專利名稱：具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置及制備方法。
背景技術(shù)：
纖維素及其衍生物具有聚合度高、分子取向度好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，并且由于其在自然界中分布極為廣泛，而已被大量應(yīng)用于國(guó)民生活的各個(gè)領(lǐng)域，如紡織、卷煙、醫(yī)藥食品等行業(yè)。傳統(tǒng)的制備纖維素類纖維的方法包括，溶液紡絲、熔融紡絲以及液晶紡絲等，但是通過(guò)上述方法制備的纖維素類纖維直徑大小最低也只能是幾個(gè)微米，由于纖維直徑大而無(wú)法完全滿足組織工程、藥物緩釋等一些特殊應(yīng)用方面的需求。近年來(lái)，靜電紡絲技術(shù)作為一種可制備直徑分布在幾百個(gè)納米到幾個(gè)微米范圍內(nèi)纖維的簡(jiǎn)單有效的方法，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。該法通過(guò)在聚合物溶液中施加外加電場(chǎng)，使帶電液體流受電場(chǎng)力拉伸并形成噴射細(xì)流，在此過(guò)程中細(xì)流經(jīng)相分離、溶劑揮發(fā)和固化，最后沉積在收集裝置上形成聚合物纖維。迄今為止，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的超細(xì)纖維膜已經(jīng)應(yīng)用在過(guò)濾、反應(yīng)催化劑載體、超疏水材料、組織工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。 但現(xiàn)有傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)具有產(chǎn)率低且難以實(shí)現(xiàn)批量化制備的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置及方法，克服現(xiàn)有條件下無(wú)法制備小尺寸、高性能納米纖維素類纖維膜的缺點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置，其特征在于，包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的滑臺(tái)，供液注射泵設(shè)于滑臺(tái)上，當(dāng)滑臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，供液注射泵沿滑臺(tái)移動(dòng)，供液注射泵固定連接至少一個(gè)噴絲頭，噴絲頭的前方設(shè)有旋轉(zhuǎn)式接收裝置，噴絲頭和旋轉(zhuǎn)式接收裝置皆連接高壓電源，滑臺(tái)和旋轉(zhuǎn)式接收裝置的轉(zhuǎn)軸皆連接電動(dòng)機(jī)和速度控制器。優(yōu)選地，所述的旋轉(zhuǎn)式接收裝置為滾筒收集器。更優(yōu)選地，所述的滾筒收集器的材料為鋁箔、銅網(wǎng)、織物或無(wú)紡布。優(yōu)選地，所述的噴絲頭的個(gè)數(shù)為5-20個(gè)。本發(fā)明還提供了一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，采用上述制備裝置，其特征在于，具體步驟為
第一步將纖維素類聚合物用溶劑溶解，得到性質(zhì)均一的聚合物溶液； 第二步將第一步得到的聚合物溶液以恒定的流速輸入到噴絲頭上進(jìn)行靜電紡絲，噴射的溶液細(xì)流通過(guò)電場(chǎng)力拉伸至納米級(jí)，經(jīng)揮發(fā)溶劑后用旋轉(zhuǎn)式接收裝置收集，得到具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜。所述第一步中的纖維素類聚合物優(yōu)選為羥丙基纖維素，羥乙基纖維素，羧甲基纖維素，甲基纖維素，乙基纖維素，乙基氰乙基纖維素，醋酸纖維素，三醋酸纖維素，醋酸丁酸纖維素，纖維素醋酸丙酸酯，纖維素磷酸酯以及纖維素中的一種或二種以上的混合物。
所述第一步中的溶劑優(yōu)選為多聚甲醛，二甲基亞砜，N, N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，尿素，氫氧化鈉，4-甲基嗎啉-N-氧化物，丙酮，醋酸，無(wú)水乙醇，四氫呋喃，二氯甲烷，二氯乙烷，環(huán)己烷，六氟異丙醇以及三氟一醇中的一種或二種以上的混合物。所述第一步中的攪拌速度優(yōu)選為10_200rpm。所述第二步中的靜電紡絲時(shí)所用的電壓為10-30千伏，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為0. 5-3毫升/小時(shí)。所述第二步中的靜電紡絲時(shí)的接收距離為10-30厘米。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)如下
