 美國石溪技術與應用研究股份有限公司