(1)本發(fā)明制得的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜，具備纖維尺寸小、孔隙率高、比表面積大和纖維均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于過(guò)濾、防護(hù)材料，組織工程和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。(2)本發(fā)明采用的制備具有納米結(jié)構(gòu)纖維的靜電紡絲技術(shù)，具有制造裝置簡(jiǎn)單， 紡絲條件可控，聚合物選擇廣泛和紡絲成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多噴絲頭設(shè)計(jì)和噴絲頭供液的精確調(diào)控可有效提高靜電紡纖維產(chǎn)率和質(zhì)量，是納米纖維材料由實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)批量化制造的重要途徑之一。


圖1為具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1
如圖1所示，為具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖，所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置，包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的滑臺(tái)4，供液注射泵3設(shè)于滑臺(tái)4上， 當(dāng)滑臺(tái)4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，供液注射泵3沿滑臺(tái)4移動(dòng)，供液注射泵3固定連接噴絲頭7，噴絲頭7的前方設(shè)有旋轉(zhuǎn)式接收裝置1 (即滾筒收集器)，噴絲頭7和旋轉(zhuǎn)式接收裝置1皆連接高壓電源2，滑臺(tái)4和旋轉(zhuǎn)式接收裝置1的轉(zhuǎn)軸皆連接電動(dòng)機(jī)6和速度控制器5。使用時(shí)，將紡絲溶液通過(guò)供液注射泵3輸送到噴絲頭7，接通高壓電源2開(kāi)始靜電紡絲，通過(guò)調(diào)節(jié)滾筒收集器以及滑臺(tái)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整纖維素類纖維膜的厚度和孔隙率。實(shí)施例2
使用實(shí)施例1所述的裝置，在室溫25°C下，將3g醋酸丁酸纖維素(重均分子量70000g/ mol)加入到盛有7g的醋酸/丙酮(重量比1/3)溶液的密閉容器中，在磁力攪拌機(jī)上以轉(zhuǎn)速 50rpm激烈攪拌直至醋酸丁酸纖維素完全溶解，溶液呈無(wú)色透明液體，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 的醋酸丁酸纖維溶液。在室溫25°C的條件下，將配制好的醋酸丁酸纖維素溶液在高電壓條件下進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲條件為環(huán)境相對(duì)濕度40%，電壓25kV，噴絲頭的個(gè)數(shù)為5個(gè)，滾筒收集器以及噴絲頭的移動(dòng)速度分別為50 rpm和5 m/min，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為2mL/h， 接收距離12cm，紡絲時(shí)間30min。滾筒收集器的材料為銅網(wǎng)，纖維平均直徑為lOOnm，直徑范圍為80-130 nm、比表面積為18 m2/g。
實(shí)施例3
使用實(shí)施例1所述的裝置，在室溫25。C下，將1. 25g醋酸纖維素(數(shù)均分子量30，000) 加入到8. 75g的丙酮/ 二甲基乙酰胺(重量比2/1)溶液中，在磁力攪拌機(jī)上以轉(zhuǎn)速70rpm 激烈攪拌直至醋酸纖維素完全溶解，溶液呈無(wú)色透明液體，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12. 5%的醋酸丁酸纖維溶液。在室溫25°C的條件下，將配制好的醋酸纖維素溶液在高電壓條件下進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲條件為環(huán)境相對(duì)濕度40%，電壓15kV，噴絲頭的個(gè)數(shù)為20個(gè)，滾筒收集器以及噴絲頭的移動(dòng)速度分別為50 rpm和10 m/min，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為2mL/ h，接收距離10cm。滾筒收集器的材料為鋁箔，纖維平均直徑為150nm，直徑范圍為100-180 nm、比表面積為12 m2/go實(shí)施例4
使用實(shí)施例1所述的裝置，在室溫25°C下，將1. 5g羥丙基纖維素(重均分子量SOOOOg/ mol)加入到8. 5g的異丙醇溶劑中，在磁力攪拌機(jī)上以轉(zhuǎn)速70rpm激烈攪拌直至羥丙基纖維素完全溶解，溶液呈無(wú)色透明液體，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的羥丙基纖維素溶液。在室溫25°C的條件下，將配制好的羥丙基纖維素溶液在高電壓條件下進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲條件為環(huán)境相對(duì)濕度40%，電壓20kV，噴絲頭的個(gè)數(shù)為10個(gè)，滾筒收集器以及噴絲頭的移動(dòng)速度分別為50 rpm和10 m/min，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為1. 2mL/ h，接收距離15cm。滾筒收集器的材料為銅網(wǎng)，纖維平均直徑為90nm，直徑范圍為70-120 nm、比表面積為20 m2/g。實(shí)施例5
使用實(shí)施例1所述的裝置，在室溫25°C下，將1. 5g乙基纖維素加入到13. 5g的四氫呋喃溶劑中，在磁力攪拌機(jī)上以轉(zhuǎn)速SOrpm激烈攪拌直至乙基纖維素完全溶解，溶液呈無(wú)色透明液體，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙基纖維素溶液。在室溫25°C的條件下，將配制好的乙基纖維素溶液在高電壓條件下進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲條件為環(huán)境相對(duì)濕度40%，電壓20kV，噴絲頭的個(gè)數(shù)為10個(gè)，滾筒收集器以及噴絲頭的移動(dòng)速度分別為50 rpm和10 m/min，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為2mL/ h，接收距離15cm。滾筒收集器的材料為鋁箔，纖維平均直徑為200nm，直徑范圍為150-230 nm、比表面積為8m2/g。實(shí)施例6
使用實(shí)施例1所述的裝置，在室溫25°C下，將0. 3g原棕棉纖維纖維素(重均分子量 50000g/mol)加入到24. 7g的氯化鋰/ 二甲基乙酰胺混合溶劑中，在磁力攪拌機(jī)上以轉(zhuǎn)速 90rpm激烈攪拌直至原棕棉纖維纖維素完全溶解，溶液呈無(wú)色透明液體，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1. 2%的原棕棉纖維纖維素溶液。在室溫25°C的條件下，將配制好的原棕棉纖維纖維素溶液在高電壓條件下進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲條件為環(huán)境相對(duì)濕度40%，電壓25kV，噴絲頭的個(gè)數(shù)為10個(gè)，滾筒收集器以及噴絲頭的移動(dòng)速度分別為60 rpm和5 m/min，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為3mL/ h，接收距離15cm。滾筒收集器的材料為鋁箔，纖維平均直徑為lOOnm，直徑范圍為80-120 nm、比表面積為18 m2/go實(shí)施例7使用實(shí)施例1所述的裝置，在室溫25°C下，將1.5g乙基氰乙基纖維素(重均分子量 60000g/mol)加入到13. 5g的四氫呋喃溶劑中，在磁力攪拌機(jī)上以轉(zhuǎn)速80rpm激烈攪拌直至乙基氰乙基纖維素完全溶解，溶液呈無(wú)色透明液體，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙基氰乙基纖維素溶液。在室溫25°C的條件下，將配制好的原棕棉纖維纖維素溶液在高電壓條件下進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲條件為環(huán)境相對(duì)濕度40%，電壓30kV，噴絲頭的個(gè)數(shù)為10個(gè)，滾筒收集器以及噴絲頭的移動(dòng)速度分別為60 rpm和10 m/min，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為2mL/h，接收距離15cm。滾筒收集器的材料為鋁箔，纖維平均直徑為200nm，直徑范圍為 150-230 nm、比表面積為 8 m2/g。對(duì)比例
在70°C下，將22g纖維素漿粕(重均分子量80000g/mol)于真空干燥箱中干燥12h，加入到178g離子液體[BMIM]C1 (1—丁基一3—甲基咪唑氯化物)溶劑中，在捏合機(jī)中以轉(zhuǎn)速 20rpm激烈攪拌直至纖維素完全溶解，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%的纖維素溶液。隨后在恒定壓力下進(jìn)行干濕法紡絲。具體紡絲條件為紡絲板孔徑為0. 145mm,紡絲溫度85°C ；壓力0. 5MPa ；氣隙長(zhǎng)度IOcm ；凝固浴為水。由該體系紡制的纖維具有纖維素 II晶型的結(jié)構(gòu)，纖維平均直徑為2.5 μ m，直徑范圍為2-4 μ m，比表面積為0. 5 m2/g。而由本發(fā)明方法制得的纖維素纖維，其平均直徑僅為200nm，較之濕法紡絲纖維平均直徑大幅度減小，達(dá)到納米級(jí)纖維。
權(quán)利要求
1.一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置，其特征在于，包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的滑臺(tái) (4)，供液注射泵(3)設(shè)于滑臺(tái)(4)上，當(dāng)滑臺(tái)(4)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，供液注射泵(3)沿滑臺(tái)(4)移動(dòng)， 供液注射泵(3 )固定連接至少一個(gè)噴絲頭(7 )，噴絲頭(7 )的前方設(shè)有旋轉(zhuǎn)式接收裝置(1)， 噴絲頭(7 )和旋轉(zhuǎn)式接收裝置(1)皆連接高壓電源(2 )，滑臺(tái)(4 )和旋轉(zhuǎn)式接收裝置(1)的轉(zhuǎn)軸皆連接電動(dòng)機(jī)(6 )和速度控制器(5 )。
2.如權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)式接收裝置(1)為滾筒收集器。
3.如權(quán)利要求2所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置，其特征在于，所述的滾筒收集器的材料為鋁箔、銅網(wǎng)、織物或無(wú)紡布。
4.如權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置，其特征在于，所述的噴絲頭(7)的個(gè)數(shù)為5-20個(gè)。
5.一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的制備裝置，具體步驟為第一步將纖維素類聚合物用溶劑溶解，得到性質(zhì)均一的聚合物溶液；第二步將第一步得到的聚合物溶液以恒定的流速輸入到噴絲頭(7)上進(jìn)行靜電紡絲，噴射的溶液細(xì)流通過(guò)電場(chǎng)力拉伸至納米級(jí)，經(jīng)揮發(fā)溶劑后用旋轉(zhuǎn)式接收裝置(1)收集， 得到具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜。
6.如權(quán)利要求5所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，其特征在于，所述第一步中的纖維素類聚合物為羥丙基纖維素，羥乙基纖維素，羧甲基纖維素，甲基纖維素，乙基纖維素，乙基氰乙基纖維素，醋酸纖維素，三醋酸纖維素，醋酸丁酸纖維素，纖維素醋酸丙酸酯，纖維素磷酸酯以及纖維素中的一種或二種以上的混合物。
7.如權(quán)利要求5所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，其特征在于，所述第一步中的溶劑為多聚甲醛，二甲基亞砜，N, N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，尿素，氫氧化鈉，4-甲基嗎啉-N-氧化物，丙酮，醋酸，無(wú)水乙醇，四氫呋喃，二氯甲烷，二氯乙烷，環(huán)己烷，六氟異丙醇以及三氟一醇中的一種或二種以上的混合物。
8.如權(quán)利要求5所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，其特征在于，所述第一步中的攪拌速度為10-200rpm。
9.如權(quán)利要求5所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，其特征在于，所述第二步中的靜電紡絲時(shí)所用的電壓為10-30千伏，溶液輸入到每個(gè)噴絲頭上的速度為 0. 5-3毫升/小時(shí)。
10.如權(quán)利要求5所述的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備方法，其特征在于，所述第二步中的靜電紡絲時(shí)的接收距離為10-30厘米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜的制備裝置及方法。所述的裝置包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的滑臺(tái)，供液注射泵設(shè)于滑臺(tái)上，當(dāng)滑臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，供液注射泵沿滑臺(tái)移動(dòng)，供液注射泵固定連接至少一個(gè)噴絲頭，噴絲頭的前方設(shè)有旋轉(zhuǎn)式接收裝置，噴絲頭和旋轉(zhuǎn)式接收裝置皆連接高壓電源，滑臺(tái)和旋轉(zhuǎn)式接收裝置的轉(zhuǎn)軸皆連接電動(dòng)機(jī)和速度控制器。所述的方法為將纖維素類聚合物用溶劑溶解，得到性質(zhì)均一的聚合物溶液；將聚合物溶液以恒定的流速輸入到噴絲頭上進(jìn)行靜電紡絲，得到具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜。本發(fā)明制得的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素類纖維膜，具備纖維尺寸小、孔隙率高、比表面積大和纖維均勻性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)D04H1/72GK102277689SQ201110205230
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者丁彬, 俞建勇, 胡娟平, 趙帆 申請(qǐng)人:東華大學(xué)